双轴励磁电流源同步机视角下跟网/构网设备建模及其互联系统同步稳定性分析

随着大规模新能源和电力电子技术的发展，电力系统逐渐形成了构网设备和跟网设备互联的形态，其中典型构网设备主要包括虚拟同步机和同步机，典型跟网设备包括锁相环型变流器。同步稳定是大电网运行的基础，但由于构网设备与跟网设备的同步机制存在很大差异，使得互联系统同步稳定分析极为困难。为此，该文从物理上借助双励同步机的概念，构建可以统一构网设备和跟网设备的等效结构，在数学上提出描述设备同步特性的通用建模思路，建立基于双励电流源同步机的互联系统同步稳定分析模型。进一步，给出互联系统同步稳定的数学定义和小扰动同步稳定的充分条件。最后，在MATLAB/Simulink仿真平台验证模型与分析的合理性。     

跟网型新能源附加频率控制对频率稳定及小扰动同步稳定影响分析综述EI北大核心CSCD

大规模新能源并网导致系统惯量降低,对新能源调频能力提出需求,新能源附加频率控制在为电网提供频率支撑的同时,也可能对系统的稳定运行带来挑战。该文从新能源电力系统稳定分类出发,聚焦频率稳定与小扰动同步稳定性问题,归纳总结低频段频率振荡、同步机功角振荡、锁相环相角振荡及振荡耦合的特征、机理、模型及影响因素。在此基础上,分析了新能源调频特性,深入探讨了附加惯性控制、一次调频控制以及调频响应延时参数等对几类振荡问题的影响机理与趋势,以系统性认识跟网型新能源附加频率控制与同步机机电动态及变流器不同控制环节的交互影响作用。最后,对相关技术方向进行展望,希望能够为新能源参与调频相关参数设计及高比例新能源系统稳定运行提供参考和支撑。     

考虑直流侧动态的跟网型变换器稳定性分析

目前大部分关于并网变换器的研究忽略直流侧动态,在直流侧使用恒定电压源,一定程度上影响小干扰稳定性分析。本文主要考虑直流侧动态对跟网型变换器进行建模及稳定性分析。首先,分析了新能源场站并网系统直流侧可等效为电压源和受控电流源的适用条件,论证了并网变换器建模时考虑直流侧动态的必要性。随之建立了考虑直流侧动态的跟网型变换器谐波状态空间 (harmonic state-space, HSS) 阻抗模型。其次,在不同电网强度下,通过伯德判据对不同直流侧结构的系统进行稳定性分析,揭示了电网强度对跟网型变换器稳定性的影响机理。然后,分析了锁相环、电流环、滤波环节对系统阻抗特性的影响。理论分析与电磁暂态仿真结果表明弱电网条件下,锁相环与电网呈现强交互作用,降低了系统的小干扰稳定性,考虑直流侧动态的系统临界短路比更大。     

基于CCIs/VSGs混合的分布式发电系统研究

针对现有电流源并网逆变器与弱电网之间的交互稳定性以及新能源高渗透率带来的系统低惯量问题,提出在单一电流源逆变器系统中加入一定比例的虚拟同步机(VSG)运行。分别对混合系统中加入电压源型和电流源型VSG的容量占比与短路比(SCR)稳定域的关系进行了研究,加入电压源型VSG的系统SCR稳定域随VSG容量增大而增大,而加入电流源型VSG的系统SCR稳定域随VSG容量增大而减小。由此提出在单一电流源逆变器系统中加入一定比例双模式VSG,以实现混合系统一定的惯量储备及全SCR范围稳定运行。     

考虑构网型与跟网型逆变器交互的孤岛微电网小信号稳定性分析

随着新能源在电力系统中的渗透率越来越高,低惯性成为以新能源为主体的新型电力系统的重要特征,极大影响了系统的同步稳定运行能力。由于缺少大电网的频率支撑,孤岛微电网在故障扰动下将产生频率偏移现象。同时考虑新能源渗透率和频率偏移的影响,研究低惯量孤岛微电网的小信号稳定性。低惯量微电网由构网型逆变器和跟网型逆变器组成,其中构网型逆变器采用虚拟同步机控制策略。首先建立了孤岛微电网的全阶小信号模型。应用特征值分析法,揭示了2种类型逆变器的功率渗透率对微电网系统小信号稳定性的影响规律。进一步利用参与因子法分析了系统参数和控制参数对微电网系统稳定性的影响程度。最后仿真结果验证了理论分析的准确性。研究成果为低惯量微电网中2类逆变器的容量规划、参数设计和控制器优化提供了理论支撑,旨在提高微电网的小扰动同步稳定性。     

考虑源端特性的虚拟同步直驱风机小信号建模与稳定性分析

传统虚拟同步机并网模型将直流侧等效为理想的直流电压源,难以匹配风电、光伏等动态特性复杂的分布式电源。为准确表征源端为直驱风机的虚拟同步机动态特性,首先建立了虚拟同步直驱风机并网系统的精细化小信号模型。在此基础上结合参量根轨迹和主导状态变量,分析了模型参数对稳定性的影响。随后,针对重合特征根提出基于运动轨迹差异的误差衡量指标,对比分析了传统虚拟同步机与虚拟同步直驱风机并网模型所得特征根的差异性。结果表明传统虚拟同步机并网模型因无法涵盖与直驱风机运行特性有关的主导特征根,在直驱风机惯量不匹配、频率下降或者线路阻抗变化时,稳定性分析不准确。最后,搭建虚拟同步直驱风机并网系统仿真模型,进一步验证了所提模型的精确性和结论的准确性。     

采用多元线性回归方法分析短路比对风电并网系统小干扰稳定性的影响

短路比对风电并网系统的小干扰稳定性有重要影响，常规机理性或仿真分析仅关注特定场景下参数的影响，而缺乏全工况下的宏观把握，文章提出多元线性回归方法来解决这一问题。首先介绍风电并网系统中重点关注的两类小干扰稳定性(包括同步稳定性和次/超同步振荡稳定性)的机理与分析方法；其次回顾新能源场景下单机系统短路比定义；然后构建基于多元线性回归的统计性分析方法，通过对大量判稳算例进行回归分析来总体评估小干扰稳定性的影响因素；最后将所述方法分别应用于直驱和双馈风电机组并网系统，分析了短路比对同步稳定性和次/超同步振荡稳定性影响的量化特征。研究结果可用于指导短路比指标在风电系统小干扰稳定性评估中的应用。     

基于单调系统理论的光伏并网系统暂态电压稳定性分析

随着新能源机组大量并网，现代电力系统电压稳定问题日益突出，亟需有效的电压稳定分析方法。基于单调系统理论，对光伏并网的电力系统电压稳定性进行了分析。通过模块化求导方法，证明了电力系统暂态电势子系统的雅可比矩阵符号特性满足互联单调系统条件，进而基于互联单调系统小增益定理对电力系统暂态电势子系统进行稳定性分析，并采用增益函数雅可比矩阵谱半径作为系统平衡点渐近稳定性的判据。借助特殊矩阵论，量化分析了部分电网参数对增益函数雅可比矩阵谱半径的影响，以此作为变流器控制参数设置的理论依据。在10机39节点系统中对上述结论进行了验证。仿真算例结果表明运行在单位功率因数下的跟网型变流器会增加谱半径对同步发电机参数的灵敏度，并导致系统鲁棒性变差；构网型变流器的无功功率-电压下垂系数的增加和出口电抗的减小能够增强系统的电压稳定性。     

构网型和跟网型电力电子装备混联系统惯量响应的匹配问题综述

构网型和跟网型电力电子装备具有异质化调频特性,导致2类装备交直流混联系统惯量响应阶段的动态交互作用机理复杂,传统的惯量参数匹配原则难以优化系统频率响应的问题。阐述了电力电子装备系统的惯量响应匹配问题,并对现有电压源型变流器的调频控制方法进行了概述。从功频响应分析方法、调频功率分配原则和频率响应特性3个方面对电力电子装备系统惯量配置问题的研究现状展开梳理。对电力电子装备混联系统的统一建模及惯量响应匹配问题提出了研究思路,旨在通过惯量支撑功率的匹配控制提升低惯量电力系统的频率稳定性,从系统层面为高比例电力电子装备友好并网提供基础理论和关键技术支撑。     

基于VSG的永磁直驱风电机组惯量支撑控制策略

风电并网容量比重不断加大,减弱了系统的调频能力与惯量支撑能力,电网失稳日益严重。针对这些问题提出了基于虚拟同步机（VSG）的永磁直驱风电机组的控制方案。模仿同步机的功频控制特点,使系统具有惯量响应能力。风电机组经PWM变流器并网,在机侧变流器利用直流电压外环和电流内环控制,维持直流母线电压稳定,VSG从网侧变流器接入,通过设计有功频率和无功电压控制方案,对系统进行调频、调压。使用Matlab软件搭建模型,调整仿真参数,仿真结果表明,该控制方案使系统可以模拟同步发电机的惯量响应特性,能够有效地解决由于风速或者电网负荷改变引起的频率震荡问题。     

新能源电力系统并网设备小扰动稳定分析(二):导出机理与稳定性分类探讨

该文第一部分从稳定性等价、标称性和鲁棒性3个角度,提出稳定分析方法/判据适应性的定性原则和量化评估指标。第二部分将进一步针对同步机、变流器和双馈机组等典型设备,分析现有稳定判据的适用性及判据对应的失稳物理解释是否合理,并从主导输出变量角度探讨稳定问题的分类方法。首先,利用所提评估指标,验证现有同步机低频振荡和次同步振荡/谐振的稳定分析方法和物理解释的合理性;其次,利用所提评估指标分析变流器和双馈机组振荡问题,探讨其适用的稳定判据、导出机理及主导输出变量;最后,提出基于物理机理及主导输出变量的设备稳定性分类新思路,从矢量角度将设备稳定性分为相角主导的同步稳定、幅值主导的电压稳定和它们特殊组合而成的电气谐振3类。同时还探讨宽频带振荡概念、设备稳定和系统稳定间的联系及稳定性分类的可拓展性等问题。     

新能源发电经换流器并网系统的稳定性分析与控制综述

高比例经换流器连接的新能源发电深刻改变了电力系统的动态行为，受扰后振荡失稳风险的增加，严重威胁系统的安全稳定运行。针对换流器并网系统稳定性分析与相关控制领域进行综述。阐述了跟网型（grid-following，GFL）、构网型（grid-forming，GFM）换流器的基本原理及其适用于稳定性分析的自治系统与切换系统模型。归纳了现有小干扰与大干扰稳定性分析方法的核心思想和优劣势。从小干扰与大干扰角度梳理了现有换流器并网系统镇定控制及其适用场景。总结了换流器并网系统稳定性分析与控制中亟待解决的重点问题，展望了换流器并网系统稳定与控制的未来研究方向，为新能源并网系统的运行控制提供借鉴。     

抑制直驱风电并网系统次/超同步振荡的储能变流器有源阻尼控制方法

为应对直驱风电并网系统接入弱电网引发的次/超同步振荡问题,针对储能变流器提出了一种改进的有源阻尼控制方法,建立了考虑所提有源阻尼控制方法的储能变流器序阻抗模型,并分析了含储能变流器的直驱风电并网系统阻抗特性。在次/超同步振荡频段,并网系统阻抗幅值较低且部分呈容性,当输出功率增大、电网短路比降低或锁相环带宽减小时,容易与感性电网阻抗发生交互,从而诱发次/超同步振荡。然后,考虑不同有源阻尼控制参数对系统稳定性的影响,并给出选取参数的方法,使直驱风电并网系统的正负序相角裕度大于零或幅频特性不与电网阻抗发生交截。分析结果表明,所提有源阻尼控制方法能够有效改善直驱风电并网系统的阻抗特性,在更为复杂恶劣的条件下,耗散振荡能量,抑制次/超同步振荡,增强系统的稳定性。最后,通过仿真验证分析的正确性。     

基于匹配控制的构网型直驱风电场次同步振荡机理与特性研究

近年来,具有低时延和惯量同步等优势的匹配控制成为主流构网型控制方案之一,但基于匹配控制的构网型直驱风电场的次同步振荡机理及特性尚不明确。因此,该文建立构网型直驱风电场并网系统的小信号模型,通过特征值法分析了系统的振荡模态及参与因子,并借鉴同步机中阻尼转矩法分析构网型直驱风电场的次同步振荡机理。结果表明,构网型直驱风电场中匹配控制主导的振荡模态在强电网下呈现负阻尼特性,系统存在次同步振荡的风险,但匹配控制振荡模态相较于跟网型控制的锁相环振荡模态具有更好的弱电网适应能力;匹配控制振荡模态存在类似于同步机转子运动方程的动态特性,使得构网型直驱风电场可能发生弱阻尼振荡;减小交流电网强度或无功控制器积分系数,增大构网型直驱风机台数或无功控制器比例系数,能够增大匹配控制振荡模态的阻尼,降低系统次同步振荡风险。     

光储系统电网侧故障下VSC变流器的跟网-构网型控制方法

在高渗透率的新能源并网系统中,由于光伏发电系统以及负荷的随机波动性,传统的跟网型控制在电网电压下降时往往难以提供足够的动态无功支撑,从而对系统的安全性和稳定性产生严重影响。为此,针对光储系统短路故障下电压源型变流器(voltage source converter, VSC)跟网、构网及故障期间的电压支撑控制方法进行研究。首先,建立VSC跟网、构网型控制策略的数学模型,分析基于跟网、构网型控制策略的并网控制方法;其次,研究采用2种不同控制策略对公共连接点(point-of-common coupling, PCC)电压的影响,提出基于跟网-构网型控制策略的系统控制方案,分析不同控制策略对PCC电压支撑作用的差异;再次,搭建计及光储接入的系统电磁暂态仿真模型,评估光伏逆变器和储能变流器采用3种不同控制方案对系统动态特性的影响;最后,对3种不同控制方案下,系统发生故障后PCC电压支撑程度进行分析,验证了所提出的基于储能变流器构网型及光伏逆变器跟网型一体化控制方法在故障期间具有更好的电压支撑能力。     

构网型控制在提升高比例新能源并网系统振荡稳定性中的应用

为了研究能够支撑新能源系统稳定运行的构网型与跟网型机组间比例关系,首先以单风场并网系统为例,分析了跟网型和构网型机组的并网动态特性;然后从保持并网风场在低频和次同步频段内振荡稳定性的角度,提出了风场内配置构网型机组容量的计算原则;在此基础上基于三机九节点算例系统,探究了100%新能源构成系统稳定运行的可行性,研究了系统内构网型机组的比例和位置等因素对系统动态特性的影响。研究表明,在风场内配置少量构网型机组即可有效改善弱电网下风场的次同步振荡问题,场内构网型机组的配置容量主要受低频模态稳定性的约束;在100%新能源系统内,构网型控制对远端跟网型机组支撑不足导致的次同步振荡是决定构网型控制需求的关键约束。     

提升海上风电经VSC-MTDC接入的低惯量系统频率稳定综合控制策略

规模化海上风电经多端柔性直流输电(VSC-MTDC)接入的低惯量系统存在同步发电机(SG)占比小、惯量水平低、功率互济能力弱等问题,为此提出一种VSC-MTDC与海上风电协调配合的低惯量系统频率稳定综合控制策略。首先将含原动机-调速环节的SG聚合为单机系统频率响应模型,构建换流站的虚拟系统频率响应(VSFR)控制器,并借助劳斯稳定判据分析经典参数下VSFR闭环控制的稳定性。然后针对海上风电并网系统功率支援能力不足导致的VSC-MTDC电压越限问题,设计适用于多风速场景的双馈风机附加桨距角与转速控制,通过调整海上风电出力对低惯量系统进行支援,提高海上风电并网系统功率互济能力,保障VSC-MTDC安全运行。最后在海上风电经三端柔性直流输电接入的低惯量系统中对所提控制策略进行分析验证。结果表明：所提控制策略的频率响应和功率支援能力强,可提高低惯量系统的频率稳定性。     

小增益闭环系统稳定性分析方法及其在含并网VSC电力系统中的应用

该文首先采用小增益闭环系统模型描述并网电压源型变换器(voltage source converter,VSC)与交流电力系统间的动态交互特性,建立含并网VSC的交直流混联电力系统线性化模型,提出适用于分析并网VSC的小增益闭环系统稳定性分析方法。采用泰勒定理证明在一般情况下,并网VSC与交流电力系统间呈现弱动态交互特性,但是当并网VSC控制环节的开环模式与交流电力系统的开环模式接近时,其对应的闭环振荡模式将会在复平面上发生排斥现象,并在2个开环模式距离最近时达到排斥峰值。以含并网VSC的3机9节点电力系统为例,采用模式分析法和时域仿真法,验证VSC引起次同步振荡的机理分析过程,刻画能够保证系统稳定运行的VSC控制参数范围,展现小增益闭环系统稳定性分析方法在含并网VSC电力系统中应用的有效性和准确性。     

新能源电力系统的暂态同步稳定研究综述

全球范围内的能源变革加快了新能源电力系统的发展,大量以电力电子为并网接口的新能源装备逐步成为电力系统的主体。与传统同步发电机组不同,新能源装备的动态行为主要由控制策略决定,大规模新能源接入将全面深刻改变电力系统的动态特性。该文关注新能源装备接入所引发的电力系统暂态同步稳定问题,从装备和系统两个层面展开综述。在装备层面,从静态失稳和动态失稳两方面分析了新能源装备的暂态同步稳定性,总结了跟网型和构网型同步控制这两类策略的分析方法、失稳机理和致稳方法;在系统层面,讨论了不同发电组成的新能源电力系统中的多机动态交互现象和由此引发的同步失稳机理;最后,总结了现有研究的主要结论,针对在稳定性分类、分析方法、控制方法和系统层面的稳定性研究存在的不足,展望了新能源电力系统暂态同步稳定研究未来可能的发展方向。     

弱电网中锁相环型并网变换器非线性暂态稳定解析分析

电力电子变换器具有惯量小、动态过程快且复杂等特点,这给新型电力系统的暂态分析带来严峻挑战。尤其是在弱电网条件下,锁相环的非线性特性使并网变换器系统稳定分析变得更为复杂。然而,传统的暂态分析方法忽略了关键非线性特性,难以获得简洁实用的稳定判据。针对上述问题,建立了基于并网变换器系统扰动量的二阶非线性动力学模型,引入非线性振动学科的平均法对模型进行求解,获得了低阶近似解析解,进而推导出弱电网环境下并网变换器系统的稳定判据,并根据理论推导分析了模型的非线性项、锁相环控制参数及系统短路比对系统暂态稳定性的影响。最后,通过仿真与实验验证了所提方法的有效性和分析结果的正确性。