基于背靠背变流器互联的微网间传输功率控制及稳定性分析

基于柔性背靠背变流器(BTBC)互联的微网群可实现不同微网间的功率解耦控制,与基于阻抗互联的微网群结构相比微网间功率交互的灵活性更高。然而,针对扰动下的BTBC互联功率控制策略及其对系统稳定性的影响尚不明确。文中建立了基于BTBC互联的微网群全阶小扰动模型,通过参与因子分析得到低频段与稳定性相关的环节,并得到与功率交互相关的主导模态,并分析了互联功率控制对系统稳定性的影响。在此基础上,提出了一种减小扰动对微网局部稳定性影响的柔性互联微网群的有功功率交换控制策略,利用根轨迹分析了该策略下系统的小信号稳定性,并结合仿真平台验证了策略的有效性。     

阻抗法分析背靠背变流器稳定性的释义与推广

已有文献指出,在局部交/直流回路应用阻抗法分析多端系统稳定性是不完备的。基于一个两电平电压源型背靠背变流器,理论解释了该现象。首先,借助状态空间,完善了常用坐标系下端口/回路解析阻抗模型的一般导出方法。进而对比不同回路稳定性的频域判定结果和全系统的时域零极点信息,证实了零极点对消导致子系统对全系统模式的不完全可观,是部分判据失效的根本原因。阐明了该结论对同一变流器采用不同控制策略与不同类型变流器间的通用性。最后,由相关概念设计了一种基于阻抗交互的多端系统致稳方案。     

直流配电系统主从控制下的随机稳定性分析

分布式电源的间歇性波动以及储能、电动汽车反复充放电等随机因素对直流配电系统的稳定运行带来了极大的挑战。首先,文中针对主从控制下直流配电系统的随机激励,建立了降阶随机微分方程,推导了系统随机微分方程的解析解。然后,建立了均值及均方稳定性的解析化判据,全面刻画了小扰动稳定与均值及均方稳定的关系,推导出小扰动不稳定但均值均方稳定的判据。最后,通过仿真及实验验证了理论分析的有效性。     

交直流子网双边惯量约束下互联变流器动态功率控制策略

随着虚拟同步发电机技术的广泛应用,混合微电网（HMG）的交直流子网均具有惯量。当惯量特性不同的交直流子网经互联变流器（ILC）互联运行时,子网的动态特性会通过ILC耦合,因此建立了含交直流子网双边惯量的HMG小信号模型,分析了子网双边惯量对HMG动态性能和稳定性的影响规律。针对交直流子网互联后功率振荡和变化率越界等问题,提出一种考虑双边惯量约束的ILC动态功率控制策略;并以HMG动态性能、系统稳定性和功率传输极限为约束条件,优化设计了动态功率控制器的参数。基于StarSim半实物仿真平台搭建了HMG系统,在多种工况下验证了所提出的动态功率控制策略和参数设计方案的有效性和适应性。     

弱电网下双向并网变流器虚拟正阻尼重塑控制

针对弱电网下恒功率控制模式中双向并网变流器系统稳定性会因功率传输方向的不同而产生差异进而引发系统振荡甚至失稳的问题,提出了一种虚拟正阻尼重塑控制策略,将负阻抗重塑为正阻抗,增强系统阻尼进而提升稳定性。首先,详细地建立了双向并网变流器交流侧端口阻抗在d-q坐标系下的小信号模型,分析了不同功率方向下阻抗特性的差异。其次,结合系统最小环路比表达式和电网等值阻抗表达式,基于奈奎斯特稳定判据,分析了电网等值阻抗大小和功率传输方向两个因素对系统稳定性的影响。然后,分析了弱电网下双向逆变器虚拟正阻尼重塑控制策略,并对其进行建模与分析。结果表明：虚拟正阻尼重塑控制可以实现将负阻抗重塑为正阻抗,并增强系统阻尼。并且,即使在电网等值阻抗较大的弱电网下,系统也能保持较好的双向功率稳定性。最后,基于MATLAB/Simulink和小功率实验平台验证所提策略的有效性。     

基于深度学习的恒功率负荷直流微电网稳定性分析

针对恒功率负荷(CPL)因负阻抗特性导致直流微电网母线电压失稳的问题,从限制CPL取值范围出发,引入深度学习算法分析系统的稳定性。首先,通过采用直流微电网机理模型仿真,建立初始数据库;然后,对数据库进行预处理,在此基础上,利用最大信息系数进行相关性分析,得到系统参数与CPL临界值之间的相关性强弱信息,并实现输入特征降维;接着,采用自定义损失函数与量化预测性能等方法设计适用于CPL临界值预测的深度学习策略。最后,针对不同场景的直流微电网进行仿真测试,并通过硬件在环实验验证所提深度学习策略的有效性和优越性。     

适用于双负载模式的Vienna整流器调制方法

在工程应用中,Vienna整流器常处于双负载模式给串联电池组充电以提高效率和降低成本,此时,上、下直流侧的输出电压和功率不再相等,矢量的合成变得非常复杂。文中从载波的角度进行分析,通过注入零序电压实现了上、下直流侧输出功率的解耦和中点电压的主动控制,简化了计算过程。基于Vienna整流器拓扑的输出电平约束和调制约束分析了零序电压的约束条件,并基于上述约束条件给出了不同运行状态下Vienna整流器的上、下直流侧可输出的极限功率,为工程参数设计提供参考。此外,分析了双负载运行状态下Vienna整流器的电流过零畸变问题,提出了抑制电流过零畸变的方法,并直接给出了三相调制电压。实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的优越性。     

光储发电系统的虚拟轴系耦合与同步控制

储能装置可利用虚拟惯量控制技术为系统提供动态稳定支撑,但其与同步发电机组间的耦合关系仍需讨论。为了提高暂态能量传递效率,改善其同步并网友好性,首先建立光储发电系统的VSG模型,分析静止储能与旋转动能间的能量转化关系,阐述混合储能的虚拟惯量定义。其次,通过分析虚拟同步控制下的光储发电系统的功率传递,建立其与同步机间的虚拟轴系耦合关系,并利用哈密顿能量函数,获得提升光储发电系统暂态能量传递效率的必要条件,进而改进VSG控制策略。最后,搭建含光伏高渗透区域电网仿真系统进行验证。结果表明：所提控制同时具备频率支撑和抑制功率振荡功能,可显著提升光储系统的并网友好性。     

基于储能的风电柔直并网系统直流故障穿越协调控制策略

采用具有明显技术和经济优势的架空线柔性直流输电是大规模可再生能源并网的理想方案。然而,架空线故障率较高且直流系统故障发展迅速,仅靠直流断路器隔离故障线路并不能完善地解决系统的故障穿越问题。为解决该问题,针对大规模风电场经柔性直流输电并网系统的直流线路故障工况,充分利用风电场中广泛配置的储能系统,提出从故障定位隔离到故障类别判断,再到储能系统与换流站、风电场之间协调控制的一套完整直流故障穿越策略,并从能量角度展开故障特性分析。与现有工程中采用的耗能电阻方式相比,所提策略调节系统不平衡功率的灵活性更高,控制效果更优,且对所储存能量可以再利用,避免能量浪费。此外,为降低对储能系统的功率及容量需求,提出风电机组转子加速控制以减少风电场出力的方案。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提方法的有效性。     

基于单片机控制的可编程直流负载测试系统研究

为满足直流电源特性测试中负载可编程、自动加载的需求,提出了一种基于单片机控制的可编程直流负载测试系统的实现方案。该系统以C8051F020单片机为主控单元,结合现有的电阻加载技术,实现了可编程直流负载的恒流、恒阻以及恒功率控制,在各个模式下具有较好的测试精确度,可以更简单、快捷、可靠地对电源、变压器等电子设备进行输出特性测试。     

含风电场的MMC-MTDC系统通用频率响应模型

研究含风电场的基于模块化多电平换流器的多端柔性直流(MMC-MTDC)输电系统频率响应特性意义重大。但时域仿真建模过程复杂,不适用于理论分析,亟须提出完整的风电场与MMCMTDC系统的频率-有功功率-直流电压动态特性分析模型。为此,利用模块化多电平换流器平均值模型交直流侧解耦的特点,独立对电网侧变流器(GSC)交流侧和发电机进行等值建模。计及背靠背变流器、汇集交流线路和风电场侧变流器(WFC)损耗的前提下,根据功率转移规律完成了直驱风机和WFC中间环节化简。以直流线路作为交互端口,结合GSC和WFC等值模型,采用模块化建模方法组建了含风电场的MMC-MTDC系统的有功类分量小信号模型。仿真结果表明,通用频率响应模型能准确模拟频率小扰动的动态过程,并进行稳定性分析,为控制系统参数整定提供参考。     

孤岛新能源场站接入柔性直流高频振荡机理及抑制策略

大规模新能源孤岛经柔性直流送出系统的高频振荡问题在近期工程中日渐突出。文中建立了考虑一次主电路设备内部动态过程、控制链路延时、序分量分离环节、内外环控制环节的不同频率耦合特性的柔性直流换流器阻抗数学模型,并对数学模型进行简化,确定孤岛新能源场站接入柔性直流换流器的高频振荡机理为控制链路延时与内环电流反馈、电压前馈环节共同形成了柔性直流系统高频负阻尼,进一步得到了影响柔性直流换流器高频阻抗特性的关键因素。针对关键影响因素设计了孤岛新能源场站接入柔性直流系统的高频振荡抑制方案。相应解决方案在PSCAD模型中得到验证,同时解决了中国张北、如东新能源经柔性直流送出工程现场的高频振荡问题。     

直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略

直流微电网中,当双有源全桥(DAB)变换器及直流固态变压器(DCSST)带恒功率负载运行时,恒功率负载负阻抗特性会对系统的稳定性造成不良影响。文中提出了一种基于非线性扰动观测器及反步控制的新型复合带恒功率负载直流变换器控制策略,推导得出DAB变换器和DCSST数学模型的布鲁诺夫斯基标准型,采用基于非线性扰动观测器的大信号非线性扰动估计方法作为前馈补偿提高输出电压调节的准确性,结合反步控制方法保证DAB变换器和DCSST在大信号扰动下的稳定性。实验结果表明,所提出的控制方法既能在大信号扰动下保证DAB变换器和DCSST的稳定性,又能在不同工况下保证快速动态响应和准确的电压跟踪。     

风电变流器DC-Link电容器准在线状态监测方法

DC-Link电容是风电变流器中最核心但又最易失效的元件之一,对其进行状态监测可有效提高系统运行的可靠性。该文提出一种风电变流器DC-Link电容器准在线状态监测方法。首先,利用预充电阶段的交流电流重构DC-Link电容器的直流充电电流;采用二阶指数函数对电容器在预充电阶段的电压和电流波形进行精确拟合;取拟合函数的参数作为特征值,将实测的电容器状态参数(C和RESR)作为特征值对应的输出,并通过实验获得的样本数据,构建特征值与其输出的映射关系;最后利用多输出最小二乘支持向量回归算法对数据集合进行学习训练,建立特征值与电容器状态参数的回归模型。该方法无需增加额外传感器和改变变流器控制算法。实验结果验证了本方法的有效性。     

基于电缆早期故障区段定位的柔性直流配电系统保护方法

在柔性直流配电系统中,直流极间短路故障使得全网换流器迅速闭锁,快于直流断路器动作时间,导致系统停运,极大降低了系统的可靠性。为此,文中针对直流电缆早期短路故障,提出一种基于早期故障区段定位的线路保护方法。通过本地换流器的主动注入,从而削弱线路阻抗对注入信号的衰减,显化早期故障特征,实现对早期短路故障的准确识别与区段定位,解决短路故障引发系统失电的问题。为避免频繁注入,提出基于差动电流量测的注入启动判据。PSCAD/EMTDC仿真结果表明该方法能够准确识别与定位早期故障区段,并及时隔离故障支路,且对系统运行影响小,具有一定的抗噪能力,可为柔性直流配电系统持续安全运行提供保障。     

直流微电网无界虚假数据注入网络攻击检测与系统恢复方法

直流微电网分布式协同控制比传统集中式控制更具灵活性,但分布式控制架构使其更容易遭受网络攻击。虚假数据注入(FDI)攻击作为一种常见的网络攻击形式,可以改变系统的运行状态甚至破坏微电网系统的稳定性。为此,文中研究了一类无界FDI攻击下的直流微电网电流分配和电压恢复问题,提出了一种集FDI攻击检测和系统恢复于一体的控制方法。首先,设计了一种基于总输出电流和母线电压反馈的残差评估函数,通过实时监测该函数值与设定阈值的关系实现FDI攻击检测。在此基础上,提出了一种基于分散式滑模观测器的直流微电网电流分配和电压恢复的弹性控制策略,以抵御并消除FDI攻击影响。最后,通过仿真案例验证了该方法的有效性。     

基于双向功率变流器的飞轮储能系统研究

针对孤岛运行的直流微电网中负荷波动性,建立了基于异步电机的飞轮储能系统装置,并在此基础上,提出了一种基于双向功率变流器频率控制的飞轮储能方法。利用李雅普洛夫稳定判据判断了该频率控制器的稳定性,同时Matlab/Simulink仿真结果显示,在周期性急剧变化的负荷作用下,双向变流器能按控制要求工作在整流或者逆变器模式,使含有异步电机的飞轮储能系统跟踪负荷变化完成充放电过程,从而提高独立电源系统的稳定性和过载能力。     

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。     

向微网供电的直流系统控制模式无缝切换策略

在微电网中,不同控制模式之间的切换是不可避免的,如何在不同控制模式之间切换时减小频率电压等指标的波动,对保证用户的供电质量至关重要。首先对不同控制策略之间的误差进行了量化分析,并给出了一种优化的控制策略无缝切换方法,包括dq轴/参考相角校准环节和大扰动瞬时功率补偿环节,对不同控制环的输出调制波进行修正/补偿。然后以某混合直流系统为例,利用上述补偿策略设计了可实现控制模式无缝切换的微网直流供电策略,包括混合直流系统无缝接入微网策略和大扰动时控制模式无缝切换策略。相比传统的无缝切换,该策略考虑了直流输电系统的送受端协调问题和不同控制模式之间的参考相角误差,并可提供一定的瞬时功率支撑,从而可减小因微网结构变化产生的波动。仿真结果表明该策略能够实现混合直流系统在不同控制模式之间的无缝切换,并且在微网发生大扰动时能够有效支撑系统的频率和电压。