分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(一)：扰动传递路径分解

与常规直流相比,永富直流逆变站存在功率全送和功率分送运行方式,而其处于分网接入方式时电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage directcurrent,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及特征尚不明确。针对这一特殊运行方式,采用模块化建模的思路建立可以反映系统电气/控制回路间交互耦合路径的运动方程模型。在此基础上,依据系统整流侧-逆变侧、正极-负极间的交互耦合路径分解得到影响系统主导模式稳定性的3条扰动传递路径,即整流侧内部自稳性路径、逆变侧内部自稳性路径、双极交互作用致稳性路径。最后,设置不同工况下的案例,量化评估不同作用路径提供的阻尼大小,并通过仿真验证运动方程模型及扰动传递路径分析结果的正确性,为后续研究分网接入方式下LCC-HVDC系统交互振荡模式的阻尼特征提供模型基础。     

LCC-HVDC系统整流–逆变交互振荡模式稳定变化特征及机理研究EI北大核心CSCD

LCC-HVDC系统联接弱交流系统时,整流站和逆变站之间存在强交互作用。研究发现,对于弱交流系统场景,LCC-HVDC的整流侧和逆变侧交流系统在不同短路比(short-circuit ratio,SCR)组合下,系统稳定性由整流–逆变交互振荡模式主导,且随定电流控制参数的改变呈现“单调–非单调”更迭现象。该文通过阻尼比特性曲线和参数灵敏度研究该“单调–非单调”更迭现象的产生机理,指出该现象是由两端交流系统强度相互制约下的整流–逆变强交互作用导致,体现出系统稳定性趋势的“木桶效应”,即LCC-HVDC系统的稳定性趋势由所联接交流系统强度弱的一侧换流站主导。基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真,验证整流–逆变交互振荡模式稳定变化趋势的“单调–非单调”更迭现象。该研究可为掌握实际工程交互作用振荡模式及选取合理控制参数提供理论支撑。     

光伏场经柔直并网振荡稳定性分析与抑制方法研究

大容量远距离的光伏场经柔直送出将是未来电力系统发展的一个重要趋势,然而,光伏场经柔直送出互联系统存在建模复杂、阶数过高、难以直观解释失稳机理等问题。为此,本文建立了光伏场经柔直接入交流系统的开环、闭环模型,在此基础上基于开环模式谐振理论,提出了一种光伏场经柔直并网引发振荡失稳的分析方法,并且进一步地针对光伏场与柔直之间的动态交互展开了研究。研究表明：当光伏场主导开环振荡模式与换流站开环振荡模式在复平面接近时,二者将会发生强交互作用,降低闭环系统的稳定性,甚至失稳;基于残差理论可以对强交互作用下闭环振荡模式的数值进行预测。为了抑制光伏场与柔直之间的强交互作用,可以通过调整主导环节的参数抑制。若参数不可调整时,通过在发电单元主导环节装设阻尼控制器,使得其开环振荡模式远离换流站的开环振荡模式,从而破坏开环模式谐振导致的强交互作用,消除由强交互产生的振荡失稳风险。文中通过算例系统,验证了上述理论分析的正确性以及所提阻尼控制器的合理性。     

联接低惯量交流系统的MMC与发电机之间的低频交互振荡模式研究EI北大核心CSCD

当模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)联接低惯量交流系统时,MMC控制系统很可能会与发电机控制系统产生交互作用,使系统发生低频振荡。该文首先建立连接发电机组的MMC系统的详细小信号模型,并与PSCAD/EMTDC中的电磁暂态模型进行对比,验证所建立小信号模型的准确性。然后,研究交流系统惯量对系统稳定性的影响,识别系统的主导低频模态,并分析主导低频模态的影响因素。之后,通过计算控制参数的可行域研究发电机与MMC控制参数之间的交互作用,并通过分析系统频率扰动信号的传递路径,揭示联接低惯量交流系统的MMC与发电机之间主要存在的两条交互作用路径,即发电机调速系统与MMC控制系统间的交互路径及发电机励磁系统与MMC控制系统间的交互路径,最后通过电磁暂态仿真验证理论分析的正确性。     

基于H∞鲁棒控制理论的高压直流输电系统附加次同步振荡阻尼控制设计

对含串联电容补偿的交直流并联输电系统,通过在整流站附加相应的控制信号可以削弱次同步振荡,以往在设计高压直流输电系统附加次同步振荡阻尼控制器时忽略了逆变侧对次同步振荡特性的影响。实际分析表明,逆变侧交流母线的强弱以及逆变站不同的控制方式对次同步振荡阻尼特性有显著影响。作者运用H∞鲁棒控制理论设计了高压直流输电系统次同步振荡阻尼控制器,把逆变侧交流短路阻抗变化、逆变站控制方式的改变以及系统运行条件变化所引起的系统模型幅频特性差异看作系统模型的不确定性,并把在可行变化范围内对应的不确定界用相对简单的频域函数描述,把设计次同步振荡阻尼控制器归结为求解H∞鲁棒控制理论的混合灵敏度问题。特征根分析与时域仿真计算表明所设计的阻尼控制器能在较大的运行条件变化范围内可有效地抑制次同步振荡。     

海岛VSC-HVDC输电系统直流阻抗建模、振荡分析与抑制方法

在向海岛无源网络供电的VSC-HVDC输电系统中,由于逆变站的恒功率特性,以及整流站与逆变站间直流侧阻抗交互的影响,易使VSC-HVDC输电系统的直流侧发生振荡甚至失稳。对此,该文针对整流站提出了一种虚拟阻感性阻抗稳定性控制方法,能有效抑制VSC-HVDC输电系统的直流侧振荡,且不影响逆变站向海岛负荷供电的动态性能。基于所提控制方法,建立了海岛VSC-HVDC输电系统的小信号直流阻抗模型,其包括整流站输出阻抗模型、直流电缆阻抗模型和逆变站的输入阻抗模型。根据Nyquist判据和伯德图揭示了整流站采用传统虚拟电阻稳定性控制在抑制VSC-HVDC输电系统直流侧振荡失效的根本原因:即整流站的等效输出阻抗在电压控制带宽外恶化成负阻性,削弱了系统阻尼。所提振荡抑制方法通过阻感性阻抗的相角超前特性能校正整流站的等效输出阻抗为正阻性,可有效改善系统的稳定性。最后,仿真和实验验证了该文的分析和所提控制方法的有效性。     

基于EEAC理论分析低频振荡

扩展等面积准则（EEAC）通过互补群惯量中心 — 相对运动（CCCOI-RM）变换,将多机系统受扰轨迹映射为一系列时变单机无穷大（TV-OMIB）系统的映象轨迹,并解耦各振荡模式的信息,进而可以识别主导振荡模式,并实现稳定性的量化分析。文中提出以轨迹特征根反映系统非线性对低频振荡特性的影响,以轨迹特征根对各机组机械阻尼系数的灵敏度来反映各机组的参与因子;发现按减小联络线功率的准则调整机组出力可能产生负阻尼效应;指出为抑制低频振荡,应以减小映象功角为准则来调整机组出力。分析扰动大小对系统振荡特性的影响,发现系统振荡特性在分岔点附近可能与平衡点特征根明显不同。     

风电并网系统次同步振荡频率漂移问题

风电并网系统的次同步振荡现象具有频率漂移的特征。该文从风速变化影响模式间相互作用的角度解释了频率漂移的原因。首先,推导风电机组受风速影响的振荡模式:双馈风机定转子绕组和转子侧换流器电流内环控制主导的次同步振荡模式的频率;直驱风机直流电压外环主导的振荡模式的留数。然后,推导两输入两输出系统中振荡模式之间发生强相互作用的条件——开环模式耦合。最后,基于双馈风机-串补输电系统和混合风电场并网系统算例,采用模式分析和非线性仿真,演示了风速变化过程中模式交互作用的强弱变化导致的频率漂移的现象。由此得出,风速的随机性使得开环模式耦合条件具备了随机性,在时变场景下模式间的不利交互作用使得弱阻尼或负阻尼次同步振荡模式的频率是动态变化的,由此出现了频率漂移的现象。     

开环模式谐振引发含变速风电机组电力系统振荡的机理分析

针对变速风电机组控制环节间交互作用对系统稳定性影响,该文构建了由两个开环子系统组成的闭环互联系统模型。基于所构建模型,从开环模式谐振角度揭示含变速风电机组电力系统的振荡机理。当两个开环子系统对应的开环模式在复平面分布位置接近时将引发开环模式谐振,此时控制环节间将呈现强动态交互作用,使子系统开环模式对应的闭环特征根朝相反方向移动,其中一谐振特征根朝复平面虚轴方向移动,导致系统阻尼水平的降低。提出一种估计开环模式谐振条件下闭环特征根在复平面分布位置的方法,进而评估系统阻尼水平。此外,分析了变速风电机组与电网的连接强度、系统运行点对开环模式谐振的影响。最后,通过直驱和双馈风电系统仿真算例对所提分析方法和结论进行了验证。     

直流调制对电网区间低频振荡的抑制作用

随着电网规模的不断扩大,区域间低频振荡已成为危及电网安全稳定运行的主要问题之一。以国内某大型交直流并行电网为算例,采用基于隐式重启动Arnoldi算法IRA（implicitly restarted arnoldi）编制的SSAP软件,结合Prony模式辨识方法,对该系统进行小干扰稳定分析,找出存在的弱阻尼区间振荡模式。采用整流侧的直流功率调制和逆变侧的熄弧角调制来阻尼并行交流线路上的区间低频振荡。特征值计算结果表明,通过合理地配置直流附加控制器参数,直流调制可以有效改善系统阻尼,增加系统动态稳定性,     

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。     

多光伏发电单元并入弱交流电网系统的站内/站网次同步振荡特性分析

针对多光伏发电单元并入弱交流电网系统的次同步振荡(sub-synchronous oscillation, SSO)问题,建立了3个光伏发电单元并入弱交流电网系统的小信号模型。通过特征值法分析,得出系统中存在的SSO模式,并计算各SSO模式的参与因子。结果表明,系统中存在2个站内SSO模式和1个站网SSO模式。站内SSO模式由光伏电站内部3个发电单元之间交互作用产生,主导因素为直流侧电容、逆变器电流内环控制器参数;站网SSO模式由3个发电单元与交流电网交互作用产生,主导因素为直流侧电容、逆变器电流内环控制器参数和交流电网。同时,通过分析主导因素对站内/站网SSO模式的阻尼耦合特性,得出光伏发电单元的发电容量、直流侧电容、电流内环控制器参数变化对2种SSO模式阻尼的影响趋同。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建时域仿真模型,验证了理论分析结果的正确性。     

低频振荡下发电机响应特性的量化分析

发电机在系统振荡下的响应特性是合理、有效设计控制策略的基础.借鉴机械振动中阻尼运动的描述方法,将低频振荡下发电机主要变量的运动归纳为阻尼振荡和临界阻尼两种基本运动形态;介绍了从仿真数据提取阻尼参数建立参数运动模型的方法,实现对发电机振荡特性的量化分析;提出一种系统侧低频振荡信号的近似模拟方法,并应用于发电机响应仿真,获得了主要变量的运动模型和阻尼参数;分析了系统侧振荡幅度、频率以及初始工况对发电机功角振荡的影响.仿真研究表明,这一量化分析方法能直观有效地描述发电机参数的动力学行为.     

并网统一潮流控制器影响系统机电振荡模式的阻尼转矩分析

区别于传统统一潮流控制器(UPFC)的附加阻尼控制,从UPFC的电压源换流器的控制特性角度,研究并网UPFC对系统机电振荡模式的动态影响。并网UPFC能够改变系统潮流分布,并与电力系统发生动态交互。UPFC影响系统机电模式主要有两个方面:一是UPFC调节系统潮流分布,影响系统机电模式;二是UPFC与系统同步机之间的动态交互作用影响系统机电模式。新建立的一种含UPFC的多机电力系统"闭环控制系统"型线性化状态空间模型,该模型将UPFC在电力系统中视为多输入—多输出的"功率—电压"型反馈控制器。在所提出该模型的基础上,应用阻尼转矩分析理论量化分析了UPFC与系统的动态交互作用对电力系统机电振荡模式的影响。采用经典的新英格兰10机算例系统,详细分析了UPFC稳态潮流调节、UPFC控制系统动态特性对系统机电模式的影响。非线性仿真验证了所得结论的正确性。     

大干扰下主导低频振荡模式的鉴别

Prony方法是获取系统振荡模式特征的一种非常有效的方法,它可通过给定输入信号下的响应直接估计系统的振荡频率、衰减、幅值和初相位。基于Prony算法,作者提出了振荡模式能量级的概念,用于鉴别电力系统大干扰下的主导低频振荡模式,在8机36节点系统中应用本文所提方法准确识别出了主导低频振荡模式,验证了该方法的正确性,并与正则形理论研究低频振荡模式间的非线性相关作用的结果进行了比较,再次验证了大干扰中主导低频振荡模式对系统动态特性和稳定性有重要影响这一观点的正确性。     

定电压与预测型定关断角控制对HVDC小干扰稳定性的影响

定电压控制和预测型定关断角控制是高压直流（HVDC）逆变站常规的控制方法,合理整定控制器参数可提高交直流系统的小干扰稳定性。文中首先基于开关函数法建立了基于电网换相换流器的高压直流（LCC-HVDC）系统的小干扰动态模型,将其动态响应与电磁暂态模型的动态响应进行对比,验证了小干扰动态模型的正确性。接着,采用特征值及其灵敏度方法分析了LCC-HVDC系统的振荡模式和阻尼特性,对比分析了逆变侧采用定电压控制和预测型定关断角控制时,换流站控制器参数以及交流系统短路比对系统稳定性影响的异同。最后,整定了能维持系统稳定运行的控制器参数稳定域,并通过PSCAD/EMTDC仿真验证了稳定域的正确性。     

直驱风电并网系统中锁相环引起次同步振荡的开环模式谐振机理分析

该文主要围绕锁相环研究了直驱风机和同步机间动态交互作用对电力系统次同步振荡的影响。基于所构建的闭环系统模型,其中含锁相环动态部分作为其开环反馈子系统,系统其余部分作为对象子系统,分析了子系统间次同步交互作用对系统稳定性的影响,并从开环模式谐振角度揭示直驱风机接入引发系统次同步振荡机理。当开环锁相环模式和对象子系统中同步机开环轴系模式在复平面位置接近时,发生开环模式谐振使直驱风机和同步机间存在强交互作用,导致对应的闭环模式可能向阻尼较弱方向移动,若交互作用较强则可能使其中一耦合模式进入复平面右半平面进而引发系统次同步振荡。为评估开环模式谐振导致系统阻尼降低的水平,提出一种预测谐振点闭环模式相对其开环模式偏移位置的方法。最后通过两个仿真算例验证了该文分析结论和所提方法的有效性。     

选择合适的曲线提取低频振荡信息

在互联多机系统中,存在多种振荡模式,需要重点关注的是主导弱阻尼或负阻尼模式。利用振荡曲线提取多机振荡信息．需要选择合适的曲线,才能得到系统主导振荡模式。分析了两机相对曲线、单机相对于角度中心（COA）曲线、单机相对于惯量中心（COI）曲线存在的问题,指出扩展等面积法（EEAC）利用分群的概念首先确定系统主导振荡模式的中心位置,利用轨迹聚合的概念弱化非主导模式对主导模式的影响．利用相对运动的概念,获得等值单机曲线提取信息。算例仿真结果表明．EEAC等值机模型可以很好地提取出主导振荡信息,并且可以显示系统振荡的中心位置。     

抑制联络线振荡的广域阻尼控制

广域阻尼控制为提高互联系统区间振荡模式的阻尼特性提供了新途径。为研究广域阻尼控制反馈信号和控制器安装点的优化选择,应用特征根分析法和传统控制理论,以 IEEE 10 机39 母线系统为例,分析了多机系统振荡功率在网络中的分布特征。由于良好信号能量和信噪比,区间振荡模式的联络断面振荡功率可为广域阻尼控制器优选反馈信号;阻尼控制器安装点的优化能够利用发电机至联络断面之间的传递函数模型,通过机电模式的留数和留数比确定。进而针对互联系统,给出了的结合特征根分析法和系统辨识技术的反馈信号选择与广域阻尼控制器布点的一般流程,改善了大系统的计算复杂性。     

光伏与LCC-HVDC系统的次同步振荡耦合路径及阻尼特性分析

随着电网换相型高压直流(LCC-HVDC)系统送端近区光伏容量的增加,光伏经LCC-HVDC外送系统的振荡稳定性问题日益凸显。然而,光伏与LCC-HVDC系统的次同步交互作用尚不明确,相关研究较少。为此,首先建立光伏经LCC-HVDC外送系统的闭环传递函数框图,探明次同步分量在光伏与LCC-HVDC系统间传递时的耦合路径;然后,提出一种阻尼分离方法,评估交互作用对系统次同步振荡（SSO）阻尼的影响;最后,结合时域仿真进行影响因素分析。研究结果表明：光伏自身的闭合回路及光伏与LCC-HVDC系统、交流系统的耦合路径均经过与直流电容振荡模态相关的传递函数,导致各类交互作用阻尼特性共同决定系统SSO特性;对于所提算例,光伏与交流系统、光伏与LCC-HVDC系统的交互作用为SSO提供负阻尼;LCC-HVDC系统定电流控制器和光伏逆变器外环的比例系数减小、积分系数增大,或光照强度增大时,系统SSO风险增大。