PV Power Output Control Improving Transient Stability of Power System with a Large Penetration of PV

Because of energy and environmental policies in the last decade, a lot of photovoltaic (PV) generations have been installed into power systems in Japan in recent years. In this situation, it is of great concern that disconnection of PV due to voltage drop caused by a system fault has a critical impact on power system stability. To avoid its disconnection, Fault Ride Through (FRT) requirement is applied for PVs. In this paper, PV power output control which improves transient stability of the power system with a huge amount of PVs is proposed and its effectiveness is confirmed by the numerical simulations.     

利用光伏发电优化功率控制提高电网暂态稳定

随着光伏发电装机容量的逐步提高,光伏高渗透率的区域电网的稳定性面临挑战。因此进行了光伏电站的功率控制研究,在故障暂态过程中,合理减少光伏系统有功输出,保证光伏直流侧稳定,提高光伏逆变器的无功输出能力,以实现电网电压稳定和网内机组功角特性的改善。以美国西部联合电力系统(WSCC)3机9节点系统接入光伏电站为例,验证了所提控制策略能有效提高电网内机组的暂态稳定能力,有利于光伏发电的安全并网,并改善了输出性能。     

PV-based virtual synchronous generatorwith variable inertia to enhance powersystem transient stability utilizing theenergy storage system

The Photovoltaic (PV) plants are significantly different from the conventional synchronous generators in terms of physical and electrical characteristics, as it connects to the power grid through the voltage-source converters. High penetration PV in power system will bring several critical challenges to the safe operation of power grid including transient stability. To address this problem, the paper proposes a control strategy to help the PVs work like a synchronous generator with variable inertia by energy storage system (ESS). First, the overall control strategy of the PV-based virtual synchronous generator (PV-VSG) is illustrated. Then the control strategies for the variable inertia of the PV-VSG are designed to attenuate the transient energy of the power system after the fault. Simulation results of a simple power system show that the PV-VSG could utilize the energy preserved in the ESS to balance the transient energy variation of power grid after fault and improve the transient stability of the power system.     

适用于弱电网的双馈风电机组新型故障穿越控制方法

弱电网下系统的电压稳定裕度较低,而风电场的故障穿越性能对系统的暂态电压稳定性有显著影响。传统的双馈风电机组故障穿越控制方法都是基于适用于强电网的定功率控制,不利于维持弱电网下的电压稳定性。提出一种适用于弱电网中双馈风电机组的新型故障穿越控制方法。这种新型控制方法基于同步控制,通过有功电流和无功电流下垂控制风电机组出口电压的角度和幅值,使双馈风电机组以可控电压源的外特性运行。该控制方法能使双馈风电机组在弱电网的对称故障和不对称故障中均提供无功和有功电流,并且能在故障清除后的重励磁暂态过程中提高系统的电压稳定性。该方法同样适用于需要在联网和孤网运行之间进行无缝切换的双馈风电机组。最后,通过双馈风电机组接入无穷大电网实际电网、孤网的仿真算例验证了该故障穿越控制方法的有效性及优越性。     

Virtual synchronous generator model control of PV for improving transient stability and damping in a large‐scale power system

Because of the significant changes in environmental policies and electric power deregulation in the last decade, a lot of photovoltaic generations (PV) have been and will be installed into the power system in Japan and the ratio of PVs to other synchronous generators will be increased. As a countermeasure against the decrease in the rotational inertia in the whole power system, a virtual synchronous generator (VSG) model control of the PV has so far been proposed. However, the system stabilization effect of the VSG in large‐scale power systems has been unclear. In this paper, a virtual step‐out blocking method of VSG for improving the transient stability is proposed. In addition, the necessity of governor control of VSG in a large‐scale power system is discussed. Finally, the rated kw and kwh capacities of the battery required for realizing the VSG‐model control are evaluated.     

基于PSASP的光伏并网系统建模与稳定性研究

在PSASP仿真环境下,开发了光伏并网发电系统中的光伏电池、MPPT控制器、蓄电池组、逆变器及DC-DC升压器的机电暂态模型,研究了光伏并网保护系统中的过/欠电压保护、过/欠频保护、过电流及短路电流保护、电压不平衡保护模型,应用这些模型建立了可用于电力系统稳定性分析的光伏电站仿真模型。最后,以接入光伏电站的某西部孤立电网为例,研究了光伏电源不同容量、不同功率因数接入方式对电网潮流的影响,以及故障扰动下的暂态稳定影响,验证了模型的正确性。     

基于模糊神经网络的光伏发电系统功率控制方法

并网光伏发电系统的故障穿越是大规模新能源接入电网和灵活调控的技术难题,针对传统光伏发电系统在电网故障条件下穿越控制策略的不足,提出一种基于模糊神经网络的光伏发电系统功率控制方法。在电网电压突变和跌落情况下能够快速地调整光伏发电系统的工作模式,以适应光伏阵列最大输出功率和并网逆变器额定容量以及最大输出电流的限制,具有稳定性强、跟踪速度快等优点。给出了控制策略总体架构,详细阐述了电网故障控制器运行模式切换策略,建立了模糊神经网络算法的数学模型和实现流程。最后,在Matlab/Simulink平台下搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。     

双馈风电机组故障行为及对电力系统暂态稳定性的影响

由于双馈风电机组具有不同于同步发电机的运行特性,且不同型号双馈风电机组在实现故障穿越时采用不同的控制策略,造成大规模风电并网的电力系统暂态稳定性发生变化。文中通过对双馈风电机组控制特点及故障行为的深入研究,指出双馈风电机组的故障行为由故障穿越运行控制策略决定,并给出其等效外特性。基于等面积定则定性分析了双馈风电机组接入单端送电系统后,其故障行为对系统暂态稳定性影响的机理。在理论分析基础上进行了时域仿真验证,仿真结果表明,故障期间减小双馈风电机组有功给定值、增加无功注入控制比例系数有利于系统的暂态功角稳定性,故障清除后有功恢复控制对系统的暂态功角稳定性影响不大,验证了所提理论分析的正确性。     

主动配电网多级无功电压协调控制研究

分布式光伏大量接入配电网后电压越限问题成为影响电网安全稳定运行的关键因素。为了适应高渗透率、大规模分布式光伏的接入,提高系统调压能力,本文依据主动配电网内调压资源特性的不同,对其进行了分类分级处理,提出了主动配电网多级无功电压控制策略,即分别利用小容量分布式光伏、光伏电站无功、传统VQC装置和光伏电站有功实现系统一、二、三、四级调压。其中,针对小容量分布式光伏所采用的分散式就地控制策略,提出了基于并网点电压和光伏实际有功出力的cosφ(U、P)控制模型。最后,基于改进的IEEE33节点算例进行了仿真,仿真结果表明本文所提出的四级调压策略,充分利用了主动配电网内分散的调压资源,有效减少了VQC装置动作次数,并改善了配电网电压水平。     

Fundamental Study of Voltage Stability in a Power System with Large Penetration of Photovoltaic Generation Considering Induction Motor Dynamics

Because of global warming, attention to photovoltaic (PV) generation has increased, and considerable PV generation capacity will be installed in the power system. In Japan, most PV generation will be connected to the distribution system, which will cause changes in power flow in the power system. Forward power flow (flow from the higher voltage system to the lower voltage system) will be reduced and reverse power flow may occur. Because of the change in power flow, the voltage characteristics will also be changed. Consequently, it is expected that the penetration of PV generation will have some impact on voltage stability. In previous studies, the voltage characteristics in a simple power system model consisting of one infinite bus, one load, and one PV power source, have been investigated. It was found that there is not only a forward power flow limit but also a reverse power flow limit (the left nose in the PV curve), and that when the output power from PV generation is very large, the left nose sometimes has some impact on voltage stability. In this paper, the voltage stability in a simple power system model considering the dynamics of an induction motor is discussed.     

Impact of Postfault Active Power Recovery of Photovoltaic Power Generation on Transient Stability

Currently, Japanese grid codes require photovoltaic (PV) power generation systems to continue supplying power to the grid as soon as possible even if the systems temporarily stop their operation. Although the fault ride‐through capability was originally proposed for preventing a cascading frequency drop in the power system, the capability has the impact on other instability phenomena such as transient stability. In this study, we focus on the postfault active power recovery of the PV systems. The impact of the recovery speed on the transient stability is investigated under different load conditions, in particular static/dynamic load condition. Numerical examples are carried out for the one‐machine one‐load infinite‐bus system, and the effects of the recovery speed are evaluated by equal area criterion and critical clearing time. As a result, we have found both desirable and undesirable effects on the transient stability depending on the load condition.     

基于串联制动电阻的恒速风电机组故障穿越改善措施

介绍了利用串联制动电阻(SDBR)在故障过程中吸收恒速风电机组的过剩有功功率,并提升机端电压以提高恒速风电机组故障穿越能力的措施,针对典型风电场分别做了准静态分析和暂态仿真.结果表明,串联制动电阻能有效地提高恒速风电机组的故障穿越能力,且具有经济、可靠、易于维护等优点.     

基于PSASP的含大规模光伏发电系统暂态稳定仿真分析

光伏发电的出力特性不同于常规机组发电,随着光伏发电在西藏装机容量的不断增加,对西藏电网安全稳定运行提出了严峻的挑战。根据2019年冬季运行方式下的数据,基于电力系统分析综合程序(power system analysis software package,PSASP)建立了含大规模光伏发电的西藏某地区电网机电仿真模型。通过典型光照扰动、光伏电站切机及短路故障分析了对西藏某地区电网暂态稳定的影响,电网在典型光照扰动、光伏电站切机及短路故障条件下均能保持暂态稳定,但是有部分母线电压高于规定电压上限。针对部分母线电压越限的问题加装无功补偿装置,改善了电网系统的电压稳定性。     

计及虚拟惯量控制与低电压穿越的光伏发电系统暂态稳定分析

为满足光伏发电系统随着装机容量的增加而提出的更高要求,加入了虚拟惯量控制与低电压穿越使系统具备调频与调压的功能。针对计及虚拟惯量控制与低电压穿越的光伏发电系统,建立适用于暂态分析的锁相环扩展非线性模型。基于该模型使用等面积准则的方法分析系统在故障前、故障发生时以及故障切除后的暂态同步过程,从而确定影响系统稳定性的因素。在此基础上,继续使用等面积准则分析电压跌落深度、虚拟惯量控制器参数与锁相环比例、积分系数等因素对光伏暂态稳定性的影响。仿真证明,所提方法可有效分析各种参数对光伏发电系统暂态稳定性的影响,验证了理论分析的正确性。     

变频软启动永磁同步电机低电压穿越能力评估方法

永磁同步电机在工业现场应用广泛。为分析基于变频器实现软启动的永磁同步电机在电压暂降场景下的动态运行特性,提出一种永磁同步电机低电压穿越能力评估方法。首先,基于dq坐标系建立电磁转矩与功角、端电压间的解析式,分析暂态过程中的转差率与电机稳定性之间的关系,建立基于转差率的电机暂态稳定分析判据,进而确定电机安全稳定临界电压;其次,基于面积法则推导临界切除功角解析式,得到故障临界切除时间;最后,选择安全稳定临界电压和故障临界切除时间为电机低电压穿越能力的特征值。研究表明,暂态过程中转差率是否存在负值可作为暂态能否稳定的判据,电机带载率越小其低电压穿越能力越强。     

基于XGBOOST-PSO提高受端电网电压暂态稳定的发电机无功优化方法

考虑发电机稳态输出无功对其支撑暂态电压恢复稳定能力的影响,基于机器学习研究优化发电机稳态输出无功提高电压对故障扰动保持暂态稳定能力的预防控制方法。该方法采用加权多二元表暂态稳定裕度指标量化母线暂态电压对不同预想故障扰动的综合稳定裕度,并基于指标排序确定稳定裕度薄弱母线。同时基于发电机无功调节对预想故障下各薄弱母线电压暂态稳定裕度综合作用灵敏度排序,选择作用灵敏发电机。在利用XGBoost建立根据系统稳态特征向量预测薄弱母线暂态电压稳定的分类模型基础上,以系统对预想故障扰动保持暂态电压稳定为约束、以减小发电机稳态无功调节对网损产生影响为目标,基于潮流计算寻优灵敏发电机稳态输出无功,以提高薄弱母线的暂态电压稳定性。最后采用雅湖直流接入江西电网的PSASP计算模型验证了所提方法的有效性。     

电压稳定功率裕度的动态校核

介绍了上海电网电压稳定功率裕度指标,探索了电压稳定裕度指标的时域仿真校核方法.一系列基于PSASP的时域仿真校核表明,当系统运行在PV曲线的极限点时,电力系统可能体现出电压稳定和暂态功角稳定交互作用的特性.在极限运行点和其它的负荷水平下,仿真了电动机低压释放和低压减载对电压稳定的影响.     

分布式光伏接入情况下配电自动化系统的适应性

为了应对分布式光伏接入配电网的挑战,分析了分布式光伏的短路电流特征和分布式光伏接入对配电网短路电流的影响,指出当分布式光伏接入上游母线时,依据故障电流的传统故障定位策略完全适应。给出了分布式光伏接入馈线情形下的最不利条件,并分析了能够满足传统故障定位策略要求的适应范围。为了满足分布式光伏超出适应范围的故障定位要求,论述了两种应对方法,即重合闸与分布式光伏脱网特性配合法和基于方向元件法。研究结果表明:无论配电网发生三相或两相短路,由光伏供出的短路电流都不超过其额定电流的1.5倍;在分布式光伏接入容量不超过馈线载流量25%的条件下,电缆馈线基本都能满足传统故障定位规则要求、架空馈线绝大部分能满足传统故障定位规则要求。论述的两种应对方法能够满足分布式光伏超出适应范围的故障定位要求。     

基于谐波注入信息传递的海上风电柔直并网故障穿越方法

海上风电柔直送出系统在交流电网发生故障时应该具备故障穿越能力.然而,风电场和柔直系统中的多类型换流设备在没有高速通信的情况下,很难协同控制实现系统低电压穿越过程中的直流电压稳定.因此,提出基于谐波注入信息传递的海上风电柔直送出系统故障穿越协调控制方法.在故障期间,风电场侧换流器检测到直流电压超过阈值后降低风电场交流电压幅值,并向系统注入谐波,使得风电机组换流器根据不同谐波阈值协同限制注入电网的功率,实现无通信条件下系统多换流设备协同的故障穿越.通过与常规的只由风电场侧换流器单独降功率的方法进行比较,在电网的各种故障类型下,所提方法可以更快速地将柔直直流电压限定在允许范围之内,系统可实现安全、可靠的故障穿越.     

风电高渗透率交直流外送系统直流闭锁稳控方案研究

针对特高压直流闭锁后的交流系统暂态过电压问题,深入剖析了直流闭锁后盈余的无功功率、短路容量与交流系统暂态过电压的关系,对比分析了安控切风电与极控切滤波器时序对交流系统暂态过电压的影响。提出基于风电机组故障穿越能力的交流系统稳控方案以及相应的暂态过电压抑制措施。以DIg SILENT为平台搭建哈密电网仿真模型,对所提稳控方案及暂态过电压抑制措施的正确性和可行性进行了仿真验证。仿真结果表明,所提稳控方案及暂态过电压抑制措施可有效降低系统暂态过电压,规避风电机组连锁脱网的风险,并有利于交流系统电压恢复。