含非同步机电源交流电网暂态稳定性的电磁暂态仿真研究

随着非化石能源占一次能源比重和电能占终端能源比重的大幅度提升,大量非同步机电源通过电力电子换流器并网,导致同步机电源在电网中的主导地位被打破,使原本复杂的电力系统稳定性问题变得更加复杂。针对包含非同步机电源的交流电网的暂态稳定性问题,基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC,在2区域4机系统中,通过逐步等容量替换同步机电源,仿真研究分析了交流系统临界清除时间随非同步机电源比例、非同步机电源同步机制、非同步机电源并网位置、故障类型和故障位置5个影响因素的变化趋势。仿真结果表明,随着系统中非同步机电源占比的增加,系统的暂态稳定性逐渐增强。当系统中非同步机电源占比相同时,非同步机电源分散并网可以同时增强所在区域的暂态稳定性;在非同步机电源占主导的交流电网遭受故障时,暂态响应快,故障恢复时间短,不会表现出同步机电源的功角特性。     

大规模风电并网对送端系统功角稳定的影响研究

随着我国风电能源的不断发展,大规模风电集中接入电网对送端系统暂态功角稳定的影响问题仍然不容忽视。以双馈型风电集中接入受端大系统为分析对象建立等效模型,并基于双馈风机的功角特性和暂态特性展开分析。首先,采用单端送电系统同步机的电磁功率解析表达式,通过分析风电等出力置换火电出力接入系统对电磁功率方程的影响推断出风电接入对同步机初始功角的影响。其次,通过负负荷接入与风电接入两种接入方式的对比分析了双馈风机在故障发生后有功功率和无功功率特性对同步机电磁功率方程的影响,并基于等面积定则(EAC)分析了双馈风机接入对系统暂态功角稳定性的影响。研究结果表明,风电等出力置换火电出力时同步机初始功角减小,暂态稳定性升高;双馈风机的有功功率和无功功率特性对系统暂态功角稳定性具有正向作用。最后,通过仿真验证了理论的正确性,并在实际电网中得到了验证。     

非同步机电源接入电网后的谐振问题分析及抑制

随着非同步机电源在电网中的占比越来越大，有别于传统功角振荡的电网谐振不稳定问题逐渐显现。为此，文中提出了一种基于s域节点导纳矩阵的网络谐振分析方法，用以分析及抑制含非同步机电源电力系统的谐振问题。首先，介绍了两种非同步机电源的s域阻抗建模方法——小干扰线性化法和测试信号法，重点考虑了内环控制器和锁相环的影响。然后，给出了一套基于s域节点导纳矩阵的网络谐振结构分析方法，并提出了两个描述谐振模式的特征指标，用以确定其主要影响区域和敏感元件参数。最后，以某风电场并网系统为例，对该系统的谐振结构进行了分析，并针对其存在的谐振问题提出了相应的改善措施。分析表明，由于电力电子装置的负电阻效应，含非同步机电源的电力系统确实存在谐振不稳定的风险，需要加以抑制。     

电力系统广义同步稳定性的物理机理与研究途径

进入二十一世纪后,世界范围内对全球变暖的担忧迫使能源向低碳化和无碳化方向转型,可再生能源的开发利用发展迅猛,使得电网电源日益朝着非同步机化方向发展,导致电网电源之间的同步稳定性呈现出新的形态—— 广义同步稳定性。广义同步稳定性包含了同步机电源之间的同步稳定性、同步机电源与非同步机电源之间的同步稳定性以及非同步机电源之间的同步稳定性。为此,探讨广义同步稳定性意义上的失步机理及其研究途径。首先介绍了非同步机电源保持广义同步稳定性的基本手段。然后分析了广义同步稳定性意义上的3种失步类型,包括锁相环的锁相失败失步和功率同步环失步、非同步机电源由控制系统时延引起的失步以及同步机之间的功角失步。最后讨论了广义同步稳定性的分析方法,包括单独考虑一种失步类型时的分析方法和综合考虑所有失步类型时的分析方法;提出了从小系统到大系统步步推进的失步机理分析技术路线,指出了机电暂态模型不适用于分析广义同步稳定性的原因,阐明了基于全电磁暂态仿真分析电力系统广义同步稳定性是未来发展的趋势。     

“非同步机电源大规模接入的无功补偿问题”专题征稿启事

中国已明确宣布,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。未来电网中新能源电源和大容量直流输电换流器电源将会占据主导地位,其特性与常规同步发电机电源有很大不同。这些非同步机电源的大规模接入,给电网的规划和运行带来了前所未有的挑战。与同步发电机本身就是优质无功电源不同,非同步机电源一般不主动为电网提供无功功率,很多非同步机电源是按照与电网之间无功功率零交换来设计的。因此,大规模非同步机电源的接入,必然导致电网无功电源的短缺。如何进行电网无功功率的补偿,是一个亟待解决的问题。     

适用于电动汽车充放电功能的虚拟同步机技术的研究

针对典型可控负荷电动汽车,提出一种基于虚拟同步机技术的充放电控制策略.采用两级式拓扑进行研究,前级AC/DC控制引入基于充放电模式的新型虚拟同步机技术,使电动汽车具备传统同步机相似的惯量、阻尼及频率、电压调节特性的同时,该控制中设置的充放电方式防止电池满充满放,提高使用寿命;将直流母线电压的双闭环控制应用于后级DC/DC控制,提高直流接口的电压稳定性.该控制的特点是虚拟同步机和充放电控制均由前级整流器实现,具有较好的协调性.在MATLAB/Simulink平台中通过典型算例证明,在不同初始电池状态、不同电网负荷和分布式电源接入情况下,所提控制策略使电动汽车不仅能向电网提供惯量、阻尼支撑,还可根据电网频率、电压变化情况自动调整有功、无功功率实现功率双向调节,满足用户需求的同时提高电网动态稳定性.     

基于状态矩阵和摄动理论的双馈风力发电机与同步机小扰动互作用机理

随着大规模双馈风力发电机的并网,研究双馈风力发电机与同步机间的小扰动互作用机理值得重视。为揭示该互作用机理,首先分析了双馈风力发电机端电压相角变化与转子侧矢量控制的关系;然后建立了风力发电机端电压相角变化和锁相环与电网电压角频率偏差的关系方程,在此基础上,基于单同步机单双馈风力发电机无穷大系统,建立了风力发电机锁相环与同步机功角耦合的状态矩阵,并采用摄动理论和模态分析研究了该状态矩阵对应模态间的耦合互作用,揭示了风力发电机锁相环模态与同步机功角模态间互作用的产生机理;最后,通过模态及其主导状态变量与参与因子的比较验证了分析结果的正确性。     

高比例非同步机电源电网面临的三大技术挑战

对未来电网的动态特性进行了探讨。从交流电网运行的基本原理出发,描述了高比例非同步机电源电网面临的三大技术挑战。包括:同步稳定性的新形态-广义同步稳定性问题;机电暂态分析方法的不适用性与电磁暂态分析方法的全面替代问题;以及由电力电子装置负电阻引起的宽频谐振不稳定问题及其分析方法与解决方案。指出了非同步机电源必须依靠控制手段来实现与电网中其他电源的同步,其决定性因素是锁相环PLL,PLL失锁就意味着该电源与电网中其他电源失步,从而提出了广义同步稳定性的概念。阐述了基于正序基波相量的机电暂态分析方法难以对PLL特性进行准确模拟,从而提出了采用电磁暂态分析方法研究高比例非同步机电源电网广义同步稳定性的对策。阐明了由电力电子装置负电阻引起的宽频谐振不稳定问题的本质是电网遭受扰动后其电压、电流响应中以固有谐振频率振荡的自由分量的衰减特性,并提出了研究该问题的s域节点导纳矩阵法。     

弱电网下基于虚拟同步机的并网逆变器短路电流抑制研究

随着电力系统中新能源发电渗透率的提高,电网逐渐趋于弱电网,导致发电系统中低惯量、弱阻尼现象日益严重。虚拟同步机(VSG)技术可以提高惯量增加阻尼,保证系统在小扰动下的动态稳定性。然而高渗透率的电网系统为非无穷大系统,当网侧发生短路故障时,故障瞬间产生因非周期分量引起的暂态冲击电流,仅依靠传统的VSG控制无法有效地抑制短路电流,难以保证系统在大扰动下的暂态稳定性。针对以上问题,本文基于VSG暂态功角特性,提出了适用于弱电网的单位圆混合相量分析法,并结合提出的动态调节控制策略能够在电网阻抗波动时有效地抑制短路电流的稳态值和暂态冲击峰值,保证了系统的暂态稳定性。仿真和实验结果验证了本文所提控制方法的正确性和可行性。     

双馈风机与同步机小扰动功角互作用机理分析

研究风机与同步机动态间的交互作用机理对于揭示风电并网对电力系统小扰动功角稳定特性的影响,指导含大规模风电的电力系统稳定控制具有重要的理论价值和现实意义。该文针对单双馈风机单同步机无穷大系统,从动态响应互作用的角度分析双馈风机与同步机的交互作用机理。首先建立了同步机功角与双馈风机锁相环输出动态的小扰动分析模型。其次,基于小扰动分析模型解的特性,分析了不同锁相环输出动态对同步机功角动态响应的影响,以及同步机功角振荡对双馈风机锁相环输出动态的影响,揭示了双馈风机锁相环动态与同步机功角动态间的交互作用机理。研究结果表明,双馈风机锁相环和同步机动态间的交互影响与锁相环模态和同步机功角模态有关,当两模态振荡频率接近时,两模态阻尼特性将发生变化。最后,通过仿真与模态分析验证了该机理研究的正确性。     

考虑过渡电阻的风机并网对电力系统稳定性的影响

大规模双馈风电集中接入对电网中传统同步机组暂态功角稳定有重要影响。将双馈风电机组近似等效为恒功率源,基于等面积定则分析了不同故障时段双馈风机等容量替代同步机组时同步机组暂态功角的变化,考虑了不同三相接地故障过渡电阻对同步机组功率特性的影响,据此分析了风电场并网运行时对系统暂态稳定影响的机理。理论分析表明,当过渡电阻值较小时,双馈风机接入增强了系统暂态功角稳定性,当过渡电阻值较大时,可能降低了系统暂态功角稳定性,对风机并网产生不利影响。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提观点的正确性。     

包含风电场电力系统的小干扰稳定分析建模和仿真

为了研究风电场和电力系统相互作用的稳定性,提出一种用于小干扰稳定分析的风力发电机组的数学模型.应用该建模方法对风电场接入无穷大系统和接入三机系统的两种情况进行了计算,研究了风电场接入系统后影响系统小干扰稳定性的因素.算例分析表明,与风电机强相关的振荡模式有着很好的阻尼;与电力系统相连时,风电场对与大系统中其它同步发电机强相关的振荡模式影响很小.该建模方法为包含风电场电力系统的小干扰稳定分析提供了理论依据和实用工具.     

含构网型MMC的受端电网暂态稳定解析分析方法

针对新型电力系统中,构网型非同步机电源和同步机电源之间可能发生的暂态失稳现象,提出了适用于含构网型模块化多电平换流器（MMC）的受端电网暂态稳定解析分析方法。在故障期间和故障清除后系统中分别采用电流源和电压源对构网型MMC进行建模,并据此模型提出了临界切除角和临界切除时间的解析计算方法。基于所提解析分析方法,研究了MMC故障期间注入电流幅值和相角、故障位置、同步机和MMC对负荷的供电占比等关键因素对系统暂态稳定的影响机理。基于PSCAD/EMTDC搭建的电磁暂态仿真模型验证了所提解析分析方法的有效性、准确性和鲁棒性。     

改善含风电场虚拟惯量互联电力系统稳定性的自适应鲁棒滑模控制策略

在以风电为代表的可再生能源大规模接入传统电力系统的背景下,非同步机电源与同步机电源之间的耦合作用以及风电出力的不确定性,使互联电力系统稳定性控制面临复杂的运行场景。针对该问题,基于功率平衡原理建立考虑双馈风电机组虚拟惯量影响的同步发电机组等效转子运动模型,将系统参数协调性及故障因素统一表达为等效惯量参数摄动及有界的不确定扰动;运用滑模变结构方法,结合等效惯量和等效阻尼的可变性及可控性,提出一种自适应鲁棒滑模控制策略以改善互联电力系统的动态稳定性。理论分析和仿真结果表明,与传统的虚拟惯量控制方法相比,所提控制策略能够更好地抑制频率振荡,降低频率变化率以及相对功角振荡幅度。     

Extraneous instabilities arising in power systems with non-synchronous distributed energy resources

This short communication describes an extraneous instability that can be observed when solving time domain simulations for power systems with inclusion of non-synchronous distributed energy resources such as those based on voltage source converters and asynchronous generators. The instability object of the paper is caused by the interaction of (i) synchronous machines modeled using a synchronous reference speed and (ii) non-synchronous generators whose controllers depend on a d − q transformation. The paper also provides two simple solutions able to remove such extraneous instabilities. The New England 39-bus benchmark system is used for testing the proposed solutions.     

Impact of FACTS controllers on the stability of power systems connected with doubly fed induction generators

The increasing power demand has led to the growth of new technologies that play an integral role in shaping the future energy market. Keeping in view of the environmental constraints, grid connected wind turbines are promising in increasing system reliability. This paper presents the impact of FACTS controllers on the stability of power systems connected with wind energy conversion systems. The wind generator model considered is a variable speed doubly fed induction generator model. The stability assessment is made first for a three phase short circuit without FACTS controllers in the power network and then with the FACTS controllers. The dynamic simulation results yield information on (i) the impact of faults on the performance of induction generators/wind turbines, (ii) transient rating of the FACTS controllers for enhancement of rotor speed stability of induction generators and angle stability of synchronous generators. EUROSTAG is used for executing the dynamic simulations.     

Immersion and Invariance-based Non-linear Coordinated Control for Generator Excitation and Static Synchronous Compensator of Power Systems

In this article, a non-linear coordinated control of generator excitation and a static synchronous compensator is proposed to enhance the transient stability of an electrical power system. The coordinated controller proposed is designed via immersion and invariance methodology. In particular, a non-linear model of the power system and immersion and invariance design method are used to achieve not only power angle stability but also frequency and voltage regulations following a large disturbance (a symmetrical three-phase short-circuit fault) on one transmission line or a small perturbation to mechanical power input to synchronous generators in the system. The controller design is validated using a simulation study on a single-machine infinite bus. Simulation results show that the proposed controller can not only keep the system transiently stable but also simultaneously achieve power angle stability and frequency and voltage regulation.     

Small Signal Stability Analysis with Penetration ofGrid-connected Wind Farm of PMSG Type

The impacts of large-scale grid-connected wind farm on direct-driven permanent magnet synchronous generator(PMSG)type are discussed on the small signal stability performances of power systems.Firstly,a simplified practical model of wind farm of PMSG type is derived for analyzing small signal stability.The rotor-fluxoriented control strategy is applied to the modelling of PMSG.Secondly,the framework of small signal stability analysis incorporating wind farm of PMSG type is built.Finally,the different simulation scenarios based on the IEEE 3-generator-9-bus test system as benchmark are designed to conduct the eigenvalue analysis and to assess the impacts of wind farm of PMSG type on power system small signal stability.Some conclusions are drawn with simulation results.