Power generation maximization of distributed photovoltaic systems using dynamic topology reconfiguration

The ‘mismatch losses’ problem is commonly encountered in distributed photovoltaic (PV) power generation systems. It can directly reduce power generation. Hence, PV array reconfiguration techniques have become highly popular to minimize the mismatch losses. In this paper, a dynamical array reconfiguration method for Total-Cross-Ties (TCT) and Series–Parallel (SP) interconnected PV arrays is proposed. The method aims to improve the maximum power output generation of a distributed PV array in different mismatch conditions through a set of inverters and a switching matrix that is controlled by a dynamic and scalable reconfiguration optimization algorithm. The structures of the switching matrix for both TCT-based and SP-based PV arrays are designed to enable flexible alteration of the electrical connections between PV strings and inverters. Also, the proposed reconfiguration solution is scalable, because the size of the switching matrix deployed in the proposed solution is only determined by the numbers of the PV strings and the inverters, and is not related to the number of PV modules in a string. The performance of the proposed method is assessed for PV arrays with both TCT and SP interconnections in different mismatch conditions, including different partial shading and random PV module failure. The average optimization time for TCT and SP interconnected PV arrays is 0.02 and 3 s, respectively. The effectiveness of the proposed dynamical reconfiguration is confirmed, with the average maximum power generation improved by 8.56% for the TCT-based PV array and 6.43% for the SP-based PV array compared to a fixed topology scheme.     

混合型补偿装置抑制风电次同步振荡的研究

传统风电经固定串补(FSC)外送系统常引发次同步振荡(SSO)问题,威胁系统的安全运行.基于风电串补系统SSO的发生机理,提出一种由静止同步串联补偿器(SSSC)与FSC组成的混合串联补偿(HSC)装置结构的附加控制策略.充分利用SSSC的控制灵活性,使其输出次同步电压与线路次同步电流同相位,SSSC等效为系统振荡频率...     

基于SVG的光伏并网SSO附加阻尼抑制策略

针对大规模光伏(photovoltaic, PV)并入弱交流电网的次同步振荡(sub-synchronous oscillation, SSO)问题,提出一种基于静止无功发生器(static var generator, SVG)附加阻尼控制策略抑制的方法。该方法提取PV并网点电压作为输入信号,通过附加次同步阻尼控制器(supplementary sub-synchronous damping controller, SSDC)生成与并网点次同步电压同相位的次同步电流信号,使SVG在次同步频率下等效为并联接入系统的正电阻,消耗SSO能量实现抑制。此外,详细分析了SSDC的结构和参数设计方法。最后,以西北某PV电站为实例,通过电磁暂态仿真验证了上述抑制控制策略在多种工况下的有效性,该控制策略可提高光伏系统的稳定裕量。     

含HVDC的电力系统次同步振荡参数稳定域的可视化分析

采用特征值分析法研究交直流电力系统中HVDC换流器控制对次同步振荡(SSO)模态阻尼的影响。利用MATLAB的数值计算和数据可视化能力，计算并在三维空间绘制了SSO模态阻尼相对于整流器控制参数平面的轨迹曲面，并提出一种可视化描述SSO参数稳定域的巧妙方法。发现各SSO模态都有一条最佳的模态阻尼脊线，阻尼不是分别随整流控制器增益和时间常数单调变化的。因此，减小时间常数和提高增益可以从参数不稳定域到达参数稳定域或者远离参数不稳定域，有利于提高鲁棒稳定性，但并不总是有利于改善SSO模态阻尼。     

风火捆绑经HVDC送电引起轴系扭振研究

风机轴系考虑为多质块模型时,风电场经高压直流输送电力有可能引起次同步轴系扭振。当风电与附近火电机组捆绑送电时,有助于提高风电系统稳定性。但当系统发生扰动时,风电机组和火电机组均将产生严重的轴系扭振现象。本文首先分析风机轴系扭振产生机理,然后基于整体最小二乘-旋转不变技术估计信号参数(TLS-ESPRIT)辨识出在风机轴系和汽轮机轴系固有扭振模态下的系统传递函数,进而基于射影定理针对每个扭振模态设计阻尼控制器以实现分层控制,最后将阻尼控制器输出信号叠加到直流输电整流侧定电流主控制器上,实现轴系扭振的抑制。建立风电场与火电机组捆绑送电模型并进行仿真,仿真结果表明,设计的分层控制器可有效提高轴系固有扭振模态的阻尼比,可使轴系模块间的扭振迅速衰减,有效提高了电力系统稳定性,控制器阶数较低,便于实际工程实现,且具有较高的鲁棒性。     

混合型统一潮流控制器抑制风电次同步振荡控制策略

混合型统一潮流控制器(hybrid unified power flow controller,HUPFC)可以实现统一潮流控制器(unified power flow controller,UPFC)与移相变压器(‘Sen’ transformer,ST)的优势互补,广泛应用于系统潮流控制之中。但是,尚未有文献开展HUPFC抑制系统次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)的研究。针对双馈风机(double-fed induction generator,DFIG)经串补输电系统存在的SSO问题,提出一种HUPFC附加有源电阻控制(supplementary active resistance control,SARC)策略。首先,阐述了HUPFC的原理及其SSO抑制机理。然后,设计了SARC策略,该策略通过实时跟踪线路中的次同步电流信号,使HUPFC向输电线路叠加一个与次同步电流信号相位相同、幅值可变的次同步电压,进而实现系统等效正电阻,达到抑制SSO的目的。最后,给出了SARC的参数设计方法,在PSCAD/EMTDC仿真环境中,以华北某风电场为仿真算例,采用频率扫描与时域仿真相结合的方法,验证了所提HUPFC的SARC策略抑制双馈风机经串补输电系统SSO的有效性。     

汽轮发电机电气参数对次同步扭振阻尼的影响

汽轮发电机是联系轴系机械系统与电力网络的中间环节,其数学模型的表现形式及参数精度对次同步扭振研究的可行性及结论有着直接的影响。通过对机电系统闭环特征值的计算分析,研究了汽轮发电机电气参数对次同步扭振阻尼的影响,指出应注意发电机次暂态电抗参数精度对次同步扭振阻尼有较大影响。     

直驱风电场与LCC-HVDC次同步交互作用的扰动传递路径及阻尼特性分析

当直驱风电场距离电网换相型高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)的整流站较近时,两者间的次同步交互作用机理及特性尚不明确,现有分析方法难以揭示扰动传递过程及子系统间的耦合关系。针对上述问题,该文首先建立直驱风电场经LCC-HVDC送出系统的线性化模型,并基于系统闭环互联传递函数框图揭示次同步频率扰动在直驱风电场与LCC-HVDC之间的传递路径。然后,通过阻尼重构分离出次同步交互作用对次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)模式阻尼的影响,并分析控制器参数对SSO模式阻尼的影响。结果表明,直驱风电机组直流电容主导的SSO模式存在不稳定风险;直驱风电场与LCC-HVDC之间的扰动传递路径呈现"8"字型耦合关系,导致两者间存在次同步交互作用;直驱风电机组外环、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大或积分系数减小时,SSO模式阻尼增大。     

风火打捆经直流送出的次同步振荡分析与抑制措施

传统火电机组与直流输电控制器相互作用会产生次同步振荡,大规模双馈风电机组接入对这种振荡产生的影响有待深入研究。本文建立了风火打捆经直流送出的典型模型,并对风火打捆经直流送出系统次同步振荡机理进行了分析,结果表明双馈风机接入能够缓解直流输电引起的火电机组次同步振荡,且风火打捆比例越高效果越好。分析了风机变频器特性与系统运行工况对火电机组次同步振荡的影响,结果表明,风机转子侧变频器内环增益系数增大、内环积分时间常数减小、直流输送功率上升、送端交流系统减弱、直流输电整流侧控制器积分时间常数减小、换流器触发角增大,会引起火电机组振荡加剧。对工程应用较多的直流附加宽带通式次同步阻尼控制器(SSDC)在风火打捆经直流送出系统中的适用性进行分析与验证,结果表明,宽带通式SSDC仍具有抑制效果。     

基于并联电压源型换流器的次同步振荡抑制策略研究

基于电力电子装置的次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)抑制措施能够快速有效地消除火电机组的次同步振荡问题。该文基于复转矩系数法的原理,推导和分析了采用并联电压源型换流器(voltage source converter,VSC)阻尼和阻断次同步振荡的机理,并提出了一种阻尼与阻断相结合的次同步振荡抑制策略。针对实际工程中存在的次同步振荡问题,构建了实际系统的电磁暂态仿真模型,对所提出的方法进行了仿真验证。仿真结果表明,与以往抑制策略相比,所提出的抑制策略的抑制效果更加有效。     

直驱风电机组全运行区域的次同步振荡特性分析

针对直驱风电机组(direct-drive permanent magnet synchronous generator, D-PMSG)并入弱交流电网的次同步振荡(subsynchronous oscillation, SSO)问题,现有研究多是在风机处于最大功率跟踪运行区域的情况下进行分析,未考虑恒输出功率等运行区域。建立了D-PMSG并入弱交流电网的小信号模型,进而采用特征值法对全运行区域下不同风速、不同输出功率时的次同步振荡特性进行分析,并建立了D-PMSG并入弱交流电网的PSCAD/EMTDC时域仿真模型,验证理论分析结果的正确性。结果表明：在最大功率跟踪运行区域,风速增大且输出功率为最大值时,次同步振荡阻尼增大;在恒输出功率运行区域,输出功率一定,风速增大,次同步振荡阻尼和频率基本不变;在全运行区域,相同风速下,输出功率越小,阻尼越小;在实际运行中,若电网限制D-PMSG的输出功率,降低系统的输出功率更适合采用切机措施,使得系统在发生次同步振荡现象时有更大的阻尼。     

基于电气阻尼计算的STATCOM次同步振荡控制器设计

文中提出了一种基于电气阻尼计算的STATCOM对次同步振荡的策略。首先推导了含STATCOM系统的简化电磁转矩和电气阻尼表达式,分析了STATCOM及其电压控制等对系统电气阻尼的影响。指出STATCOM的电压控制等可能会复杂化扭振频下的阻尼特性,给STATCOM的控制器设计带来困难。为此考虑各扭振频率的影响,以阻尼计算得到的补偿相位综合最优为目标,将控制器参数设计转化成一个优化问题并用遗传算法求解。最后用特征值计算和电磁暂态时域仿真验证了所设计控制器的有效性。     

Sub-synchronous Oscillations Caused by Grid-connected PMSGs under the Condition of Near Strong Open-Loop Modal Resonance

Abstract

This article examines the modal condition under which a grid-connected PMSG may cause the sub-synchronous oscillations (SSOs) in a power system. The examination is based on a closed-loop interconnected model of the power system, wherein, the PMSG and the remainder of power system (ROPS) are modeled as two separate but interconnected open-loop subsystems. The model condition being examined is that an SSO mode of the open-loop PMSG subsystem is close to an SSO mode of the open-loop ROPS subsystem on the complex plane. Analysis in the article indicates that the modal condition is the near strong open-loop modal resonance (NSOMR), under which damping of one corresponding closed-loop SSO mode may very likely degrade. The damping degradation can be estimated by an SSO index derived in the article. Hence, study presented in the article reveals the mechanism about why the SSOs may be caused by the grid-connected PMSG from the perspective of the NSOMR. In addition, it is proposed that by applying the modal analysis to the open-loop subsystems, the SSO instability risk brought about by the PMSG can be detected and the risk-contributing PMSGs and synchronous generators in the power system can be identified.     

模糊自抗扰附加阻尼控制抑制光火打捆经串补送出的次同步振荡

针对光伏、火电打捆经串补送出系统,提出一种基于模糊自抗扰的附加阻尼控制器,来抑制交流串补可能引发的次同步振荡。首先对打捆系统的振荡模式进行辨识,然后通过巴特沃斯带通滤波器将各振荡模式对应的转速分量分解到不同的通道,在每个通道中设计相应的自抗扰阻尼控制器。考虑到光伏出力具有波动性、间歇性等特点,运行状态比较复杂,采用模糊控制对自抗扰关键参数进行自整定改进。基于PSCAD/EMTDC仿真软件,以加入光伏并网的IEEE次同步振荡第一标准模型作为仿真算例进行验证。结果表明,所设计的模糊自抗扰附加阻尼控制器在系统受到扰动时,能够有效抑制火电机组的次同步振荡,具有较强的鲁棒性,且抑制效果优于传统的PID控制。     

基于电容能量的模块化多电平换流器次同步振荡抑制及其阻抗分析

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)易与风机和弱电网相互作用导致次同步振荡的情况,文中提出一种基于MMC电容能量控制的次同步振荡抑制方法。该方法通过控制环流的零序分量来调制MMC中储存的电容能量,使得电容能量根据公共连接点频率对次同步振荡进行阻尼。基于谐波状态空间理论建立考虑能量控制的MMC序阻抗模型,从交流侧阻抗角度分析能量控制对MMC动态的影响,并研究MMC与风机和弱电网相互作用导致次同步振荡的机理。分析结果表明,能量阻尼控制抑制了MMC阻抗中次同步频段的谐振峰;风电出力过大或电网短路比过小时,MMC易出现次同步振荡;在MMC采取定交流电压与定功率控制两种情形下,文中提出的能量阻尼控制都能有效阻尼次同步振荡。此外,理论阻抗建模及控制器性能都在电磁暂态仿真中得到验证。     

基于Rife-Vincent窗和同步相量测量数据的风电次同步振荡参数辨识

随着电网中风力发电渗透率的增加,电力系统发生次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)的可能性显著增加,报道显示次同步振荡给电力系统设备安全和稳定运行带来重大挑战,如何准确地辨识SSO参数对抑制SSO至关重要。为了利用同步测量数据并提高计算精度,减少频谱泄漏和栅栏效应对辨识的影响,提出一种利用复数域同步相量数据的SSO关键参数辨识方法。首先,通过频谱分析得到复数域含SSO信号加窗同步相量的表达式,并推导得到系统基频分量和SSO分量在频域中的特征;然后基于加阻尼Rife-Vincent窗和三点插值法计算出复数域下SSO的频率、阻尼系数、幅度和相位参数。通过辨识不同条件下的仿真信号验证所提方法的有效性。仿真结果表明,相对于传统方法,该方法能更好地抑制频谱泄露和栅栏效应,具有更高的计算精度和鲁棒性。     

基于电气阻尼-刚度控制的双馈风电机组轴系扭振抑制策略

针对现有扭振控制中,难以平衡抑振效果和响应速度的关系,以及高、低速轴的阻尼比变化速率不同导致整体阻尼比难以调节的问题,提出了一种双馈风电机组轴系扭振抑制策略。首先推导了机械扭转角与电磁转矩的传递函数,通过引入等效阻尼和刚度分析了高低速轴机电耦合阻尼比的差异。其次对电气刚度抑制轴系扭振的机理进行分析,根据阻尼和刚度的协调作用,提出基于电气阻尼-刚度控制的轴系扭振抑制策略,得到电气阻尼-刚度控制下的轴系阻尼比变化趋势。最后在搭建FAST-MATLAB/Simulink联合仿真双馈风电机组模块的基础上,引入湍流风与电网暂降激励,对所提策略的抑振效果进行仿真验证。结果表明,相较于传统的阻尼控制,所提策略能够充分发挥传动链的机电强耦合作用,在保证响应速度的同时具有更好的抑振能力。     

A Damping Method for Torsional Vibrations in a DFIG Wind Turbine System Based on Small-Signal Analysis

Torsional vibrations present in the drivetrain excited by turbulent winds or grid disturbances (often manifesting as voltage sags) can produce severe stresses on the components of wind turbines. This study presents a damping method for the rotor side converter of a doubly fed induction generator (DFIG)-based wind turbine to improve system damping during small grid disturbances. Within the damping strategy, torsional damper is included into the power loop of the rotor side converter to provide damping for the system. During vibrations, a well-designed low-pass filter (LPF) is employed by the torsional damper to extract the dynamics of the generator speed and to generate a damping signal. To demonstrate the proposed damping approach, the small-signal stability model of a wind turbine connected to an infinite bus system is presented, and the eigenvalue analysis is conducted to verify the damping effect introduced by the torsional damper. In the case study, grid voltage sag at the point of common coupling (PCC) is applied to excite the torsional vibration of the wind turbine shaft. The validity and effectiveness of the proposed damping approach are testified by using the simulation results against theory analysis.     

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。     

风剪切和塔影效应作用下直驱式风电并网系统虚拟惯量控制

风剪切和塔影效应使直驱式风电机组成为强迫功率振荡扰动源,虚拟惯量控制可使风电机组同时具备向系统提供惯量支持和抑制扰动的能力。通过分析虚拟惯量控制中比例-微分环节对系统阻尼、风机轴系扭振和扰动源的影响,提出了虚拟惯量控制的改进方案。在VIC补偿量中引入风机输出功率给定量和二阶带通滤波器,实现了比例、微分系数的等效等比增大。算例分析和仿真结果表明,改进方案在不减少系统阻尼和不降低轴系稳定性的前提下,提高了虚拟惯量控制对强迫功率振荡扰动抑制的能力。