基于自适应模式切换的MMC-HVDC数字物理混合仿真新型接口算法EI北大核心CSCD

数字物理混合仿真已成为模块化多电平换流器柔性直流输电技术(modular multilevel converter based high voltage direct current,MMC-HVDC)的重要研究手段,而接口算法是保证其系统稳定性和仿真精确性的关键技术。基于理想变压器模型法与阻尼阻抗法接口特性的对比分析,提出了一种基于自适应模式切换的新型接口算法,可在保证MMC-HVDC数字物理混合仿真系统稳定性的同时提高仿真精度。针对阻尼阻抗法,提出了物理动模交流场等效阻抗的精确计算方法,并简化了MMC交流侧等效阻抗的计算过程,实现了阻抗的实时匹配;根据2种接口算法的结构原理,在阻尼阻抗法的附加阻抗支路增加了一个可控开关,并以理想变压器模型法接口稳定性为依据设计了开关的动作条件及其误动的解决方案,进而设计新型接口算法的实现流程,保证接口特性的有效切换。通过数字仿真对比分析了新型接口算法与常用接口算法的接口特性,验证了其优越的稳定性和精确性。最后,设计了适用于MMC-HVDC数字物理混合仿真平台的启动方案,并通过硬件在环实验验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于自适应模式切换的MMC-HVDC数字物理混合仿真新型接口算法

数字物理混合仿真已成为模块化多电平换流器柔性直流输电技术(modularmultilevelconverterbasedhighvoltage directcurrent,MMC-HVDC)的重要研究手段,而接口算法是保证其系统稳定性和仿真精确性的关键技术。基于理想变压器模型法与阻尼阻抗法接口特性的对比分析,提出了一种基于自适应模式切换的新型接口算法,可在保证MMC-HVDC数字物理混合仿真系统稳定性的同时提高仿真精度。针对阻尼阻抗法,提出了物理动模交流场等效阻抗的精确计算方法,并简化了MMC交流侧等效阻抗的计算过程,实现了阻抗的实时匹配;根据2种接口算法的结构原理,在阻尼阻抗法的附加阻抗支路增加了一个可控开关,并以理想变压器模型法接口稳定性为依据设计了开关的动作条件及其误动的解决方案,进而设计新型接口算法的实现流程,保证接口特性的有效切换。通过数字仿真对比分析了新型接口算法与常用接口算法的接口特性,验证了其优越的稳定性和精确性。最后,设计了适用于MMC-HVDC数字物理混合仿真平台的启动方案,并通过硬件在环实验验证了所提方法的有效性和可行性。     

功率连接型数字物理混合仿真系统：（一）接口算法特性

功率连接型数字物理混合仿真结合了实时数字仿真和动态物理模拟的优点,是未来研究新能源发电和储能设备物理特性和接入技术的关键手段。接口算法是功率连接型混合仿真系统的关键技术。文中从稳定性和精确性2个方面,研究并建立了功率连接型混合仿真系统的接口特性。对阻抗阻尼接口进行了化简,分析了简化阻尼阻抗接口和理想变压器接口的稳定性。分析了简化阻尼阻抗接口对数字仿真系统精确性的影响,得出在阻抗匹配时阻尼阻抗法不受接口延迟影响的透明特性。针对物理模拟系统无源和有源2种情况,分析了简化阻尼阻抗接口和理想变压器接口对物理被试系统精确性的影响,得出理想变压器接口带有源负载能力优于阻尼阻抗接口的结论。根据理论分析结果,给出了在各种情况下选择接口算法的原则。     

柔性高压直流输电系统数字物理混合仿真功率接口及其算法

提出一种适用于模块化多电平换流器高压直流输电系统数字物理混合仿真阻抗实时匹配的接口算法。针对功率接口引起的数字物理混合仿真系统稳定性和精确性问题,在采用戴维南等效方法建立MMC模型的基础之上,构建基于阻尼阻抗法的双端高压直流输电数字物理混合仿真系统;通过数字仿真验证该系统良好的稳定性性能,同时也揭示出接口延时对仿真精确性的影响。提出基于dq坐标变换重构电压信号的延时补偿控制方法,可减小接口延时产生的系统误差,提高数字物理混合仿真系统的精度。仿真结果表明,所提改进阻尼阻抗接口算法能够保证混合仿真系统在不同扰动下稳定运行,功率最大相对误差小于2%,具有优越的稳定性和精确性性能。     

电力系统数字物理混合仿真接口算法综述

数字物理混合仿真结合了动态物理模拟仿真和实时数字仿真的优点,是进行复杂电力系统研究分析的有效手段;接口算法是保证其闭环稳定性和仿真精确性的关键。文中给出了数字物理混合仿真系统构建的总体结构;对已有接口算法的基本原理、建模方法、存在的问题及其改进方法进行了详细的分析;通过仿真验证了理想变压器模型法、输电线路模型法与阻尼阻抗法的稳定性和精确性性能,并对各类算法的适用领域进行了总结。最后,针对数字物理混合仿真接口算法存在的问题与不足,提出了今后的发展方向和需要解决的关键技术问题。     

功率连接型数字物理混合仿真系统：（二）适应有源被试系统的新型接口算法

将实时数字仿真技术和动态物理模拟技术结合起来,可以对含可再生能源和储能的微网系统进行研究与测试。由于被试系统为有源系统,对混合仿真系统的接口算法提出了更高的要求。针对简化阻尼阻抗接口,设计了一种适用于有源被试系统的阻抗跟踪算法,实现了实时阻抗匹配。提出了一种新的混合接口模型,新接口用理想变压器接口构成前向驱动器,以激励物理模拟系统;由简化阻尼阻抗接口构成反向观测器,以获得精确的数字仿真结果。MATLAB仿真表明,对于有源被试系统,新接口算法兼顾了简化阻尼接口算法对数字仿真系统的"透明性"以及理想变压器接口的带有源负载能力。     

基于深度置信网络的双馈风机变换器开路故障诊断

双馈风机的定子与电网直接连接,转子通过转子侧变换器和网侧变换器与电网进行功率交换。变换器的电力电子开关容易发生开路故障,影响双馈风机的安全稳定运行。文中针对双馈风机常见的变换器开路故障,提出一种基于深度置信网络的故障诊断方法。首先分析了双馈风机在转子侧变换器和网侧变换器的单个和双个开关管故障下的输出响应。基于双馈风机的变换器开路故障数据,构造多层受限玻尔兹曼机结构,充分利用深度置信网络优异的模式识别能力,深度提取不同故障条件和运行工况下转子电流和网侧电流的信号特征,提高算法准确度。仿真结果表明,该故障诊断方法能够准确识别单开关和双开关的多类型复杂故障。     

弱电网下双馈风力发电系统的稳定性极限研究

研究了弱交流电网下双馈风机的稳定性极限。首先,研究双馈风机注入电网的有功功率、端电压与转子d、q轴电流间的关系以及稳定性极限的物理约束,进行灵敏度分析,发现当电网变弱时,有功功率对转子d轴电流的灵敏度由正变负,降低了双馈风机的稳定性极限。然后,建立连接弱电网的双馈风机的小信号模型,通过特征根轨迹分析,研究双馈风机控制环路的动态行为对其稳定性极限的影响。分析结果表明,考虑所有控制环路的动态,在极弱电网情况下,等阻尼降低锁相环带宽或提高端电压控制环带宽可以提高稳定极限;若不考虑端电压控制环的动态特性,双馈风机失去动态无功支撑,稳定极限降低。     

数字—物理模型互联方法及混合仿真系统稳定性研究

现代电力系统通常包含高压直流输电(HVDC)或灵活交流输电(FACTS)等由开关器件构成的高频元件,单一实时数字模型因其离散性而受仿真截止频率限制,无法准确模拟这类元件的高频响应过程,目前最有效的仿真措施是建立包含这类高频元件物理模型的数字-物理互联混合模型.根据电路替代定理提出节点电压重叠互联方法,即在数字模型中将接口点电压变量通过D/A转换输出通道形成物理模型中的电压源替代支路,又将该物理支路的电流变量通过A/D转换输入数字模型中形成接口支路的替代电流源,从而实现数字一物理模型的互联;从系统稳定性的角度对基于该方法互联的混合仿真模型进行了理论分析,证明混合仿真模型为有条件数值稳定系统且推导出模型的稳定条件判别式;最后,通过混合仿真实验验证了理论分析结果的正确性.     

虚拟同步双馈风机对同步机作用路径及低频振荡影响分析

针对具有虚拟同步控制的双馈感应发电机机对系统低频振荡产生影响的问题,基于虚拟同步双馈风机的内电势运动方程,通过建立两机系统的线性化模型,分析了虚拟同步双馈风机对同步机作用的路径和物理过程,并采用阻尼转矩法阐明了虚拟同步双馈风机对同步机低频振荡的影响机理,最后进行了仿真验证。仿真结果表明:虚拟同步双馈风机内电势的相位受同步机内电势相位和幅值的变化而变化,继而直接影响同步机有功功率,或通过影响同步机端电压幅值变化的支路间接影响同步机有功功率,它们是虚拟同步双馈风机影响同步机阻尼的主要途径,此外,增大虚拟惯性时间常数和阻尼系数可以改善同步机低频振荡的阻尼,而增大电压控制带宽则会使同步机低频振荡的阻尼恶化。     

全桥型MMC数字-物理混合仿真阻尼阻抗接口模型

数字-物理混合仿真结合了数字仿真与物理实验的优势,为复杂电力电子设备的理论研究和工程设计过程提供了便利。然而数字-物理接口的存在可能导致数字-物理混合仿真结果精度降低甚至变得不稳定。为解决数字-物理接口引起的失稳问题,文中在传统阻尼阻抗接口模型的基础上,针对应用于柔性直流输电的全桥型模块化多电平换流器(MMC),提出一种接口补偿阻抗设计方法。首先,全面充分地考虑了接口引入的延时、扰动对系统稳定性和精确性的影响,根据MMC的运行特点,设计了结构简单的RLC串联结构补偿阻抗,使之在不同运行工况下均可确保系统稳定、高精度运行。在此基础上,搭建了基于全桥型MMC直流背靠背的数字-物理混合仿真实验平台,利用数字侧模拟电压暂降、短路等故障,而物理侧全桥型MMC实现故障穿越过程。实验结果表明,所提接口补偿阻抗设计方案保证了系统在各种工况下的有效性。     

基于虚拟线路补偿的主动配电网混合仿真接口实现方法

数字物理混合仿真是未来主动配电网仿真分析的有效手段,而接口算法是确保其系统稳定性和精确性的关键。针对现有接口算法无法适用于主动配电网混合仿真的问题,文中提出一种基于虚拟线路补偿的改进功率接口算法。首先,在分析理想变压器法结构与稳定条件的基础上,提出在数字侧与物理侧间增设一条虚拟线路。然后,基于线路上虚拟电流对系统进行稳定性补偿,并给出了线路阻抗的取值范围。同时,针对接口固有延迟及稳定性补偿引入的误差,提出根据虚拟线路上流过的虚拟功率对接口两侧的相位差进行补偿,以保证精确性。最后,通过仿真和实验将所提方法与现有算法相比较,验证了所提方法在提升主动配电网混合仿真系统稳定性及精度上的有效性和优越性。     

基于简化开关函数的电网换相换流器直流侧简化阻抗建模方法

研究换流器的阻抗频率特性对分析高压直流（HVDC）输电系统的稳定性具有重要意义。提出一种基于简化开关函数的电网换相换流器（LCC）直流侧简化阻抗建模方法。首先通过对LCC换相过程进行数学推导,提出了LCC简化开关函数;然后基于动态相量法,通过LCC交、直流之间谐波传递的分析和计算,得到了LCC直流侧简化阻抗;最后在PSCAD中建立了仿真模型,仿真结果验证了所提方法的有效性,且相比未简化方法提升了计算效率,计算结果更为可靠。所提方法能够降低建模复杂度,可为分析大型复杂系统稳定性提供LCC直流侧阻抗的快速计算模型。     

数字物理混合仿真功率接口设计及其控制策略研究

作为数字物理混合仿真中连接数字侧与物理侧仿真的互联装置,功率接口对混合仿真系统的稳定性与精确性起决定性作用,因此对于功率接口的设计及其控制策略的研究是数字物理混合仿真的关键。功率接口所接负载功率突变所引起的直流电压波动以及功率放大过程的幅值误差是影响功率接口稳定性与精确性的两个主要因素。基于数字物理混合仿真系统,对其功率接口进行设计,提出一种基于三个单相H桥结构四象限背靠背变流器的功率接口装置。在此基础上,针对功率接口稳定性与精确性问题,对其所采用的控制策略进行研究。为保证功率接口良好的动态性能和直压稳定,提出了一种基于前馈控制的整流端直流电压控制策略;针对指令信号放大精确度与稳定性问题,提出一种基于重复控制的逆变端复合控制策略;最终通过数字物理混合仿真试验证明了文中设计的功率接口及其控制策略的有效性与正确性。     

现代电力系统大功率数模混合实时仿真实现

数模混合实时仿真技术兼具数字仿真和物理模拟的优势,将成为未来电力系统仿真分析的有效手段。为了适应现代电力系统的发展需求,提出了通用型大功率数模混合实时仿真系统架构,采用基于理想变压器模型改进接口算法、基于电力电子变换器大功率物理侧接口和抗干扰信号交互系统,实现了400V/50kVA大功率数模混合实时仿真系统。同时,在所提出的数模混合实时仿真平台上开展了数模混合实时仿真实验,并与全数字仿真实验进行了对比,验证了系统的稳定性和准确性。     

计及直流链路动态耦合效应的双馈风电机组谐波阻抗模型

双馈风电机组的大量并网会给电网带来谐波谐振等电能质量问题,研究此类问题的关键在于建立准确有效的风机谐波模型.传统的双馈风电机组谐波阻抗模型的建立通常基于理想的直流链路电压,然而在风机实际运行中,变流器交直流侧交互作用会导致直流链路电压出现动态耦合谐波成分,且两侧变流器谐波可通过直流链路双向传递,进而产生耦合,即存在直流...     

适用于复杂拓扑结构混合直流电网的实用机电 暂态建模仿真方法

为提升混合直流输电系统模型的适应性和计算效率,提出一种基于电流源思想的混合直流输电系统机电暂态建模方法。由电网换流器(line commutated converter, LCC)、电压源换流器的准稳态模型推导其电流源模型,并通过差分化直流支路的微分方程,形成直流电网的通用化电流源模型。采用多速率混合积分算法分别求解交直流系统,并结合步长回退、积分方法切换等,解决LCC电流反向、开关闭合与开断等特殊情形下的数值问题。在国内通用的机电暂态仿真程序中实现了上述模型,并以白鹤滩-江苏混合直流输电工程为例,与电磁暂态仿真工具进行了对比测试。仿真结果验证了该方法的有效性和准确性。该方法较好地平衡了仿真精度和计算速度的矛盾,为提升大规模交直流混联电网的仿真能力提供了有力工具。     

混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用

国家大型风电、光伏等“绿色、低碳”新型清洁能源的并网消纳,迫切需要柔性直流输电新技术及新设备的开发研究。依托张北柔性直流电网试验示范工程,系统研究了混合式直流断路器的核心设备——快速机械开关。基于混合式直流断路器的工作原理及快速机械开关的性能要求,提出了多断口真空开关串联均压的高电压大电流快速机械开关实现方案;通过对快速机械开关分闸动态特性的有限元仿真计算,表明快速机械开关能够在2 ms内运动到耐受暂态开断电压绝缘距离;并通过电气性能试验对仿真计算结果进行了验证。研制成功的高电压大电流快速机械开关已投入张北柔性直流电网试验示范工程实际应用。     

混合式直流断路器快速机械开关特性研究及应用

国家大型风电、光伏等“绿色、低碳”新型清洁能源的并网消纳,迫切需要柔性直流输电新技术及新设备的开发研究。依托张北柔性直流电网试验示范工程,系统研究了混合式直流断路器的核心设备——快速机械开关。基于混合式直流断路器的工作原理及快速机械开关的性能要求,提出了多断口真空开关串联均压的高电压大电流快速机械开关实现方案;通过对快速机械开关分闸动态特性的有限元仿真计算,表明快速机械开关能够在2 ms内运动到耐受暂态开断电压绝缘距离;并通过电气性能试验对仿真计算结果进行了验证。研制成功的高电压大电流快速机械开关已投入张北柔性直流电网试验示范工程实际应用。