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。     

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。     

基于自适应模式切换的双馈风机并网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交直流混合电力系统的重要研究手段,而接口算法是决定仿真系统稳定性和精确度的核心内容.为实现新能源经柔性直流输电外送的数字物理混合仿真,将数字物理混合仿真应用于双馈风机,设计了一种自适应模式切换的新型接口算法.根据阻尼阻抗匹配法的结构原理,建立了物理模拟双馈风机的动态等效阻抗模型;针对阻尼阻抗匹配法在双馈风机动态过程放大谐波电流的现象,在功率接口与数字侧之间增加滤波支路,并以双馈风机电流直流分量含有率为依据设计了支路开关的切换条件以防止开关误动作.采用小波神经网络时间序列预测法对物理侧双馈风机转速的传输进行了延时补偿,有效地提高了动态阻抗匹配算法的精确度.通过数字仿真对传统接口算法与新型接口算法的稳定性和精确度进行对比,最后搭建了双馈风机数字物理混合仿真实验平台,验证了所提算法的可行性.     

New Control Algorithm for Single-Phase Series Active Power Filter

This article presents a single-phase series active power filter for mitigation of the load voltage harmonic content while maintaining the voltage on the DC side regulated without the support of a voltage source. The proposed series active power filter control algorithm eliminates the additional voltage source to regulate the DC voltage, and with the adopted topology, a coupling transformer is not used to interface the series active power filter with the electrical power grid. The article describes the control strategy that encapsulates the grid synchronization scheme, compensation voltage calculation, damping algorithm, and dead-time compensation. The topology and control strategy of the series active power filter have been evaluated in simulation software, and simulations results are presented. Experimental results, obtained with a developed laboratorial prototype, validate the theoretical assumptions and are within the harmonic spectrum limits imposed by the international recommendations of IEEE Standard 519.     

抑制新能源并网系统谐振的逆变器阻抗适配支路参数设计方法

随着高比例新能源并网成为发展趋势,新能源并网系统谐振成为影响新型电力系统安全稳定的潜在因素。由于风光资源在时间尺度上存在互补特性,可以通过调整逆变器并网特性实现系统阻尼的分时互济。针对逆变器阻抗适配支路的参数设计问题,提出阻尼系数的优化设计方法。首先,推导了阻尼互济控制逆变器的输出阻抗表达式,结合阻抗的幅值和相位分析阻尼系数对输出阻抗的影响,提出阻尼系数的初选设计方法。随后,从系统稳定性角度分析电网阻抗与阻尼系数之间的关系,为阻尼系数的优化提供了依据。为解决固定阻尼给控制带来的限制问题,提出了一种阻尼系数自适应的阻尼互济控制,使得控制更加灵活有效。最后,通过仿真和实验验证了阻抗适配支路参数设计方法的准确性以及阻尼系数自适应算法的有效性。     

基于欧拉-拉格朗日模型的单相有源电力滤波器无源性控制新方法

有源电力滤波器(active power filter, APF)的控制方法是决定其补偿性能的关键因素之一。该文基于单相APF的Euler-Lagrange(EL)系统状态平均模型,提出了一种无源性控制新方法。该方法首先基于替代定理建立了考虑源阻抗和非线性负荷影响的单相APFEL系统状态平均模型,在此基础上设计了无源性间接控制律,确保对单相APF控制目标的渐近跟踪。由于在线计算直流电容指令电压波动量十分困难,在控制方法的执行中忽略波动量的影响,简化了控制方法的实现;此外,该方法还研究了所注入的阻尼大小对控制效果的影响以及APF内层控制过调制产生的原因,针对无源性控制律跟踪精度的要求与内层控制过调制限幅条件间的矛盾,通过构造模糊逻辑推理环节实现阻尼系数的在线调整,在满足内层控制限幅条件下确保跟踪精度和补偿效果。仿真结果验证了所提出方法的正确性和有效性。     

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,在分析理想变压器模型(ITM)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,通过仿真和实验将文中所提方法与ITM法、阻尼阻抗法及虚拟阻抗法相比较,验证了文中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。     

含风电电网的动态全局最优潮流及其两级协调控制算法

针对含风电电网中风电出力的波动性,开展动态全局最优潮流分析,提出2级协调控制算法,并建立相应的数学模型。该算法以风电出力全周期内全电网网损最小为目标函数,将传统控制手段（即控制变量为变压器档位和并联电容器组数）与快速响应的有功和无功补偿手段相结合进行分步优化,得到能充分发挥传统控制手段和快速响应补偿手段各自优势的优化调控方案,并减少了传统控制手段的动作次数。此外,为准确模拟风电并网特性并使该新算法快速收敛,以改进牛顿拉夫逊法为潮流计算手段,采用遗传算法实现寻优。其中,改进牛顿拉夫逊法考虑了双馈和异步2种风机并网方式,建立其P-Q（V）节点模型,修改雅克比矩阵对角线元素,可较好地适应含风电场电网的潮流计算,进一步提高2级寻优结果的准确性。最后,将所提算法应用于华中地区某风电场的并网分析,并与已有文献中的多时段最优潮流控制策略进行对比,表明所提算法合理有效,具有实用价值。     

功率同步控制的模块化多电平换流器阻抗建模及谐振稳定性分析

为了研究模块化多电平换流器(MMC)采用功率同步控制时的阻抗特性和其接入后系统的宽频谐振稳定性,通过谐波状态空间方法,考虑MMC的内部动态特性和完整的控制回路,建立了MMC采用功率同步控制时的等效阻抗模型。分析了功率同步控制中新引入的功率同步环、无功-电压控制及其他主要控制环节对阻抗特性的影响。研究表明采用功率同步控制的MMC在次同步频段和高频段均可能出现负阻尼效应,因而存在引发谐振不稳定的风险。基于PSCAD/EMTDC进行了阻抗扫描和电磁暂态仿真,其仿真结果分别验证了所建立模型和稳定性分析结果的准确性。     

一种LCCL滤波器及其在半桥电力有源滤波器中的应用

提出一种新型高阶电力滤波器,将其命名为LCCL滤波器。与传统的LCL滤波器相比,LCCL滤波器通过在网侧电感支路并联一个小电容,使网侧电感与并联电容在开关频率处发生并联谐振。谐振使LCCL滤波器网侧支路在开关频率处呈现无穷大的阻抗,相比LCL滤波器可以更好地抑制开关频率附近电网电流纹波,减小电网电流THD。与LLCL滤波器相比,LCCL滤波器具有较好的抑制参数变化的能力,在考虑电网内阻抗时,拥有更好的高频纹波抑制性能。同时,可以更容易地进行基于电容电流反馈有源阻尼的控制器设计。LCCL滤波器作为电压源型逆变器(VSI)与电网的接口,可应用于PWM整流器、有源电力滤波器(APF)和通用电能质量控制器(UPQC)等多种场合。通过以半桥APF为例,讨论了LCCL滤波器的参数选择方法和控制器设计。最后,通过仿真和实验验证了LCCL滤波器的可行性。     

双馈风电机组抑制电力系统低频振荡的鲁棒控制策略

针对大规模风电场接入电力系统面临的低频振荡问题,提出了一种双馈风电机组(doubly-fed induction generator,DFIG)附加鲁棒控制策略,通过控制双馈风电机组的转子侧无功输出向系统注入无功功率以达到提升系统阻尼的目的。首先采用TLS-ESPRIT辨识算法辨识出系统模型,然后采用基于区域极点配置的鲁棒控制理论设计附加阻尼控制器。为对所提控制方法相比于传统控制方法的优势,设计了基于极点配置的阻尼控制器。最后在PSCAD软件中搭建含风电的两区域模型验证所提控制方法的有效性。仿真结果表明DFIG附加鲁棒控制器能有效抑制电力系统低频振荡,具有较好的鲁棒性。     

基于下垂控制的直流电网线性潮流计算研究

为解决分布式电源输出电压和输出功率不固定,传统迭代潮流算法对含有分布式电源的直流电网潮流计算不再适用的问题,提出基于下垂控制的改进牛拉法及其线性潮流算法。首先,分析了基于下垂控制方式的分布式发电单元和所有负荷类型的数学模型。然后,对改进的牛拉法进行泰勒级数展开并推导出线性化潮流算法,该模型不仅适用于孤岛运行和并网运行模式,还可直接处理径向或环网状网络。最后,通过节点算例分析验证所提算法的正确性和有效性,并证明该算法具有较好的计算精度和计算效率。     

功率硬件在环仿真中功率接口直流电压控制及电容参数设计

作为功率硬件在环(PHIL)仿真中连接数字侧和物理侧仿真的互联装置,功率接口对PHIL仿真系统的稳定性起决定性作用。物理侧负载扰动所引起的直流电压波动是影响功率接口的稳定运行的关键问题之一。针对这一问题,为了提高PHIL仿真系统稳定性,考虑控制时滞,提出一种基于直流输出电流前馈的直流电压改进控制策略,并给出了其前馈系数的参数设计方法。根据变流器交直流侧有功功率平衡关系,利用小信号分析方法,建立了功率接口交直流统一模型,通过该模型分析并证明了所提控制策略在负载小扰动情况下抑制直流电压波动的有效性。提出一种直流电容参数计算方法,并证明前馈控制可以有效地减少直流电容。最后,仿真和实验验证了所提方法的有效性。     

引入故障恢复信号的VSC-HVDC附加阻尼控制研究

基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)具有快速、灵活的有功功率和无功功率控制能力。VSCHVDC附加阻尼控制能有效地抑制交流系统的低频振荡。讨论了附加阻尼控制器的限幅环节对控制效果的影响,然后提出了引入故障恢复信号的附加阻尼控制。故障恢复信号为指数规律衰减信号,将其与附加阻尼控制器输出信号叠加,作为直流功率调制的参考信号,以减小直流功率调制前期的直流功率幅值。并在直流电压波动的允许范围内,使直流功率调制过程趋于理想的自由衰减振荡,比无故障恢复信号的附加阻尼控制衰减更快,从而显著减小限幅环节的影响。还给出了直流电压波动随直流功率波动变化的关系曲线。仿真结果验证了所提附加阻尼控制方法的有效性。     

模块化不间断电源自适应均流控制技术

针对模块化不间断电源并联冗余系统的环流问题,通过引入虚拟环流阻抗,提出一种基于阻抗自适应调节的均流控制策略,具备良好的稳态及动态电流均分能力。深入探讨并机电感及控制方法对系统输出阻抗、环流阻抗的影响。在此基础上设计新颖的自适应均流控制算法,并选取合适的阻抗控制器参数,改善并联系统动态环流抑制效果。同时,滤波电感电流直流分量控制的加入有效地解决了变压器直流偏磁问题,提高了并联系统的稳定性。实验结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

基于RTDS与QualNet的电网和通信网半实物联合仿真系统

在智能电网和能源互联网中,通信的中断、延时和误码等因素会对电网安全稳定造成影响,因此有必要研究通信系统和电力系统的交互作用,而半实物仿真技术是研究其交互影响的有效手段。在对支撑电网稳控业务的同步数字体系(SDH)通信网络的特点和动态特性分析的基础上,提出了基于实时数字仿真器(RTDS)与QualNet的电网和通信网半实物联合仿真系统的整体框架,并开发了可以实现电力二次控制设备和通信SDH设备实物接入的电网和通信网半实物联合仿真系统,用于研究通信对电网稳控系统的影响。最后,对联合仿真系统的固有延时进行了测试,证明了其可靠性,并以华东频率协控系统闭环仿真为算例,利用该联合仿真系统验证了通信通道误码率增大对稳定控制装置功能和控制效果的影响。     

SCS-500L功率振荡解列装置的研制

SCS-500L功率振荡解列装置的判据基于功率振荡轨迹,原理简单,可控性好,工程应用方便。该装置采用高速数字信号处理技术,具有运算速度快、精度和可靠性高、人机界面友好等方面的优势,可适应电网结构和系统工况的灵活多变性。最后利用数字仿真验证了该判据和装置的有效性。     

Adaptive Particle Swarm Optimization for Simultaneous Design of UPFC Damping Controllers

An adaptive particle swarm optimization based on nonlinear time-varying acceleration coefficients (NTVAC-PSO) is proposed for solving global optimization problems and damping of power system oscillations. The new method aims to control the global exploration ability of the original PSO algorithm and to increase its convergence rate with an acceptable solution in less iteration. A set of 10 well-known benchmark optimization problems is utilized to validate the performance of the NTVAC-PSO as a global optimization algorithm and to compare with similar methods. The numerical experiments show that the proposed algorithm leads to a significantly more accurate final solution for a variety of benchmark test functions faster. In addition, the simultaneous coordinated design of unified power flow controller-based damping controllers is presented to illustrate the feasibility and effectiveness of the new method. The performance of the proposed algorithm is compared with other methods through eigenvalue analysis and nonlinear time-domain simulation. The simulation studies show that the controllers designed using NTVAC-PSO performed better than controllers designed by other methods. Moreover, experimental results confirm superior performance of the new method compared with other methods.     

基于本地电气量的无故障跳闸新判据

传统的无故障跳闸判据只检测线路上潮流的突然变化,在潮流转移后线路轻载时容易导致稳定控制装置的误动。文中分析了不同情况下线路首端测量阻抗的特性,揭示了装置安装处的测量阻抗值在线路无故障跳闸时和潮流转移时具有明显差异的机理,提出了基于本地电气量计算出的测量阻抗的无故障跳闸新判据,并用数字仿真验证其有效性。     

成碧线220 kV可控串补系统的控制策略和系统试验

采用可控串联补偿（TCSC）可以提高长距离弱联系系统的电网输送能力、阻尼系统低频振荡、提高系统稳定性。合理的控制策略能使TCSC产生更有效的作用。成碧线220 kV的TCSC系统控制策略主要针对电力系统的暂态稳定和阻尼振荡2个阶段进行设计,其控制器主要由阻抗控制环节、阻尼控制环节、暂态稳定控制环节以及保护环节、延时环节组成。系统试验证明:成碧线220 kV的TCSC装置能够平滑、快速地进行阻抗调节,有效阻尼系统低频振荡,提高系统稳定性。