无线电能传输系统小信号模型降阶研究

无线电能传输(WPT)系统具有高阶、非线性及强耦合的特点.为准确描述WPT系统动态响应,进而实现控制系统的优化设计与分析,该文以LCL-S电路拓扑为研究对象,利用广义状态空间平均建模方法得到WPT系统的大信号模型,在此基础上建立系统高阶小信号模型.同时,为简化系统控制器设计,采用拉盖尔多项式展开与平衡理论相结合的方法,对高阶小信号模型进行降阶处理,即将11阶系统降为3阶.仿真与实验结果表明,降阶系统与全阶系统具有相似的动态响应及小扰动稳定性,验证了降阶模型的有效性与准确性,为WPT控制系统的设计奠定了模型基础.     

模块化多电平换流器的降阶小信号模型研究

建立模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的小信号模型时,通常会考虑子模块电容电压波动、内部环流等状态变量,但却提高了小信号模型的阶数。为了减少多端MMC直流网络进行小信号分析时的模型阶数,该文首先建立MMC全阶小信号模型;然后基于平衡理论和Hankel奇异值降阶思想,提出MMC全阶小信号模型的一般降阶方法;建立MMC整流站和逆变站的有效降阶小信号模型;并以三端MMC-HVDC系统为例对降阶前后系统的动态响应特性和不稳定特征根轨迹进行了对比。仿真结果表明:通过选取适当的阶数,MMC降阶模型与全阶模型具有一致性;直流系统在应用降阶小信号模型后,系统的降阶模型与原系统的全阶小信号模型具有相同的动态特性,并且同样能够对系统不稳定进行预估。     

基于粒子群优化算法的VSC-HVDC系统的控制参数优化策略

建立了双端基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统的小信号模型;利用特征根分析法,基于线性化状态空间模型,将与系统特征根直接相关的振荡模式和衰减模式的罚函数作为目标函数;提出了基于粒子群优化算法的VSC-HVDC系统的控制参数优化策略,对整个系统的控制参数同时进行整体优化。仿真结果验证了小信号模型的正确性;优化后的系统在小扰动、大扰动、潮流反转及故障情况下均具有较高的控制精度,整个系统的稳态与暂态特性均得到较大改善。     

十二相同步发电机降阶等效模型研究

十二相同步发电机整流系统能够提供高品质直流电能,但是发电机模型复杂,解析分析困难。为此,推导了十二相整流发电机的等效三相降阶模型和状态空间平均模型,简化了模型复杂程度,提高了仿真计算效率。等效三相发电机模型能够同时适用于大、小扰动,经突加突卸负载、调整励磁电压以及突然短路验证,能够正确反应十二相电机运行特性。状态空间平均模型在小扰动时能够准确模拟十二相电机计算结果,进一步提高计算效率,并为整流发电机系统的理论分析奠定了基础。最后,在PSCAD中建立了十二相电机的三相等效模型和平均模型,通过对其进行大、小扰动仿真对比,验证了降阶后模型的正确性。     

考虑多控制环耦合的并网逆变器非线性建模及仿真分析

随着新能源发电技术的快速发展和电力电子化设备的规模化应用,电力电子化已成为新型电力系统的重要发展趋势。并网逆变器作为新能源接入电网的重要接口,其暂态稳定性对电力系统的稳定可靠运行尤为重要。并网逆变器具有多控制环耦合与强非线性的特征,因此建立其非线性数学模型是分析其暂态稳定性的重要基础。然而,已有的研究大多是基于小信号建模或只考虑单一控制环节的简化非线性建模,不能完全表征并网逆变器在大扰动条件下的暂态响应。因此,充分考虑并网逆变器多控制环耦合特性,建立其全阶非线性暂态模型,包含功率下垂控制环、锁相环,电压电流双闭环控制。为了便于模型应用,采用奇异摄动法推导了非线性降阶模型。利用Matlab/Simulink时域仿真和RT-Lab实时仿真,验证了全阶模型和降阶模型在小扰动和大扰动下的准确性。在非线性降阶模型的基础上进行线性化,并利用小信号方法分析了系统参数对稳定性的影响。所建立的并网逆变器非线性暂态模型具有较高的模型精度和实用性,可为电力电子化电力系统的暂态稳定性分析提供数学模型基础。     

基于超导磁储能装置的MMC-HVDC系统直流振荡抑制方法

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)系统中的功率控制换流站对外呈现负阻性,降低了系统阻尼,使系统产生直流振荡甚至导致系统失稳。通过直流侧并联超导磁储能装置抑制系统功率振荡,以解决MMC-HVDC系统向恒定功率负载供电所导致的弱阻尼问题。建立了双端MMC-HVDC系统的小信号模型,通过小信号稳定性分析方法研究了影响MMC-HVDC系统稳定性的主要因素,并且验证了所提直流振荡抑制方法的有效性。在MATLAB/Simulink中搭建了双端MMC-HVDC系统模型,并与改变控制器的功率阻尼控制策略进行时域仿真对比,结果证明了所提控制策略能有效抑制系统振荡,提高系统稳定性。     

基于电压源型换流器的多端直流配电系统降阶小信号模型

含电压源型换流器(voltage source converter,VSC)的多端直流配电系统集成度高,电力电子装置数量较多,这导致系统小信号模型的阶数较高,从而增加了系统稳定性分析及全局控制器设计的难度。鉴于此,提出了一种新型的多端直流(multi terminal DC,MTDC)系统降阶小信号模型。首先,文章对VSC进行了参与因子分析,辨识了与直流电压主导运动模态呈高相关性的状态变量。以此为基础,基于瞬时功率理论推导出一种新型VSC降阶模型。基于该模型,文章建立了多端直流配电系统的降阶小信号模型。最后,文章将所建立的多端直流配电系统降阶模型与传统降阶模型及电磁暂态模型进行了对比分析。结果表明:相对于传统的降阶小信号模型而言,文中所提出的系统模型能够更精确地评估系统的稳定性。     

多机电力系统小扰动稳定分析的解耦降阶法

提出了一种多机电力系统小扰动稳定分析的解耦降阶法。从n机系统状态方程出发推导出n个解耦单机系统的传递函数模型的解析形式;在各解耦单机系统全阶闭环传递函数的基础上,通过偶极子对消进一步得到各机组的降阶闭环传递函数;基于降阶闭环传递函数可对各机组从而对整个多机系统的小扰动稳定性进行有效的分析。算例证实了本方法的正确性。     

多机电力系统小扰动稳定分析的解耦降阶法

提出了一种多机电力系统小扰动稳定分析的解耦降阶法.从 n机系统状态方程出发推导出n个解耦单机系统的传递函数模型的解析形式;在各解耦单机系统全阶闭环传递函数的基础上,通过偶极子对消进一步得到各机组的降阶闭环传递函数;基于降阶闭环传递函数可对各机组从而对整个多机系统的小扰动稳定性进行有效的分析.算例证实了本方法的正确性.     

柔性直流输电系统站间鲁棒解耦控制器设计

直流线路的弱惯性使得柔性直流输电系统换流站间存在复杂的耦合关系,需设计换流站间解耦控制器以弱化换流站间的交互作用。为此,首先建立柔性直流输电系统小信号数学模型,然后依据S/T/KS混合灵敏度H_∞鲁棒控制原理,推导了柔性直流输电系统站间解耦控制器,并采用基于互质因子模型的均衡截项法及经典控制理论的降阶方法将高阶控制器降到了合适阶数,以利于工程应用。最后进行电磁暂态仿真,验证了所设计的站间解耦控制器能有效削弱两端换流站的交互作用,提高系统动态性能并兼顾了鲁棒稳定性。     

含风电场的多端柔性直流输电系统小信号建模方法

含风电场连接的多端柔性直流输电系统易发生系统失稳现象,构建一个精确的小信号模型分析系统小干扰稳定性是必要的。然而,在建立含风电场的有源直流系统小信号模型时,已有文献大多未对风电场进行建模。据此,文中以平均值模型为基础,在时域下建立了包括风电场在内的直流系统小信号模型。为体现换流器自身损耗,计及直流侧等效桥臂阻抗,提出利用部分直流线路电容简化换流器直流侧模型推导;同时,考虑到风电场接入的影响,引入交流公共耦合点滤波电容。在风电场模型构建上,建立了全功率聚合风电场的小信号模型,与风电场侧换流站构成单个状态空间。算例部分搭建了含风电场三端柔性直流输电系统的小信号模型,与PSCAD模型进行阶跃响应及稳定裕度对比,结果表明所提小信号建模方法能够精确模拟小干扰动态响应,且在系统稳定性分析中性能优越。     

适用于次同步振荡分析的直驱风电场平衡降阶方法

直驱风电场(direct-drive wind farm,DDWF)并入弱交流系统存在发生次同步振荡(sub-synchronous oscilla￣tion,SSO)的风险。由于DDWF模型阶数较高,实际分析时须降阶处理。现有平衡降阶方法在分析SSO问题时,无法在降阶过程中精确保留系统SSO模式。针对此问题,文中提出一种适用于SSO分析的平衡降阶方法。该方法基于参与因子分析,保留与SSO模式强相关的状态变量,并结合Hankel奇异值确定降阶阶数,建立与全阶系统模型SSO特性和动态特性都一致的降阶系统模型。首先,对DDWF并入弱交流系统的全阶小信号模型进行平衡变换,建立平衡系统模型。然后,对平衡系统模型进行参与因子分析,结合Hankel奇异值确定保留状态变量集合,再利用残差降阶法建立降阶系统模型。最后,对全阶系统模型和降阶系统模型进行对比验证,结果表明所提降阶方法适用于DDWF并入弱交流系统SSO问题的研究。     

交流配电网中柔性直流互联装置阻抗稳定性分析及阻抗协同重塑控制

对于交流配电网中的柔性直流互联装置,当功率方向变化时,负阻抗会随之在装置内定功率控制换流器的直流侧和交流侧进行转移,降低了系统稳定性.针对此问题,提出了一种阻抗协同重塑控制策略.首先,介绍了配电网中柔性直流互联装置的结构;其次,分别建立了装置内两侧换流器多个端口阻抗在功率双向传输下的小信号模型,探究其阻抗特性;然后,对所提控制策略的工作原理进行了分析,且对重塑后的阻抗进行了建模,对比分析了阻抗重塑前后系统的稳定性;最后,通过MATLAB/Simulink仿真模型和实验平台对所提控制策略的有效性进行了仿真和实验验证,结果表明所提方法通过协同作用可将直流侧和交流侧的负阻抗均重塑为正阻抗,从而能同时改善换流器两侧的稳定性.     

经柔性直流接入的大规模直驱风电场等效建模与小干扰稳定性分析

含多台风机的大规模风电场经柔性直流接入交流系统的详细模型阶数过高,对小干扰稳定性分析和失稳机理研究提出了挑战.为此,建立了风电场经柔性直流接入交流系统的开环、闭环线性化状态空间模型.基于风电场开环状态空间模型及风电场节点电压电流关系,将全阶风电场模型通过单台风机动态及交流拓扑信息矩阵进行等效,并分析了风机输出功率、风机...     

并网逆变器小信号建模方法对比及其适用性分析

小信号建模是当前微电网稳定性分析和逆变器控制器设计的重要手段。依据是否考虑滤波器和线路的动态特性,小信号模型可以分为高阶模型和降阶模型,因此产生两种模型的对比问题。文中在考虑功率环、LC滤波器与线路阻抗等各环节小信号建模的基础上,针对单逆变器并网系统建立了高阶小信号模型。进而采用稳态方程描述滤波器和线路的动态特性,得到系统的降阶模型与误差表达式。然后针对单逆变器并网工况,利用MATLAB/Simulink软件,仿真验证了两种模型的正确性。随后,通过对特征根、主要相关状态变量与误差表达式进行分析,均表明降阶模型能够高精度地获取低频特征根。此外,通过对两种小信号模型获取的参数灵敏度和根轨迹进行分析,发现降阶模型应用到低频振荡、阻尼分析和控制器设计等场合的效果与高阶模型一致。但因无法获得中高频特征根,在低阻抗比或感性网络中存在稳定性判断错误的可能性。最后,通过根轨迹及功率响应波形,验证了这些结论的正确性。     

一种基于泰勒展开的临界降阶直流配电系统稳定控制算法

以中压直流（medium-voltage DC, MVDC）配电系统为研究对象,建立了直流系统的临界降阶模型,研究了恒功率负载对系统稳定性的影响。由于直流系统中恒功率负载的负阻抗特性会导致系统电压发生振荡失稳现象,给稳定运行带来不利影响,提出一种能够提高MVDC配电系统电压稳定性的稳定控制算法,通过状态反馈控制、下垂控制及电压控制中关键参数的分散灵活设计,改变系统主导极点在s域平面的位置,有效提高MVDC配电系统的稳定性。仿真结果验证了临界降阶模型的合理性以及基于泰勒展开控制算法的有效性。     

基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统稳定性分析

中压直流柔性互联配电系统作为连接高压输电网和低压直流配电网的纽带,可实现源-网-荷-储的灵活接入,适用于未来城市能源互联网。建立了基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统小信号等效电路,推导了中压直流端口的阻抗模型,通过对比仿真测量与解析计算结果验证所建模型的准确性,并利用所建精确模型进一步研究电路参数和控制参数变化对系统稳定性的影响。在MATLAB/Simulink仿真平台搭建中压直流柔性互联配电系统的仿真模型,验证了所提小信号阻抗模型的准确性。     

基于MMC的柔性直流配电系统低频振荡机理分析

以采用主从控制的柔性直流配电系统为研究对象,从时域角度提出了直流电压时间尺度下柔性直流配电系统的高阶数学模型,引入阻抗系数对数学模型进行了降阶处理.通过对降阶数学模型的分析,研究了子模块电容、子模块个数等电路参数与控制参数对振荡频率的影响,揭示了柔性直流配电系统低频振荡机理.最后,通过MATLAB/Simulink搭建了基于模块化多电平换流器(MMC)的柔性直流配电系统仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性.     

直流微电网高频振荡稳定问题的降阶建模及分析

为从等效电路角度揭示直流微电网高频振荡稳定机理,建立了直流微电网降阶电路模型.将直流电压控制单元降阶成等效电阻、电感串联电路模型,其中将下垂控制、直流电压控制及电流内环控制环节对系统高频稳定性的影响转化为可量化的等效电阻、等效电感.进一步结合采用等效电阻、电容并联电路的恒功率负荷模型,得到直流微电网全系统降阶电路模型,在此基础上提出了直流微电网高频振荡稳定性判据.并基于所提降阶模型,分析了直流电压控制单元详细控制参数对等效电阻、等效电感以及稳定性判据的影响,从等效电路的角度揭示了直流微电网发生高频振荡失稳的原因.最后,在PSCAD/EMTDC软件中对所提降阶模型进行了仿真验证.     

A model reduction technique suitable for optimal controller design in high-order power systems

One of the most difficult problems facing today's power system/control engineers is to find a relatively simple model for a complex physical process in order to apply powerful analysis and design techniques. This paper introduces an existing model reduction technique for high-order systems such as a modern large power plant and improves it by suggesting a new procedure for selecting the state variables of the reduced-order model. It applies this reduction technique to an example consisting of a turbogenerator feeding an infinite bus through a series capacitor compensated transmission line; the turbogenerator is equipped with a shunt reactor at the high voltage side of the step-up transformer in order to damp torsional oscillations. By using this new selection procedure within the model reduction technique a reduced-order model is derived and then used to design the shunt reactor's controller based upon optimal output feedback techniques. Computed transient response results of the full-order system are finally used to validate the reduction technique.