基于匹配控制的构网型直驱风电场次同步振荡机理与特性研究

近年来,具有低时延和惯量同步等优势的匹配控制成为主流构网型控制方案之一,但基于匹配控制的构网型直驱风电场的次同步振荡机理及特性尚不明确。因此,该文建立构网型直驱风电场并网系统的小信号模型,通过特征值法分析了系统的振荡模态及参与因子,并借鉴同步机中阻尼转矩法分析构网型直驱风电场的次同步振荡机理。结果表明,构网型直驱风电场中匹配控制主导的振荡模态在强电网下呈现负阻尼特性,系统存在次同步振荡的风险,但匹配控制振荡模态相较于跟网型控制的锁相环振荡模态具有更好的弱电网适应能力;匹配控制振荡模态存在类似于同步机转子运动方程的动态特性,使得构网型直驱风电场可能发生弱阻尼振荡;减小交流电网强度或无功控制器积分系数,增大构网型直驱风机台数或无功控制器比例系数,能够增大匹配控制振荡模态的阻尼,降低系统次同步振荡风险。     

构网型控制在提升高比例新能源并网系统振荡稳定性中的应用

为了研究能够支撑新能源系统稳定运行的构网型与跟网型机组间比例关系,首先以单风场并网系统为例,分析了跟网型和构网型机组的并网动态特性;然后从保持并网风场在低频和次同步频段内振荡稳定性的角度,提出了风场内配置构网型机组容量的计算原则;在此基础上基于三机九节点算例系统,探究了100%新能源构成系统稳定运行的可行性,研究了系统内构网型机组的比例和位置等因素对系统动态特性的影响。研究表明,在风场内配置少量构网型机组即可有效改善弱电网下风场的次同步振荡问题,场内构网型机组的配置容量主要受低频模态稳定性的约束;在100%新能源系统内,构网型控制对远端跟网型机组支撑不足导致的次同步振荡是决定构网型控制需求的关键约束。     

构网型与跟网型VSC的功率精确分配控制策略

针对构网型电压源变换器(VSC)与跟网型VSC并列运行时系统调节能力不足及功率分配效果差的问题,提出了一种构网型VSC与跟网型VSC的功率精确分配控制策略。首先,针对跟网型VSC传统PQ控制结构的缺点,提出了改进倒下垂控制方法,使得跟网型VSC在恒功率输出的基础上具备下垂调节特性,可与构网型VSC一起响应负载扰动,提高了系统调节能力和本地负载的供电可靠性,构网型VSC采用虚拟同步机(VSG)控制。其次,引入虚拟功率控制和虚拟阻抗控制,实现构网型VSC与跟网型VSC输出功率解耦及等效线路阻抗匹配。最后,利用实验平台对所提控制策略的有效性进行验证。     

低惯量交流系统并网变流器次/超同步振荡分析

低惯量电力系统中跟网型变流器可能会与同步机转子动态产生交互,给系统稳定性分析引入新的问题,仅靠跟网型设备动态和短路比衡量交流系统强度不再准确。为此,该文综合分析系统惯量和短路比对跟网型变流器小干扰同步稳定的影响,提出适用于分析低惯量系统中并网变流器稳定性的方法,所提方法计算量低、物理意义明确。首先,推导变流器和同步机混联系统的闭环模型,并提取出能表征低惯量动态的相互作用系数矩阵,定性分析两类设备间的交互关系。其次,基于模态摄动理论,将原多机系统解耦为稳定性等效的子系统。然后,选取适用于分析小干扰同步稳定问题的相位主导回路,根据该回路提出综合考虑惯量和短路比的稳定性分析方法。最后,基于仿真算例验证了所提低惯量系统中并网变流器小干扰同步稳定性分析方法的有效性。     

中压配电网柔性互联设备的电路拓扑与控制技术综述

柔性互联技术可以实现配电网潮流灵活控制,是新型配电网实现坚强架构的重要技术手段。对中压配电网柔性互联设备的电路拓扑与控制技术进行了综述。首先,分析了可应用于中压配电网柔性互联设备的系统结构,包括应用场景与设备组成部分。然后,对中压配电网柔性互联的电路拓扑进行了对比分析,包括模块化多电平高压型和变压器降压型两类,并对技术发展进行了展望。最后,对中压配电网柔性互联设备的跟网型和构网型控制技术进行了综述,指出了虚拟同步发电机控制策略应用于柔性互联设备时所需面对的挑战。     

考虑构网型与跟网型逆变器交互的孤岛微电网小信号稳定性分析

随着新能源在电力系统中的渗透率越来越高,低惯性成为以新能源为主体的新型电力系统的重要特征,极大影响了系统的同步稳定运行能力。由于缺少大电网的频率支撑,孤岛微电网在故障扰动下将产生频率偏移现象。同时考虑新能源渗透率和频率偏移的影响,研究低惯量孤岛微电网的小信号稳定性。低惯量微电网由构网型逆变器和跟网型逆变器组成,其中构网型逆变器采用虚拟同步机控制策略。首先建立了孤岛微电网的全阶小信号模型。应用特征值分析法,揭示了2种类型逆变器的功率渗透率对微电网系统小信号稳定性的影响规律。进一步利用参与因子法分析了系统参数和控制参数对微电网系统稳定性的影响程度。最后仿真结果验证了理论分析的准确性。研究成果为低惯量微电网中2类逆变器的容量规划、参数设计和控制器优化提供了理论支撑,旨在提高微电网的小扰动同步稳定性。     

构网型换流器控制技术研究

构网型控制换流器可以通过控制技术为电网提供惯量支撑，稳定电压与频率，提高电力系统稳定性。基于构网型换流器控制的基本原理，对比构网型控制策略与传统跟网型控制策略的区别，分析构网型换流器的主要控制技术，提出未来构网型换流器控制需要解决的关键技术及研究方向。     

构网型变流器稳定性研究综述EI北大核心CSCD

相比目前常用的跟网型变流器,构网型变流器具有同步电压源特性,可以有效提升电力电子化的新型电力系统的稳定性,因而近年来受到了广泛的关注。为了给构网型变流器大规模工程应用提供理论基础支撑,需要在不同电网强度,不同电网扰动形式下对构网型变流器进行完整的稳定性分析。该文拟从稳态工作点的存在性,小信号稳定和大信号稳定3个层面,对现有构网型变流器稳定性分析成果进行系统的梳理和总结。在此基础上进一步归纳提升构网型变流器稳定性的控制方法。最后,总结数个关于构网型变流器稳定性分析和控制的研究方向,为进一步深入研究提供参考。     

构网型储能支撑新型电力系统稳定运行研究

建设以新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”目标的关键。由于新能源存在一定波动性,且系统在同步发电机被替代后缺少稳定惯性支撑,易导致系统不能稳定运行,因此构网型储能应运而生。其可代替同步发电机实现对电网支撑,保障系统稳定运行,故在新型电力系统中有广阔的应用前景。基于此,文中首先对构网型和跟网型储能变流器做出对比,为新型电力系统做出选型,通过对两者的比较说明构网型储能技术更适用于新型电力系统;其次,讨论构网型储能在新型电力系统中的定位及在其中的作用;最后从暂态过程、短期动态和长期动态三方面对构网型储能发展进行展望,为未来新型电力系统更好地建设提供思路。     

构网型储能提升系统电压稳定作用研究∗

为了满足偏远地区负荷增长需求,需从电网规划、电源建设等多角度挖掘系统供电能力提升潜力,而传统 的加强网架建设等方案存在输电走廊征地困难、实施周期长等问题,亟需寻找建设速度快、提升效果好的解决方案. 构网型储能具备类似常规同步电源的支撑能力,可有效提升系统短路容量、受电能力.首先研究构网型储能基本原 理,比较其与常规跟网型储能的区别,并建立构网型储能仿真模型.在此基础上,研究其提升系统电压稳定性作用机 理.结合某地区电网应用场景,研究构网型储能提升静态稳定极限和暂态电压稳定水平的应用效果.分析结果表明, 构网型储能可有效应用于解决受端系统受电能力缺口问题.     

功率同步控制的构网型变流器多机交互分析与稳定控制研究综述

构网型变流器由于其具有同步电压源运行特性，在新能源直流送出、弱电网并网、微电网组网等场景中得到广泛关注。功率同步控制是构网型变流器的典型同步方式之一。然而，由于电力电子功率变换非线性和多环控制特性，功率同步控制作用下的构网型变流器多机交互作用及其引发的稳定问题不可忽视。该文对功率同步控制的构网型变流器多机交互分析和稳定控制两方面技术进行梳理和总结。首先，将构网型变流器多机系统稳定问题表征划分为有功功率振荡和暂态同步失稳，分别综述了所对应的模型和分析方法；其次，针对以上两类稳定问题，从机组控制和系统控制两个层面梳理了现有致稳控制技术；最后，总结了现有研究的主要结果和局限性，并对未来研究方向进行展望。     

虚拟同步发电机输出阻抗建模与弱电网适应性研究

研究了弱电网条件下虚拟同步发电机-电网互联系统的交互稳定性。在考虑主电路参数、控制参数等因素影响的基础上,提出一种dq旋转坐标系下虚拟同步发电机的输出阻抗模型,并推导其解析表达式。分析了该输出阻抗的频率特性,得出虚拟同步机在弱电网下运行易失稳的结论。基于广义奈奎斯特判据研究电网强度及功率环控制参数对虚拟同步机运行稳定性的影响,以此为依据提出一种基于增大有功环参数的虚拟同步机致稳控制方法,从而提高其弱电网运行的适应性。基于RTDS的硬件在环仿真平台进行仿真计算,验证了理论分析的正确性。     

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。     

新型电力系统下虚拟同步机的定位和应用前景展望

随着“碳达峰·碳中和”目标的提出，未来电网日益凸显的“高比例可再生能源、高比例电力电子设备”问题显著影响系统安全稳定运行。虚拟同步机(VSG)技术可以使以电力电子逆变器为接口的新能源设备具备类似同步机的电网支撑能力，因而得到广泛关注。文中首先梳理了构网型电源和跟网型电源，并介绍了VSG原理、作用和国内外应用情况。其次，梳理VSG对电力系统稳定性的影响以及限流对系统运行的影响。最后，从辅助服务角度对VSG在新型电力系统下的定位进行分析，在大电网、配电网、微电网层面对VSG的应用提出构想，并对VSG发展和后续研究提出相应建议。     

基于单调系统理论的光伏并网系统暂态电压稳定性分析

随着新能源机组大量并网，现代电力系统电压稳定问题日益突出，亟需有效的电压稳定分析方法。基于单调系统理论，对光伏并网的电力系统电压稳定性进行了分析。通过模块化求导方法，证明了电力系统暂态电势子系统的雅可比矩阵符号特性满足互联单调系统条件，进而基于互联单调系统小增益定理对电力系统暂态电势子系统进行稳定性分析，并采用增益函数雅可比矩阵谱半径作为系统平衡点渐近稳定性的判据。借助特殊矩阵论，量化分析了部分电网参数对增益函数雅可比矩阵谱半径的影响，以此作为变流器控制参数设置的理论依据。在10机39节点系统中对上述结论进行了验证。仿真算例结果表明运行在单位功率因数下的跟网型变流器会增加谱半径对同步发电机参数的灵敏度，并导致系统鲁棒性变差；构网型变流器的无功功率-电压下垂系数的增加和出口电抗的减小能够增强系统的电压稳定性。     

微网——未来能源互联网系统中的“有机细胞”

从微网与能源互联网系统在内涵上互相渗透、联系的视角,梳理了二者发展现状和典型特征。进一步从位置本地性、源荷多元性、结构多样性、运行灵活性、整体可控性、电网交互性等六方面分析了微网在未来能源互联网系统中的"有机细胞"作用,包括改善电能质量,提高电网可靠性与弹性,增加不同区域之间能量的协调调度,增加负荷的主动调控能力,承载信息双向流动,提高能源总体利用效率等;总结了微网互联构成能源互联网系统可能的几种典型形式。最后对未来支撑能源互联网系统发展的微网关键技术与设备进行了评述和展望。     

基于运行短路比的新能源场站中跟/构网可切换单元的最优配置方法

现有新能源场站中的发电单元基本采用跟网控制,难以在极弱电网下保持安全稳定运行。在发电单元全采用跟网控制的新能源场站内配置少量跟/构网可切换发电单元,可提升场站在弱网下的运行能力,避免失稳问题。首先建立跟/构网可切换单元模型,实现无扰切换。其次,分析了新能源发电单元在跟/构网控制下的稳定特性,进而选取运行短路比并作为跟/构网切换指标。再次,提出基于运行短路比的新能源场站跟/构网切换方案,并提出了跟/构网可切换单元最优配置方法。最后,通过算例仿真验证了所提配置方法的合理性和优越性。     

基于等效同步功率的孤岛并联构网变流器系统暂态稳定性分析

随着构网变流器在微电网中应用的增长,其对微电网暂态稳定的影响受到了广泛关注。不同于单机无穷大系统,孤岛并联构网变流器系统的频率和功角差相互耦合,暂态响应特性更为复杂。为精准分析孤岛并联构网变流器系统的暂态响应,文中基于功角耦合运动方程建立双机频率和功角差的三阶暂态同步模型,并且分析了双机出力差异和下垂系数对于暂态稳定的影响特征。为揭示出力和下垂系数对于暂态稳定的耦合机理,对双机系统进行等效同步功率分析,并且提出一种基于构网变流器出力的自适应下垂系数优化策略,可以根据出力差异自适应提升双机系统的等效同步功率,进而提升系统暂态稳定性。最后,采用实时仿真验证了三阶暂态模型的正确性和所提控制策略的有效性。     

虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的低频振荡特性分析

虚拟同步直驱风电场经功率同步环与模块化多电平换流器柔性直流(MMC-HVDC)输电互联,将存在低频振荡风险。考虑MMC-HVDC和直驱风机网侧换流器以及转子侧换流器内部的动态过程,首先建立虚拟同步直驱风电场经MMC-HVDC并网的小信号模型,并通过精细化电磁暂态仿真验证其准确性。随后,利用根轨迹方法,分析风电功率波动和交流系统强度变化对互联系统稳定性的影响,设计功率变化时虚拟同步直驱风电场的参数整定方法。结果表明,由于功率外环和MMC-HVDC送端整流站电压环作用,在风电场输出功率增大和交流系统强度降低的过程中,互联系统存在低频振荡现象。通过合理调整锁相环、虚拟同步机(VSG)有功环和MMC-HVDC送端整流站电压环的控制器参数、改变VSG阻尼项形式,可以抑制振荡并实现稳定运行。     

虚拟同步机技术构建“源—网—荷”友好互动新模式

虚拟同步机技术是指通过模拟同步机组的机电暂态特性,使采用变流器的电源或负荷具有同步机组的惯量、阻尼、频率和电压调整等运行外特性的技术。文章在新能源、可控负荷及其并网变流器大量接入电网的条件下,分析了基于虚拟同步机技术的"源-网-荷"友好互动新模式,其中应用虚拟同步发电机技术的新能源能自动与电网同步,跟随电网调整功率输出,阻尼系统频率的过快变化,变"弃风弃光"为自动同步;应用虚拟同步电动机技术的可控负荷可感知电网的状态,自动调整吸收功率的快慢,变"切负荷"为降功率运行,从而达到辅助电网故障穿越的目的。在火电机组仍为调频主力机组的背景下,虚拟同步机技术实际上加强了电网与新能源和可控负荷的联系,有助于提高新能源/可控负荷的生存能力,有助于共同维持系统的稳定运行。