不对称三相电压下电压源型换流器谐波分析与抑制策略

不对称三相电压下,电压源型换流器(VSC)将产生低次谐波,给电网造成谐波污染。随着VSC在电力系统中的广泛应用,这类问题必须得到更多的关注,提出有效的解决方法。基于动态相量和序分量,推导出序分量动态相量,并对其特性进行了分析;将含开关函数描述的VSC时域模型转化为动态相量模型;定义交流电流和直流电压的各阶序分量动态相量为状态变量,建立了以状态空间描述的VSC序分量动态相量谐波分析模型,综合考虑了开关函数的详细动态特性和交直流侧谐波的相互作用,从而揭示了VSC产生谐波的机理,实现了VSC谐波的解析求解。在此基础上,提出负序补偿的不对称调制策略,以抑制低次谐波的产生。通过各种不对称情况下的仿真和计算,验证了所提出的谐波分析模型的正确性和谐波抑制策略的有效性。     

计及电抗器支路电阻的TCSC动态相量法模型

为研究含TCSC的电力系统的稳定性和动态特性及设计TCSC的实用化控制策略,提出了计及电抗器支路电阻影响并结合动态相量法的TCSC建模方法。动态相量模型是随时间缓慢变化的非线性、大信号模型,适合暂态过程快速而又精确地仿真,但传统动态相量法存在状态空间方程阶数随着计及频率成分增加而迅速增长的问题。故在分析模型的状态变量特性,忽略快速变量的动态变化过程后,由动态相量与傅立叶系数间的关系建立了计及电抗器支路电阻影响的TCSC动态相量法模型。仿真算例验证了所提出模型的精确性和有效性。     

考虑谐波特性的简化TCSC动态相量法模型

对TCSC进行精确、快速仿真和有效控制，使用基于时变傅里叶级数的动态相量法进行建模。为提高模型精度在推导过程中考虑了电容电压的谐波特性，同时有效解决了动态相量法本身固有的状态空间方程阶数随着计及频率成分增加而迅速增长的问题，使得TCSC的动态特性最终由一个两阶的状态空间方程描述。仿真结果表明，该模型在整个容性工作区域都有较高的精度，即使在接近谐振点的区域，误差也低于1%。通过与时域模型的比较，验证了所提出模型的精确性、有效性和快速性。     

高压直流输电动态相量模型的改进

动态相量已经被引入到HVDC建模中,其用开关函数来表示阀的开关状态,具有较好的精度。基于HVDC次同步振荡分析的需要,考虑晶闸管的死区特性和触发方式的影响,对HVDC的动态相量模型提出了改进,并在电磁暂态仿真平台上建立了改进后的HVDC动态相量模型。然后基于HVDC的基准系统,在统一的电磁暂态仿真平台下与HVDC的电磁暂态模型进行了仿真比较,对比不同频率扰动下交直流系统相关状态变量的时间响应曲线,较为严谨地验证了改进的HVDC动态相量模型在不同频段的适用性。     

基于不对称运行下换相过程的改进换流器动态相量模型

为充分研究大规模交直流混联系统动态特性,建立准确而高效的换流器数学模型是当前的关键问题。文章分析了交流系统在不对称故障情况换流器的换相过程,综合考虑了换相电压的相位偏移引起的换相电压过零点偏移和导通角偏移,以及交流系统的谐波等对换相持续时间的影响,提出了改进的换相角动态相量计算方法,建立了适用于不对称运行条件下的改进换流器动态相量模型,并通过选取主要谐波简化了模型的计算过程。仿真验证了所提出的改进换流器动态相量模型的精度和准确性。     

适用于不对称情况的线换相换流器动态相量模型

为满足大规模交直流输电系统快速精确仿真的需求,采用动态相量法对不对称情况下的线换相换流器进行建模。首先分析不对称情况下换流器的实际触发及换相原理,提出计及换流器交流侧3次谐波、直流侧2次谐波时的触发角和换相角计算方法,改进传统的换流器开关函数,在此基础上,通过忽略不必要次项建立适用于不对称运行情况的计及低次非特征谐波的换流器动态相量模型,以简化模型的计算过程。将其应用于Cigre-Benchmark标准直流系统,与PSCAD仿真结果对比,结果表明模型准确有效。基于改进开关函数模型,进一步判断换相失败与否,结果表明计及交流侧3次谐波以及直流侧2次谐波能更准确有效地判断换相失败。     

闭环控制下单相VSC低次谐波分析模型与抑制策略

针对基于固定开关频率脉宽调制(PWM)闭环控制的单相电压源型换流器(SPVSC),推导出闭环控制下开关函数的动态相量,并将SPVSC时域模型转化成动态相量谐波分析模型。在谐波分析模型的基础上,得到了SPVSC交流侧电流和直流侧电压各次谐波分量的产生机理和相互作用规律,以及控制环参数对交流侧谐波电流分量的影响。利用谐波的相互作用规律,采用在PWM中叠加低次谐波调制信号的策略,实现了交流侧谐波电流的抑制。通过仿真和实验分析,验证了所提谐波分析模型的正确性以及谐波抑制策略的有效性。     

谐波相量测量的FIR滤波算法

为实现广域范围内谐波相量监测,需要研究与谐波相量功能相适应的测量算法。参照同步相量测量P类要求,研究长度为2周波有限冲激响应(finite impulse response,FIR)带通滤波器,实现各次谐波同步相量快速准确测量。通过研究滤波器频响特性与频偏条件下由基波、被测谐波、干扰谐波和宽带噪声引起测量误差之间定量关系,定义多项滤波器技术指标,根据误差要求制定滤波器设计准则,并由动态谐波相量虚指数函数模型和加权最小二乘算法实现滤波器的具体设计。仿真试验验证了所设计算法在系统稳态和动态条件下性能良好。     

适用于对称故障仿真的特高压柔性直流换流站动态相量建模

随着多项特高压柔性直流工程投运,建立高效而准确的模型用以研究特高压柔性直流换流站运行特性很有必要。为此提出了基于模块化多电平换流器的特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型,该模型能准确描述稳态及发生对称故障时特高压柔性直流换流站的动态特性。首先通过研究高低端换流器交直流侧的相互作用关系,重新建立了多换流器与交直流系统的接口模型。然后结合考虑内部谐波特性的换流器模型,建立了特高压柔性直流换流站的动态相量解析模型。通过对已建立动态相量模型中交流侧状态空间方程的修正,进一步扩展了其在交流系统发生对称故障下的适用性。最后基于PSCAD/EMTDC中的电磁暂态仿真模型,验证了所建模型在稳态和故障下的正确性和高效性。     

考虑谐波特性的Boost变换器动态相量模型

基于动态相量法建立了考虑谐波特性的Boost变换器动态相量模型,从理论角度论证了Boost变换器中的电感电流近似为锯齿波的合理性,通过对状态方程降阶,避免了直接采用时域微分方程进行动态相量运算所引起的状态方程阶数过高的问题。占空比不变、占空比跃变和输入电压跃变3种情况下的仿真结果表明该模型具有时不变、非线性的动态特性,具有精度高、误差小、仿真速度快等优点,能较好地分析电力电子装置的暂态过程。     

基于晶闸管控制电抗器的FACTS动态相量模型

利用电力系统变量的时变傅里叶系数得到晶闸管控制电抗器(thyristor controlled reactor,TCR)的动态相量模型,该模型忽略了对TCR动态特性影响较小的谐波分量,并通过对TCR时域模型的平均运算获得动态相量状态空间模型。应用该模型对含柔性交流输电装置的电力系统进行仿真,能在保证一定精度的同时获得较快的速度。基于TCR的动态相量模型提出了静止无功补偿器和晶闸管控制串联电容器的动态相量模型。通过与商业软件DCG/EMTP在简单测试系统上的全时域仿真结果相比较,证明了该动态相量模型的有效性和正确性。     

基于动态相量法的电力电子变换器的模型与仿真分析

电力电子装置在电力系统中得到广泛应用,忽略这类快速控制器件内部动态特性的准稳态模型在进行动态分析时缺乏准确性,而基于时域模型的电磁暂态仿真的仿真规模又受到限制。本文引入动态相量法,用来建立电力电子变换器的非线性、大信号、时不变的模型。仿真结果表明,动态相量模型比传统的稳态相量模型精确,非常接近于时域模型的结果,适合于快速数值仿真。     

Power quality analysis of STATCOM using dynamic phasor modeling

Modeling of synchronous static compensator (STATCOM) of a power system based on the dynamic phasor model to investigate the performance of STATCOM for power quality analysis is described. It is compared with electromagnetic transient program (EMTP) like simulation. The dynamic phasor model and electromagnetic transient (EMT) model of the STATCOM including the power system are implemented in Matlab/Simulink toolbox and PSCAD/EMTDC, respectively. STATCOM dynamic phasor model including switching functions and their control system are presented. A satisfactory solution for power quality problems on typical distribution network is analyzed using the dynamic phasor model and EMTP like PSCAD/EMTDC simulation techniques. The simulation results revealed that the dynamic phasor model of STATCOM is in excellent agreement with the detailed time-domain EMT model of PSCAD/EMTDC simulation. The dynamic behavior of STATCOM using phasor model can be applied for analyzing power quality issues. It is found faster in speed and higher accuracy can be obtained and correlates well with PSCAD/EMTDC simulation results.     

Fuzzy based damping controller for TCSC using local measurements to enhance transient stability of power systems

This paper proposes a local fuzzy based damping controller (LFDC) for thyristor controlled series capacitor (TCSC) to improve transient stability of power systems. In order to implement the proposed scheme, detailed model of TCSC, based on actual behavior of thyristor valves, is adopted. The LFDC uses the frequency at the TCSC bus as a local feedback signal, to control the firing angle. The parameters of fuzzy controller are tuned using an off-line method through chaotic optimization algorithm (COA). To verify the proposed LFDC, numerical simulations are carried out in Matlab/Simpower toolbox for the following case studies: two-area two-machine (TATM), WSCC three-machine nine-bus and Kundur’s two-area four-machine (TAFM) systems under various faults types. In this regard, to more evaluate the effectiveness of the proposed method, the simulation results are compared with the wide-area fuzzy based damping controller (WFDC). Moreover, the transient behavior of the detailed and phasor models of the TCSC is discussed in the TATM power system. The simulation results confirm that the proposed LFDC is an efficient tool for transient stability improvement since it utilizes only local signals, which are easily available.     

面向逆变器型分布式电源的快速建模与仿真方法

在利用数值仿真方法研究逆变器型分布式电源大规模接入配电网的特性和影响时,采用详细模型因涉及非线性的电力电子器件,仿真步长需选取很小,致使仿真速度缓慢,而采用过于简化的模型又不能完整反映系统的动态特性,因此有必要研究准确、高效的分布式电源建模方法。在正负序分离控制的基础上,详细分析了逆变器型分布式电源的动态相量建模方法,并且在PSCAD/EMTDC中建立了分布式电源的电磁暂态模型,同时在MATLAB/Simulink中建立了等效动态相量模型。通过仿真比较,结果表明采用的动态相量模型在配电网电压对称、不对称工况及故障情况下均能准确地反映系统运行的动态过程,并显著加快仿真速度,适合应用于逆变器型分布式电源高渗透率下配电网运行特性的快速仿真。     

Hybrid simulation of power systems with SVC dynamic phasor model

A novel hybrid method for simulation of power systems equipped with static var compensators (SVC) is suggested in this paper, where dynamic phasor theory is applied for SVC, and traditional electromechanical transient models are used for ac subsystem. A detailed single-phase dynamic phasor-based SVC model is derived first, and an interface algorithm between the SVC dynamic phasor model and the ac subsystem is proposed next. Test results on the 9-bus and the New England 39-bus test power systems show clearly that the single-phase SVC dynamic phasor model has very good accuracy as compared with its electromagnetic transient model. The proposed hybrid-model simulation method provides a new approach for dynamic simulation of large-scale power systems including SVCs.     

基于泰勒级数和离散傅里叶变换的综合自适应相量算法

针对传统相量算法在动态过程中难以同时满足精度和速度要求的问题,提出一种基于泰勒级数和离散傅里叶变换(DFT)的综合自适应相量算法。该算法对稳态和动态情况,分别设计了时域算法和频域算法两种计算模式,并通过反推校验实现二者间的自适应切换。具体地,时域算法利用两相邻数据窗进行DFT分析,并根据特定精度要求进行简化,以此计算频率和相量;频域算法对电力信号模型进行泰勒级数展开,并通过一个数据窗的基波和各谐波含量计算相量、频率和频率变化率。仿真分析和实验测试结果均表明,在稳态和动态情况下所述算法的量测精度和响应性能均优于传统算法及相应的商用同步相量测量装置,满足实际应用要求。     

基于余弦平顶窗的谐波相量测量

In this paper, a Backstepping Global Integral Terminal Sliding Mode Controller (BGITSMC) with the view to enhancing the dynamic stability of a hybrid AC/DC microgrid has been presented. The proposed approach controls the switching signals of the inverter, interlinking the DC-bus with the AC-bus in an AC/DC microgrid for a seamless interface and regulation of the output power of renewable energy sources (Solar Photovoltaic unit, PMSG-based wind farm), and Battery Energy Storage System. The proposed control approach guarantees the dynamic stability of a hybrid AC/DC microgrid by regulating the associated states of the microgrid system to their intended values. The dynamic stability of the microgrid system with the proposed control law has been proved using the Control Lyapunov Function. A simulation analysis was performed on a test hybrid AC/DC microgrid system to demonstrate the performance of the proposed control strategy in terms of maintaining power balance while the system’s operating point changed. Furthermore, the superiority of the proposed approach has been demonstrated by comparing its performance with the existing Sliding Mode Control (SMC) approach for a hybrid AC/DC microgrid.