中压直流配电系统等效降阶建模及控制参数设计

合适的等效降阶模型能够为中压直流(MVDC)配电系统的稳定性分析及控制参数设计提供便利.首先,基于所提出的开闭环逐步等效降阶建模方法,建立了MVDC配电系统的等效降阶电路模型,并据此建立了计及换流器间动态交互的开环等效降阶模型.在不增加开环等效降阶模型阶数的前提下,基于泰勒展开的状态反馈控制方法为系统振荡频率及阻尼比的精准设计创造了有利条件.然后,基于所建立的计及换流器间动态交互的闭环等效降阶模型,并结合所提出的MVDC配电系统控制参数设计方法,实现了系统振荡频率及阻尼比的精准设计.最后,硬件在环实验结果验证了理论分析的合理性.     

采用下垂控制的直流配电系统高频振荡分析及控制

针对直流配电系统的高频振荡现象,以下垂控制的辐射状直流配电系统为研究对象,建立了电压源型换流器、直流线路和恒功率负荷的频域模型,进一步建立了直流配电系统的频域降阶模型.推导了频域下系统参数对高频振荡频率影响的解析式,分析了下垂控制系数、直流线路以及负荷参数变化对系统振荡频率的影响,发现下垂控制器和恒功率负荷的负阻尼特性易引发高频振荡.据此,文中提出了基于线路参数的前馈补偿下垂控制方法和改进虚拟电阻的控制器设计方法,并对补偿前后系统的稳定性进行了比较.通过频域、时域仿真验证了理论分析的正确性以及所提方法的有效性.     

移相全桥直流变换器阻抗降阶建模及附加有源阻尼控制

受限于多端直流配电系统运行点的多样性与阻抗环境的复杂性,基于换流站单点配置的有源阻尼控制往往难以提供足够的稳定性提升效果。为满足复杂系统中有源阻尼的多源配置需求,从负载角度出发,以移相全桥直流变换器为例,在建立其平均等效电路、阻抗降阶模型与输入输出侧并联阻抗低频换算关系的基础上,对输入电压前馈有阻尼控制策略进行了溯源,并提出了输出电压反馈有源阻尼控制策略。最后,以双端直流配电系统为应用对象,通过时域仿真、小信号特征值轨迹对比以及对应硬件在环实验,验证了移相全桥直流变换器阻抗降阶模型的准确性与有源阻尼策略的有效性。     

特高压直流分层接入方式下换流母线电压的稳定性

特高压直流分层接入交流电网的新方式可提高受端电网接纳直流功率的能力,从电网结构、直流控制方式等方面合理分析特高压直流分层落点近区500 k V层和1 000 k V层换流母线的电压稳定性问题亟待深入研究。为此首先分析了不同层逆变器的功率输出特性,并基于降阶雅克比矩阵推导了换流母线处电压稳定性因子的计算方法,进而提出了分层接入方式下各层换流母线的电压稳定性判据,判据表明综合电压稳定性因子越接近于0说明系统的电压稳定水平越好。利用该判据,分析了不同直流控制方式下电压稳定性的差异,得到了不同控制方式下电压稳定性的排序。从排序看出,整流站采用定电流控制或定功率控制、逆变站高低端逆变器都采用定电压控制的综合电压稳定性因子最小,为0.314 0,说明各层换流母线电压稳定水平最好;整流站采用定功率控制、逆变站高低端逆变器都采用定熄弧角控制的综合电压稳定性因子最大,为0.672 8,说明各层换流母线电压稳定水平最差。同时研究了直流功率输送水平对换流母线电压稳定的影响。最终得出的结论为:整流站控制方式由定功率变为定电流,或者逆变站高低端逆变器控制方式由定熄弧角变为定电压都能够提高分层直流落点处电压稳定水平;相对低的直流功率输送水平也对提高各层换流母线处电压稳定性有利。最后,以锡盟—泰州直流输电工程为背景的算例仿真证明了该分析方法的合理性和有效性。     

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。     

海上MVDC供电系统的正阻尼重构稳定控制策略

向海上特殊装备供电的MVDC系统的直流侧容易引起高频振荡,甚至导致系统不稳定。为此,引入直流微网中针对整流器的虚拟电阻稳定控制策略,希望抑制MVDC供电系统的直流侧振荡,且不影响逆变站的负载性能。然而,研究发现该方法在低开关频率模式下将导致系统稳定性恶化。根本原因为系统高频振荡尖峰点可能会跃过整流站的低控制带宽并落入负阻尼区域,使得系统稳定性对直流电缆变化的鲁棒性较差。针对该问题,提出海上MVDC供电系统的正阻尼重构稳定控制策略,使得系统在实际振荡频率区间内保持较大的正阻尼,且不受直流电缆变化的影响,从而有效抑制了海上MVDC供电系统在低开关频率模式下的直流侧振荡。最后,实验验证了所提出的控制策略和分析结果的正确性。     

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.     

基于柔性直流技术的智能电网配电系统电压稳定性分析

为了提高智能电网配电系统电压稳定性潮流解分析准确性,采用潮流可行解作为评价电压稳定性的判断依据,分析直流配电系统负荷性能,提出了电压稳定的分析方法。矩阵和电压电流相量属于实数类型,通过定电压对VSC1进行控制,利用定功率对VSC2和VSC3进行控制,可快速评估直流配电系统接入负荷后的稳定性,避免了复杂的连续潮流计算。算例测试验证了所提方法的有效性和正确性。     

电动汽车接入直流配电系统的稳定性及虚拟惯量控制

直流配电系统是未来城市配电系统新的发展方向,随着电动汽车的日益普及,电动汽车的充放电将对直流配电系统电压稳定性产生重大影响。首先,建立了电动汽车不同充放电方式下直流配电系统小信号导纳模型,并利用奈奎斯特稳定判据讨论了不同充放电方式下直流配电系统电压的稳定性差异。其次,为提高系统阻尼及系统电压稳定性,提出了电动汽车不同充放电模式的统一虚拟惯量控制方法,并对比分析了引入虚拟惯量前后系统电压的稳定性差异。最后,通过时域仿真算例和实验验证了理论分析的正确性以及所提方法的有效性。     

基于双端有源阻尼的直流配电网稳定性提升技术研究

恒功率负载大量接入直流配电网会引起直流侧电压振荡失稳,现有研究仅从单端VSC有源阻尼角度出发提高系统稳定性,然而单端有源阻尼改善效果有限,基于这一问题,提出双端VSC有源阻尼控制策略,不仅能提高系统稳定性,而且可提升系统带载能力。首先以下垂控制下的双端VSC直流配电网为研究对象,建立系统等效阻抗模型,然后分析恒功率负载造成系统失稳的原因,采用奈奎斯特稳定性判据分析恒功率负载对系统稳定性的影响,对比单端VSC有源阻尼控制策略与双端VSC有源阻尼控制策略的系统稳定性,最后通过PSCAD/EMTDC搭建仿真模型,验证了所提方法的正确性和有效性。     

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。     

一种中压直流短路故障下不间断运行的MMC-SST拓扑及控制

多端口固态变压器是多电压形态多电压等级的交直流混合电网的核心设备,模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)型固态变压器(solid state transformer,SST)具有中压直流端口,可接入中压直流配电网,构成多区域交流配电网的柔性互联,提升区域网络间功率灵活调节能力。而采用传统的MMC-SST拓扑及控制,中压直流线路短路故障会引起低压端口供电中断。文中提出一种混合型MMC-SST的拓扑及控制,其具备中压交流、中压直流和低压交直流端口,通过控制使其具有中压直流短路故障耐受能力,同时故障期间保持中压交流和低压端口的不间断功率交互,从而提升低压用户供电可靠性。分析MMC-SST在正常运行和中压直流故障不间断运行控制下内部能量平衡机理,提出中压直流短路故障下电容电压平衡及不间断运行控制策略,实现MMC-SST中压直流短路故障时不间断稳定运行。通过理论分析,仿真与物理动模实验,验证了所提拓扑及控制的可行性及有效性。     

线路阻抗对构网变流器降阶模型精度影响及次同步振荡分析

在大部分关于构网变流器(GFM)次同步振荡稳定性的研究中,GFM通常被简化为只含有功率外环的三阶模型,这种降阶方法虽然简便,但其精确度会受到线路阻抗特征的影响,因此需要对GFM降阶模型适用性问题展开讨论,并提出更加精准的降阶模型。分析电网线路阻抗特征变化对降阶模型精度的影响,结果表明线路阻感比变化或短路比变化时三阶模型不能精确反映系统特性的变化,会对系统稳定性产生错误判断,其原因在于线路阻抗参数会影响电压环与功率环的耦合特性,2个控制环路均会对GFM次同步振荡稳定性产生影响。提出一种更加准确的包含电压环的降阶模型,可以精确表征线路阻抗特征变化对系统特性的影响,更加适合复杂电网下GFM的稳定性分析。基于MATLAB/Simulink仿真验证了理论分析的正确性及所提模型的有效性。     

计及换流器间动态交互的中压直流配电系统控制参数设计

由于各换流器间存在动态交互作用,使得中压直流(MVDC)配电系统的控制参数设计比单台换流器时困难得多。首先,针对系统中换流器的电流控制环、电压控制环和下垂控制环,依次分别建立了计及换流器间动态交互的开环和闭环传递函数,并且所建传递函数零极点的个数与单台换流器独立运行时完全一致。然后,提出了一种计及换流器间动态交互的MVDC配电系统控制参数设计方法,该方法能够从系统动态稳定性的角度定性定量设计控制参数。该设计方法通过部分零极点的相互抵消,利用一对共轭主导极点准确设计系统动态特性,并在较宽频率范围(如10~50 Hz)内均有效。最后,在电力电子仿真软件PLECS中对所提传递函数和控制参数设计方法进行了仿真验证。     

聚合恒功率负荷对直流微电网稳定性影响的阻抗法分析

电动汽车等恒功率负荷大量接入直流微电网可能导致系统振荡失稳,对系统的稳定运行提出了挑战.分析了恒功率负荷聚合接入导致系统失稳的机理,并提出了一种基于Nyquist判据的直流微网稳定性估计方法.首先,在负荷动态特性相同的假设下,推导了直流微网等效降阶模型,将含N个恒功率负荷的高阶直流微网等效为含单个负荷接入的微网降阶系统...     

计及换流器间动态交互的中压直流配电系统控制参数设计

由于各换流器间存在动态交互作用,使得中压直流(MVDC)配电系统的控制参数设计比单台换流器时困难得多。首先,针对系统中换流器的电流控制环、电压控制环和下垂控制环,依次分别建立了计及换流器间动态交互的开环和闭环传递函数,并且所建传递函数零极点的个数与单台换流器独立运行时完全一致。然后,提出了一种计及换流器间动态交互的MVDC配电系统控制参数设计方法,该方法能够从系统动态稳定性的角度定性定量设计控制参数。该设计方法通过部分零极点的相互抵消,利用一对共轭主导极点准确设计系统动态特性,并在较宽频率范围(如10~50 Hz)内均有效。最后,在电力电子仿真软件PLECS中对所提传递函数和控制参数设计方法进行了仿真验证。     

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。     

应用于船舶中压直流系统的电力电子配电变压器

中压直流系统适合应用于大型船舶,能够减少系统体积重量,提升运行能效。但是目前直流断路器和直流配电研究进展缓慢,限制了直流系统的应用。电力电子变压器由电力电子变换器和高频变换器组成,拥有高效率和高功率密度的特点,适用于船载的配电应用。在分析对比了几种直流变压器拓扑的基础上,提出将串联输入并联输出(ISOP)双主动桥(DAB)变换器用作船载配电变压器,研究了该拓扑的调制和控制方案,并通过实验进行了验证。