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适用于级联型电力电子拓扑电磁暂态仿真的N端口网络通用等效建模方法

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中国电机工程学报 2024年第9期44卷 3632-3644,I0025页

作者：徐晋吴盼汪可友高晨祥李子润电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 上海市闵行区200240

级联型电力电子设备复杂的拓扑结构给电磁暂态仿真带来巨大的计算压力。常见的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的等效建模方法相对成熟。然而,近年来出现大量复杂的新型级联型拓扑,目前仍缺乏通用的等效建模方法... 详细信息

级联型电力电子设备复杂的拓扑结构给电磁暂态仿真带来巨大的计算压力。常见的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的等效建模方法相对成熟。然而,近年来出现大量复杂的新型级联型拓扑,目前仍缺乏通用的等效建模方法。为此,该文提出一种适用于任意拓扑N端口子模块、以任意级联方式组成的电力电子设备通用等效建模方法,利用状态空间表达式的形式将原始电路经数值积分代换后的端口特性提取出来,再根据得到的状态空间表达式反向构造等效电路模型。算例分析表明,所提方法不仅能消去子模块内部节点、提升仿真效率,还可自定义子模块拓扑结构和级联方式,相比传统等效建模方法更加灵活、通用,已有的MMC等效建模方法可以视为本文所提通用方法的一种特例。

关键词：级联电力电子电磁暂态仿真 N端口网络等效建模

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新能源电力系统细粒度并行与多速率电磁暂态仿真

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电力系统自动化 2024年第3期48卷 113-121页

作者：王啟国徐晋汪可友周建其樊涛电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 上海市200240 国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司浙江省嘉兴市314000 国家电网有限公司数字化工作部北京市100032

随着可再生能源的快速发展,电力系统设备类型越来越多,系统振荡特征越来越复杂,对电磁暂态仿真的精度和效率提出了更高要求。基于大规模集成电路设计中所使用的延迟插入法(LIM),提出了新能源电力系统的细粒度建模方法,并结合图形处理器(... 详细信息

随着可再生能源的快速发展,电力系统设备类型越来越多,系统振荡特征越来越复杂,对电磁暂态仿真的精度和效率提出了更高要求。基于大规模集成电路设计中所使用的延迟插入法(LIM),提出了新能源电力系统的细粒度建模方法,并结合图形处理器(GPU)的资源优势,实现了算法的并行求解。所提方法将传统交流电网与电力电子设备进行解耦,并基于混合数值稳定性判据和局部截断误差的方法确定了各子系统的步长。然后,通过插值实现了新能源电力系统的多速率仿真。最后,基于GPU硬件平台,以含新能源接入的改进39节点系统为例验证了所提方法的精度,并以不同规模的新能源接入、不同仿真步长的组合验证了所提方法在仿真效率方面的优势。

关键词：可再生能源电力系统电磁暂态仿真并行计算细粒度仿真多速率仿真延迟插入法图形处理器

基于离散状态空间小步合成的固态变压器大步长仿真方法

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中国电机工程学报 2024年

作者：张勇徐晋李子润汪可友李国杰邢法财电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 国网山东省电力公司电力科学研究院

固态变压器(solid state transformer，SST)在新型电力系统中的应用逐渐增加，因其复杂的拓扑结构、节点数多、子模块内开关频率高等特点，使得面向SST的电磁暂态仿真计算效率低，目前针对SST大步长仿真方法的研究较少。为此，提出一种... 详细信息

固态变压器(solid state transformer，SST)在新型电力系统中的应用逐渐增加，因其复杂的拓扑结构、节点数多、子模块内开关频率高等特点，使得面向SST的电磁暂态仿真计算效率低，目前针对SST大步长仿真方法的研究较少。为此，提出一种基于离散状态空间小步合成的SST大步长仿真方法。首先，建立了小步长建模、小步长仿真的离散状态空间模型。然后，根据离散状态空间方程的特点，采用小步迭代合成法构建离散状态空间大步长仿真模型，从而实现小步长建模、大步长仿真。最后，给出大步长仿真模型的二次等效方法，减少了系统整体建模的系数矩阵维度，降低计算复杂度。结果表明，所提方法不仅能减少数值积分误差和电力电子开关动作误差，实现100kHz开关频率下SST换流系统的精确仿真，还能显著提升SST的仿真效率。

关键词：离散状态空间模型固态变压器小步迭代合成大步长仿真

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基于谐波状态空间模型的MMC解析仿真方法

中国电机工程学报 2024年第15期44卷 6110-6122,I0023页

作者：黄颂开徐晋汪可友邢法财电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 上海市闵行区200240 国网山东省电力公司电力科学研究院山东省济南市250000

随着输送电压等级的提升和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块数量的增加,基于详细模型的MMC的仿真方法已难以应对子模块数量增长带来的计算效率上挑战。对此,文中提出一种基于谐波状态空间法的MMC解析建模仿... 详细信息

随着输送电压等级的提升和模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)子模块数量的增加,基于详细模型的MMC的仿真方法已难以应对子模块数量增长带来的计算效率上挑战。对此,文中提出一种基于谐波状态空间法的MMC解析建模仿真方法,在能够独立地提供各阶次谐波的暂态波形的同时,实现了大步长仿真。首先,建立考虑交直流侧耦合的MMC在时域下的状态方程,之后通过谐波状态空间法将其转换至谐波域,并推导出其开环控制下的阶跃响应解析式;然后,基于该解析式提出仿真全过程的迭代公式及其数值算法;最后,通过仿真算例验证所提方法的有效性。

关键词：模块化多电平换流器电磁暂态仿真谐波状态空间解析仿真

多源接入配电网动态等值的时域Kron物理推广模型

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中国电机工程学报 2024年

作者：罗佳奕韩蓓汪可友彭林何志敏欧朱建电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 国网智能电网研究院有限公司国网江苏省电力有限公司南通供电分公司

Kron化简是等值建模中经典的网络拓扑化简方式，常用于稳态等值建模。经典Kron化简仅适用于工频正弦波激励下的稳态网络，难以精确拟合动态及暂态过程。动态推广理论时域Kron化简虽具有更高动态拟合精度，但存在无法映射得到物理模型的... 详细信息

Kron化简是等值建模中经典的网络拓扑化简方式，常用于稳态等值建模。经典Kron化简仅适用于工频正弦波激励下的稳态网络，难以精确拟合动态及暂态过程。动态推广理论时域Kron化简虽具有更高动态拟合精度，但存在无法映射得到物理模型的缺点。本文针对时域Kron化简这一缺点展开研究，发现通过高斯消去法获取化简零空间基向量，并在自由基赋值时每次仅给一个自由基赋值为1或-1，其余自由基赋值为0时，时域Kron化简能够映射明确物理模型，本文将该方法称为时域Kron物理推广。并对时域Kron物理推广模型的线路耦合特征、模型唯一性和化简效果进行了分析。相较于时域Kron，本文所提物理推广模型具有直观物理意义，可适用于更广泛场景与仿真技术；相较于经典Kron，该模型具有更高的动态拟合精度和更简洁的化简拓扑形式。最后通过电磁暂态数值实验及Simulink仿真对上述方法进行验证。

关键词：克朗化简多源配电网动态等值时域仿真

基于虚拟同步控制的构网型直驱风机轴系扭振特性分析

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电网技术 2024年

作者：马亦卓徐晋秦世耀李国杰高晨祥汪可友电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 可再生能源并网全国重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)

基于虚拟同步控制（virtual synchronous generator， VSG）的构网型直驱风机（permanent magnet synchronous generator，PMSG）的控制结构决定了其轴系扭振特性必然会受到网侧动态的影响。当系统受到外界扰动时，可能会产生扭转振荡... 详细信息

基于虚拟同步控制（virtual synchronous generator， VSG）的构网型直驱风机（permanent magnet synchronous generator，PMSG）的控制结构决定了其轴系扭振特性必然会受到网侧动态的影响。当系统受到外界扰动时，可能会产生扭转振荡，导致系统出现低频振荡。目前，对于基于VSG的直驱风机轴系扭振特性的机理研究尚不清晰，关键制约因素仍不明确，且网侧动态对轴系阻尼的影响机理尚待解决。因此，本文详细分析了基于VSG的直驱风机的轴系扭振特性。首先，通过电气转矩法得出了电磁转矩-转速差的传递函数，并定义了等效阻尼系数，以定量表达电磁转矩对轴系扭振的电气阻尼作用。同时，探讨了在最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)模式下，网侧动态对电磁转矩在轴系阻尼作用中的影响机理，识别出了影响轴系阻尼的关键制约因素及其作用规律。在此基础上，提出了相应的轴系扭振抑制策略。最后，利用SIMULINK对理论分析进行了仿真验证，结果证明了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

关键词：构网型虚拟同步控制直驱风机轴系扭振抑制策略

电力电子设备及含电力电子设备电力系统实时仿真研究综述

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电力系统自动化 2022年第10期46卷 3-17页

作者：徐晋汪可友李国杰电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学) 上海市200240

大量电力电子设备接入电力系统给电磁暂态实时仿真技术带来了巨大的挑战。文中从多个角度对电力电子设备和含电力电子设备电力系统实时仿真领域近年来的研究成果进行了综述。在应用场景和利用范式方面,除了硬件在环测试等对仿真实时性... 详细信息

大量电力电子设备接入电力系统给电磁暂态实时仿真技术带来了巨大的挑战。文中从多个角度对电力电子设备和含电力电子设备电力系统实时仿真领域近年来的研究成果进行了综述。在应用场景和利用范式方面,除了硬件在环测试等对仿真实时性具有严格要求的场景,实时仿真还被用于其他单纯对仿真效率有较高要求的场景。在建模与仿真方法方面,无论是基于分立元件的建模仿真,还是基于端口特性或电路等值的电力电子设备建模仿真,都有商业化应用的案例,但如何兼顾高频、复杂设备实时仿真的效率和精度仍是当前研究的热点与难点。在实时仿真硬件平台方面,现场可编程门阵列(FPGA)和图像处理单元(GPU)等具有天然硬件并行性的计算芯片成为除CPU之外的重要选择,特别是FPGA正被越来越多的商业化平台所采用,但所用仿真算法大多基于传统框架,尚未能充分发挥FPGA的硬件架构优势。此外,电力电子设备和含电力电子设备电力系统实时仿真的算法并行性、强刚性与数值稳定性问题仍具有巨大的研究空间。

关键词：电力电子电力系统电磁暂态仿真实时仿真

基于变分模态分解和压缩感知的电力系统宽频振荡监测方法

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电力系统保护与控制 2022年第23期50卷 63-74页

作者：陈志同徐晋李国杰汪可友上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200240

随着“双碳”目标的提出,未来电力系统会有更高比例可再生能源及电力电子设备并网,会引发电力系统新型宽频振荡问题。因此针对电力系统宽频振荡“高噪声”和“宽频带”的特点,提出一种基于变分模态分解和压缩感知的自适应宽频振荡监测... 详细信息

随着“双碳”目标的提出,未来电力系统会有更高比例可再生能源及电力电子设备并网,会引发电力系统新型宽频振荡问题。因此针对电力系统宽频振荡“高噪声”和“宽频带”的特点,提出一种基于变分模态分解和压缩感知的自适应宽频振荡监测方法。对变分模态分解(variational mode decomposition,VMD)方法进行改进,自适应确定模态分解数,抑制噪声分量并监测识别振荡信号的有效信息。若监测到宽频振荡,将降噪处理后的宽频振荡数据通过压缩感知(compressed sensing,CS)方法上传,在调度中心对压缩数据进行重构,精确恢复宽频振荡信号,方便调度主站后续分析处理。算例表明所提方法可在高强度随机噪声的情况下保持宽频振荡监测的质量,克服高速采样后数据传输带宽的限制,并在实际电力系统宽频振荡信号监测中有良好应用。

关键词：宽频振荡变分模态分解压缩感知监测方法

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电力电子换流器离散小步合成实时仿真模型

电工技术学报 2022年第20期37卷 5267-5277页

作者：李子润徐晋汪可友吴盼李国杰上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室上海200240

随着电力电子换流器的开关频率越来越高,对电力电子化系统实时仿真的精度提出更高的要求,基于电感/电容(L/C)等效的定导纳开关模型是目前的主流开关模型之一,但这种模型的开关暂态过程存在“虚拟功率损耗”问题,开关频率越高,仿真结果... 详细信息

随着电力电子换流器的开关频率越来越高,对电力电子化系统实时仿真的精度提出更高的要求,基于电感/电容(L/C)等效的定导纳开关模型是目前的主流开关模型之一,但这种模型的开关暂态过程存在“虚拟功率损耗”问题,开关频率越高,仿真结果失真越严重。该文首先构建电力电子换流器小步长模型的离散状态空间形式,基于此,构建电力电子换流器的小步合成实时仿真模型,保留L/C模型恒导纳特性的同时有效地消除了由开关支路主导的工作模态的暂态过程,进一步分析L/C开关模型支路对电力电子换流器的工作模态的影响,通过小步合成模型消除L/C模型引入的特征值,使L/C模型更精准地模拟理想开关,同时保留系统的正常工作模态。分别构建双有源桥、三相两电平逆变器和三电平逆变器的小步合成模型并进行实时仿真,与传统实时仿真模型对比表明,所提小步合成模型在不影响仿真效率的前提下,有效地解决了L/C开关模型的“虚拟功率损耗”问题,且具有较好的通用性,无需重新设置开关参数即可适用于多种拓扑。

关键词：小步合成法 L/C模型电力电子换流器实时仿真虚拟功率损耗