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含分布式电源的配电网动态相量建模方法研究

含分布式电源的配电网动态相量建模方法研究

作者：高甲蒙北京交通大学

学位级别：硕士

随着全球“双碳”目标以及经济结构的转型升级,电力在全部能源负荷中占比将越来越高。在电力能源中,可再生能源成为“碳达峰碳中和”的主力军。分布式电源由于其高度的灵活性,广泛应用于配电网,正在逐渐改变传统配电网的潮流分布、电能... 详细信息

随着全球“双碳”目标以及经济结构的转型升级,电力在全部能源负荷中占比将越来越高。在电力能源中,可再生能源成为“碳达峰碳中和”的主力军。分布式电源由于其高度的灵活性,广泛应用于配电网,正在逐渐改变传统配电网的潮流分布、电能质量和运行模式。对于电力电子化配电网的时域仿真分析,机电暂态仿真已无法满足其准确性要求,而基于变流器详细模型的电磁暂态仿真则难以满足其计算效率和网络规模的需求。其中,电力电子变流器的暂态模型和规模庞大且日益复杂的电力网络模型是影响时域仿真准确性与计算效率的两个关键因素。因此,建立一种兼具准确性和效率的配电网模型,并充分考虑分布式电源对配电网的影响,对于配电网的规划、运行以及故障分析至关重要。动态相量模型具有良好的工程精度和快速的分析能力,为电力电子化配电网快速建模与仿真(Fast Simulation and Modeling,FSM)提供了一种新的建模技术手段适用于现代配电网时域仿真分析。本文着重研究交流电网和分布式电源的动态相量(Dynamic Phasor,DP)建模方法,其主要内容如下:(1)分析了动态相量模型的构建思路,阐述了动态相量模型在电力系统建模中的特点和优势,介绍了动态相量和瞬时值的转换过程,并对基本电路的动态相量建模和仿真算法进行了分析,从理论角度证明建模方法的可行性,为后续研究配电网络及分布式电源建模及仿真技术奠定了基础。(2)研究适用于交流配电网的动态相量建模方法。首先,基于定步长仿真原理,对配电网元件进行建模,并提出了适用于配电网络的动态相量仿真框架;其次,基于变步长仿真原理,推导了实数形式的动态相量状态方程,提出了适用于较大规模网络仿真暂态分析的建模方法;最后,对两种方法分别进行测试分析,论证两种方法在进行故障仿真时的特点。(3)提出了三种变流器类型的动态相量建模方法。首先,详细推导了电压源型变流器的动态相量建模过程;其次,对储能及其变流器模型、光伏发电系统及其升压电路和微型燃气轮及其背靠背变流器系统进行动态相量建模;最后,通过仿真分析,验证了这三类分布式电源在各种扰动情况下的准确性,并进行效率分析。(4)提出了含分布式电源配电网的动态相量模型。首先,设计了分布式电源与配电网络动态相量模型的交直流接口方法,以保证网络仿真的数值稳定性;然后,提出了含分布式电源的配电网动态相量模型仿真框架;最后,通过仿真分析,进一步验证了动态相量模型在保证仿真准确性前提下的仿真效率方面的优势。结果表明,此方法在提升仿真效率方面具有明显的优势,并且能够通过变换仿真步长尺度来获得准确的暂态过程结果,适用于含大规模电力电子分布式电源的有源配电网进行建模。

关键词：动态相量配电网分布式电源电磁暂态仿真

LCC-MMC混合直流输电系统动态相量建模与仿真

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LCC-MMC混合直流输电系统动态相量建模与仿真

作者：温煜广东工业大学

学位级别：硕士

随着“西电东送”战略的深化,高压直流输电技术在我国得到更广泛的应用。LCC-MMC混合直流输电系统结合了电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC)和模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的技术优势,特别契合我... 详细信息

随着“西电东送”战略的深化,高压直流输电技术在我国得到更广泛的应用。LCC-MMC混合直流输电系统结合了电网换相换流器(Line Commutated Converter,LCC)和模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的技术优势,特别契合我国南方电网潮流单向、受端广东电网常规直流逆变站密集的特点,目前已得到工程应用。LCC-MMC也成为学术界的研究热点。MMC接入数量庞大的子模块以满足“西电东送”工程高电压、大功率电能传输要求。由于包含大量电力电子开关器件,LCC-MMC电磁暂态模型的仿真速度十分缓慢;而LCC-MMC机电暂态模型难以准确反映换流器内部变量的动态特性。动态相量模型通过把时域信号转换成时变傅里叶级数之和,能在保证计算精度的同时显著提高仿真计算的速度。本文建立LCC-MMC系统的动态相量模型,主要工作如下:(1)描述LCC-MMC的拓扑结构、工作原理及数学模型,分析LCC-MMC的基本控制策略。在Matlab/Simulink平台上搭建LCC-MMC混合直流输电系统的电磁暂态仿真模型,对系统在稳态和交流系统故障情形下的运行特性进行分析。(2)阐述动态相量的概念及建模方法。通过理论分析和仿真算例,分析比较准稳态模型、动态相量模型及电磁暂态模型的技术特点。(3)建立LCC-MMC主电路的动态相量模型,在Matlab环境下实现LCC-MMC主电路动态相量模型与控制系统时域模型的联合求解。给出一种仿真波形相似度的定量评估方法,通过比较本文模型与电磁暂态模型仿真波形的相似度及计算耗时,验证动态相量模型的精确性和高效性。本文建立的LCC-MMC动态相量模型兼顾仿真精度和速度,不仅能描述LCC-MMC系统的稳态运行和暂态大信号响应,还可用于研究交直流相互作用特性和发展新的控制策略,对于混合直流输电系统仿真技术的发展有一定参考价值。

关键词： LCC-MMC 动态相量建模电磁暂态仿真

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电磁暂态仿真多频段动态相量法研究

电磁暂态仿真多频段动态相量法研究

作者：刘博宁华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着直流输电,灵活交流输电、大规模新能源发电等电力电子设备的大量接入,我国电网已形成含高比例电力电子设备的大规模交直流混联电网。电力电子设备短时间的动作过程可能对大型电网的较长时间动态过程产生不可忽略的影响。为真实反映... 详细信息

随着直流输电,灵活交流输电、大规模新能源发电等电力电子设备的大量接入,我国电网已形成含高比例电力电子设备的大规模交直流混联电网。电力电子设备短时间的动作过程可能对大型电网的较长时间动态过程产生不可忽略的影响。为真实反映现有电网中交直流系统的相互影响,基于详细建模和小步长的电磁暂态仿真程序成为重要的电力系统分析工具。然而,大量电力电子装置频繁的开关动作和复杂的控制策略,使得传统电磁暂态仿真效率极低,无法满足现今电力系统在研究、生产、模拟等方面对仿真效率的需求。本文通过对现有电磁暂态仿真算法原理的分析总结,提出一种适用于交直流混联电网的,兼顾仿真速度和仿真精度的电磁暂态仿真新算法。本文首先从数学上对频率偏移法及动态相量法大步长仿真的原理进行分析,揭示并统一了两种算法的相对旋转降频原理。然后,针对两类算法存在的问题,提出多频段动态相量法进行改进。该方法利用傅立叶变换和分解的数学特性,对信号频率分解后按频段进行重组,再针对重组信号分别进行移频,进而采取大步长仿真。然后对该方法在交直流混联电力系统电磁暂态仿真中的适用性及其特点进行了详细分析,并通过仿真分析对所提算法的可行性和有效性进行了验证。与传统动态相量法相比,本文算法按频段进行分频和重组,在考虑更大频率带宽和更多频率成分的同时,又大为减少微分方程组数目,能兼顾仿真精度和速度的要求;与频率偏移法相比,本文算法按频段移频,各频段内均可进行大步长仿真,突破了频率偏移法信号必须在工频附近的限制和假定。交直流混联电网规模大,设备特性复杂,不同设备的时间常数不同,暂态过程的响应时间有微秒级、毫秒级到秒级等多个时间尺度。对整个系统采用单一小步长进行电磁暂态仿真,仿真效率低。本文以传统的多速率仿真策略为基础,给出了基于多频段动态相量法的适用于交直流混联系统的多速率电磁暂态仿真方案。详细介绍了该策略下的不同子系统间接口模型的实现方法和接口的时序配合方案,并给出了系统的仿真流程,通过仿真算例验证方案准确性。本文提出的多速率仿真方法与基于传输线分网的传统多速率法相比,在保证仿真精度和速度的同时,应用更加灵活,可根据系统仿真需求,不拘泥于传输线长度的限制,可合理选择仿真步长与仿真方法,进一步提升仿真效率。

关键词：电磁暂态仿真多频段移频动态相量多速率

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采用动态相量法的电压闪变检测

高电压技术 2010年第5期36卷 1293-1298页

作者：康健邵振国张培铭福州大学电气工程与自动化学院福州350108

数字式闪变仪多采用均方根(RMS)值作为输入,经傅立叶变换得到电压波动频率和幅值,再通过查表的方式直接计算出瞬时闪变视感度。然而以上过程多采用数值计算,缺乏准确的解析表达式。为此采用了动态相量法,对单一频率的正弦调制工频电压... 详细信息

数字式闪变仪多采用均方根(RMS)值作为输入,经傅立叶变换得到电压波动频率和幅值,再通过查表的方式直接计算出瞬时闪变视感度。然而以上过程多采用数值计算,缺乏准确的解析表达式。为此采用了动态相量法,对单一频率的正弦调制工频电压进行分析,得到RMS电压频谱的解析表达式,并由此计算得到一组新的使得瞬时闪变视感度为1的频率与RMS电压波动对照表,分析表明,随着频率的增加,其结果与调幅波电压波动差距较大,因此宜采用基于RMS的新的对照表,以正确计算闪变值。最后将以上分析扩展到多调幅波频率的情况,结论一致。

关键词：电压闪变频率特性动态相量电能质量信号处理检测

动态相量理论在柔性交流输电系统仿真中的应用研究

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动态相量理论在柔性交流输电系统仿真中的应用研究

作者：张鹏兰州交通大学

学位级别：硕士

进入21世纪以来,由于大型电力系统的互联具有诸多优势,已经成为现代电力系统发展的重要方向之一,但电网互联也使得现代电力系统规模日益庞大,其结构和运行方式变得越来越复杂。与此同时,柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission Sys... 详细信息

进入21世纪以来,由于大型电力系统的互联具有诸多优势,已经成为现代电力系统发展的重要方向之一,但电网互联也使得现代电力系统规模日益庞大,其结构和运行方式变得越来越复杂。与此同时,柔性交流输电系统（Flexible AC Transmission System, FACTS）取得了长足的发展,大大提高电力系统的可控性、灵活性和可靠性,但随之而来的是各种电力电子装置在电力系统中的大量应用,使得电力系统中同时包含了连续事件和离散事件,系统的分析更加复杂化。传统的准稳态模型难以反映快速变化的电磁暂态过程,而电磁暂态模型虽然能准确反映电磁暂态过程,但计算速度太慢难以完成大型电力系统的仿真。这些新的特点对电力系统的建模和仿真提出了更高的要求。静止同步无功补偿器（STATCOM）作为FACTS家族中一种重要的补偿装置,具有响应速度快、传输容量大、控制性能好的优点,代表了无功补偿技术发展的新方向。本文选择对其进行研究具有一定的理论和实践意义。动态相量理论于1991年提出,是一种源于平均方法理论的新方法,该理论突破了传统电力系统模型正弦准稳态的假定,在电力系统建模仿真研究中取得了很大发展。论文主要从STATCOM的时域模型和动态相量模型这两个方面展开研究：首先,总结概述了无功补偿技术和含FACTS装置的电力系统建模与仿真技术的发展。在介绍STATCOM工作原理的基础上,提出了主电路优化措施,研究了间接电流控制策略,建立和分析了其时域数学模型。本文在MATLAB/Simulink平台下实现了STATCOM时域模型在变工况条件下的系统仿真,并验证了所提方案的可行性和有效性。其次,将动态相量法与传统相量法进行了对比研究。动态相量模型是对时域微分方程进行了平均运算,因此具有大信号、时不变的特性。在稳态时,动态相量模型就蜕变为电路理论中的相量模型,体现了电力系统的物理本质。以Buck-boost变换器为例,从时域模型出发详细推导了其对应的动态相量模型,对两种模型的仿真波形及仿真计算耗时进行了对比,突出阐述了动态相量法的优点,为采用动态相量法研究STATCOM奠定了基础。最后,运用动态相量法,以STATCOM时域模型为基础推导出了其对应的动态相量模型,同时对电源、传输线和负荷等相关电力系统元件进行了动态相量模型的推导和建模。将动态相量模型仿真结果与时域模型仿真结果进行了对比,结果表明,采用动态相量法对STATCOM进行建模仿真具有仿真精度高、运算速度快的优点。

关键词：电力系统动态相量 STATCOM FACTS 无功补偿

基于动态相量法的三相光伏并网系统建模及控制策略研究

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基于动态相量法的三相光伏并网系统建模及控制策略研究

作者：王晓萌广东工业大学

学位级别：硕士

随着近年来光伏并网的大规模开发利用,光伏并网系统的动态研究成为了电力领域和光伏产业共同关心的内容。光伏系统的发电特点不同于传统能源,所以建立能够快速反应、准确描述光伏并网系统的运行特性的模型是相关研究工作的基础。目前相... 详细信息

随着近年来光伏并网的大规模开发利用,光伏并网系统的动态研究成为了电力领域和光伏产业共同关心的内容。光伏系统的发电特点不同于传统能源,所以建立能够快速反应、准确描述光伏并网系统的运行特性的模型是相关研究工作的基础。目前相关研究暂时缺少对大规模光伏系统的整体仿真以及相应的控制策略的动态相量模型,为此,本文以两级式三相光伏并网发电系统为研究对象,围绕光伏并网系统的动态相量模型和控制策略开展研究,主要内容包括:（1）建立三相光伏并网系统电磁暂态模型,并详细介绍了最大功率点跟踪原理和实现方法,针对逆变器的控制部分介绍了双环控制策略,并通过仿真验证不同环境情况下最大功率点跟踪和双环控制的有效性。（2）根据动态相量法推导建立光伏并网系统的动态相量模型,其中逆变器部分的建模包括三相静止坐标系和旋转坐标系下的动态相量模型,还针对电压电流双环控制部分建立了旋转坐标系下的双环控制动态相量模型,并通过搭建的150MW光伏电站的仿真结果比较,验证光伏系统的动态相量模型能准确反映光伏系统中各电气量的动态特性,并提升了仿真速度。（3）对电网发生不对称故障时的电气量进行谐波分析,结合对称分量法,加入一种正、负序分离的不对称控制策略,并推导了基于旋转坐标系的控制系统的动态相量模型,通过150MW光伏电站的仿真结果对比,验证了不对称控制对于平衡三相电流的有效性,以及不对称控制的动态相量模型具有分析光伏系统不对称时的动态特性的能力,并显著降低了仿真时间。（4）对于电网电压跌落的情况,介绍了低电压穿越控制,加入了一种基于无功支撑的低电压穿越控制策略,并建立了其动态相量模型。通过150MW光伏电站的仿真分析,验证了控制策略满足低电压穿越要求,以及低电压穿越控制的动态相量模型能准确反映光伏系统在电压跌落期间的动态特性。

关键词：光伏并网系统动态相量不对称控制低电压穿越

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基于动态相量法的电压闪变传播系数计算

电力自动化设备 2010年第2期30卷 72-75页

作者：康健张培铭福州大学电气工程与自动化学院福建福州350108

波动性负荷引起的电压闪变会传播到电力系统的其他部分,相同的电压变动量可能由不同的电压波动波形引起。为此利用动态相量法建立了电力网络的数学模型,根据基尔霍夫定律求取电压的动态相量,即电压波形的包络线,可以直接反映电压RMS值... 详细信息

波动性负荷引起的电压闪变会传播到电力系统的其他部分,相同的电压变动量可能由不同的电压波动波形引起。为此利用动态相量法建立了电力网络的数学模型,根据基尔霍夫定律求取电压的动态相量,即电压波形的包络线,可以直接反映电压RMS值的波动情况,并且在此基础上给出了一般性电力网络的电压闪变传播系数的计算公式。计算结果表明闪变传播系数不仅和电力网络的结构、参数以及负荷特性有关,还与闪变源的特征量,即闪变频率分量的频率及其分布密切相关。最后利用仿真软件验证了理论分析的正确性。

关键词：电压波动闪变传播系数动态相量电能质量

不对称运行条件下VSC-HVDC动态相量建模

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高电压技术 2009年第7期35卷 1705-1710页

作者：潘武略徐政张静浙江大学电机系杭州310027

为了提高仿真精度和减少计算量,采用动态相量法,针对不对称运行条件下的基于电压源型换流器的直流输电系统(VSC-HVDC)进行建模。动态相量法基于时变傅立叶级数,所建模型为近似时不变的大信号模型。该模型比准稳态模型精确,同时与详细电... 详细信息

为了提高仿真精度和减少计算量,采用动态相量法,针对不对称运行条件下的基于电压源型换流器的直流输电系统(VSC-HVDC)进行建模。动态相量法基于时变傅立叶级数,所建模型为近似时不变的大信号模型。该模型比准稳态模型精确,同时与详细电磁暂态模型相比,能够显著提高计算效率。使用动态相量模型对不对称条件下的VSC-HVDC响应特性进行了仿真,并与电磁暂态程序的计算结果对比表明,此模型是精确有效的。

关键词：动态相量电压源型换流器高压直流输电不对称条件建模时变傅立叶级数效率

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计及交流不对称影响的换流器动态相量建模

计及交流不对称影响的换流器动态相量建模

作者：张澜芯合肥工业大学

学位级别：硕士

高压直流输电技术由于其在远距离大容量输电方面的优势获得了广泛的应用。预计到2020年,将有近40余个直流输电工程投运或建设,届时我国将成为直流输电应用最广泛的国家。作为直流系统中的核心器件,换流器的模型精度以及效率对直流系统... 详细信息

高压直流输电技术由于其在远距离大容量输电方面的优势获得了广泛的应用。预计到2020年,将有近40余个直流输电工程投运或建设,届时我国将成为直流输电应用最广泛的国家。作为直流系统中的核心器件,换流器的模型精度以及效率对直流系统分析的准确性和有效性有直接的决定作用。在传统的电磁暂态建模计算规模庞大,机电暂态模型仅适用于三相对称状态的不足的基础上,本文分析了不对称运行状态下换流器的换相过程,基于此建立能够反映换流器动作过程的开关函数模型,并进一步建立了基于准稳态的修正模型。本文的研究内容主要从以下三个部分展开:1)根据动态相量理论,总结分析了动态相量法在换流器建模中的应用。2)基于调制理论,详细分析了三相非对称运行状态下换流器的换相过程,综合考虑了三相不对称运行下实际换相电压过零点偏移以及直流侧2次谐波等对换相持续时间的影响,提出改进的换相角动态相量计算方法,基于换相过程分析,建立了改进的换流器开关函数模型。3)在考虑交流不对称情况的改进换流器开关函数模型的基础上,通过忽略不必要谐波,建立了简化的换流器动态相量模型。在此基础上,忽略不对称情况下换流器两侧的低次非特征谐波,将动态相量模型转换成序分量形式,进一步化简,建立修正的准稳态模型。

关键词：不对称运行换流器换相角开关函数动态相量