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直流微电网风储惯量协调控制策略

电力自动化设备 2024年

作者：朱晓荣杜策李宇航沈可心华北电力大学电力工程系

针对永磁直驱风机的惯性支撑能力随运行点变化的问题，考虑储能的快速灵活支撑能力，提出了一种基于类虚拟同步发电机控制的直流微电网风储惯量协调控制策略。首先通过电压控制回路参数的协调解决了当前风、储类虚拟同步发电机控制在动... 详细信息

针对永磁直驱风机的惯性支撑能力随运行点变化的问题，考虑储能的快速灵活支撑能力，提出了一种基于类虚拟同步发电机控制的直流微电网风储惯量协调控制策略。首先通过电压控制回路参数的协调解决了当前风、储类虚拟同步发电机控制在动态响应初始阶段存在的电压突变问题，省去了以往的前馈补偿修正环节。其次引入了两个分别与风电机组的惯性支撑能力和储能系统荷电状态相关的储能惯性支撑系数，实现了全工况下的风储惯量协调控制。然后针对惯量协调控制中风电机组完成惯性支撑后转速恢复过程所导致的电压二次跌落问题，设计了储能辅助转速恢复控制，平抑了直流侧电压二次的波动。最后在MATLAB/Simulink中进行时域仿真，验证了所提风储惯量协调策略的有效性。

关键词：直流微电网类虚拟同步发电机风储协调惯性支撑参数协调

提高短时中断故障期间新能源微电网稳定性的惯性储能永磁发电机组

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电工技术学报 2022年第23期37卷 6000-6010页

作者：郑军铭冯丽蔡志远张炳义沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870 沈阳职业技术学院电气工程学院沈阳110033

为解决高比例新能源微电网的短时中断问题,提出一种惯性储能永磁发电机组。该文提出的永磁机组由共外转子滚筒的永磁电动机和永磁发电机组成,具有对新能源微电网实时惯性支撑和输出电能质量高的优点。首先,从惯性储能角度出发,结合电网... 详细信息

为解决高比例新能源微电网的短时中断问题,提出一种惯性储能永磁发电机组。该文提出的永磁机组由共外转子滚筒的永磁电动机和永磁发电机组成,具有对新能源微电网实时惯性支撑和输出电能质量高的优点。首先,从惯性储能角度出发,结合电网电能质量指标要求对永磁机组进行设计,通过有限元和场路耦合仿真验证了永磁机组设计的合理性;然后,结合永磁机组电磁-机械耦合模型,建立基于PSCAD平台的永磁机组电力系统仿真模型,仿真结果证明了在短时中断故障期间永磁机组可实现对新能源微电网的惯性支撑;最后,研制了一台55kW的缩比样机,通过实验测实验证了设计思想的正确性。

关键词：新能源微电网惯性储能永磁机组惯性支撑

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柔性直流输电技术在大电网中的应用与实践

高电压技术 2022年第9期48卷 3347-3355页

作者：饶宏黄伟煌郭知非周月宾直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院有限责任公司) 广州510663

柔性直流输电是基于电压源换流器原理的新型直流输电技术,具有无换相失败、有功无功解耦、运行稳定等优点,改善交直流相互影响问题和提高电网稳定性的作用显著。该文对柔性直流的技术特点和发展现状进行了介绍,系统性地阐述了柔性直流... 详细信息

柔性直流输电是基于电压源换流器原理的新型直流输电技术,具有无换相失败、有功无功解耦、运行稳定等优点,改善交直流相互影响问题和提高电网稳定性的作用显著。该文对柔性直流的技术特点和发展现状进行了介绍,系统性地阐述了柔性直流输电技术提升大电网稳定性方面的作用,介绍了我国柔性直流技术在大电网应用的工程实践经验,并展望了新型电力系统下柔性直流技术在电网惯性支撑、大规模新能源传输的新技术,为柔性直流技术在新型电力系统的发展与应用提供参考。

关键词：柔性直流输电电网稳定性电网结构优化惯性支撑新型电力系统新能源送出

直流微网中直驱风机的类虚拟同步发电机惯性控制策略

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高电压技术 2023年第6期49卷 2526-2535页

作者：沈可心薛博文朱晓荣华北电力大学(保定)电力工程系保定071003

含分布式能源的直流微网惯性低、母线电压易受负荷功率波动影响,而风电机组的转子中蕴含着大量动能,可改变风机侧变流器的控制策略,使发电机转子释放或储存动能,为直流电压提供惯性支撑。首先,通过类比交流电网中的虚拟同步发电机控制,... 详细信息

含分布式能源的直流微网惯性低、母线电压易受负荷功率波动影响,而风电机组的转子中蕴含着大量动能,可改变风机侧变流器的控制策略,使发电机转子释放或储存动能,为直流电压提供惯性支撑。首先,通过类比交流电网中的虚拟同步发电机控制,提出了一种适用于直流微网中风电机组的类虚拟同步发电机惯性控制策略。其次,引入与转子旋转动能、变流器可调容量相关的惯性支撑系数,定量评估了不同运行工况下风电机组的惯性支撑能力,以此选择合适的虚拟惯性系数。然后,建立了小信号模型,对所提控制策略进行理论分析,针对初始阶段产生的电压突变,采用前馈补偿进行了修正。研究结果表明,类虚拟同步发电机控制能利用风机的转子动能为系统提供惯性支撑,使直流电压具有更好的动态特性。最后,通过RT-LAB实时仿真平台仿真验证了所提控制策略的有效性。

关键词：直流微网直驱风机类虚拟同步发电机惯性支撑小信号模型

基于类虚拟同步发电机的直流微电网风储协调惯量控制研究

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基于类虚拟同步发电机的直流微电网风储协调惯量控制研究

作者：沈可心华北电力大学

学位级别：硕士

由于电力电子变流器的隔离作用,直流微电网呈现出“低惯量”特性,使得电网对负荷频繁投切、新能源输出功率突变极为敏感,影响了系统的稳定运行。事实上,风电机组转速变化范围较宽,转子中存储着大量动能,可通过改变风机侧变流器的控制策... 详细信息

由于电力电子变流器的隔离作用,直流微电网呈现出“低惯量”特性,使得电网对负荷频繁投切、新能源输出功率突变极为敏感,影响了系统的稳定运行。事实上,风电机组转速变化范围较宽,转子中存储着大量动能,可通过改变风机侧变流器的控制策略,使发电机转子释放或储存动能,为系统提供惯性支撑。储能单元具备灵活可调、源荷均宜的优点,可辅助风电机组参与系统惯量控制,改善电压质量,提高直流电压的动态稳定性。针对上述问题,本文完成的主要工作如下:(1)为增强直流微电网的惯性,类比交流微网中虚拟同步发电机的控制原理,推理提出了类虚拟同步发电机惯性控制策略,并将其应用于风机侧变流器上,利用风电机组自身的转子动能为系统提供惯性支撑。在考虑风电机组转子旋转动能及风机侧变流器可调容量的基础上,引入电压上升/下降惯性支撑系数,评估了风电机组在不同运行工况下的惯性支撑能力,定义了自适应虚拟惯性系数,据此为系统提供灵活可调的惯性支撑。(2)根据直驱风电机组类虚拟同步发电机控制的小信号模型,推导出了直流母线电压与直流侧输出电流之间的关系,发现初始阶段存在电压突变,影响了虚拟惯性的实现。因此,利用前馈补偿进行修正,使直流电压具有更好的动态特性。在此基础上,分析了虚拟惯性系数、电压阻尼系数对惯性支撑能力的影响,并对控制参数进行了选取。(3)在考虑风电机组转子转速和储能单元荷电状态的基础上,提出了一种基于类虚拟同步发电机的直流微电网风储协调惯量控制策略:若风电机组处于低、中风速段,风储系统惯量由风电机组和储能单元共同承担,同时控制储能在转子动能退出惯量支撑时调节有功功率,避免电压超调;若风电机组处于高风速段,风储系统惯量由储能单元承担,风电机组保持原有状态。该策略实现了储能单元与不同运行工况下风电机组的实时协调,提高了系统的动态调节能力。通过电压控制回路和类虚拟同步发电机控制回路的控制参数协调设计,解决了初始阶段的电压突变问题,相比于附加前馈补偿,该方法更为简单,易于在实际工程中推广使用。

关键词：直流微电网类虚拟同步发电机小信号模型惯性支撑风储协调

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构网型变流器故障电流分析及其抑制策略研究

构网型变流器故障电流分析及其抑制策略研究

作者：席佳慧华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

随着新时代能源战略的发展需求,构建以清洁能源为主体的新型电力系统是我国实现“双碳”目标的必然选择。新能源发电机组并网控制方式可以分为跟网型和构网型变流器,本文以构网型变流器为对象,以提高新能源并网期间对系统频率、电压支... 详细信息

随着新时代能源战略的发展需求,构建以清洁能源为主体的新型电力系统是我国实现“双碳”目标的必然选择。新能源发电机组并网控制方式可以分为跟网型和构网型变流器,本文以构网型变流器为对象,以提高新能源并网期间对系统频率、电压支撑能力为目标,研究构网型变流器控制结构及参数设计,并提出电网三相短路故障工况下变流器过电流抑制措施,研究内容概括如下:针对新型电力系统的惯性需求问题,本文探究了具有惯性支撑能力的构网型变流器控制结构。首先分析传统电力系统主要惯性来源,研究了同步发电机定子电气特性、转子机械特性及一次调压调频特性,建立各部分数学模型,以此为思路,通过对偶关系,设计虚拟同步发电机控制时引入同步发电机物理特性的表征。相较于传统同步发电机固定的物理参数,虚拟同步能够实现惯量、阻尼等参数的灵活改变,以适应不同的电网运行工况。针对当前参数调试过程中步骤繁琐,难以实现理想控制效果等问题,本文提出计及相位稳定约束的参数设计方法,为之后过电流抑制策略的研究提供理论依据。首先基于控制环节小信号模型推导,对各部分主要参数的控制作用影响进行分析。对功率控制环节,根据环路增益的截止频率和相位稳定裕度约束,得到满足上述约束的控制参数选择区域;对电压电流内环控制,计及电压电流信号的采样延时,考虑动态响应及相位裕度要求,通过控制带宽的设计得到控制参数的理论参考值。仿真结果表明,所选参数可实现构网型变流器的稳定控制,可有效减少参数调试过程中的无效试凑。此外,通过分析不同虚拟惯量、不同虚拟阻尼下变流器输出电气量可知,虚拟惯性在提升系统抗扰动能力的同时会削弱系统动态响应速度;而虚拟阻尼可有效减缓系统振荡并提高系统动态性能。针对最严重的电网电压三相短路故障情况下构网型变流器电流过大造成的器件损坏等安全问题,本文提出基于附加电流环的过电流抑制策略,能够在保证构网型变流器电压源特性的同时,实现过电流的快速有效抑制。首先,从控制特性原理上分析过电流的产生原因,分析得到电流抑制的两种可行途径,分别为改变构网型变流器等效电压源的相位(对应于控制中的有功环)以及幅值(对应于无功环),以此为切入点,在有功环和无功环均引入附加电流环,对有功环的阻尼、功率参考值以及无功环的控制目标进行改进。同时,为缓解附加电流环投入瞬间的冲击可能导致的频率稳定问题,在附加电流环后加入低通滤波结构。最后,仿真结果表明,所提控制策略可有效抑制电网电压故障期间的过电流,从而保证电力电子器件的安全稳定运行。本文研究成果可为构网型变流器参数设计、电网故障场景下的支撑能力以及变流器的安全稳定运行提供思路和参考。

关键词：构网型变流器惯性支撑电压支撑参数设计电流抑制

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负荷虚拟同步机及其低电压故障穿越控制

电力系统自动化 2018年第9期42卷 100-107页

作者：胡文强吴在军窦晓波胡敏强东南大学电气工程学院江苏省南京市210096

负荷虚拟同步机(LVSM)是一种电网友好型负荷并网接口,但其本身不具备低电压穿越能力。为此,文中提出一种适应电网对称与不对称故障的LVSM低电压穿越控制方法。首先,提出LVSM的统一拓扑及其基本控制策略。在基本控制策略的基础上增加电... 详细信息

负荷虚拟同步机(LVSM)是一种电网友好型负荷并网接口,但其本身不具备低电压穿越能力。为此,文中提出一种适应电网对称与不对称故障的LVSM低电压穿越控制方法。首先,提出LVSM的统一拓扑及其基本控制策略。在基本控制策略的基础上增加电网电压正序分量提取、低电压穿越检测、功率指令变更策略、故障期间使能的负序电流抑制、故障期间电流环输入限幅5个环节,实现电网故障短时间内LVSM不脱网、负荷稳定运行,并最大限度地为电网提供无功支撑。由于LVSM在故障期间保持惯性功率控制,故障结束后功率振荡平滑且有惯性,可有效减轻对电网的暂态冲击。硬件在环实验验证了所提低电压穿越控制方法的有效性。

关键词：负荷虚拟同步机低电压穿越无功支撑惯性支撑

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MGST新型潮流控制装置及其控制策略

电机与控制应用 2022年第11期49卷 71-77页

作者：华渊杰许其品杨玲南瑞集团公司(国网电力科学研究院) 江苏南京211106 国电南瑞科技股份有限公司江苏南京211106

针对目前电网建设面临的部分线路输电能力受限同时伴随高比例电力电子设备的入网导致的“电网惯性不足”问题,提出了一种能够实现有功潮流控制及无功补偿,并能为电网提供惯性支撑的电机-发电机串联变压器(MGST)新型潮流控制方法。利用... 详细信息

针对目前电网建设面临的部分线路输电能力受限同时伴随高比例电力电子设备的入网导致的“电网惯性不足”问题,提出了一种能够实现有功潮流控制及无功补偿,并能为电网提供惯性支撑的电机-发电机串联变压器(MGST)新型潮流控制方法。利用同步电机组本身具备较大惯性的条件,在此基础上调整了其安装方式与电机的励磁控制策略,最后基于MATLAB/Simulink平台对该设备进行仿真分析并将结果与同一情景下的统一潮流控制器(UPFC)装置的仿真结果作对比,进而分析MGST装置的调节效果。仿真结果表明MGST装置具备潮流控制及稳定电压的能力,由于电机转子惯性较大导致响应速度略低于UPFC,但作为一种新型潮流控制装置目前能够达到预期的调节效果。

关键词：惯性支撑潮流控制电压稳定无功补偿励磁控制

基于VSG的风电接入电网的频率稳定性控制策略研究

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基于VSG的风电接入电网的频率稳定性控制策略研究

作者：陈博西南交通大学

学位级别：硕士

全球的可再生能源分布广泛,以风力发电为代表的新能源已经在全球实现了大量的应用,为电力系统带来大量清洁能源的同时也对系统的频率稳定性提出了一系列的挑战。在实际的风电场应用中双馈风机方便控制,所以作为主要机型参与发电。双馈... 详细信息

全球的可再生能源分布广泛,以风力发电为代表的新能源已经在全球实现了大量的应用,为电力系统带来大量清洁能源的同时也对系统的频率稳定性提出了一系列的挑战。在实际的风电场应用中双馈风机方便控制,所以作为主要机型参与发电。双馈风机转子侧变流器的传统控制方法为矢量控制,该控制方法基于锁相环检测,在电网出现频率变化时不能提供功率支撑,削弱了系统的频率稳定性,降低了系统的调频能力,影响了系统的动态特性。为了解决以上问题,本文将双馈风机转子侧变流器与微电网中的并网逆变器对比。通过分析虚拟同步机(Virtual Synchronous Generator,VSG)和双馈风机的工作原理,将VSG技术应用到双馈风机的转子侧变流器中,将其分为励磁电压相位和幅值控制,替换双馈风机转子侧变流器中的矢量控制,使其在惯性响应和阻尼特性上能够变现地更好,在外特性上与同步发电机类比。然后对控制器中的参数摄动进行研究,根据双馈风机的动态特性选择合适的参数,最终在matlab/simulink上建立了虚拟同步化的双馈风机(DFIG-VSG)模型与DFIG-VC对比,在两机系统中进行了仿真验证。为了保持电网频率的稳定性,为DFIG-VSG设计了一种调频控制策略。本文利用桨距角对风力机的直接调节作用,通过桨距角控制风力机输出机械功率的大小,进而改变双馈风机输出电磁功率的大小。对于具体的控制器设计,在桨距角控制器的设计中,一方面利用风力机转速跟随转速参考值,保证双馈风机处在最大功率运行点上;另一方面保证转速不会超过1.2的阈值,不会出现失速切机的风险。将风力机输出的机械功率乘以减载比例系数保证双馈风机处于减载状态,预留备用容量;附加根据风速变化而改变的下垂系数,从而得到风力机输出机械功率,通过桨距角动作释放备用容量,使DFIGVSG在电网出现负荷变化时能够快速地提供惯性支撑以及一次调频响应。对桨距角控制器中的PI参数进行研究,最终得到PI参数的具体值。最后在低、中、高风速区进行仿真验证。

关键词：虚拟同步机惯性支撑参数摄动影响一次调频桨距角控制