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2022-08-25 热点洞察

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沈超, 帅智康, 程慧婕/虚拟同步机并联电流控制型变换器系统暂态同步稳定性分析.

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aoa体育官网app研究背景

电力电子变换器是微电网中分布式能源接入电网的重要接口。电力电子变换器的大量接入使得微电网的同步机制由同步发电机转子运动主导的“物理同步”转变为变换器控制策略主导的“控制同步”。基于功率信号实现同步(如下垂控制、虚拟同步控制)和基于电压信号实现同步(如PQ控制)是变换器采用的2种主要同步控制方式。多样的同步控制方法及大扰动时电力电子变换器的控制模式切换,给电网暂态同步稳定带来新问题。多电力电子变换器接入电网时的同步稳定机理分析和稳定提升控制设计,是含多种同步控制变换器的电网保持同步稳定的重要研究课题。

02

aoa体育官网app暂态交互模型

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暂态同步稳定性主要由变换器机电暂态过程决定,相较于锁相环同步变换器电力电子变换器,功率同步变换器由于限流控制更容易出现暂态同步失稳问题。基于电路方程和控制系统数学模型可建立含2种同步控制变换器的并联系统暂态模型,如图1所示。锁相环同步变换器对功率同步变换器同步稳定的影响主要体现为耦合有功项和耦合无功项电力电子变换器,观察图1发现耦合有功/无功项的大小主要与锁相环同步变换器的注入电流幅值IPQ和相角φ+φPQ相关,并且耦合有功/无功项的正负性由δ-φ-φPQ-θ12决定,定义耦合项相角φcouple=δ-φ-φPQ-θ12。

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图1 功率同步型变换器暂态模型

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aoa体育官网app暂态同步稳定机理

分别以纯感性网络和弱阻感性网络(θ12=0°和-47°)为研究背景,考虑锁相环同步变换器3种注入电流相角情况:(1)只注入有功电流,φPQ=0°;(2)同时注入有功和无功电流,且φPQ=-45°;(3)只注入无功电流,φPQ=-90°。结合不同注入电流角可得到耦合项相角φcouple的大小,根据其大小可求得耦合有功/无功项的正负特性,如表1和表2所示。根据扩展等面积定则可知,当加速面积S1等于减速面积S2时,若δmaxδu,则系统出现同步失稳现象。当耦合有功项为正时,根据图1(a)可知,变换器等值参考有功功率P0增加,如图2(a)中的红色曲线所示。此时,加速面积S1增加,减速面积S2减小电力电子变换器,系统稳定性降低。反之,若耦合有功项为负时,系统稳定性将会提高。当耦合无功项为正时,根据图1(b)和图2(b)可知,变换器内电势将会增加,导致加速面积S1减小,减速面积S2增加,系统稳定性将会提高;反之,若耦合无功项为负时,系统稳定性将会降低。

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(a) 有功功率-功角曲线(P-δ)

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(b) 无功控制环对有功功率-功角曲线的影响

图2 功率同步型变换器的暂态同步稳定机理

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总结纯感性网络条件和阻感性网络条件,锁相环同步变换器不同注入电流角对功率同步变换器暂态同步稳定性的影响,如表1和表2所示。观察表1可知,纯感性网络中注入相角越小,系统暂态稳定性越好。观察表2可知,阻感性网络中,注入相角与线路阻抗角相加接近-90°时电力电子变换器,系统暂态稳定性越好。

表1 纯感性网络中注入电流相角对暂态同步稳定性的影响

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表2 阻感网络中注入电流相角对暂态同步稳定性的影响

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实验验证

为验证理论分析的正确性,基于RT-LAB硬件在环平台按图1搭建模型,分别在纯感性网络条件和阻感性网络条件中进行验证,结果如图3-图5所示。在纯感性网络中,图3给出了电网在1 s发生故障,1.4 s切除故障时,锁相环同步变换器注入电流角分别为-45°和-90°时的实验结果。结果表明注入电流角为-90°时,系统稳定性更好。图5(a)给出了系统的临界故障切除时间(CCT)随注入电流角变化的趋势图。观察图可以发现电力电子变换器,纯感性网络中,注入无功电流能够提升系统的稳定性。在阻感性网络中,图4给出了电网在1 s发生故障,1.8 s切除故障时,锁相环同步变换器注入电流角分别为-45°和-90°时的实验结果。结果表明注入电流角为-45°时,系统稳定性更好。图5(b)给出了系统的临界故障切除时间(CCT)随注入电流角变化的趋势图。观察图可以发现,阻感性网络中,注入电流角与线路阻抗角之和接近-90°时系统稳定性变好。

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图3 感性网络中不同注入电流角的实验结果

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图4 阻感性网络中不同注入电流角的实验结果

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图5 不同网络条件中系统临界故障切除时间

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结语

本文以锁相环同步变换器和功率同步变换器并网系统为研究对象,建立系统暂态交互模型,揭示了故障期间锁相环同步变换器与功率同步变换器的暂态交互机理,发现注入电流相角对功率同步变换器的暂态稳定性有不可忽视的影响,并进行了仿真和实验验证,总结得出以下结论:(1)锁相环同步变换器注入电流对功率同步变换器暂态同步稳定性的影响主要由功率耦合项决定,功率耦合项的大小由耦合项相角决定。(2)耦合项相角与注入电流相角φPQ、并联线路导纳角θ12、功率同步变换器功角δ以及锁相环与电网相角差φ这4个量相关;当耦合项相角在[π/2,π]之间时功率同步变换器的暂态同步稳定性得到增强。(3)纯感性网络中,锁相环同步变换器注入无功电流有利于功率同步变换器暂态同步稳定性;而注入有功电流将会恶化功率同步变换器暂态同步稳定性。(4)阻感性网络中,锁相环同步变换器注入电流相角与并联线路导纳角相加接近-90°时系统暂态同步稳定性将得到增强。

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