IEEE NSW 孙健-小信号序列阻抗理论与应用
爬电线杆的小大可
2024年07月10日 09:40

09:12 电磁暂态模型与挑战

  • 为了分析系统稳定性,需要建立电磁暂态模型。

  • 由于实际模型是非线性的,需要通过小信号电磁暂态模型来分析系统稳定性并进行系统设计。

  • 直接对电磁暂态模型线性化会得到线性时间周期模型,无法采用实际的控制方法来控制

11:35 谐波线性化

  • 不直接对非线性函数进行线性化,而是在频率域完成线性化→谐波线性化 (基于谐波平衡原理)

  • 在一个周期运行的轨迹(谐波)上进行线性化,(在某一个频率的线性化),得到频率域的小信号模型

  • 引入扰动的方法

    1. 幅值和相位调制 (处理基频模型时会用到,因为模型是由电压电流的幅值和相位来构成的,通过给幅值和相位引入扰动来实现线性化。研究每个基频周期的动态,无法被幅值和相位调制捕捉到。

    2. 叠加扰动。在不同频率引入正弦扰动。引入的扰动要比较小(来满足小信号的要求),系统会对某一频率的扰动产生相同频率的响应。由于系统的非线性,对扰动也可能产生其他频率的响应,但对于小信号分析,仅关心相同频率的响应。(既可以在仿真中实现,也可以在硬件电路中,通过设备注入扰动并测量响应,来直接获得阻抗)

16:51 基于阻抗的稳定判据

这部分在孙健老师发表的Impedance-Based Stability Criterion for Grid-Connected Inverters文章中有详细介绍

21:38 小信号序阻抗

在三相中建立阻抗模型,我们希望三相注入的扰动是独立的,任意的,(这样才能得到通用的数学模型)然而这在数学上无法求解。

因此将扰动以对称分量法进行表示。任意的扰动都可以分解为正序扰动+负序扰动+零序扰动。由于没有中性线,零序阻抗无穷大,因此不需要考虑零序的扰动。

  • 由于关注小信号模型(线性),线性系统具有叠加性,因此可以单独获取正序的响应和负序的响应,然后再叠加,从而获得完整正负序扰动的响应。

26:07 三相系统模型

  • 三相的系统被分解为正序的子系统和负序的子系统,三相系统稳定的充要条件是正序子系统和负序子系统同时稳定。

  • 多变流器的情况,可以采用:

    1. 聚合(Aggregation)。多个变流器的阻抗聚合等效为一个阻抗。如果变流器都是一样的,且忽略到公共耦合点的阻抗,则可以直接将变流器的输出阻抗除以变流器数量。如果变流器不同,则可以用并联的方法求等效阻抗。

    2. 缩放(Scaling)。通过缩放网络阻抗来定义从变流器侧观察到的等效电网阻抗。有几台变流器,电网阻抗就乘以这个数量。这种方法适用于所有变流器都是相同的,否则用聚合更加方便。

29:04 变流器模型

合适的理论模型是必须的

  • dq坐标系下的模型。dq变换能够将时间周期模型变换为直流量(对于三相平衡量),从而对模型进行线性化。然而dq的模型是旋转的(以并网电压为基准),当有多个变流器时,每个变流器都会有一个dq旋转坐标系。为了对整体进行研究,需要把所有不同dq坐标系下的变流器模型整合到一块,这将是个困难的问题。

  • 序阻抗模型。在静止坐标系下推导,不涉及到旋转

谐波线性化

  1. 单谐波线性化。用于稳态运行轨迹是不含谐波的情况,常用于分析两电平变流器。

  2. 多谐波线性化。用于稳态运行轨迹是含谐波的。例如MMC在运行时,电容电压存在固有的二次谐波,这还会引起二倍频环流,我们还需要引入二次谐波控制信号。因此,需要将二次谐波作为运行轨迹的一部分。运行轨迹包含了基频和二次谐波两部分,从而产生多谐波线性化。

  3. 无限谐波线性化。对于稳态运行是方波的,可以采用无限谐波线性化。(方波可以展开为无限多的谐波叠加)

40:16 案例——风机阻抗

40:39 AC-DC变流器等效两端口

Two-Port Characterization and Transfer Immittances of AC-DC Converters—Part I: Modeling

Two-Port Characterization and Transfer Immittances of AC-DC Converters–Part II: Applications

43:08 变流器并网系统稳定性

以光伏并网逆变器为例,当线路阻抗增大时,开始出现更大的谐波,系统开始接近临界稳定。周期性的扰动在反馈系统中引起了谐振,产生持续的谐波。此时系统还没有失稳,但表明稳定裕度很小了。

当继续增大电网阻抗时,系统发生失稳。

45:54 海上系统的实际录波

记录了谐振产生的暂态过程

阻抗模型

47:14 类型4涡轮机与架空线

根据阻抗波特图分析稳定性的方法:

在幅值交点,例如在20Hz处,观察相位差,相位差大于180°,表明了不稳定谐振。一侧阻抗表现为电容阻抗,阻抗幅值随频率增大而下降,另一侧阻抗表现为电感阻抗。当阻抗幅值相同时意味着出现串联谐振。大于180度的相位差表明那个频率的净阻尼是负的,系统不稳定。可以预测在这个频率会出现不稳定的谐振。

49:19 类型3涡轮机与HVDC变流器

涡轮机的阻抗幅值表现出感性(幅值随频率增大而增大),因此它由感应电机主导。

然而发电机背后的变流器产生了负阻尼,使得相角超过了90度(表明负阻尼)。

风场阻抗Zfarm与容性的HVDC变流器阻抗Zhvdc相交,形成串联谐振。相交点的相位差能够来预测谐振是稳定的还是不稳定的。(蓝色三角的位置是稳定的,红色三角的位置是不稳定的)

50:15 HVDC变流器与电缆网络

海上风场,HVDC变流器构建电网的启动过程(风电尚未接入),HVDC变流器阻抗与线路(电缆)阻抗(容性)的幅值产生交点(455Hz),这个频率MMC的阻抗由桥臂电感主导,因此阻抗呈现出感性。455Hz这个频率大于任何控制带宽,因此属于桥臂电感。由于控制延时引入的负阻尼,因此相角小于-90°(电感阻抗的相角应该正好为-90°)。

  • 多条支路依次通电可能能够避免振荡产生。(改变了阻抗的特性)但最好的办法还是改变MMC的阻抗,让系统在任何时候启动都能够保持稳定。

  • 通过阻抗模型,能够找到问题所在,并有针对的去改善系统。

53:30 HVDC变流器与架空线

58:41 基于变流器的电力系统稳定性

基于序阻抗的稳定性分析方法存在一些问题:

  • 每次加入变流器都要重新构建网络模型

  • 正序和负序的结果可能不一样,(尤其是临界稳定和潜在不稳定的系统)

  • 一些变流器组的连接没法被打破(例如HVDC传输)

01:02:26 测量辅助的迭代分析

通过测量不同线路的谐波,能够定位到最关键的线路,进而简化系统来适应单输入单输出模型,从而能够找到某种类型风机的关键原因。通过调节控制来解决问题。

可以通过数据可以减少分析,通过迭代来缩小范围。但是这没法指导系统设计,因此需要更好的理论来处理复杂的系统。

01:05:00 电力系统稳定的学术问题

除了传统的稳定,新加入了谐振稳定和变流器驱动稳定。

新的稳定问题与传统电力系统的稳定问题不在同一频率范围内

01:05:24 基于频率的分类

  • 高频:两倍基频以上的频率(在这个频段基本只有电流环和控制延迟)

  • 中频:5~10赫兹到两倍基频范围内

  • 低频:低于5~10Hz(传统电力系统稳定问题的范围)

分析基于变流器的电力系统的稳定性主要在中高频

01:07:02 发展阶段

01:10:13 系统稳定设计

01:11:05 电力系统稳定理论发展(论文)