研究背景

近年來，電力系統(tǒng)“雙高”（高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備）特征凸顯，作為一種構(gòu)網(wǎng)型控制策略，虛擬同步發(fā)電機(jī)（Virtual Synchronous Generator，VSG）控制借鑒了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理，極大地提高了電網(wǎng)穩(wěn)定性。

VSG控制中通常含有多個(gè)限幅環(huán)節(jié)，當(dāng)限幅環(huán)節(jié)作用時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行狀態(tài)將發(fā)生切換，系統(tǒng)軌線在切換邊界處可能發(fā)生跳變、彎曲和不連續(xù)等突然的躍遷行為，進(jìn)而引發(fā)切換型振蕩等暫態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

論文所解決的問題及意義

目前對(duì)包括VSG在內(nèi)的構(gòu)網(wǎng)型逆變器切換型振蕩方面的研究仍鮮有報(bào)道。本文揭示了VSG并網(wǎng)逆變器在遭受大干擾后發(fā)生的切換型振蕩現(xiàn)象的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)本質(zhì)，總結(jié)了限幅參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)振蕩特性的影響規(guī)律，確定了引起切換型振蕩的主導(dǎo)限幅環(huán)節(jié)以及影響振蕩特性的關(guān)鍵參數(shù)。本研究可為構(gòu)網(wǎng)型逆變器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與控制提供理論基礎(chǔ)與支撐，也有助于制定有效的振蕩抑制策略，對(duì)維持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1、基于相圖法揭示切換型振蕩的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)

在考慮角頻率限幅、電壓幅值限幅、電流限幅和調(diào)制波限幅的情況下，故障切除后VSG并網(wǎng)逆變器中出現(xiàn)了控制模式的周期性切換，進(jìn)而引發(fā)周期性功率振蕩現(xiàn)象，主導(dǎo)振蕩頻率為0.36Hz?；谙鄨D法分析發(fā)現(xiàn)，切換邊界兩側(cè)軌線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，形成了非光滑極限環(huán)，揭示了切換型振蕩現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)為系統(tǒng)發(fā)生了非光滑分岔。

圖1 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的時(shí)域波形

圖2 并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的幅頻特性

圖3 w -d' 相圖分析

圖4 j_q-d'-I_d,ref 相圖分析

圖5 d'- I_q,ref -E_r,ref  相圖分析

2、確定了引起切換型振蕩的主導(dǎo)限幅環(huán)節(jié)，總結(jié)了限幅環(huán)節(jié)參數(shù)對(duì)振蕩特性的影響規(guī)律

對(duì)比不同類型限幅環(huán)節(jié)作用下系統(tǒng)的非光滑分岔特性，結(jié)果表明，電流限幅和調(diào)制波限幅是引起切換型振蕩的主導(dǎo)限幅環(huán)節(jié)，角頻率限幅對(duì)振蕩的平均振幅和振蕩頻率有一定影響。此外，當(dāng)限幅值越小時(shí)，系統(tǒng)越容易發(fā)生切換型振蕩，且振蕩的振幅和頻率均隨限幅值的減小而減小。

表1 放開單個(gè)限幅對(duì)非光滑分岔特性的影響

表2 電流限幅值對(duì)非光滑分岔特性的影響

3、總結(jié)了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)切換型振蕩特性的影響規(guī)律，確定了影響非光滑分岔特性的主導(dǎo)參數(shù)

基于VSG并網(wǎng)逆變器的功角方程和非光滑分岔理論，分析發(fā)現(xiàn)短路比、直流母線電壓、電流限幅值、阻尼系數(shù)和線路阻抗角對(duì)切換振蕩的平均振幅影響較大；而有功下垂系數(shù)、無功下垂系數(shù)、電流限幅值、短路比和阻尼系數(shù)對(duì)振蕩頻率影響較大。

表3 阻抗角對(duì)非光滑分岔特性的影響

表4 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)切換型振蕩特性的影響

結(jié)論

本文基于相圖法揭示了VSG并網(wǎng)逆變器在大擾動(dòng)下由限幅環(huán)節(jié)飽和引發(fā)的切換型振蕩現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)本質(zhì)為系統(tǒng)發(fā)生了非光滑分岔，其失穩(wěn)機(jī)理和影響因素較傳統(tǒng)的暫態(tài)同步失穩(wěn)更為復(fù)雜，是一種重要的失穩(wěn)形式。電流限幅和調(diào)制波限幅是引發(fā)切換型振蕩的主導(dǎo)限幅環(huán)節(jié)，限幅值、故障程度、線路阻抗和下垂系數(shù)對(duì)非光滑分岔特性有較大影響。

研究人員隸屬于西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院先進(jìn)電磁調(diào)控與能量轉(zhuǎn)換技術(shù)研究中心，中心負(fù)責(zé)人為馬西奎教授。近年來，研究中心在電力電子和新能源發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為分析研究方向已完成了多項(xiàng)國家級(jí)、省部級(jí)和企業(yè)委托的研究項(xiàng)目，出版學(xué)術(shù)專著1部，在國內(nèi)外高水平刊物上發(fā)表論文90余篇，被引2000余次，單篇最高被引350余次。

本文的通訊作者為西安交通大學(xué)楊黎暉副教授、博士生導(dǎo)師。近年來主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、陜西省級(jí)項(xiàng)目以及校企合作項(xiàng)目多項(xiàng)。在國內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊及會(huì)議上發(fā)表SCI、EI收錄論文五十余篇，ESI高被引論文2篇，SCI論文被引900余次。

紀(jì)君奇

博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b備同步穩(wěn)定分析與控制。

楊黎暉

副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電系統(tǒng)的分析、運(yùn)行與控制。

馬西奎

教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎夤こ讨械亩喾N物理場的耦合理論及其數(shù)值分析和軟件技術(shù)，通信與電子系統(tǒng)中的電磁場與電磁波、電磁干擾和電磁兼容性設(shè)計(jì)，電力電子系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)分析。