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西安交大博士论文《静止同步发电机理论及其在并网逆变器稳定性分析中的应用》报告文档

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随着新能源渗透率的不断增加,以低惯量、弱阻尼为特征的并网逆变器大规模地接入电网,常规旋转式同步发电机(Rotational Synchronous Generator,RSG)的装机比例逐渐降低,致使电网中的旋转备用容量、转动惯量相对减少;另一方面,以风能、太阳能为代表的新能源电力具有空间尺度上的低密度分散性、时间尺度上的强随机波动性等特征,大规模新能源接入将导致电力系统“源”、“荷”均呈现出强随机性和波动性。上述两方面的不利因素给电网的稳定运行与控制带来了巨大的挑战。此外,现有的并网逆变器控制策略各异,尚未形成统一的控制方案,致使接入电网的逆变器对外表现出差异极大的动态行为特性。因此,如何评估典型控制策略下并网逆变器的惯性水平以及阻尼能力,如何通过控制并网逆变器以实现可再生能源友好兼容地接入电网已成为亟待解决的关键问题。

在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“电网消纳大规模间歇式能源协调控制关键技术研究”(No.2012AA050206)的资助下,本文聚焦于并网逆变器的稳定性问题:通过对并网逆变器进行动态行为分析以及机电过程建模,论文提出了静止同步发电机模型(Static Synchronous Generator,SSG);基于SSG模型,论文研究了并网逆变器惯量、阻尼等动态特性的影响因素及其作用机制;基于上述工作, 对比分析了典型控制策略下并网逆变器的惯性、阻尼特性并据此发现了动态特性模拟中的若干共性规律,为大惯量、强阻尼并网逆变器的开发提供了理论支撑;最后,研究了并网逆变器自稳性、致稳性的影响因素与物理机制,并对并网逆变器稳定性控制中的若干基础共性技术进行了研究,取得了一系列创新性的研究成果,为全面提升并网逆变器及其接入电网的稳定性探索出了可行的技术路径。

电力电子化电力系统的核心设备是并网逆变器,这是区别于传统电网的重要特征,因而传统电网建模与稳定性分析的方法及其结论很难直接地应用于电力电子化电网的动态分析、运行控制、在线调度、继电保护与规划设计等。因此,并网逆变器及其构成的电力电子化电网的动态特性与稳定性分析的理论与方法应当尽量友好兼容既有的理论体系。基于此,本文通过研究RSG与并网逆变器在物理结构、特征参数以及运行规律上的相似性,从逆变器直流侧电容动态(对应于RSG的机电暂态过程)建模出发,证明了并网逆变器具有与RSG类似的物理机制和等效的Phillips-Heffron模型,提出了三相并网逆变器的静止同步发电机模型(SSG模型)。该模型将电力系统工程师易于理解的惯量、阻尼、同步、功角以及Phillips-Heffron模型等应用于RSG动态行为分析的经典物理概念、研究思路及分析工具引入到了并网逆变器的动态特性分析与稳定性规律研究之中。基于本文提出的SSG模型,论文详细分析了直接功率控制、常规下垂控制、常规闭环控制以及虚拟RSG控制等四类典型控制策略在模拟惯量/阻尼特性方面的物理机制,并详细对比了上述四种方案模拟惯量/阻尼特性的能力及其技术经济性,发现仅有以PD控制器或者准PD控制器为内核的控制策略才能有效模拟并网逆变器的惯量、阻尼特性。基于此,论文给出了一个理想的并网逆变器型发电机组的物理结构与功能布局,并从技术经济性的角度出发,指出:基于直流母线电压信息的动态特性模拟方案才能够最有效地提升并网逆变器的稳定性。最后,基于SSG模型,本文将RSG稳定性研究的概念、工具以及方法类推到了并网逆变器。这一思路可直接借鉴现有的、成熟的理论与方法,实现RSG与SSG在动态特性分析理论与方法上的统一。论文通过聚焦并网逆变器直流侧电容电压的静态/暂态稳定性,揭示了并网逆变器“功角稳定性”的影响因素、物理机制,为全面提升并网逆变器的自稳性奠定了理论基础。

SSG模型既可有效地研究并网逆变器的自稳性,还能分析并网逆变器的致稳机制,是沟通RSG与并网逆变器(乃至常规电网与电力电子化电网)的桥梁。基于多时间尺度动态特性分析的思想,利用Phillips-Heffron模型,本文分析了无功补偿型并网逆变器在电网出现功率振荡现象时实现辅助电网稳定(并网逆变器的致稳性)的影响因素、物理机制,解释了不同控制策略影响电网惯性水平、同步能力与阻尼效应的作用机理:反馈功角时,P、D控制器分别等效改变了RSG的同步能力、阻尼效应;反馈转速时,P、I、D控制器则分别等效改变了RSG的阻尼效应、同步能力以及惯性水平。此外,为了充分发挥并网逆变器的致稳作用,论文进一步分析了影响控制性能的关键因素及作用规律:当逆变器位于电网传输线中心位置时可获得最优的致稳性能;电网的等效电抗增加,电网的同步能力逐步减弱,而逆变器的控制能力则逐步增强,因而系统的同步能力呈现出先降低再增大的规律;逆变器的稳态点对系统的动态特性影响不大,但RSG的稳态点却对系统的动态特性有显著的影响,且稳态输出功率越大,电网自身的同步能力就越弱,并网逆变器的控制能力则越强;电网的惯性水平、阻尼能力主要取决于并网逆变器的控制系数,将随着电网等效电抗及稳态工作点的增大而增强。

论文的最后对并网逆变器稳定性控制中的若干基础共性技术进行了研究,提出了抗噪声干扰的高速高精度虚拟正交信号构造(Orthogonal Signal Generator,OSG)算法、单相/三相电网电压同步相位的快速检测方法,对常用的谐波完全消除算法进行了对比分析。首先,本文提出的OSG算法不仅数字化实现简单,而且具备较好的抗噪声性能,能够在非常宽的采样频率范围内快速而准确地构造电网信号的虚拟正交信号。在应用对称分量法与所提出的OSG算法的基础之上,提出了从不对称电网电压中快速分离出基波正序分量的算法,并据此提出了旋转坐标系下的快速开环相位检测方法。该方法能够实现快速准确地捕获不平衡电网电压的同步相位,可同时应对幅值、相位、频率同时跳变以及电网波形畸变等问题,且能够有效解决幅值、相位同时不对称时的相位检测问题。

其次,针对理论上可实现谐波信号完全消除的滑动平均滤波算法(Moving Average Filter,MAF)、信号延时消除算法(Delayed Signal Cancellation,DSC)及其衍生方法进行了全面的技术经济性分析,研究发现:上述算法在响应速度、暂稳态衰减性能、谐波完全消除能力、高频随机干扰抑制能力等方面各有优缺点。因此,确定谐波消除算法时,需要根据具体的使用环境和设计目标来综合分析。总体而言,DSC算法及其衍生方法具有一定的动态响应优势,但其暂态振荡问题比较严重,且对高频随机噪声几乎没有作用,甚至还会放大噪声信号;对于高次谐波以及低采样率的控制系统而言,其谐波完全滤除能力较弱。若仅需消除特定次谐波以及有限次数的谐波时,DSC算法及其衍生方法的综合比较优势明显;若需要同时消除任意次谐波的影响,则一个滑动长度为工频周期的增强型MAF(Enhanced MAF,EMAF)即可实现,且暂态过程中无明显的振荡,相位波形几乎不受谐波的影响。此外,当谐波消除算法内置于闭环控制系统之中时,EMAF算法、级联型DSC(Cascaded DSC,CDSC)、增强型DSC(Enhanced DSC,EDSC)的响应速度相差不大;但EMAF算法暂态性能好,数字化实现容易。

SSG模型有助于深化工程师对并网逆变器的物理机制认识,是逆变器动态特性与稳定性分析的有力工具,更有助于研究人员从并网逆变器以及接入电网的安全稳定性这一视角来分析、设计、优化并网逆变器的动态特性、控制策略。因此,本文的研究对于促进电力电子与电力系统学科间的交叉融合具有重要的学术意义,对于大规模新能源消纳以及电力电子化电力系统的发展具有重要的应用价值。

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全部评论  7
      • 熊老师的博士论文可读性强,很多理论都是依据最经典最基本的理论推导而来,准确实用,有助于指导工程实践。对于目前的我,学习到的有第2章 静止同步发电机模型及其与旋转式同步发电机的相似性,对我启发非常大,还需要认真研读。整篇博士论文内容非常丰富,第5章 并网逆变器稳定性控制中的相位检测方法与谐波抑制策略 中很多关于信号处理滤波器原理方面的,还需要好好学习理解。谢谢熊老师的论文!
    • 1970-01-01 08:00:00
      • good job
    • 1970-01-01 08:00:00
      • 其实我不研究这些东西,只是想看看博士论文长什么样子,欣赏一下熊老师的论文
    • 1970-01-01 08:00:00
      • 看过了师兄发的PE,启发非常大,论文包含的信息量太大了,建议各位直接阅读中文语言写的博士论文,写得非常详细具体,思路非常清晰,语言文字非常流畅,创新思想想法非常大,相信对大家的科研会非常有帮助的
    • 1970-01-01 08:00:00
      • 看了你发在TPE上的论文,觉得你做得同步机、逆变器的对比分析非常详细,是我目前看过的最完整最深入的理论分析了,提出的静止同步发电机模型也很有意思,受益匪浅啊。
    • 1970-01-01 08:00:00
      • SSG模型很有意思,把直流侧电压失稳过程讲清楚了,也是真的实现了暂态稳定分析
    • 1970-01-01 08:00:00
      • 这么好的博士论文,价格订的太低了,太低了,太低了,建议售价200元,请遵照知识产权
    • 1970-01-01 08:00:00

¥30.00

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