阻抗模型

基于阻抗的建模与分析方法是目前分析和解决新能源并网宽频带振荡问题的有效工具之一。集中开发远距离输送是中国新能源开发利用的重要形式，在新能源基地的发电装备中，风光发电装备的阻抗模型已经较为完善，但是现有汽轮发电机组的宽频带阻抗模型均存在一定的简化，不能完整地反映汽轮发电机组的宽频带阻抗特性。基于频域小信号建模方法，建立了计及原动机、调速器、励磁系统、轴系和同步机的汽轮发电机宽频阻抗模型，在Matlab/Simulink中建立了汽轮发电机的仿真模型，通过扫频验证了所提模型的正确性，分析了不同环节对阻抗的影响，最后以汽轮发电机组经串联补偿装置并网系统为例，验证了所提模型在次/超同步振荡问题分析上的有效性。

阻抗分析法因适用于并网变流器控制结构和参数均未知的黑箱系统，已成为工程中评估宽频振荡风险的重要选择。以跟网型三相两电平变流器为例，首先，使用谐波线性化方法，严格推导了计及直流侧耦合的交流侧全工况开/闭环理论阻抗模型，实现了模型参数与工作点高阶项的完全解耦。其次，依据理论模型特征，明确了黑箱辨识方法的基本原理，分析了辨识单一开/闭环阻抗模型频率响应所需的工况数量。使用辨识得到的全工况阻抗模型，实现了不同短路比条件下系统安全运行域的快速评估，并通过时域仿真验证了其准确性。此外，讨论了所提方法的合理性、普适性以及相对于深度学习方法的优越性，为阻抗分析法的实际应用提供了参考。

电力电子设备渗透率的不断提高使得电力系统转动惯量和阻尼水平下降，对新型电力系统安全稳定运行带来不可忽略的影响。目前并网变换器系统判稳方法常采用奈奎斯特判据和广义奈奎斯特判据，但这两种判据均适用于阻抗比中不含右半平面(right half plane, RHP)极点的场景。针对上述问题，基于考虑正负序耦合和源荷之间耦合的等效单输入单输出(single-input single-output, SISO)系统阻抗模型，提出了考虑RHP极点的三相变换器并网系统判稳方法。首先，对研究系统的RHP极点个数及奈奎斯特曲线包围点(−1, j0)的次数进行估算。然后，在奈奎斯特判据的基础上，利用SISO系统阻抗伯德图进行分析，在系统存在RHP极点的情况下对系统的稳定性进行判断。最后，基于Matlab/Simulink中搭建电磁暂态仿真模型，验证了在有无RHP极点的不同场景下，所提判稳方法均能对三相变换器并网系统的小干扰稳定性进行有效分析。

基于阻抗分析方法，以模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）环流控制为研究重点，对海上风电经柔直送出系统的稳定性影响展开深入研究。首先，采用谐波线性化的方法建立了柔直换流站与海上风电场的阻抗模型，进而推导了计及频率耦合效应的海上风电经柔直送出系统的阻抗模型。其次，基于阻抗稳定判据，揭示了环流控制对MMC阻抗及柔直送出系统稳定性的影响，进而提出了一种基于环流环节的MMC阻抗重塑控制方案。最后，通过RT-LAB硬件在环实时仿真系统，验证了稳定性分析结果的正确性和阻抗塑造方案的可行性。

为了深入分析VSC-HVDC（基于电压源换流器的高压直流输电）系统宽频振荡失稳的机理并快速准确评估系统的稳定性，提出一种基于z域阻抗的建模方法和稳定性判据。首先，基于精确离散化的方法，分别建立了考虑锁相环、电流内环和电压前馈控制的电压源型变流器z域阻抗模型，以及交流电网在全局坐标系下的z域阻抗模型。然后，基于盖尔圆定理提出广义禁区判据，分析了锁相环和线路阻抗对系统稳定性的影响。最后，搭建VSC-HVDC仿真系统进行分析，证明了所提广义阻抗判据的有效性。

目前大部分关于并网变换器的研究忽略直流侧动态，在直流侧使用恒定电压源，一定程度上影响小干扰稳定性分析。文中主要考虑直流侧动态对跟网型变换器进行建模及稳定性分析。首先，分析新能源场站并网系统直流侧可等效为电压源和受控电流源的适用条件，论证并网变换器建模时考虑直流侧动态的必要性。随之，建立考虑直流侧动态的跟网型变换器谐波状态空间(harmonic state-space,HSS)阻抗模型。其次，在不同电网强度下，通过伯德判据对不同直流侧结构的系统进行稳定性分析，揭示电网强度对跟网型变换器稳定性的影响机理。然后，分析锁相环、电流环、滤波环节对系统阻抗特性的影响。最后，理论分析与电磁暂态仿真结果表明弱电网条件下，锁相环与电网呈现强交互作用，降低了系统的小干扰稳定性，且考虑直流侧动态的系统临界短路比更大。

双馈风电场易与电网相互作用引起次/超同步振荡，针对目前抑制振荡时阻抗重塑法适应性不强的问题，提出一种基于静止无功发生器（SVG）附加电流反馈控制的阻抗重塑法，该方法建立的虚拟阻抗可跟随风电场的阻抗特性变化而改变，其灵活性强于通过建模分析设计出的固定虚拟阻抗。首先，基于SVG和风电场并网阻抗模型推导了该方法所加入的虚拟阻抗公式。然后，根据阻频特性分析了该方法的有效性以及阻抗重塑控制参数对抑制效果的影响。最后，根据青海省某双馈风电场并网模型，在PSCAD/EMTDC中建立了电磁暂态仿真模型，仿真结果表明：所提方法可以在不同振荡情况下实现对场站的阻抗重塑，灵活抑制风电场次/超同步振荡。

为了实现系统功率双向传输控制、有功无功解耦控制、故障隔离等目标，2个交流微电网通过背靠背结构的电压源型变流器（VSC）进行直流互联。在功率双向流动系统中，定功率控制模式下变流器作为功率负载时，其直流或交流端口阻抗会呈负阻抗特性，进而减小系统阻尼，容易让系统失去稳定。针对该问题，提出一种多阻抗优化控制方法，不仅将该变流器直流和交流端口的负阻抗优化为正阻抗，还对定直流电压模式下的变流器直流端口阻抗进行优化，减小两侧阻抗的相位差，多角度增强系统的稳定性。首先，对系统的结构和控制进行了简单介绍。其次，对优化前两侧变流器多个端口阻抗的特性进行分析。然后，分析了多阻抗优化控制的工作机理，并得到优化后的端口阻抗模型。依据最小环路比和奈奎斯特稳定判据，对比分析了优化前后系统的稳定性。结果表明：提出的多阻抗优化控制方法能对系统中多个端口阻抗进行优化，不仅可以将原交、直流侧的阻抗特性从负优化为正，还可以减小直流侧阻抗间的相位差，使系统保持更大的稳定裕度。最后通过Matlab/Simulink仿真对所提控制方法的有效性进行了验证。

大规模风电并网导致宽频谐振问题日渐凸显，业内多认为电缆电容效应、控制器参数变化等是导致谐振的主要因素，而关于静止无功发生器(static var generator, SVG)、风功率变化与高频谐振内在因果关系研究尚未展开。针对低风速风场系统高频谐振问题，首先基于谐波线性化理论，考虑功率外环作用，建立SVG和双馈风机(doubly-fed induction generator, DFIG)的序阻抗模型。其次将风速变化纳入风机变流器建模，并建立空载电缆投入时风速变化与SVG阻抗的联系。然后利用阻抗交互揭示风机变流器阻抗变化对SVG阻抗特性的影响机理，指出区域内空载电缆投入后，低风速不仅降低系统在高频的鲁棒性，而且扩大了SVG高频负阻尼范围，导致系统高频谐振风险增加。最后，基于STARSIM-HIL搭建含SVG的双馈风场电磁仿真模型，并进行软硬件在环实验。实验结果证明了理论分析的正确性。