2021年, 第54卷, 第12期　
刊出日期：2021-12-15

  

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  电力电子化综合能源电力系统运行控制

  贾宏杰, 何晋伟, 肖迁

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1211-1211.

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  <正>面对能源危机和环境问题的挑战,为促进节能减排,早日实现"碳达峰"和"碳中和"的双碳目标,现代电力系统迫切地需要创新与变革。近年来,新型电力电子变换装备在新能源发电、柔性交直流输配电、分布式电源与储能等领域取得了广泛的应用,使得传统能源电力系统的灵活性、可控性逐步增强,多种能源系统耦合性和互动性显著提升。另一方面,电力电子化的综合能源电力系统也出现了建模困难、控制复杂度增大等诸多亟待解决的关键问题。
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  流程工业综合能源系统用电灵活性综述

  徐宪东, 单文亮, 蔡云帆, 余晓丹, 贾宏杰

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1212-1220.

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  随着风、光等间歇性可再生能源比例的提高,灵活性在电力系统中的重要性更加突出.作为重要电力负荷之一,流程工业用电行为具有较强的多能互济特性,能够有效支撑电力系统灵活运行.然而,与一般居民和商业用户侧综合能源系统不同,流程工业用户涉及多能源系统与生产过程的交互,灵活性更为复杂.本文首先从多能源系统耦合分析和能量-物质流模型两个角度介绍了典型流程工业用能特征的描述方式.然后,梳理了流程工业综合能源系统灵活调控的主要手段,包括热电联产系统调度、用电设备直接控制和非用电设备的间接调控.在此基础上,分析了面向电力系统需求的流程工业用电灵活性指标及其评估方法.考虑到不同工业用户的特征差异和协同潜力,给出了依托负荷聚合商的多用户聚合交易框架,以及用户、电力系统和市场的交易流程.最后,对灵活性分析领域待研究方向进行了总结和展望.
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  基于加权电流控制的多功能分布式电源电能质量控制

  何晋伟, 姬忠凯, 韩俊飞, 郭培健

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1221-1229.

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  可再生能源微电网存在着大量的分布式电源等电力电子装置和非线性负载,其相互影响使得谐波振荡等电能质量问题日趋严重.另外,本地负荷谐波容易和分布式电源输出滤波器发生复杂的相互作用,若设计和实施不当容易放大谐波.为了克服以上问题同时降低谐波补偿的成本,提出了一种基于加权电流无差拍控制的新型分布式电源电能质量控制方法.首先,构建了虚拟输出滤波器系统的数学模型,将LCL滤波器的三阶系统降低为加权平均电流相应的一阶虚拟电感滤波器.其次,为了满足谐波补偿对高带宽控制器的要求,以及电流快速跟踪响应的需求,提出了加权平均电流的无差拍控制器算法,通过该方法增加有源阻尼,以抑制滤波器振荡.通过揭示加权平均电流和并网点电流的内在关系,引入了一个谐波补偿项,该方法存在本地非线性负荷的情况下,不需额外增加电流传感器和谐波电流提取环节,即可有效补偿本地负载谐波,降低并网电流的THD至5%以下,显著改善并网点电能质量.最后本文通过多个场景的Matlab/Simulink仿真验证结果,当负载跳变或参考给定电流突变时,并网电流超调小并且快速跟踪响应,另外验证了当电网电压发生畸变时,并网电流不会受谐波电压的影响,以上仿真实验证实了该方法的适应性和有效性.
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  基于反馈线性化的MMC直接功率控制策略研究

  金昱, 肖迁, 王建赜, 贾宏杰, 谢冰, 纪延超

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1230-1240.

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  模块化多电平变换器(MMC)通常采用级联结构的线性控制方法,针对其功率跟踪精度差、动态响应慢等问题,本文提出一种基于反馈线性化的直接功率控制方法.首先,以换流器交、直流回路的控制信号为输入,以其输出功率及环流为输出,建立多输入多输出(MIMO)的控制模型,并利用反馈线性化技术,将所建立的非线性模型线性化;其次,基于线性化变换后新系统中交、直流回路控制目标的特性,设计各回路的线性控制器,进而提出相应的直接功率控制方法,并根据线性化方程求解MMC换流器的最终控制信号;最后,考虑到线性化变换后系统变量无法被完全观测的问题,建立无法观测变量的特征方程,利用稳定性分析理论,对所提控制方法的零动态稳定性进行讨论.所提方法利用反馈线性化手段解决了MMC非线性功率模型下的控制难题,可同时实现MMC的功率控制和环流控制,并提高MMC换流器对功率参考的跟踪精度与动态响应速度.实验结果表明:在稳态运行工况下,所提方法的有功及无功功率跟踪精度更高,误差更小;在有功功率阶跃运行工况下,所提方法有功功率动态响应速度更快,无功功率的波动更小;在无功功率阶跃运行工况下,所提方法无功功率动态响应速度更快,有功功率的波动更小.该方法可有效控制MMC换流器的有功和无功功率,具有更高的功率跟踪精度和更快的动态响应.
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  基于ACC的海上风电场高压直流输电系统控制策略

  栾轲栋, 李耀华, 李子欣, 赵聪, 王平

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1241-1247.

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  高压直流(highvoltagedirectcurrent,HVDC)输电技术相对于高压交流(highvoltagealternatingcurrent,HVAC)输电技术具有线路损耗低、输电走廊占地少、不存在交流电网同步问题等突出优势,特别适用于大容量、长距离、高效率的电能输送场合.相较于传统的电网换相换流器(linecommutatedconverter,LCC)和以模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)为典型代表的电压源型换流器(voltage source converter,VSC),主动换相换流器(activelycommutatedconverter,ACC)具有电路拓扑简单、功率因数可控、不存在换相失败风险、具备黑启动的能力、直流侧无需配置储能电容等优点,在高压直流输电领域尤其是海上风电汇集等场合有广泛的应用前景.本文提出了一种大陆端和离岸端换流站均选用ACC作为换流器的海上风电场背靠背高压直流输电系统,大陆端换流站采用开关频率为50 Hz的高功率因数运行的工作模式,离岸端换流器选取脉冲宽度调制(pulsewidth module,PWM)的工作模式,并分别建立了大陆端换流站和离岸端换流站的数学模型,分析了基于ACC的海上风电场高压直流输电系统的黑启动方法和稳态功率传输特性,并提出了一种大陆端换流站采用直流电流控制、离岸端换流站选取交流侧电压控制的控制策略.在PSCAD/EMTDC中搭建了500 k V/1 000 MW的基于ACC的海上风电场背靠背高压直流输电系统仿真模型,仿真结果验证了本文理论分析以及所提出控制策略的正确性和有效性.
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  水光互补发电系统超低频振荡抑制控制策略研究

  许寅, 王佳璇, 吴翔宇, 王思家, 陈刚

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1248-1257.

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  针对水电高占比的水光互补系统中存在的振荡频率低于0.1 Hz的超低频振荡问题,提出了两种振荡抑制控制策略.首先,对由水轮机和调速器构成的开环系统进行了阻尼转矩分析,得出水轮机和调速器的负阻尼效应是造成超低频振荡的主要原因.其次,为了补偿负阻尼效应造成的相位滞后,提出水电机组调速器串联校正控制方法,并通过阻尼转矩分析证明串联校正可以有效改善超低频段的阻尼特性;构建了串联校正控制参数优化整定模型,利用粒子群优化算法求解控制参数.然后,利用光伏有功功率对系统频率的调节能力,提出了光伏有功附加控制器,并通过理论分析证明了光伏附加控制可以提升系统阻尼;考虑到光伏出力的间歇性和波动性,进一步设计了自适应调节系数以适应光伏特性.最后,通过基于PSCAD/EMTDC平台构建的四川省某地区水光互补系统仿真模型对控制方法进行了测试:在水电机组中加入串联校正环节,对系统频率进行对比分析,验证了串联校正控制对超低频振荡的抑制效果;在光伏中加入有功附加控制器,对比分析了光伏预留不同比例出力的情况下对超低频振荡的抑制效果,预留比例越大时抑制效果越好,但需要兼顾光伏发电的经济性以充分利用光伏容量.仿真结果表明,本文所提的两种控制方法对超低频振荡均有较好的抑制效果.
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  交直流混联系统协调控制下的故障特征分析

  杨炳元, 杨志勇, 任永峰, 杨帅, 康海珍

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1258-1268.

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  交直流混联电网场景下交直流线路发生短路会产生新的故障特征.为此,构建了永磁直驱风电经柔性直流并网的交直流混联系统模型,系统的协调控制有助于提升其故障穿越能力,保障其安全稳定运行.故而,在借助于直流断路器(DCCB)、卸荷电阻以及改进的模块化多电平换流器(MMC)控制策略基础上,提出一种无需换流站间通信的交直流故障穿越协调控制方案,进而探讨了不同因素对故障特征的影响.研究结果表明:交流并网联络线故障时,MMC具有非线性、幅值受限和输出电流受控于电压等特征的电源输出特性;当发生不对称短路故障时,故障线路柔直侧的负序电流可被完全抑制;当并网点电压三相有效值跌落到0.9 p.u.以下时,MMC优先发出无功功率;当直流系统不平衡功率积累出现直流过电压现象时,在主从电压裕度控制策略起主要作用下仅三相短路故障导致直流电压超过1.05 p.u.,此时风场侧MMC凭借降压法及卸荷电阻的投切可使直流电压控制在1.05～1.10 p.u.范围内.针对直流故障时的低电压问题,采用就地检测就地保护的故障隔离方案实现了5～6 ms切除直流故障.最后,通过RTDS仿真实验验证了该交直流故障穿越方案的有效性,证实了此控制方案下故障特征与理论分析结论的一致性.
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  面向商业和居民混合的配电网短期负荷预测HGWOACOA-LSTMN方法

  葛磊蛟, 刘航旭, 赵康, 李华, 张波, 李元良

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1269-1279.

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  针对商业和居民混合的配电网负荷预测影响因素多样和随机性强的特点,提出了一种基于灰狼郊狼混合优化算法(HGWOACOA)和长短时记忆网络(LSTM)相结合的配电网短期电力负荷预测方法.为实现对电力负荷的多输入特征进行筛选和降维,本文采用最大信息系数法(MIC)对负荷与输入特征之间的非线性相关性进行量化,剔除无效特征,再采用因子分析(FA)法对历史数据、气象、温度等输入特征进行信息提取,实现对有效影响因素降维;综合考虑灰狼优化算法(GWOA)具有全局搜索能力强、收敛速度快的特点,郊狼优化算法(COA)具有区域探索能力强、求解精度高的特点,为突出两种算法优点并弥补两种算法的不足,提出HGWOACOA对LSTMN的隐藏层神经元个数和一次训练样本个数两种参数进行优化,克服了参数选取的困难.在保证预测精度的同时提升运行效率,实现基于HGWOACOA-LSTMN的配电网短期电力负荷高精度预测.以配电网某商业和居民混合负荷为例,验证了文中所述预测方法具有较好的精度和鲁棒性,同时提升了运行效率和简化模型输入特征的维数,证明本文所提方法的精确度和适用性.
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  基于虚拟阻抗重塑的变压器耦合逆变器控制策略

  洪芦诚, 安闪闪, 徐佳裕, 唐润悦

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1280-1288.

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  随着能源变革以及新能源技术的迅猛发展,三相LCL型并网逆变器被广泛应用于新能源并网.对于通过变压器耦合并网的逆变器,利用变压器的自身感抗,LCL滤波器设计时往往省去电网侧的滤波电感,实现变压器与无源滤波器的集成化设计.传统的电网电压全前馈控制策略应用于此系统时,全前馈函数的一阶微分项与电容电流反馈有源阻尼项抵消,使得原来的电容电流内环控制不再起作用.此时,前馈函数的剩余项可定义为并联在电容两端的虚拟阻抗,为LCL滤波器的谐振峰提供阻尼.然而,该虚拟阻抗的实部在特定的频率范围内为负将向系统引入负阻尼,严重时可能诱发系统失稳.针对该问题,提出了一种虚拟阻抗重塑的方法,对传统的电网电压全前馈控制策略进行了修正,修正后的控制策略能够在保证电网背景谐波抑制能力的基础上有效抑制LCL滤波器的谐振峰,从而避免了系统可能面临的失稳风险.对阻抗重塑后的逆变器并网系统进行稳定性分析,结果表明阻抗重塑后的逆变器控制策略相比于未重塑的控制策略具有更大的稳定裕度.此外分析可知虚拟阻抗重塑的比例前馈项对低频电网背景谐波具有很好的抑制作用,而二阶微分前馈项对高频的抑制效果明显.最后基于PSCAD/EMTDC仿真平台搭建了系统的仿真模型,验证了提出方法的有效性.
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  基于双层电压信号的直流微电网协调控制策略

  杨健维, 张雪, 廖凯, 郑舜玮

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1289-1298.

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  针对传统协调方法基于直流电压信号在不同状态运行时会造成电压偏差的问题,提出一种基于双层电压信号的光储燃直流微电网分层协调控制策略.首先,考虑直流微电网多源的特点,研究以光伏和蓄电池为主要供电电源、燃料电池为辅助供电电源的直流微电网结构,光伏发电单元和蓄电池发电单元构成光储联合发电系统,消除光伏直接接入母线造成的电压波动.综合考虑微电源发电和负荷需求的优先级,对直流微电网运行状态按照稳定电压的微电源类型进行划分.其次,为协调光伏和蓄电池出力,内层控制基于光伏和蓄电池的输出电压信号自适应变更光伏和蓄电池的控制方式.为协调光储联合发电系统和燃料电池出力,外层控制基于母线电压信号自适应变更两者的控制方式.此外在外层协调控制中,光储联合发电系统采用一种基于运行状态驱动的自适应下垂控制方法,实现并联的各光储联合发电系统运行状态的统一.最后,基于Matlab/Simulink仿真平台搭建光储燃直流微电网模型,分别验证光储联合发电系统对光伏出力波动的抑制能力和光储燃直流微电网各运行状态的自适应切换的有效性,并与传统基于单层电压信号的协调控制方法进行对比.仿真结果表明,该协调控制策略可以保证母线电压稳定在额定值,实现独立直流微电网稳定运行.
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  基于动态一致性算法的光伏-储能分布式协调电压控制

  姜飞, 林政阳, 何桂雄, 吴朝晖, 范瑞祥

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1299-1308.

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  构建含高比例新能源发电的新型绿色电网已成为实现双碳目标的主要导向,以光伏(PV)为代表的新能源发电也正处于快速发展阶段.分布式光伏的大规模接入改变了传统低压配电网单向潮流模式,使得潮流预测难度增大,容易导致光伏并网点电压越限.针对这种非常规潮流带来的电压越限问题,提出了一种基于动态一致性算法的光伏-储能分布式协调电压控制策略.首先分析了含分布式光伏低压配电网的电压越限原理,考虑了光伏逆变器与储能系统(ESS)的功率调节特性,建立了光伏-储能的分布式控制模型;然后选取光伏逆变器无功利用率与储能荷电状态(SOC)变化量为一致性变量,通过动态一致性算法实现了光伏逆变器无功功率与储能系统有功功率的协调控制;最后通过含分布式光伏与储能的8节点220 V低压配电网络进行算例验证.结果表明所提策略避免了单一环节控制带来的调节局限性问题;与传统集中式电压控制方法相比,所提策略将不同用户间电压控制所需的无功功率与有功功率按容量比例进行了分配,将低压配电网稳压负担平均地分配给了用户,满足了网络用户群体的利益一致性;同时在不同天气情况下,所提策略控制后最高平均电压与最低平均电压分别为1.068与0.911,有效抑制了电压越限问题.
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  基于鲁棒优化的风电场分层电压优化控制策略

  马明, 杜婉琳, 陶然, 王敏, 廖凯

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1309-1316.

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  随着新能源发电技术的不断发展,风力发电技术受到全球的广泛关注.而风电场在运行时,场内有功输出的不确定性以及无功调节装置间响应时间的差异导致系统电压控制困难的问题还尚未得到有效解决.因此,制定一种基于鲁棒优化的风电场分层电压优化控制策略以提高电压控制效果用以解决此类问题.首先,为了应对风电功率不确定性,利用日前风电功率预测数据在日前优化阶段建立鲁棒优化模型,该阶段在"最恶劣"的场景下,通过对离散无功补偿装置和风机的无功出力进行协同优化,得到离散无功补偿装置的次日投切计划.其次,利用超短期风电功率预测数据以及全局信息,在日内优化阶段建立风机无功出力优化分配模型,对风机的无功出力进行优化分配,并根据优化结果,对其他动态无功补偿设备的无功出力进行设置,分配结果传送至各设备控制器下进行相应的控制.最后,通过在MATLAB/Simulink平台下建立双馈式风电场模型用以验证所提策略的有效性与优势.仿真结果表明,与确定性控制策略相比,所提策略能够降低因不确定因素导致电压违规的概率,降低比例为52.2%;与传统的平均分配控制策略相比,可以提高风机无功分配的合理性,并降低68.8 kW功率损耗.所提策略可用于随机性较强情况下风电场内的电压控制.
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  新能源冷热电联供系统优化设计方法研究

  王瑞琪, 王鹤鸣, 孙波

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2021, 54(12): 1317-1326.

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  本文以"内燃发电机组-吸收式制冷机"和"内燃发电机组-直燃机"两种新能源冷热电联供系统为研究对象,分析了系统能流特性,建立了两种系统的全工况模型,提出了经济、能源、环境3个方面的系统性能评价指标,并采用判断矩阵法确定各个指标的权重;在此基础上,建立了针对核心设备容量的多目标优化模型,并采用遗传算法求解,实现了系统容量的优化配置.以济南市某养殖场年模拟负荷作为算例,验证了优化配置方法的可行性,并且分为夏季工况和冬季工况,详细分析了两种系统的工作模式和异同点,综合一次能源年节约率、运行费用年节约率和二氧化碳排放年减少率等指标对比了两种系统的运行特性,相比较于分供系统,基于内燃发电机组与吸收式制冷机的系统评价指标分别提升了13.69%、18.73%、43.93%,基于内燃发电机组与直燃机的系统则分别提升了10.28%、22.68%、47.59%,对新能源冷热电联供系统的优化设计提供了可借鉴的思路和方法.