电力系统安全性框架下并网电力电子变流器运行韧性分析及评估研究

Since the security of the new generation power system relies on the security operation of the high power large scale power electronic grid-connected converters, it is important and urgent to evaluate whether the high power converters can endure the disturbance from the power system faults. Therefore, the resiliency problem of the grid-connected converters is proposed in this project. The method of analysis and evaluation of the grid-connected converter resiliency is established based on the security boundaries of the power electronic devices. Firstly, under the power system dynamical security frame, the transient response of the grid-connected converters is analyzed with anticipated accident list, considering the connection of catastrophic failure of the devices and system electronic-magnetic behaviors. Secondly, the interaction of system transient process and device thermal press is analyzed, with respect to the multi-time-scale of the system and multi-physical-process of the device failure. Thirdly, the differential-algebra modeling of the grid-connected converter system is established based on the constraint of device security boundaries and the grid voltage tracking ability of the converter. Finally, the nonlinear dynamics of the system is analyzed with singular perturbation model, and the resiliency evaluation can be developed by a series of parameter field and evaluation indicators. The research achievement of the project will enrich the theoretical research on the security operation of high power electronics system, and has great theoretical and practical values on improving the application ability of power electronics in the power system and the reliable operation of the power semiconductor based power system.

新一代电力系统安全性依赖于大容量大规模电力电子变流器的运行，评价大功率并网变流器是否具有耐受电网故障扰动冲击的能力，成为电网运行的迫切需求。项目据此提出并网变流器系统运行韧性问题，建立以电力电子器件安全极限为边界的系统运行韧性分析与评估方法。基于电力系统动态安全性理论框架，围绕解决系统电磁暂态行为与器件短时失效机制这两个物理过程如何关联问题，筛选安全分析预想事故集并分析变流器响应特性；针对系统多时间尺度及器件失效多物理过程的特点，寻求系统暂态过程与器件应力分布的相互作用规律，从而可依据器件应力极限表达系统运行约束，由此建立并网变流器系统的微分－代数模型；分析其动力学行为，采用奇异摄动方法，松弛运行约束进行运行韧性评估，并通过实验验证。由此得到满足电力系统安全性校验的并网变流器运行韧性评价指标及运行安全参数域，成果对提升电力系统应用电力电子技术水平及运行安全可靠性具有重要的理论和实际价值。

项目针对电力系统动态安全性框架下并网电力电子变流器的安全运行问题，研究了并网变流器在电力系统暂态过程中的动力学行为及响应特性，在寻求电力系统暂态过程中并网变流器的安全稳定运行约束的基础上，形成了并网电力电子变流器运行韧性概念，取得了如下主要成果：.1、基于并网变流器与电力系统的交互作用分析，形成了电力电子变流设备耐受特性分析理论，揭示了变流设备动态行为特征和短时失效机理。提出了基于哈密顿作用量的并网变流器同调等值方法，建立了高比例新能源的电力系统电力电子变流器聚合模型，建立了并网变流设备分时序、多模型的系统暂态响应分析方法，揭示了变流设备在各类电网扰动下的异常电磁暂态响应的物理机理。.2、研究了控制环路、电网与变流器交互作用等对系统安全边界的影响，形成了并网变流器多尺度、多约束安全运行域。研究了电网扰动下锁相环的同步跟踪能力问题，推导了电网构造型及电网跟踪型变换器系统锁相环非线性大信号模型。分析了电网故障扰动下变流器-非理想电网交互作用及其对安全边界影响。.3、基于并网同步条件下的零指令电流跟踪能力分析思路，提出了并网变流器运行韧性评估方法及应用。提出了基于聚合等效的高比例电力电子电网工况模拟方法，考察变流器在不同电流指令下的运行行为，建立了运行韧性综合评估方法；构建了基于控制器在环测试平台和全功率的电网扰动模拟测试平台。应用于多端柔性直流输电系统耐受故障冲击能力评估。.通过以上研究，项目共发表论文50篇（其中SCI/EI期刊论文43篇），已申请专利19项（授权9项），撰写专著1部，培养博士/硕士共24人，广泛深入地开展了学术交流，受邀组织期刊专刊和作会议大会报告10余次。项目成果作为主要技术支撑获省部级科技进步一等奖2项，技术发明二等奖1项。成果创新了电力电子技术规模化应用于电力系统时面临的并网变流器的运行基础理论问题，为保障并网变流器安全运行、提高设备利用效率起到积极作用。