书名：新能源并网系统宽频振荡分析与抑制
书号：978-7-5198-7260-1
定价：198元
作者：王伟胜
出版时间：2023-02-02
出版社：中国电力出版社
       

品牌介绍

中国电力出版社成立于 1951 年，作为中国成立最早的中央科技出版社之一，曾隶属于水利电力部、能源部、电力工业部、国家电力公司，现为国家电网公司所属的科技出版社，在电气技术专业出版领域享有极高的声誉。该社作为以图书出版为主体，音像、电子出版物、期刊、网络出版共同发展的大型出版企业，以强大的出版资源和高素质的专业队伍，致力于向读者提供包括电力工程、电气工程、建筑工程、电子技术、信息技术、外语、大中专教材、家教等学科门类齐全的权威出版物，也竭力为广大师生提供精品教材，是教育部和北京市教委规划教材的出版基地之一。

作者介绍

王伟胜，1968 年生，1996 年毕业于西安交通大学电气工程学院获工学博士学位，现任中国电力科学研究院有限公司总工程师，教授级高级工程师，博士生导师。长期从事风电、光伏等波动性新能源运行控制技术研究，主持攻克了大规模新能源并网运行的连锁脱网、宽频振荡等难题研发了新能源功率预测与优化调度系统，建成了世界上规模最大、唯一具备交/直流并网运行工况、拥有新能源机组全部并网性能试验功能的张北试验基地。研究成果应用广泛，有力支撑了我国大规模新能源稳定运行与高效消纳。荣获国家科技进步二等奖3项、省部级科技进步一等奖8项，获授权发明专利18 项，出版著作5部，发表论文 100 余篇，培养博士后、博士和硕士28 名。

主要荣誉与兼职有:国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才，国务院学位委员会第八届电气工程学科评议组成员，入选国家百千万人才工程，有突出贡献中青年专家，享受国务院政府特殊津贴专家，中国电机工程学会会士，中国可再生能源学会会士，IEEE高级会员。
       

内容介绍

随着以风力发电和光伏发电为主的新能源装机规模与占比的不断提高，新能源并网稳定运行成为新能源持续发展的技术瓶颈。自 2009 年起，国内外新能源并网系统宽频振荡事故频繁发生，导致新能源脱网、设备损坏、弃风弃光增加等严重后果，其分析与抑制成为世界性难题。

本书围绕新能源并网系统宽频振荡分析与抑制，通过 4 篇 18 章的内容探求解决这一问题的理论基础和实践方法。第 1篇为换流器小信号建模，分 4 章介绍了频域小信号建模方法，以及两电平、模块化多电平和晶闸管换流器 3 类电力电子设备常用基础变换器的阻抗建模等内容；第 2 篇为新能源发电与直流输电阻抗模型及特性分析，分 6 章介绍了全功率变换风电机组、双馈风电机组、光伏发电单元、静止无功发生器、常规直流、柔性直流的阻抗模型与特性分析等内容；第 3 篇为新能源并网系统宽频振荡分析，分 3 章介绍了新能源场站阻抗建模及特性分析，以及新能源发电经交流、直流送出系统的振荡分析等内容；第 4 篇为新能源并网系统宽频振荡抑制，分 5 章介绍了新能源机组、静止无功发生器、常规直流、柔性直流阻抗重塑，以及振荡案例分析等内容。

本书可供从事电力与新能源工程设计、技术研发和运行管理的相关人员学习使用，也可供高校电气工程专业师生阅读参考。
    

序

前言

大力发展新能源发电是世界各国推进能源低碳转型、保障能源安全的重要举措。随着以风力发电和光伏发电为主的新能源装机规模与占比的不断提高，新能源并网稳定运行成为新能源持续发展的技术瓶颈。自2009年起，国内外新能源并网系统宽频振荡事故频繁发生，导致新能源脱网、设备损坏、弃风弃光增加等严重后果，其分析与抑制成为世界性难题。

2008年2月，IEEEFellow、伦斯勒理工学院教授孙建（Dr.JianSun）在第23届IEEE应用电子会议（APEC2008）上，首次提出基于谐波线性化的序阻抗分析方法，将1976年R.D.Middlebrook提出的阻抗方法由直流系统稳定性分析推广至交流系统。之后，国内外学者对该方法进行了大量研究与拓展工作。

近年来，中国电力科学研究院新能源研究中心基于序阻抗分析方法，在新能源并网系统宽频振荡分析与抑制方面取得了多项重大突破，攻克了新能源发电集群经交流、常规直流、柔性直流不同送出场景发生振荡的相关技术难题，形成了“机理明晰、分析准确、抑制有效”的整体解决方案。在理论模型方面，建立了风力发电、光伏发电、静止无功发生器、常规直流、柔性直流等电力电子设备的频率耦合阻抗模型，揭示了新能源集群经多场景送出的宽频振荡机理；在平台构建方面，搭建了千万千瓦级新能源基地经多场景送出的全电磁暂态仿真平台，可开展系统振荡故障复现、机理分析及抑制策略验证；在工程应用方面，成功解决了新疆哈密（交流送出）、河北张北（柔性直流送出）、内蒙古锡盟（常规直流送出）等新能源基地的振荡问题，经济社会效益显著。本书是对上述研究成果和实践经验的凝练和总结。

本书内容突出理论性和实用性，写作力图深入浅出，既有理论方法，又有工程案例。全书以新能源并网系统宽频振荡问题为逻辑主线，共分为4篇：第1篇为换流器小信号建模，设4章，介绍了频域小信号建模方法，以及两电平、模块化多电平和晶闸管换流器3类电力电子设备常用基础变换器的阻抗建模等内容；第2篇为新能源发电与直流输电阻抗模型及特性分析，设6章，介绍了全功率变换风电机组、双馈风电机组、光伏发电单元、静止无功发生器、常规直流、柔性直流的阻抗模型与特性分析等内容；第3篇为新能源并网系统宽频振荡分析，设3章，介绍了新能源场站阻抗建模及特性分析，以及新能源发电经交流、直流送出系统的振荡分析等内容；第4篇为新能源并网系统宽频振荡抑制，设5章，介绍了新能源机组、静止无功发生器、常规直流、柔性直流阻抗重塑，以及振荡案例分析等内容。

本书由王伟胜负责总体设计与审定，并撰写绪论。各篇的具体分工为：

第1篇由李光辉统稿，其中，第1章由李光辉撰写，第2章由段钰琦撰写，第3章和第4章由肖云涛撰写；

第2篇由李光辉统稿，其中，第5章和第10章由李光辉撰写，第6章和第7章由雷雨撰写，第8章由肖云涛撰写，第9章由肖云涛、甄妮撰写；

第3篇由何国庆统稿，其中，第11章由汪海蛟撰写，第12章由肖云涛、汪海蛟撰写，第13章由何国庆、甄妮撰写；

第4篇由王伟胜统稿，其中，第14章由雷雨撰写，第15章和第16章由何国庆撰写，第17章由李光辉撰写，第18章由刘纯、段钰琦撰写。

附录由何国庆、李光辉撰写。

中国电力科学研究院新能源研究中心高丽萍、刘可可、马俊华、高彩云、郭梓暄、李彧野、余芳芳、张兴、孙艳霞、张悦为本书有关理论研究、技术研发及工程实践做出了积极贡献。

衷心感谢中国工程院院士、中国电力科学研究院郭剑波教授级高工，中国工程院院士、湖南大学罗安教授，中国工程院院士、国网智能电网研究院名誉院长汤广福教授级高工在技术研发、工程应用和书稿撰写中给予的诸多指导，并欣然为本书作序。

清华大学杨耕教授、山东大学刘玉田教授、河海大学袁越教授、华北电力大学赵成勇教授、重庆大学杜雄教授、中国电力科学研究院黄越辉教授级高工审阅了本书初稿，提出了许多宝贵的意见和建议，作者受益匪浅，在此一并致谢。

限于作者水平，书中难免存在不足或疏漏之处，敬请读者批评并不吝赐教，联系邮箱：reg_cepri@126.com。

作者
2022年11月
       

目录

序言 1

序言 2

序言 3

前言

首字母缩略语

本书主要量的符号

绪论  1

第 1 篇 换流器小信号建模

第 1 章 频域小信号建模方法  13

1.1 电力电子非线性系统线性化  14

1.1.1 非线性模型  14

1.1.2 线性化模型  14

1.2 线性化分析频域描述 16

1.2.1 频域稳态工作点  16

1.2.2 频域线性化分析  19

1.3 非线性环节频域线性化 22

1.3.1 开关过程线性化  222

1.3.2 调制过程线性化 24

1.3.3 Park 变换及 PLL 线性化 25

第 2 章 两电平换流器阻抗建模 29

2.1 工作原理  29

2.1.1 拓扑结构 29

2.1.2 平均值模型 30

2.1.3 控制策略 30

2.2 稳态工作点频域建模  32

2.2.1 稳态工作点频域特性分析 32

2.2.2 主电路频域模型 34

2.3 小信号频域阻抗建模  36

2.3.1 小信号频域特性分析 36

2.3.2 主电路小信号频域模型 40

2.3.3 控制回路小信号频域模型 42

2.3.4 交流端口阻抗模型 47

第 3 章 模块化多电平换流器阻抗建模51

3.1 桥臂平均值模型  51

3.1.1 MMC 拓扑结构 51

3.1.2 子模块工作原理 53

3.1.3 桥臂等值建模 56

3.2 桥臂回路时域建模  58

3.2.1 桥臂电压和电流特性分析 59

3.2.2 桥臂回路时域模型 64

3.3 稳态工作点频域建模  65

3.3.1 稳态工作点频域特性分析 65

3.3.2 桥臂回路频域模型 70

3.4 小信号频域阻抗建模  72

3.4.1 小信号频域特性分析 723

3.4.2 主电路小信号频域模型  77

3.4.3 控制回路小信号频域模型  79

3.4.4 交流端口阻抗模型  90

第 4 章 晶闸管换流器阻抗建模  93

4.1 工作原理 93

4.1.1 拓扑结构  93

4.1.2 导通原理  94

4.2 主电路时域建模 96

4.2.1 忽略换相影响的时域模型  96

4.2.2 考虑换相影响的时域模型  97

4.3 稳态工作点频域建模 101

4.3.1 稳态工作点频域特性分析  102

4.3.2 主电路频域模型  104

4.4 小信号频域阻抗建模 107

4.4.1 小信号频域特性分析  107

4.4.2 主电路小信号频域模型  113

4.4.3 开关函数小信号频域模型  114

4.4.4 交流端口阻抗模型  125

第 2 篇 新能源发电与直流输电阻抗模型及特性分析

第 5 章 全功率变换风电机组阻抗模型及特性分析 130

5.1 工作原理及控制策略 130

5.1.1 工作原理  130

5.1.2 PMSG 时域模型  133

5.1.3 控制策略  136

5.2 稳态工作点频域建模 138

5.2.1 稳态工作点频域特性分析  1384

5.2.2 主电路频域模型 141

5.3 小信号频域阻抗建模  142

5.3.1 小信号频域特性分析 142

5.3.2 小信号频域模型 146

5.3.3 交流端口阻抗模型 151

5.4 宽频阻抗特性分析  153

5.4.1 宽频阻抗频段划分 154

5.4.2 各频段负阻尼特性分析 159

第 6 章 双馈风电机组阻抗模型及特性分析 168

6.1 工作原理及控制策略  168

6.1.1 工作原理 168

6.1.2 DFIG 时域模型  170

6.1.3 控制策略 176

6.2 稳态工作点频域建模  179

6.2.1 稳态工作点频域特性分析 179

6.2.2 主电路频域模型 182

6.3 小信号频域阻抗建模  183

6.3.1 小信号频域特性分析 183

6.3.2 小信号频域模型 188

6.3.3 交流端口阻抗模型 193

6.4 宽频阻抗特性分析  196

6.4.1 DFIG 定子侧—GSC 小信号解耦等效模型  196

6.4.2 宽频阻抗频段划分 198

6.4.3 各频段负阻尼特性分析 202

第 7 章 光伏发电单元阻抗模型及特性分析 214

7.1 工作原理及时域模型  214

7.1.1 工作原理 214

7.1.2 时域模型 2165

7.2 稳态工作点频域建模 217

7.2.1 稳态工作点频域特性分析  217

7.2.2 主电路频域模型  219

7.3 小信号频域阻抗建模 219

7.3.1 小信号频域特性分析  220

7.3.2 小信号频域模型  223

7.3.3 交流端口阻抗模型  225

7.4 宽频阻抗特性分析 227

7.4.1 宽频阻抗频段划分  227

7.4.2 各频段负阻尼特性分析  231

第 8 章 静止无功发生器阻抗模型及特性分析238

8.1 工作原理及控制策略 238

8.1.1 拓扑结构  238

8.1.2 工作原理  239

8.1.3 控制策略  240

8.2 稳态工作点频域建模 241

8.2.1 稳态工作点频域特性分析  241

8.2.2 主电路频域模型  243

8.3 小信号频域阻抗建模 244

8.3.1 小信号频域特性分析  244

8.3.2 小信号频域模型  247

8.3.3 交流端口阻抗模型  251

8.4 定无功功率控制模式下阻抗特性分析  254

8.4.1 宽频阻抗频段划分  254

8.4.2 各频段负阻尼特性分析  259

8.5 定交流电压控制模式下阻抗特性分析  265

8.5.1 宽频阻抗频段划分  265

8.5.2 各频段负阻尼特性分析  2686

第 9 章 常规直流输电系统阻抗模型及特性分析  272

9.1 工作原理及控制策略  272

9.1.1 拓扑结构 272

9.1.2 工作原理 274

9.1.3 控制策略 278

9.2 稳态工作点频域建模  280

9.2.1 稳态工作点频域特性分析 280

9.2.2 主电路频域模型 284

9.3 小信号频域阻抗建模  286

9.3.1 小信号频域特性分析 286

9.3.2 小信号频域模型 289

9.3.3 交流端口阻抗模型 293

9.4 阻抗特性分析  297

9.4.1 宽频阻抗频段划分 297

9.4.2 各频段负阻尼特性分析 301

第 10 章 柔性直流输电系统阻抗模型及特性分析  307

10.1 工作原理及控制策略 307

10.1.1 拓扑结构  307

10.1.2 工作原理  309

10.1.3 控制策略  313

10.2 稳态工作点频域建模 317

10.2.1 稳态工作点频域特性分析  317

10.2.2 主电路频域模型  319

10.3 小信号频域阻抗建模 321

10.3.1 小信号频域特性分析  321

10.3.2 小信号频域模型  325

10.3.3 交流端口阻抗模型  334

10.4 孤岛送出模式下阻抗特性分析 3397

10.4.1 宽频阻抗频段划分 340

10.4.2 各频段负阻尼特性分析 347

10.5 联网送出模式下阻抗特性分析  354

10.5.1 宽频阻抗频段划分 354

10.5.2 各频段负阻尼特性分析 360

第 3 篇 新能源并网系统宽频振荡分析

第 11 章 新能源场站阻抗建模及特性分析 368

11.1 新能源场站的典型结构与汇集系统模型  368

11.1.1 新能源场站的典型结构 368

11.1.2 汇集线路模型 370

11.1.3 变压器模型 375

11.2 新能源场站的阻抗建模  378

11.2.1 计及频率耦合特性的小信号电路模型  378

11.2.2 计及频率耦合的多机系统阻抗网络模型  381

11.2.3 计及频率耦合的新能源场站等值阻抗模型  383

11.2.4 新能源场站等值阻抗计算 387

11.3 新能源场站阻抗特性分析  390

11.3.1 场站汇集线路对阻抗特性的影响 390

11.3.2 场站升压级数对阻抗特性的影响 391

11.3.3 场站运行方式对阻抗特性的影响 392

第 12 章 新能源发电经交流送出系统宽频振荡分析 394

12.1 稳定性判据  394

12.2 频段划分与振荡分析  397

12.2.1 频段划分 397

12.2.2 PMSG/PV 场站接入交流弱电网振荡风险 397

12.2.3 DFIG 风电场接入交流电网振荡风险 3988

12.3 振荡频率耦合机理 399

12.4 宽频振荡仿真验证 401

12.4.1 PMSG 风电场接入交流弱电网宽频振荡仿真验证  402

12.4.2 DFIG 风电场接入交流电网宽频振荡仿真验证  407

12.5 宽频振荡实证验证 411

12.5.1 PMSG 机组接入交流弱电网振荡实证  411

12.5.2 DFIG 机组接入交流弱电网振荡实证  414

第 13 章 新能源发电经直流送出系统宽频振荡分析 417

13.1 新能源经 LCC − HVDC 送出系统振荡分析 417

13.1.1 稳定性判据  417

13.1.2 频段划分及振荡分析  420

13.1.3 宽频振荡仿真验证  423

13.2 新能源经 MMC − HVDC 送出系统振荡分析 431

13.2.1 稳定性判据  431

13.2.2 频段划分与振荡分析  435

13.2.3 宽频振荡仿真验证  437

第 4 篇 新能源并网系统宽频振荡抑制

第 14 章 基于新能源机组阻抗重塑的振荡抑制 445

14.1 PMSG 机组阻抗重塑 446

14.1.1 阻抗重塑控制策略  446

14.1.2 计及阻抗重塑的 PMSG 机组阻抗模型  448

14.1.3 PMSG 机组阻抗重塑方法  449

14.1.4 基于 PMSG 机组阻抗重塑的振荡抑制仿真验证  455

14.1.5 基于 PMSG 阻抗重塑的振荡抑制现场实证  458

14.2 DFIG 机组阻抗重塑  461

14.2.1 阻抗重塑控制策略  4619

14.2.2 计及阻抗重塑的 DFIG 机组阻抗模型 463

14.2.3 DFIG 机组阻抗重塑方法 465

14.2.4 基于 DFIG 机组阻抗重塑的振荡抑制仿真验证 472

14.2.5 基于 DFIG 机组阻抗重塑的振荡抑制现场实证 475

第 15 章 基于静止无功发生器阻抗重塑的振荡抑制 478

15.1 PMSG 风电场阻抗重塑  478

15.1.1 SVG 阻抗重塑控制策略 479

15.1.2 计及阻抗重塑的 SVG 阻抗模型  481

15.1.3 基于 SVG 的场站阻抗重塑方法  482

15.1.4 基于 SVG 阻抗重塑的 PMSG 风电场振荡抑制仿真验证  486

15.2 DFIG 风电场阻抗重塑  489

15.2.1 SVG 阻抗重塑控制策略 489

15.2.2 计及阻抗重塑的 SVG 阻抗模型  492

15.2.3 基于 SVG 的场站阻抗重塑方法  492

15.2.4 基于 SVG 阻抗重塑的 DFIG 风电场振荡抑制仿真验证  497

第 16 章 基于常规直流输电阻抗重塑的振荡抑制500

16.1 LCC − HVDC 阻抗重塑控制策略 500

16.2 计及阻抗重塑的 LCC − HVDC 阻抗模型  501

16.3 LCC − HVDC 阻抗重塑方法 504

16.3.1 送端换流站 PLL 对阻抗特性影响分析 505

16.3.2 受端换流站控制对阻抗特性影响分析  506

16.3.3 主电路参数对阻抗特性影响分析  507

16.4 基于 LCC − HVDC 阻抗重塑的振荡抑制仿真验证 509

16.4.1 PMSG 风电场经 LCC − HVDC 送出系统振荡抑制  509

16.4.2 DFIG 风电场经 LCC − HVDC 送出系统振荡抑制 510

16.4.3 PV 电站经 LCC − HVDC 送出系统振荡抑制 511

第 17 章 基于柔性直流输电阻抗重塑的振荡抑制514

17.1 MMC − HVDC 阻抗重塑控制策略 51410

17.1.1 频段Ⅰ MMC 阻抗重塑策略 514

17.1.2 频段Ⅲ MMC 阻抗重塑策略 515

17.1.3 频段Ⅳ MMC 阻抗重塑策略 515

17.2 计及阻抗重塑的 MMC − HVDC 阻抗模型 516

17.3 MMC − HVDC 阻抗重塑方法  516

17.3.1 频段Ⅰ MMC 阻抗重塑方法  517

17.3.2 频段Ⅲ MMC 阻抗重塑方法  517

17.3.3 频段Ⅳ MMC 阻抗重塑方法  518

17.4 基于 MMC − HVDC 阻抗重塑的振荡抑制仿真验证  519

17.4.1 PMSG 风电场经 MMC − HVDC 送出系统振荡抑制  520

17.4.2 DFIG 风电场经 MMC − HVDC 送出系统振荡抑制  523

17.4.3 MMC − HVDC 与架空线路高频振荡抑制 525

第 18 章 新能源并网系统振荡工程案例  528

18.1 PMSG 风电场接入交流弱电网次/超同步振荡 528

18.1.1 工程概况 528

18.1.2 振荡分析 530

18.1.3 振荡抑制 533

18.2 DFIG 风电场接入交流弱电网次/超同步振荡 534

18.2.1 工程概况 534

18.2.2 振荡分析 535

18.2.3 振荡抑制 537

18.3 新能源经柔性直流电网送出系统超同步振荡  538

18.3.1 工程概况 538

18.3.2 振荡分析 540

18.3.3 振荡抑制 542

18.4 新能源经柔性直流电网送出系统高频振荡  544

18.4.1 工程概况 544

18.4.2 振荡分析 54511

18.4.3 振荡抑制  547

18.5 新能源经常规直流送出系统宽频振荡 548

18.5.1 工程概况  548

18.5.2 振荡分析  550

18.5.3 振荡抑制  555

附录 A 新能源并网试验与实证平台559

A.1 张北试验基地概况 559

A.2 新能源并网研发试验平台 560

A.3 新能源发电汇集与送出系统实证平台 562

附录 B 新能源并网系统全电磁暂态仿真平台564

B.1 仿真平台组成结构 564

B.2 仿真平台性能指标 564

参考文献 569

索引 576