新能源基地经LCC-HVDC送出系统振荡机理分析与抑制策略(二):阻抗特性与振荡机理分析

该文基于系列文章1建立的电网换相换流器型高压直流(line commutated converter-based high voltage direct current,LCC-HVDC)阻抗模型,开展新能源基地经LCC-HVDC送出系统阻抗特性和振荡机理分析。首先,研究LCC-HVDC送端交流端口阻抗与阀本体交流阻抗、交流滤波器阻抗间的构成关系,分析直流线路、受端换流站、受端电网强度对送端换流站阀本体交流阻抗的主导影响;然后,研究送端换流站直流电流环对阀本体交流阻抗的重叠效应,分析送端换流站交流端口阻抗次/超同步频段负阻尼特性形成机理,并论述受端换流站和受端电网强度对送端交流端口阻抗特性的交互影响;接下来,建立新能源基地经LCC-HVDC送出系统等值模型,研究送端系统振荡边界条件,阐明LCC-HVDC对新能源并网点阻抗特性影响的变化规律,揭示直驱风机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)、双馈风机(doubly-fed induction generator,DFIG)、光伏(photovoltaic,PV)不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统次/超同步振荡机理;最后,不同类型新能源基地经LCC-HVDC送出系统仿真结果验证了该文提出的次/超同步振荡机理的正确性和通用性。

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(一):扰动传递路径分解

与常规直流相比,永富直流逆变站存在功率全送和功率分送运行方式,而其处于分网接入方式时电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage directcurrent,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及特征尚不明确。针对这一特殊运行方式,采用模块化建模的思路建立可以反映系统电气/控制回路间交互耦合路径的运动方程模型。在此基础上,依据系统整流侧-逆变侧、正极-负极间的交互耦合路径分解得到影响系统主导模式稳定性的3条扰动传递路径,即整流侧内部自稳性路径、逆变侧内部自稳性路径、双极交互作用致稳性路径。最后,设置不同工况下的案例,量化评估不同作用路径提供的阻尼大小,并通过仿真验证运动方程模型及扰动传递路径分析结果的正确性,为后续研究分网接入方式下LCC-HVDC系统交互振荡模式的阻尼特征提供模型基础。

分网接入方式下LCC-HVDC系统运动方程模型及交互振荡模式的阻尼特征(二):交互振荡模式研究

为研究分网接入方式下电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)系统的交互振荡模式及阻尼特征,基于系统的状态空间模型及系列文章(一)建立的运动方程模型,提取了表征逆变侧电气与控制环节强耦合特性的多个弱阻尼交互振荡模式,研究了不同短路比工况下交互振荡模式的变化特征。在此基础上,通过复转矩系数法量化评估了整流侧/逆变侧内部自稳性路径及双极交互作用致稳性路径对主导交互振荡模式阻尼特性的贡献度。结果表明:1)不同短路比工况下交互振荡模式的阻尼比会进行重新分配;2)当逆变侧正负极短路比相差较大时,双极交互作用较弱,正负极系统的稳定性由2个交互振荡模式各自主导,且稳定性特征有所差异;3)当逆变侧正负极短路比相近时,双极间动态交互加强,交互振荡模式会同时主导参与系统两极的稳定性,正负极稳定性特征相似。

提高LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能的控制参数优化方法

基于电网换相换流器的高压直流(LCC-HVDC)系统在逆变侧连接弱交流系统时可能出现小信号失稳以及动态性能恶化的问题,需要同时关注系统的稳定性和动态性能。而现有的控制参数优化方法所用的目标函数往往仅描述系统的稳定性或动态性能,而不能同时兼顾。针对这一问题,该文提出一种利用能够同时衡量系统稳定性和动态性能的能量衰减指标作为目标函数的LCC-HVDC控制参数优化方法。首先,建立LCC-HVDC系统的小信号模型,通过根轨迹和灵敏度分析辨识影响系统稳定性的关键控制参数;然后,通过能量衰减指标计算适用于不同工况的优化可行域,在可行域内以能量衰减指标为目标函数用蒙特卡洛算法对关键控制参数进行优化;最后,通过不同运行点下的测试,证明经过参数优化的LCC-HVDC在弱交流系统下的稳定性和动态性能有明显提升,优化后的控制参数适用于传输功率不同的工况,证明了优化方法的有效性和适用性。

Harmonic State Space Based Impedance Modeling and Virtual Impedance Based Stability Enhancement Control for LCC-HVDC Systems

Line commutated converter based high-voltage direct-current(LCC-HVDC)transmissions are prone to harmonic oscillation under weak grids.Impedance modeling is an effective method for assessing interaction stability.Firstly,this paper proposes an improved calculation method for the DC voltage and AC currents of commutation stations to address the complex linearization of the commutation process and constructs an overall harmonic state-space(HSS)model of an LCC-HVDC.Based on the HSS model,the closed-loop AC impedances on the LCC-HVDC sending and receiving ends are then derived and verified.The impedance characteristics of the LCC-HVDC are then analyzed to provide a physical explanation for the harmonic oscillation of the system.The effects of the grid strength and control parameters on system stability are also analyzed.To improve the impedance characteristics and operating stability of the LCC-HVDC system,a virtual impedance based stability enhancement control is proposed,and a parameter design method is considered to ensure satisfactory phase margins at both the sending and receiving ends.Finally,simulation results are presented to verify the validity of the impedance model and virtual impedance based stability enhancement control.

A DC Chopper Topology to Mitigate Commutation Failure of Line Commutated Converter Based High Voltage Direct Current Transmission

To reduce the probability of commutation failure(CF)of a line commutated converter based high-voltage direct current(LCC-HVDC)transmission,a DC chopper topology composed of power consumption sub-modules based on thyristor full-bridge module(TFB-PCSM)is proposed.Firstly,the mechanism of the proposed topology to mitigate CF is analyzed,and the working modes of TFB-PCSM in different operation states are introduced.Secondly,the coordinated control strategy between the proposed DC chopper and LCC-HVDC is designed,and the voltage-current stresses of the TFB-PCSMs are investigated.Finally,the ability to mitigate the CF issues and the fault recovery performance of LCC-HVDC system are studied in PSCAD/EMTDC.The results show that the probability of CF of LCC-HVDC is significantly reduced,and the performances of fault recovery are effectively improved by the proposed DC chopper.

含STATCOM的LCC-HVDC系统的动态模型及小信号稳定性研究

该文建立含静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）的电网换相换流器高压直流输电（line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）系统的小信号模型,通过与详细电磁暂态模型的对比,对其准确性进行验证。基于该模型,研究锁相环（phase-locked loop,PLL）、LCC-HVDC与STATCOM控制系统参数对整个系统的小信号稳定性与动态性能的影响,并得到不同控制系统参数的可行域。最后分析锁相环（phaselocked loop,PLL）、LCC-HVDC与STATCOM控制系统之间的相互耦合作用,结果表明该耦合作用使得不同控制系统的参数可行域相互约束,为系统设计和参数选择提供有价值的参考。

直驱风电场与LCC-HVDC次同步交互作用的扰动传递路径及阻尼特性分析

当直驱风电场距离电网换相型高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)的整流站较近时,两者间的次同步交互作用机理及特性尚不明确,现有分析方法难以揭示扰动传递过程及子系统间的耦合关系。针对上述问题,该文首先建立直驱风电场经LCC-HVDC送出系统的线性化模型,并基于系统闭环互联传递函数框图揭示次同步频率扰动在直驱风电场与LCC-HVDC之间的传递路径。然后,通过阻尼重构分离出次同步交互作用对次同步振荡(sub-synchronous oscillation,SSO)模式阻尼的影响,并分析控制器参数对SSO模式阻尼的影响。结果表明,直驱风电机组直流电容主导的SSO模式存在不稳定风险;直驱风电场与LCC-HVDC之间的扰动传递路径呈现"8"字型耦合关系,导致两者间存在次同步交互作用;直驱风电机组外环、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大或积分系数减小时,SSO模式阻尼增大。

应用于LCC-HVDC弱受端的链式STATCOM改进控制策略研究

研究应用于电网换相高压直流输电系统（line commutate converter based high voltage direct current,LCCHVDC）弱受端的链式静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）控制策略,提高其暂态控制性能。首先,对基于比例谐振控制器的分相瞬时电流控制策略进行了论述;其次,将专用降压变的短路阻抗等效至STATCOM主回路,则STATCOM等效直挂在虚拟35kV交流系统,提出虚拟35kV电压瞬时值前馈及其与幅值前馈的在线切换方法、以虚拟35kV电压为控制目标的暂态分相控制策略;最后,将所提出的控制策略运用在国内首套应用于LCCHVDC弱受端换流站的STATCOM中,仿真结果、RTDS试验和工程现场试验验证了其合理性与有效性。

弱交流电网下含STATCOM的LCC-HVDC系统的附加阻尼协调控制方法

通过在电网换相换流器高压直流输电（line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）逆变侧交流母线装设静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）,来达到抑制换相失败的目的。然而研究发现,在弱交流系统工况下,STATCOM的控制系统（特别是交流电压控制外环）与LCC锁相环之间存在相互作用,会对后者的稳定可行域造成不利影响,进而可能引发整个混合系统的小干扰失稳现象。针对此现象,该文提出一种适用于弱交流系统下含STATCOM的LCC-HVDC系统的新型附加阻尼协调控制（supplementarydampingcoordination control,SDCC）,该方法基于LCC锁相环输出频率信息,引入阻尼系数以附加分量形式反馈到STATCOM定交流电压控制器外环输入中。基于Matlab的特征根理论分析及基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真结果表明,提出的SDCC控制可以有效抑制含STATCOM的LCC-HVDC系统中LCC锁相环增益过大引起的系统小干扰失稳现象,从而提高系统的稳定裕度。

弱交流系统下STATCOM对LCC-HVDC小干扰稳定裕度的影响研究

当电网换相换流器高压直流输电（linecommutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）逆变侧交流母线处含有静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）时,LCC-HVDC与STATCOM均需要各自的锁相环（phase-locked-loop,PLL）为其控制系统提供基准。该文考虑LCC与STATCOM锁相环各自动态建立含STATCOM的LCC-HVDC系统的小干扰模型,采用经典特征根分析方法,通过对比LCC-HVDC系统与含STATCOM的LCC-HVDC系统二者之间的锁相环与控制系统参数可行域的差异,研究STATCOM对LCC-HVDC小干扰稳定裕度的影响。最后,通过理论计算,对比有无STATCOM投入时LCC-HVDC系统在不同SCR与不同PLL参数下的最大传输有功功率（maximum available power,MAP）及临界短路比（critical short circuit ratio,CSCR）的变化规律。研究结果表明,当LCC-HVDC连接较弱系统时,控制系统之间的耦合作用对LCC锁相环的稳定可行域产生负面影响,可能引发由于LCC锁相环增益过大而导致的整个混合系统的小干扰失稳现象。

计及LCC-HVDC交直流系统静态电压稳定的综合短路比强度指标

针对过往电网换相换流器高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current,LCCHVDC)交直流系统的强度指标缺乏严密理论基础的问题,该文研究计及LCC-HVDC交直流系统静态电压稳定的强度指标定义方法。首先,定量分析单馈入LCC-HVDC系统不同控制方式对交直流系统静态电压稳定的影响。其次,提出一种能够衡量交直流系统电压稳定裕度的综合短路比(integrated short circuit ratio,ISCR)强度指标。该指标考虑了交直流系统的实际潮流信息,能够同时应用于交直流系统的规划、设计和运行阶段;兼顾了LCC-HVDC系统的直流功率–电压动态特性,能够研究控制方式差异性对其影响;同时,基于静态电压稳定极限定义的临界综合短路比(critical integrated short circuit ratio,CISCR)指标取值恒为1,因而能够刻画互联交流电网对直流系统的临界电压支撑强度。最后,考虑额定运行工况和负荷动态变化过程的算例分析结果,及不同强度指标的对比分析,均表明了采用ISCR和CISCR指标的有效性。

D-PMSG经LCC-HVDC送出系统的次同步振荡特性分析

当直驱风机(direct-drive permanent magnet synchronous generator,D-PMSG)位于电网换相换流器高压直流输电(line-commutated-converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)整流站近区时,系统的次同步振荡(subsynchronous oscillation,SSO)特性尚不清晰,相关研究有待开展。针对上述问题,基于D-PMSG经LCC-HVDC送出系统,利用模块化分块建模法建立小信号模型,用特征值与参与因子研究了系统SSO模式中D-PMSG与LCC-HVDC的参与情况,并用特征值分析了系统参数对SSO阻尼的影响。研究结果表明:存在D-PMSG与LCC-HVDC共同参与的SSO模式,且LCC-HVDC接入为系统SSO提供负阻尼;当D-PMSG输电线路阻抗、GSC控制器外环积分系数增大时,SSO模式阻尼减小;当GSC控制器外环比例系数、D-PMSG直流侧电容、D-PMSG的风速、LCC-HVDC定电流控制器的比例系数增大时,SSO模式阻尼增大。基于PSCAD/EMTDC时域仿真结果,验证理论分析的正确性。

计及频率耦合特性的LCC-HVDC送端系统阻抗建模与稳定性分析

随着双馈风电和高压直流输电(high-voltage direct-current,HVDC)在电力系统中的比例越来越大,电网换相换流器型HVDC(line-commutated converter based HVDC,LCC-HVDC)与双馈风电场、弱电网互联时会存在交互稳定问题,且振荡频率会呈现频率耦合特征。针对LCC-HVDC整流站存在的频率耦合现象,采用3-D傅里叶变换建立阻抗模型,分析LCC产生频率耦合现象的机理,进行各个影响因素对LCC频率耦合程度的敏感性分析。最后,研究频率耦合特性对LCC整流站、双馈风场、弱电网互联系统稳定性分析的影响,并通过时域仿真验证所得结论。

光伏与LCC-HVDC系统的次同步振荡耦合路径及阻尼特性分析

随着电网换相型高压直流(LCC-HVDC)系统送端近区光伏容量的增加,光伏经LCC-HVDC外送系统的振荡稳定性问题日益凸显。然而,光伏与LCC-HVDC系统的次同步交互作用尚不明确,相关研究较少。为此,首先建立光伏经LCC-HVDC外送系统的闭环传递函数框图,探明次同步分量在光伏与LCC-HVDC系统间传递时的耦合路径;然后,提出一种阻尼分离方法,评估交互作用对系统次同步振荡(SSO)阻尼的影响;最后,结合时域仿真进行影响因素分析。研究结果表明:光伏自身的闭合回路及光伏与LCC-HVDC系统、交流系统的耦合路径均经过与直流电容振荡模态相关的传递函数,导致各类交互作用阻尼特性共同决定系统SSO特性;对于所提算例,光伏与交流系统、光伏与LCC-HVDC系统的交互作用为SSO提供负阻尼;LCC-HVDC系统定电流控制器和光伏逆变器外环的比例系数减小、积分系数增大,或光照强度增大时,系统SSO风险增大。

直驱风电场经LCC-HVDC外送系统阻抗建模及振荡机理分析

由于大规模远距离输送的客观需要,直驱风电场经电网换向换流器高压直流(line-commutedconverterhigh voltage direct current,LCC-HVDC)送出已经成为一种常见方式。然而,风电机组与LCC-HVDC的交互作用尚未明确,可能引发的振荡问题会危害电网的稳定安全运行。文中首先采用双傅里叶变换得到交/直流映射函数的频域表达,建立直驱风电场经LCC-HVDC送出系统阻抗模型。然后,基于送出系统在各频段内的主导因素分析,开展送出系统阻抗特性分析,研究对次同步频段和超同步频段内阻抗特性影响较大的因素。最后,结合仿真案例分别揭示直驱风电场经LCC-HVDC送出系统在次同步和超同步存在的振荡风险,并阐述振荡机理。

基于小干扰动态模型的LCC-HVDC系统控制器参数优化方法

为了改善电网换相换流器高压直流(line commutated converter-high voltage direct current,LCC-HVDC)输电系统的动态响应性能,提出了一种基于小干扰动态模型与传递函数模型的控制器参数优化方法,采用粒子群优化算法对全系统的控制器参数同时进行优化。首先,建立了计及锁相环输出相位与交流母线电压实际相位差异的双端LCC-HVDC输电系统的小干扰动态模型,仿真结果验证了该小干扰动态模型的准确性;然后,基于根轨迹法,获取了致使系统小干扰失稳的控制器参数临界值;最后将小干扰动态模型转换为传递函数模型,应用粒子群优化算法,以时间乘绝对误差积分指标为目标函数,对所有控制器参数进行了优化。仿真结果表明优化后系统动态响应性能有所改善。

基于D分割法的LCC-HVDC系统控制器参数整定方法

高压直流输电系统的控制器参数对系统稳定性及动态响应性能具有重要影响。提出了一种基于D分割法的基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)系统控制器参数整定方法。首先,基于某实际工程的运行参数建立了单极全压运行方式下的LCC-HVDC系统等值小干扰动态模型;然后,基于该模型的拉普拉斯变换获得系统定电流控制及定电压控制回路的传递函数;继而,采用D分割法分别对定电流控制器及定电压控制器的比例-积分参数进行整定,获得了同时满足增益裕度、相位裕度及带宽限制要求的控制器参数整定域,并将不同功率传输水平下的参数整定域进行叠加,获得了多工况通用控制器参数域。仿真结果验证了小干扰动态模型的准确性及所提控制器参数整定方法的有效性。

多回LCC-HVDC分区馈入电网中柔性直流接入位置的确定方法

馈入同一交流系统的多回传统直流(LCC-HVDC)存在发生同时换相失败的可能,通过柔性直流(VSC-HVDC)实现交流电网的分区运行是解决该问题的方法之一,而柔性直流接入位置的确定方法是实现分区互联的重要研究内容。首先,基于雅可比转移矩阵搭建了考虑电网换相换流器(LCC)和电压源型换流器(VSC)的全系统微增量模型,计算了VSC的运行阻抗,进而计算出基于阻抗的有效短路比(IESCR)。随后,对分区拓扑进行了理论分析,得到了VSC-HVDC接入位置、传输功率和IESCR的关系。而后,充分考虑正常运行和N-1运行状态,提出了包括IESCR在内的9个评价指标,给出了VSC-HVDC接入位置的评价流程。基于IEEE 39节点模型给出了算例,对3个VSC-HVDC接入位置计算出了各评价指标的值并给出了得分,确定了其中的最优接入位置。

LCC-HVDC送端电网等值方案研究

大规模新能源经电网换相高压直流输电(LCC-HVDC)送出时,极易引发送端电网暂态过电压。通过建立LCC-HVDC及送端等值电网电磁暂态仿真模型,可以详细分析其暂态过电压特性,进而优化其控制策略。目前,针对LCC-HVDC送端电网等值的相关研究较少。结合工程需求,给出一种适用于LCC-HVDC送端电网的等值方案。首先,根据主干网各梯级断面点节点残压大小与LCC-HVDC电气耦合强弱的关系,提出一种基于节点残压的内部系统主干网确定方法。该方法在快速确定内部系统范围的同时,可有效避免等值过程中可能因人为因素而引起的等值误差;然后,以梯级断面点为依据划分拓扑区域,以等值前后各拓扑区域电气特性一致为原则,提出内部系统中包括新能源电源在内的等值电源、负荷及变压器等元件的详细参数确定方法;最后,给出LCC-HVDC送端电网多端口戴维南等值方法,简化了外部系统。基于国内某LCC-HVDC送端电网等值方案实际算例,验证了所提等值方案的有效性。