基于模块化思想的LCC-HVDC改进小信号建模及交互稳定性分析

随着电网换相型高压直流输电(line commutated converter based high voltage direct current, LCC-HVDC)技术的广泛应用,交直流混联电力系统的交互稳定性问题日益突出。首先基于状态空间平均法建立了考虑非线性换相重叠动态过程的LCC换流器传递函数模型。为适应愈加复杂的直流输电系统建模,提出利用模块化思想分别建立LCC-HVDC各子系统小信号模型,并推导了能反映交直流系统和换流器之间电气耦合特性的接口矩阵实现子系统连接,从而模块化建立精确且易于扩展的计及控制链路延时和锁相环输出相位波动的双端LCC-HVDC系统改进小信号模型。最后分析了控制系统参数和控制链路延时对系统小干扰稳定性的影响以及失稳模态的主导因素,揭示了双端LCC-HVDC系统交直流混合谐振机理及送受端交互影响具体过程。研究结果可以为系统参数设计、谐振抑制措施提供理论基础。

提高系统暂态稳定性的VSC-HVDC有功无功联合附加控制策略

依据基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)对系统暂态稳定性的影响机理,提出一种提高系统暂态稳定性的VSC-HVDC有功无功联合附加控制策略。从VSC-HVDC功率特性与系统等值功角的关系出发,建立含VSC-HVDC有功无功附加量的交直流混联系统暂态稳定分析数学模型。针对数学模型的非线性,采用精确反馈线性化进行坐标变换,并采用滑模控制利用反映系统暂态特征的等值功角变化速度与加速度设计切换面,结合设计的有功无功配合方式,确定了VSC-HVDC有功无功附加量随系统暂态特征量实时调节的控制律,其参数设计与计算过程简便。仿真结果表明所提控制策略充分利用了换流站的功率调节能力,有效降低了系统等值功角首摆幅度,加快系统恢复稳定。

用于DR-HVDC系统连接的海上风电场电网形成控制方法

基于二极管整流器的高压直流DR-HVDC(diode-rectifer-based high voltage direct current)输电系统是一种很有前景的海上风电低成本接入方案,它可将风能从偏远的海上风电场输送到陆上电力系统。然而随着海上DR-HVDC系统的不断增多,可能会导致风机WT(wind turbine)的变流器控制难度增大,系统稳定性变差。基于此,提出了一种适用于DR-HVDC连接海上WT变流器的新型电网形成控制方法。该方法采用2个正序控制回路来调节WTs的输出有功功率,并维持海上交流电网的频率和电压,其中第一个控制器可将每台WT的有功功率误差调节为电压角偏差,从而造成系统频率偏差;第二个控制器通过调整WT的交流电压幅值以抵消频率偏差。变流器内部电流控制回路用于限制故障电流,并消除系统中的高频谐振。最后,通过故障穿越、WT功率变化、无功扰动和WTs停机4个方面的电磁暂态仿真,验证了所提控制方法的有效性和优越性。

一种风电场经VSC-HVDC并网的VSG变参数负荷频率控制策略

风电的大规模并网导致系统等效惯量下降、不确定性增加,给电力系统的负荷频率控制(loadfrequency control,LFC)带来新的挑战。考虑到柔性直流输电系统(voltage source converter based high voltage DC,VSC-HVDC)具有的潜在调频能力,对此展开研究,针对风电场经VSC-HVDC并网的情形提出了一种虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)变参数负荷频率控制策略。首先,在风电场经VSC-HVDC并网的LFC模型及拓扑结构分析基础上,为了提高VSC-HVDC的可控性,对换流器的控制环节进行了VSG控制方法的设计;然后,对VSG控制参数与频率变化的关联性进行分析,并基于分数阶梯度下降法(fractional-order gradient descent method,FOGDM),利用频率的分数阶导数提取频率深层变化特征,以优化VSG控制参数;在此基础上,考虑到系统的不确定性,设计触发机制对VSG变参数优化模式进行调整,以降低VSG参数的变换频次,提高系统频率控制的针对性。仿真结果表明:所提控制方法能有效改善电网负荷频率控制效果,具有良好的适应性。

中小容量VSC-HVDC在解决电力系统电磁环网问题的应用

电磁环网可以提高电网供电可靠性,但也会造成故障后短路电流增加、线路过载等问题。南方电网公司目前主要采取解环运行和方式预控的措施来降低电磁环网运行风险,但解环不适用于所有场景,方式预控又可能造成电源出力受限。因此提出将中小容量柔性直流输电系统(VSC-HVDC)应用于含电磁环网的低压电网,利用其灵活可控的特点来降低电磁环网运行风险。首先综合考虑《电力系统安全稳定导则》要求以及经济性确定VSC-HVDC在电磁环网中的接入位置和容量,随后给出了VSC-HVDC直流电压、拓扑结构以及参数的确定原则。其次,设计了VSC-HVDC在电磁环网中的控制策略,该控制策略可以降低网损,提高电磁环网稳定性。最后通过实例仿真验证了提出的中小容量柔性直流方案在降低电磁环网运行风险方面的有效性。

大规模风电经LCC-HVDC送出的送端电网频率协同控制策略

针对大规模风电经电网换相型高压直流(LCC-HVDC)送出的送端电网所面临的严峻高频问题,充分挖掘风电潜在调频能力,提出一种风电与直流频率限制器(FLC)参与送端电网调频的协同控制策略.分析直流FLC参与送端电网调频的响应特性,刻画送端电网频率与风电机组功率的下垂关系,设计风电机组变转速与变桨距角相结合的一次调频控制方法.建立包括常规机组一次调频、风电机组下垂控制和直流FLC的频率响应综合模型,结合电网的频率稳定要求,采用灵敏度方法整定风电机组与直流FLC的调频参数,设计风电与直流FLC共同参与的频率协同控制策略.算例仿真结果表明:所提频率协同控制策略可有效降低高频切机、直流过载运行风险,提高送端电网的频率稳定性.

基于VSC-HVDC的电力系统频率稳定控制策略

针对电力系统在典型故障与扰动下表现出的“暂态失稳”现象,提出了一种基于VSC-HVDC的电力系统频率稳定控制方法。考虑某大规模发电厂通过VSC-HVDC连接至交流电网,该方法允许此发电厂向交流电网提供频率控制服务。该控制策略包含整流器对直流电压的控制以及逆变器对频率的控制,即逆变器通过交流电网频率的变化来调节直流电压的变化,而整流器通过直流电压的变化来控制发电厂有功的投放,以补偿交流电网有功的短缺,使电网在故障恢复的初始阶段更好地提高系统稳定性。通过在Power Factory Digsilent上进行仿真,验证了该控制策略能显著增强系统的稳定性。

具备有载调压功能的LCC-HVDC拓扑及控制策略

随着近年来高压直流输电的快速发展,换流变压器有载分接开关频繁动作导致故障数量明显增加,直接影响了直流工程的可靠性与电网的安全运行。运用(modular multilevel converter,MMC)模块化多电平可控电压源技术和基本原理,提出了一种新型具备有载调压功能的(line commutated converter based high voltage direct current,LCCHVDC)直流输电的拓扑结构和控制策略,实现了对电网侧电压的补偿,当交流母线电压降低时,无需调节变压器分接开关而维持阀侧电压在额定值水平,大大降低了分接开关的动作次数,提高了工程运行的可靠性。以CIGRE直流输电标准模型为算例,分析了提电压补偿在传统LCC-HVDC直流输电系统中应用的机理,验证了该控制策略的正确性和有效性。

基于VSC-HVDC的统一附加阻尼最优控制方法

相比于传统发电机的电力系统稳定器(PSS),柔性直流输电(VSC-HVDC)系统可以有效控制区域间的低频振荡。考虑到VSC-HVDC系统有功无功均能对交流系统进行独立控制,提出了基于有功无功双环控制的统一低频振荡控制器,并基于VSC的有功功率和无功功率控制分别设计附加控制回路来增加控制器的控制效果。首先采用最小二乘旋转不变(TLS-ESPRIT)辨识方法获得系统小信号模型和振荡特性,然后基于辨识出的模型,利用基于最优控制理论对控制器进行设计,并将最终所设计控制器分别附加于有功控制回路与无功控制回路。PSCAD的仿真结果表明,相比于常规的有功附加控制器,所提统一控制方法能达到更好的控制效果,并能保证鲁棒性。

异步互联系统准同步运行的HVDC附加控制建模及稳定性分析

异步互联系统调频资源和备用容量的分割使得频率稳定问题突出,利用高压直流输电系统的附加频率控制(AFC)可以实现异步互联系统调频备用共享,参与系统频率调控。文中以改善异步互联系统整体的调频性能和频率质量为目标,研究基于直流两侧电网频率差进行无差控制实现异步互联系统准同步运行的直流AFC对两侧电网频率稳定性的影响。利用换流站交直流系统的功率平衡关系建立较为精确的高压直流输电系统线性化模型,得到异步互联两区域系统的负荷频率控制模型,以此进行特征分析指导AFC参数设计。多场景仿真结果表明,准同步运行的直流AFC在使两侧电网趋于同频运行的同时,能够适应两侧电网的容量自动调节直流功率,有效改善全系统的频率稳定特性。

基于阻抗法的MMC-HVDC并网系统高频振荡分析及抑制研究

针对某海上风电经多模块多电平换流器(MMC)接入电网系统,陆上换流站与电网发生宽频振荡的问题,基于阻抗分析的思想和MMC控制系统结构建立dq坐标下MMC控制系统频域模型。将MMC控制系统模型的d、q耦合部分转换至时域、abc坐标系下进行化简,实现了系统解耦,然后建立MMC控制系统abc坐标下的频域模型,进而结合MMC等效电路的分析建立其等效阻抗模型。通过阻抗分析法对换流器阻抗模型和电网阻抗模型的特性进行分析,验证了振荡发生的机理。最后对抑制宽频振荡的措施进行分析,给出附加带阻滤波器的解决方案,并通过现场案例的振荡现象进行验证。

基于实际控保录波的HVDC送端区内阀短路故障定位

为高效、快速识别高压直流输电系统整流站区内4种典型阀短路故障,提出融合控保录波数据的阀短路故障定位方法。首先,基于Y桥和D桥阀短路保护动作,识别12脉动换流器出线短路;然后,根据阀短路保护动作后执行的控制逻辑引起的各桥故障电流特征差异,在考虑控制系统对故障特征影响的基础上,设计基于不同阀导通状态时各桥三相电流标幺化的阈值分类判据,以区分区内交流侧相间短路和各桥桥臂短路及换流器6脉动换流器出线短路。最后,基于RTDS与实际控保系统的闭环仿真平台,验证了本文所提阀短路故障定位方法的有效性。

远海风电DRU-HVDC送出系统构网控制与启动方法综述

随着海上风电开发的不断规模化和远海化,海上风电直流送出技术成为研究热点。针对低成本的二极管整流单元(DRU)型高压直流(HVDC)输电,重点指出了分布式DRU在均压、部分退出运行等方面的主要技术特点,论述了该技术与柔性直流送出、传统直流输电的差异。由于DRU的不可控性,海上电网的构建须由风电机组通过自身控制实现。因此,对现有研究的风电机组集中式和分散式构网控制进行详细综述,并对全构网型控制采用P-V和Q-f功率控制机理进行风电场-DRU层面以及风电机组层面的梳理解释。针对DRU单向潮流引起的启动问题,综述了辅助中压交流脐带电缆、辅助模块化多电平换流器、海上风电机组配置储能以及辅助低压直流电缆等启动方法,指出利用辅助中压交流脐带电缆是相对成熟的方案,而利用海上风电机组储能和全构网型控制具有较高的灵活性,但现有技术下仍面临风电机组塔筒内部安装空间不足、储能安全隐患等问题。最后,对海上风电经DRU-HVDC送出系统未来值得深入探索的研究方向进行了展望。

PCHD-Based Passivity Control of VSC-HVDC Connected Large Wind Farm

Concentrated integration of large scale wind power demands stronger robustness of VSC-HVDC transmission. Based on PCHD (Port Controled Hamiltonian with Dissipation) equation, the PCHD model of voltage source converter (VSC) in abc frame and d-q rotating frame are built and the strict passivity of VSC is proved. Desired energy function is constructed and used as Lyapunov function by assigning link matrix and damping matrix. Impact from VSC equivalent dc resistance is eliminated by additional damping matrix. The IDA-PB (Interconnection and Damping Assignment Passivity-based) controller is designed based on desired equilibrium point and state variable. With different operation conditions, VSC-HVDC and its control system are simulated by software PSCAD/EMTDC, the results show the proposed control strategy has good performance and strong robustness.

Analysis of Transmission Loss in Droop Control of a Multi-Terminal HVDC System

High Voltage Direct Current (HVDC) electric power transmission is a promising technology for integrating offshore wind farms and interconnecting power grids in different regions. In order to maintain the DC voltage, droop control has been widely used. Transmission line loss constitutes an import part of the total power loss in a multi-terminal HVDC scheme. In this paper, the relation between droop controller design and transmission loss has been investigated. Different MTDC layout configurations are compared to examine the effect of droop controller design on the transmission loss.

基于AGC控制的HVDC线路线性化模型优化研究

为了加强负荷频率控制和自动发电控制(AGC),对多区域电力系统中的高压直流(HVDC)联络线进行了精确建模,提出了一种新的联络线模型。在简单AGC系统基础上构建了一阶传递函数高压直流联络线模型,并通过时间常数反映了多区域电力系统在负荷扰动下直流输电设定直流电所需的时间。新构建的模型克服了传统HVDC模型响应不精确与结构简单不可靠的问题。为了验证模型的准确性,选择与传统直流输电模型进行了解析比较,结果表明:HVDC联络线模型具有良好的动态性能,多区域综合电力系统还实现了高压直流输电线路电容积累能量的电力系统互联互通。

大规模风电经VSC-HVDC接入的电网频率控制策略

大规模风电经柔性直流输电(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current,VSC-HVDC)并网替代了电网内大量的同步发电机,削弱了电网的调频能力。对此,文中提出了利用直流电容和风电机组功率备用提高电网频率响应能力的协同控制策略。通过系统频率响应模型分析电网频率响应特性与影响频率的关键因素;建立了直流电压与电网频率的关系式,控制直流电容吸收或释放能量实现VSC-HVDC惯量支撑;基于超速减载控制方案,将电网频率的偏差与微分引入风电机组的功率控制系统,实现风电机组综合频率控制。最后,在大规模风电经VSC-HVDC接入的电网中验证所提控制策略的有效性。结果表明:所提控制策略能够显著提升电网的惯量水平与一次调频响应能力。

Frequency Control of Power System with Solar and Wind Power Stations by Using Frequency Band Control and Deadband Control of HVDC Interconnection Line

In recent years, environmental problems are becoming serious and renewable energy has attracted attention as their solutions. However, the electricity generation using the renewable energy has a demerit that the output becomes unstable because of intermittent characteristics, such as variations of wind speed or solar radiation intensity. Frequency fluctuations due to the installation of large scale wind farm (WF) and photovoltaics (PV) into the power system is a major concern. In order to solve the problem, this paper proposes two control methods using High Voltage Direct Current (HVDC) interconnection line to suppress the frequency fluctuations due to large scale of WF and PV. Comparative analysis between these two control methods is presented in this paper. One proposed method is a frequency control using a notch filter, and the other is using a deadband. Validity of the proposed methods is verified through simulation analyses, which is performed on a multi-machine power system model.

Frequency Control of Power System with Renewable Power Sources by HVDC Interconnection Line and Battery Considering Energy Balancing

Recently, introduction of renewable energy sources like wind power generation and photovoltaic power generation has been increasing from the viewpoint of environmental problems. However, renewable energy power supplies have unstable output due to the influence of weather conditions such as wind speed variations, which may cause fluctuations of voltage and frequency in the power system. This paper proposes fuzzy PD based virtual inertia control system to decrease frequency fluctuations in power system caused by fluctuating output of renewable energy sources. The proposed new method is based on the coordinated control of HVDC interconnection line and battery, and energy balancing control is also incorporated in it. Finally, it is concluded that the proposed system is very effective for suppressing the frequency fluctuations of the power system due to the large-scale wind power generation and solar power generation and also for keeping the energy balancing in the HVDC transmission line.

LCC-HVDC系统整流–逆变交互振荡模式稳定变化特征及机理研究

LCC-HVDC系统联接弱交流系统时,整流站和逆变站之间存在强交互作用。研究发现,对于弱交流系统场景,LCC-HVDC的整流侧和逆变侧交流系统在不同短路比(short-circuit ratio,SCR)组合下,系统稳定性由整流–逆变交互振荡模式主导,且随定电流控制参数的改变呈现“单调–非单调”更迭现象。该文通过阻尼比特性曲线和参数灵敏度研究该“单调–非单调”更迭现象的产生机理,指出该现象是由两端交流系统强度相互制约下的整流–逆变强交互作用导致,体现出系统稳定性趋势的“木桶效应”,即LCC-HVDC系统的稳定性趋势由所联接交流系统强度弱的一侧换流站主导。基于PSCAD/EMTDC的详细电磁暂态仿真,验证整流–逆变交互振荡模式稳定变化趋势的“单调–非单调”更迭现象。该研究可为掌握实际工程交互作用振荡模式及选取合理控制参数提供理论支撑。