Damping controller design based on FO-PID-EMA in VSC HVDC system to improve stability of hybrid power system

Wind energy sources have different structures and functions from conventional power plants in the power system.These resources can affect the exchange of active and reactive power of the network.Therefore,power system stability will be affected by the performance of wind power plants,especially in the event of a fault.In this paper,the improvement of the dynamic stability in power system equipped by wind farm is examined through the supplementary controller design in the high voltage direct current(HVDC)based on voltage source converter(VSC)transmission system.In this regard,impacts of the VSC HVDC system and wind farm on the improvement of system stability are considered.Also,an algorithm based on controllability(observability)concept is proposed to select most appropriate and effective coupling between inputs-outputs(IO)signals of system in different work conditions.The selected coupling is used to apply damping controller signal.Finally,a fractional order PID controller(FO-PID)based on exchange market algorithm(EMA)is designed as damping controller.The analysis of the results shows that the wind farm does not directly contribute to the improvement of the dynamic stability of power system.However,it can increase the controllability of the oscillatory mode and improve the performance of the supplementary controller.

A VSC-based Model for Power Flow Assessment of Multi-terminal VSC-HVDC Transmission Systems

This paper puts forward a new practical voltage source converter(VSC)based AC-DC converter model suitable for conducting power flow assessment of multi-terminal VSCbased high-voltage direct current(VSC-MTDC)systems.The model uses an advanced method to handle the operational limits and control modes of VSCs into the power flow formulation.The new model is incorporated into a unified framework encompassing AC and DC power grids and is solved by using the Newton-Raphson method to enable quadratically convergent iterative solutions.The use of complementarity constraints,together with the Fischer-Burmeister function,is proposed to enable the seamless incorporation of operational control modes of VSC and automatic enforcement of any converter’s operational limits that become violated during the iterative solution process.Thus,a dedicated process for checking limits is no longer required.Furthermore,all existing relationships between the VSC control laws and their operational limits are considered directly during the solution of the power flow problem.The applicability of the new model is demonstrated with numerical examples using various multi-terminal AC-DC transmission networks,one of which is a utility-sized power system.

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.

Single-ended Fault Detection Scheme Using Support Vector Machine for Multi-terminal Direct Current Systems Based on Modular Multilevel Converter

This paper proposes a single-ended fault detection scheme for long transmission lines using support vector machine(SVM)for multi-terminal direct current systems based on modular multilevel converter(MMC-MTDC).The scheme overcomes existing detection difficulties in the protection of long transmission lines resulting from high grounding resistance and attenuation,and also avoids the sophisticated process of threshold value selection.The high-frequency components in the measured voltage extracted by a wavelet transform and the amplitude of the zero-mode set of the positive-sequence voltage are the inputs to a trained SVM.The output of the SVM determines the fault type.A model of a four-terminal DC power grid with overhead transmission lines is built in PSCAD/EMTDC.Simulation results of EMTDC confirm that the proposed scheme achieves 100%accuracy in detecting short-circuit faults with high resistance on long transmission lines.The proposed scheme eliminates mal-operation of DC circuit breakers when faced with power order changes or AC-side faults.Its robustness and time delay are also assessed and shown to have no perceptible effect on the speed and accuracy of the detection scheme,thus ensuring its reliability and stability.

用于VSC-HVDC系统谐波抑制的PI与VPI并联控制

针对电压源型换流器高压直流输电VSC-HVDC(voltage source converter based high-voltage direct current)交流系统中占比较大的5、7、11、13等低次谐波,在比例积分PI(proportional integral)控制的基础上,提出1种dq坐标系下基于矢量比例积分VPI(vector proportional integral)调节器的选择性谐波电流控制策略。其中,PI用于控制电流误差直流分量,而VPI用于抑制电流误差的倍频波动。与比例积分谐振PIR(proportional integral resonance)调节器不同,VPI含有二阶分子,可在所设谐振频率点处实现控制系统闭环传递函数的理想0°相位延迟,因此其对谐波电流的控制精度优于PIR。利用Simulink软件建立1个2端VSC-HVDC系统,分别对传统PI、PIR及PI并联VPI这3种控制方式下VSC的2侧交流电流进行仿真,通过对比谐波含量,验证VPI谐波抑制性能的优越性。

基于VSC-HVDC的海上风电柔性直流输电系统并网控制

由于现有的控制方法并网点处的直流和交流电压较低,控制效果不佳,为此基于VSC-HVDC,针对海上风电柔性直流输电系统并网控制方法展开研究。首先,根据VSC-HVDC系统结构建立海上风电柔性并网模型,在换流侧通过换流设备将交流电源转换为直流电,并将转换后的直流电能输送到直流输电线路上;然后,运用PI控制器根据电流偏差进行调节,调整换流器的输出电流与实际电流误差,限制幅度环节输出控制系统并网有功功率信息,实现内环网并网控制;最后,运用PI控制器对交流电进行跟踪,调整无功分量来改变交流电压,实现外环网并网控制,完成针对海上风电柔性直流输电系统并网控制方法的设计。实验结果表明,经该方法控制后,交流电压维持在约0.7 p.u.的水平,直流电压被成功地限制在0.5~1 p.u.以内,控制效果较好。

基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护

电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电线路两端并联有大电容,在故障发生瞬间,大电容迅速向故障点放电,对高频故障分量系统侧可等效为并联大电容。根据VSC-HVDC这种特有的系统结构,提出了一种基于并联电容参数识别的VSC-HVDC输电线路纵联保护新原理。该保护原理采用时域算法,通过识别VSC-HVDC输电线路两侧的电容值来区分区内、区外故障。当直流输电线路发生区内故障时,能同时准确识别出线路两端的电容值;当直流输电线路发生区外故障时,不能同时准确识别出线路两端电容值。根据此特征,构造纵联保护判据。理论分析和仿真结果表明,该原理不受过渡电阻、故障类型、故障位置、控制方式和线路类型的影响,在各种工况下均能快速可靠地区分区内、区外故障,而且该方法计算简单,易于实现,具有一定的实用价值。

基于直流电压—有功功率特性的VSC-MTDC协调控制策略

提出了一种用于大规模海上风电并网时电压源换流器型多端直流(VSC-MTDC)输电系统的协调控制策略。以典型的五端直流输电系统为例,提出了基于本地控制器的换流站间协调控制策略,基于直流电压-有功功率调节特性给出了辅助换流站的改进下降控制策略以及定有功功率控制(APC)换流站的改进控制策略,分析了两换流站的工作模式,根据直流网络的潮流分布和最大最小运行方式给出了辅助换流站和APC换流站参数选择的依据。最后,PSCAD/EMTDC仿真验证了在正常、主导换流站故障和辅助换流站故障工况下协调控制策略的有效性;仿真结果表明,该协调控制策略能够实现多端直流输电系统换流站间的有功功率分配,控制效果良好。

VSC-HVDC主电路拓扑及其调制策略分析与比较

立足电压源换流器(VSC)-高压直流(HVDC)输电工程实际,旨在解决选用何种VSC拓扑方能使VSC-HVDC输电达到最佳性能,即找出相对最优的VSC拓扑及其调制策略。结合相应衡量指标,首先比较研究了两电平VSC采用不同调制策略时的特性,此比较研究较好平衡了两电平VSC谐波特性与开关频率这一对矛盾体;接着,对此比较研究中得出的相对最优拓扑与两电平12脉动、三电平二极管钳位及模块化多电平VSC间的特性进行分析;最后,得出结论:基于特定次谐波消除脉宽调制的两电平VSC与模块化多电平VSC为切实可行的2种换流器拓扑,其具有各自不同的应用场合特征。另外,结合实际VSC-HVDC输电工程建设的要求,给出了选型的基本方法和经验,并通过仿真加以了验证。

基于VSC-HVDC的风电分散并网下垂控制策略

海上风电的大规模开发使得柔性直流(VSC-HVDC)输电技术得到了越来越广泛的关注与应用。文中通过引入交流电压下垂控制,提出了基于VSC-HVDC的适应送端交流分散模式下的风电场多端并网的协调控制策略。在柔性直流输电传统控制策略的基础上,保留配电网侧逆变器的定直流电压控制,以保证系统功率平衡;而使风电场侧整流器采用交流电压下垂控制,以代替原有的恒功率控制,从而引入下垂控制的无需通信联系和合理动态分配等优势。仿真分析表明所提控制策略不仅能保证有功出力灵活自动跟踪系统额定值,而且还具有一定的负荷波动容忍度和交直流故障隔离功能,且在风电场采用送端交流分散模式同时向多端配电网供电时,能在风电机组切出系统的情况下快速实现潮流反转,以保证系统供电可靠性,并能自动按照额定比例在各配电网间合理分配动态功率,为风电分散并网的协调运行提供了有效的解决途径。

伪双极LCC-VSC型混合高压直流输电系统向无源网络供电的研究

电网换相换流器高压直流输电系统(Line Commutated Converter based High Voltage Direct Current,LCC-HVDC)在功率传输特性、线路故障时的自防护能力、过负荷能力等方面均优于交流输电,但却无法向弱交流系统和无源网络供电。电压源换流器高压直流输电系统(Voltage Source Converter based HVDC,VSC-HVDC)可实现向无源网络供电的目的,但由于电力电子技术的局限性,VSC-HVDC系统投资成本过高。结合两者的优势,提出了一种新型混合高压直流输电系统(Hybrid High Voltage Direct Current,H-HVDC)。该系统的整流侧为两个6脉动LCC接一交流网络,逆变侧为三相二电平VSC接无源网络。在此基础上,对该H-HVDC的稳态数学模型、启动特性、稳态特性与暂态特性、单极闭锁进行了研究。仿真结果表明,该H-HVDC系统能实现向无源网络供电,且具有较高的稳定性,为混合直流的进一步发展提供了理论基础。

含VSC-HVDC的交直流混合发输电系统可靠性评估

建立了含柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)的交直流混合发输电系统的可靠性分析模型,该模型既考虑了VSC-HVDC的稳态功率特性,还计及了发输电网络的故障率和输电线路的有功限制,采用非序惯蒙特卡罗仿真实现;在满足系统安全约束的前提条件下,对系统进行模拟调度,重点评价了与发输电网络连接的VSC-HVDC对电网可靠性的影响,给出系统和节点的风险指标,为VSC-HVDC规划和运行提供参考依据,最后算例分析证明了该算法的可行性和合理性。

基于虚拟同步电机技术的VSC-HVDC整流侧建模及参数设计

在传统控制方式下,柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)系统换流站难以有效参与电网动态调节,而虚拟同步电机技术通过合适的控制设计使得换流器单元能够为系统提供惯性支撑,已引起广泛关注。首先结合VSC-HVDC系统数学模型,分析换流站等效为同步电机的可行性,给出基于虚拟同步电机技术的换流站控制方案。其次,针对整流侧换流站,在动态过程中将逆变侧等效为一个恒功率负载,建立虚拟同步电机内环和电压外环的小信号数学模型,分析并给出一种系统化的控制参数设计方法。最后,通过仿真分析验证文中理论分析的正确性和参数设计方法的有效性。

合成试验方法在VSC-HVDC换流阀短路电流试验中的应用

合成试验方法是用多套电源分别提供试品在试验中所需应力的试验方法。为检验由模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)构成的电压源换流器高压直流输电(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)换流阀设计的正确性及其对暂态工况应力的耐受性,研究了MMC阀暂态运行试验的试验方法,分析了与过电流关断试验和短路电流试验相关工况的应力,提出了2种等效试验方法,并将合成试验方法应用于试验电路的设计中,给出了试验电路与实际工况下阀的应力波形,结合关键应力等效性分析,验证了上述试验方法和试验电路的正确性和有效性。

VSC-HVDC换流阀过电流关断试验方法

过电流关断试验是柔性直流输电(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)换流阀暂态试验之一,是为了检验换流阀设计的正确性及对桥臂直通工况应力耐受性进行的试验。研究阀过电流关断试验的试验方法,分析桥臂直通工况下的应力,提出等效试验方法并设计试验电路,最后给出试验电路中阀的应力波形与实际工况下应力波形的对比,结合关键应力等效性分析,验证试验方法和试验电路的等效性。

利用电压倾斜控制的VSC-MTDC稳定性分析

建立了采用电压倾斜控制的多端柔性直流输电系统(VSC-MTDC)的小信号模型。文中首先设计了电压倾斜控制器,能够实现多端直流系统遭受扰动时,换流站间不需要通信可以自动恢复稳定运行。然后文中采用线性化动态方程描述了整个多端直流系统,包括换流器、控制系统(电压倾斜控制,内/外环控制及锁相环),直流线路及交流系统。通过将所建模型与电磁暂态模型进行时域下的详细比对,验证小信号模型的正确性。最后,基于小信号模型得到多端系统的根轨迹曲线,并通过判断主导极点在坐标系中的位置,分析电压倾斜控制参数对稳定性的影响。

海上风电VSC-HVDC系统的直接功率控制

为了解决传统直接功率控制存在开关频率不恒定问题,该文提出了一种适用于海上风电场并网的电压源型高压直流输电系统的改进直接功率控制。该方法在推导电压源型高压直流输电系统αβ坐标系下离散化数学模型的基础上,结合虚拟磁链定向、瞬时功率理论和空间矢量脉冲宽度调制,针对电压源型高压直流输电系统设计了相关的离散化控制器。风电场侧采用定有功功率和无功功率,电网侧采用定直流电压和无功功率,实现直流电压稳定以及有功、无功功率的解耦。在Matlab/Simulink构建的离散模型基础上,对有功、无功等工况进行了仿真分析。仿真结果验证了该方法的有效性和可行性,为海上风电场电压源型高压直流输电系统提供一种可行的控制方案。

MMC型VSC-HVDC系统电容电压的优化平衡控制

介绍模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)电容电压平衡的原理以及子模块(sub-module,SM)电容的充放电过程。指出传统的电容电压平衡控制下,子模块投切较频繁,器件开关频率较高,会造成较大的开关损耗。针对传统方法的问题,提出一种适合MMC型直流输电系统的电容电压优化平衡控制策略,将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上。对电容电压未越限的子模块,优化策略通过引入保持因子使具有一定的保持原来投切状态的能力,以降低开关器件的开关频率。使用PSCAD/EMTDC对优化控制策略进行仿真,结果表明优化平衡控制策略与传统方法相比,可以在基本不增加电容电压波动的前提下,显著降低器件的开关频率。

基于同伦变换的VSC-HVDC分散协调鲁棒阻尼控制器设计

针对含柔性直流的区域互联电力系统低频振荡,提出一种基于同伦变换的有功、无功分散协调控制方法。首先,通过数字子空间状态空间系统辨识算法辨识出系统多输入多输出(multiple input multiple output,MIMO)状态空间模型,并对系统进行振荡模态分析。其次,基于线性矩阵不等式鲁棒控制理论,设计出集中MIMO附加鲁棒控制器。最后,应用同伦变换将集中MIMO鲁棒控制器转化为分块对角化的结构,从而得到多个低阶单输入单输出鲁棒控制器。仿真验证表明,该文所设计的有功、无功相协调的分散鲁棒控制器能有效抑制低频振荡,控制器阶数低,无耦合,鲁棒稳定性强,在严重故障情况下能充分利用基于电压源换流器的直流输电的有功和无功调制能力,并且在信号丢失时能保持较好的阻尼性能。

基于虚拟磁链的直接功率控制在VSC-HVDC中的应用

基于电压源换流器的高压直流输电系统(voltage sourced converter HVDC,VSC-HVDC)作为一种新型的直流输电技术,克服了传统直流输电系统中的换相失败、必须联结于有源网络等缺点,在新能源发电并网、孤岛供电、交联系统互联等应用场合具有广阔前景。研究了VSC-HVDC系统基于虚拟磁链定向直接功率的控制方法,根据推导的VSC电流矢量方程分析了空间电压矢量对有功功率、无功功率的作用机制,并由此改进了功率开关器件控制开关状态表的选择方案,仿真结果表明,新的开关状态表使得系统有功、无功功率调节更加平滑、快速,功率波动更小,从而提高了电力系统的稳定性。