VSC—HVDC在风电场并网系统中的应用研究

介绍风力发电并网对电网产生的影响，分析说明VSC—HVDC的工作原理和技术特点，并对风电场联网VSC—HVDC控制器设计进行阐述，列举VSC～HVDC的应用场合，并且举例介绍国外采用VSC—HVDC在风电并网中的应用。

基于模型预测控制的VSC—HVDC自适应控制策略

VSC-HVDC系统具有良好的自换相能力,可直接向无源网络和弱交流网络供电。提出一种基于有限控制集模型预测控制的VSC-HVDC系统逆变侧自适应控制策略,克服传统的双闭环控制存在的PI参数整定困难、动态响应能力差等问题,同时实现多控制目标及约束的逆变站自适应性控制。首先,推导VSC-HVDC系统在dq0坐标系下的离散数学模型,并据此给出逆变侧定交流电压控制的预测模型以及相应的多目标优化性能函数。接着,通过引入增量算子和反馈校正环节设计出改进后的多步模型预测控制策略,从而提高预测模型的参数鲁棒性。最后,通过对VSC-HVDC供电系统进行不同运行工况下的仿真对比分析,论证所提控制策略的可行性和有效性。

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。

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。

海上风电经VSC-HVDC系统受端电网不对称故障抑制策略

海上风电经柔性直流输电技术(即基于电压源换流器的高压直流输电系统,VSC-HVDC)送出系统中受端电网故障不仅影响受端换流站交直流侧系统的运行状态,严重情况下也会阻碍送端换流站和海上风电机组的正常运行。针对这一实际问题,分析了海上风电经VSC-HVDC送出系统中受端电网发生不对称故障的传播机理,提出了一种基于Lyapunov函数方法的负序分量抑制策略。首先,建立了海上风电机组经VSC-HVDC送出系统的拓扑结构,并分析了受端电网发生不对称故障的传播机理。其次,根据受端换流站的数学模型推导出满足Lyapunov函数全局稳定性的负序开关函数,并求解出开关函数的系数,进一步设计出相应的Lyapunov函数控制器。最后,基于MATLAB/Simulink软件仿真将所提策略与传统PI控制进行对比,验证了所提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。

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。

VSC-HVDC控制器抑制风电场电压波动的研究

风电潮流的波动会引起并网系统公共连接点(PCC)电压的波动。在基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)交直流混合风电场并网系统中,控制VSC-HVDC送端站注入到PCC点的无功功率可以抑制电压波动。本文讨论了VSC-HVDC的无功功率控制器和定电压控制器抑制电压波动的原理。基于电磁暂态软件PSCAD/EMTDC建立了并网风电场模型、VSC-HVDC模型及控制系统模型。仿真结果表明VSC-HVDC采用定电压控制器的并网系统能更好的抑制电压波动,采用无功功率控制器的系统具有较好的风电场并网性能。

VSC-HVDC输电线路单端行波自动化故障定位方法研究

为保证电压源换流器型高压直流输电(voltage sourcedconverter-HVDC,VSC-HVDC)系统的可靠运行,提出一种基于分布参数模型的VSC-HVDC输电线路单端行波自动化故障定位方法。在1模故障分量网络中,电压行波具有以下2个特点:行波反射会改变极性,折射不改变极性;行波在两端直流母线处会发生全反射,在故障点处则折射大于反射。据此可以得出,测点接收到的所有电压反行波中,来自对端母线第1次反射的反行波是最强的正极性反行波。进而可以根据电压行波首次到达本端测点和对端直流母线处第1次反射的反行波到达测点的时间差实现故障定位。PSCAD下的仿真结果表明,本算法原理正确,具有较高的定位精度,最大误差不超过600 m,且理论上不受过渡电阻的影响,更重要的是无需人工识别行波波头,易于实现故障定位的自动化。

多端VSC-HVDC系统交直流潮流计算

电压源换流器VSC(VoltageSourcedConverter)与传统高压直流输电(HVDC)换流器在物理模型和工作原理上有本质区别,因此传统的交直流系统潮流计算方法不能在VSC构成的多端直流输电系统VSC-MTDC(VSCMulti鄄TerminalHVDC)中直接使用。首先描述了MTDC潮流计算的数学模型,随后在综合VSC工作原理及控制方式的基础上,推导了适用于VSC-MTDC潮流计算的VSC数学模型。进而由换流器控制量M(调制度)和δ(PWM相位角)的不同组合,列出了4种运行控制方案,并针对每种控制方案给出了其交直流潮流交替求解的接口方程。最后以一含3个VSC的系统为例,对其中1个VSC的不同运行控制方案进行潮流分析,结果表明采用交替算法的潮流算法交直流接口简单清晰、程序编写方便且通用性好。

基于行波叠加特征分析的VSC-HVDC输电系统单端故障定位

为保障电压源换流器型直流输电(voltage source converter HVDC,VSC-HVDC)系统的可靠运行,提出了一种利用行波叠加特征的VSC-HVDC输电线路单端故障定位方法。由于VSC-HVDC输电线路两端直流母线处并联有大电容,直流线路发生单极接地故障后,1模故障分量网络中的电压行波具有"直流母线处全反射,故障点处主要为折射,反射改变电压极性,折射不改变电压极性"的特点。据此在故障分量网络中以行波首次到达本端的时刻为起点,通过计算找出沿线电压前行波和反行波的最强叠加点,该叠加点到对端的距离即是故障距离。PSCAD下的仿真结果显示该方法的故障定位误差≤0.06%,耐过渡电阻能力可达300Ω。该仿真结果表明该方法的故障定位精度高,易于实现故障定位的自动化,在VSC-HVDC输电线路中具有一定的实用价值。

3电平VSC-HVDC系统模型预测控制策略

为提高现有电压源换流器型高压直流(VSC-HVDC)输电系统运行性能,提出了一种3电平VSC-HVDC系统模型预测控制(model predictive control,MPC)方案。该方案采用遍历法预测所有开关状态对应的换流器未来系统状态,选择使目标函数最优的开关状态,并将该最优开关状态作用于实际换流器系统。为了减少开关损耗需要降低开关器件动作频率,为此在目标函数中引入降低开关频率目标项,在兼顾控制性能的同时有效地降低开关器件动作频率。与传统电压定向控制策略相比,所提控制策略具有动态响应迅速、处理多目标控制灵活且无需调制模块等优势,这些优势在基于Matlab/Simulink软件进行的仿真中也得以验证。

基于VSC-HVDC的海上风电系统虚拟惯性控制技术

海上风电系统的惯性响应有利于增强其所在区域电网的暂态稳定性。文中首先提出适用于海上风电场并网的VSC-HVDC控制策略,并解决由风电机组组网的海上交流系统缺乏惯性的问题。其次,基于所提的VSC-HVDC控制策略,结合变速恒频风电机组的虚拟惯性控制,研究海上风电系统的虚拟转动惯量与电网频率变化的关系,实现海上风电系统对电网频率的动态支持。最后,通过对含海上风电系统的区域电网的仿真分析,验证所提控制策略能够实现海上风电系统对电网频率的快速响应。

德国海上风电VSC-HVDC技术分析

系统地总结和梳理了德国海上风电并网情况及发展特点,分析阐述了德国海上风电场群集中并网的技术特征和经验,比较分析了高压交流输电和VSC-HVDC技术在海上风电并网应用的优缺点。最后,结合德国经验和中国发展需要,提出了海上风电并网分析模型。

向无源网络供电的VSC-HVDC控制性能实验研究

无论是正常时采用VSC-HVDC向孤立负荷供电,还是在电力系统发生大停电事故后的初期阶段利用VSC-HVDC使系统负荷快速恢复,其物理模型都可以看作是通过VSC-HVDC向无源网络供电。在给出两相同步旋转坐标系下的整流侧数学模型及控制策略和逆变侧数学模型及控制策略的基础上,建立了一套开放的具有上层控制和底层控制的向无源网络供电的VSC-HVDC物理实验系统。结合黑启动过程中过电压的抑制和需要保持电压频率的稳定两个方面,在实验系统上进行了一系列的实验,结果表明该VSC-HVDC实验系统具有良好的控制性能。

基于负序电压补偿的VSC-HVDC系统的不平衡控制

交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制策略直接关系到系统的运行和安全性能,具有明显的工程应用价值。建立了交流系统不平衡故障时d-q同步旋转坐标系下系统换流器的正负序数学模型,设计了不平衡条件下的同步相位和正负序分量的实时检测系统。采用非线性系统反馈线性化理论,设计了系统的状态反馈线性化电流解耦控制器。在此基础上设计了负序电压补偿的不平衡控制系统,在有效抑制负序电流的同时,简化了控制系统结构。基于PSIM的数字仿真,验证了所设计的控制器具有良好的控制性能。

PSS与VSC-HVDC附加阻尼控制器参数协调优化设计

将含参数约束的线性优化方法应用于交\直流混合系统的电力系统稳定器和基于电压源型换流器的高压直流输电系统附加阻尼控制器的参数协调优化中。该算法考虑了不同阻尼控制方式间的相互影响和作用,在迭代过程中通过修正优化可行域区间,使系统低频振荡模式对应的特征根最终移动到复平面上期望区域内。系统的特征值分析和时域仿真结果验证了上述方法的有效性和实用性。

基于VSC-HVDC的线路过电压抑制策略研究

在电力系统发生大停电事故后的恢复过程中,控制启动方案中的重要因素即充电空载长线路时的工频过电压与合闸空载长线路时的操作过电压,分析了电压源换流器直流输电(VSC-HVDC)技术用于联网的优势,及由空载长线路电容效应引起的工频过电压与合闸空载线路引起的操作过电压的形成机理;提出利用联网的VSC-HVDC抑制空载长线路工频过电压与操作过电压的概念以及相应的过电压控制策略与系统并建立了联网的VSC-HVDC启动空载线路的数学模型。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,VSC-HVDC能够有效抑制空载线路的工频过电压与操作过电压。

采用软启动方式的VSC-HVDC黑启动能力研究

合理的黑启动方案对于快速可靠地恢复供电至关重要。分析了VSC-HVDC作为黑启动电源的优势。通过PSCAD/EMTDC软件验证了VSC-HVDC软启动主要电力设备的能力。仿真过程中记录的波形显示了VSC-HVDC良好的电压、频率特性。对VSC-HVDC黑启动控制到正常潮流控制的转换过程也做了仿真研究。仿真结果表明,当采用软启动方式时,VSC-HVDC是一种理想的黑启动电源。

含VSC-HVDC的交直流混合系统的状态估计解耦迭代算法

针对以电压源换流器(Voltage Source Converter,VSC)为基础的新一代高压直流输电,推导了直流系统的数学模型,以状态估计为着眼点,建立了交直流混合系统的状态估计模型,并在此基础上提出了一种解耦迭代算法。该算法根据雅克比矩阵的特点,运用数学方法对交流子系统和直流子系统进行严格解耦,从而将交直流混合系统分为交流子系统和直流子系统2部分,实现了交、直流子系统的分开迭代求解。计算过程中未做任何假设,因此完整计及了交、直流子系统间的耦合性,算法精度高,同时该算法在编制程序时可以充分利用纯交流系统的状态估计程序,因此具有良好的继承性。IEEE 14、IEEE 30、IEEE 57节点测试系统的仿真结果表明了所提算法的有效性。