柔性直流送端系统的频率与阻尼特性研究

发布时间：2020-11-19 20:05

　　 我国能源主要分布在“三北地区”,而负荷中心主要位于东部沿海一带,为了将电能大容量远距离输送,高压直流输电是最好的选择。随着电力电子器件的发展,电压源型换流器可以支撑交流电压,独立控制与交流系统交换的有功功率和无功功率,这些优势使得柔性直流输电技术迅速发展。随着我国可再生能源占比的不断增加,新能源机组经换流器并网,其输出功率不能响应系统频率的变化,交流系统的有效惯量减小,而直流系统会解耦两端交流系统,使得有效惯量进一步减少。此外,电力系统电力电子化会影响交流系统的有效阻尼,容易引起系统宽频振荡。本文通过合理设计柔性直流输电系统的附加控制策略,来为交流系统提供频率和阻尼的支撑。为了提升交流系统的有效惯量,使得换流器的输送功率响应频率的变化,需寻找能量支撑的来源。大扰动情况下频率波动的时间常数大,在系统中,能量储存元件的能量很小,难以支撑交流系统频率。本文在换流器端子引入发电机一次调频的“P-f曲线”作“p-f下垂控制”,使得直流系统可以通过改变传输的功率值,从另一端电网撷取能量,从而对低惯量系统提供虚拟惯量。本文采用模型预测控制算法分别设计了整流器和逆变器的控制系统,并对整个直流系统进行建模。模型预测控制算法具有结构简单、动态响应快和鲁棒性好等特点,易于实现与柔性直流系统相连的低惯量交流系统频率波动的抑制。本文分析了基于“p-f曲线”的柔直系统的模型预测控制对系统频率变化的抑制作用,并在PSCAD/EMTDC仿真平台建立了仿真模型,对比分析了系统采用传统PI双环控制和模型预测控制对系统频率的影响。仿真结果表明,模型预测控制方法能够有效抑制交流系统频率变化的幅度,加快频率恢复的速度。两端柔性直流输电系统可以增加新落点,扩展为多端柔性直流输电系统。针对连接低惯量交流系统的多端柔性直流输电系统,当系统发生大扰动时会发生频率变化,为了给交流系统提供虚拟惯量,在换流器控制系统引入了 P-f下垂控制,为了进一步抑制频率波动,快速调节各个端子间的功率平衡,设计了多端系统的自适应下垂控制,可以最大限度的利用换流器容量,减小直流电压波动。论文在PSCAD/EMTDC仿真平台建立了多端直流系统仿真模型,对比分析了主从控制、下垂控制和自适应下垂控制对交流系统频率和直流电压的影响。仿真结果表明,p-f下垂控制可以帮助交流系统抑制频率变化,自适应下垂控制可以加强抑制的效果,加快有功功率调节响应速度,减小直流电压波动,提高系统稳定性。本文讨论的电力系统中的宽频振荡包括频率在0.1Hz与50Hz之间的低频振荡和次同步振荡,与低惯量系统的频率变化相比,时间常数小,需要外界支撑的能量较小。当系统发生宽频振荡时,模块化多电平换流器(MMC)的桥臂电容器上的能量可以通过合理的控制策略的调节来为交流系统提供能量补偿。传统的MMC控制系统包括功率、电压控制等上层控制和环流控制等下层控制。MMC的能量控制,可以通过控制环流电流的直流分量,灵活控制MMC桥臂上电容器的能量。传统方式下,直流系统可以配合功率振荡抑制(POD)控制器来为交流系统提供阻尼,但直流功率会根据POD的输出而振荡。为了保证直流功率的稳定,本文基于能量控制设计了 POD能量补偿控制,数学分析了 MMC桥臂电容器上可利用的能量,并在PSCAD/EMTDC仿真平台上模拟送端为两机交流系统的MMC-HVDC,POD控制器位于整流器侧。仿真结果验证了 POD能量补偿控制可以暂态解耦直流系统两端功率的传输。此外,POD能量补偿控制解决了嵌入式直流的三机系统使用传统POD控制方式会导致振荡加剧的问题,证明了POD能量补偿控制的优越性。传统POD控制器通过配合直流系统的有功功率控制端的控制系统来对交流系统进行振荡抑制,因此只置于直流系统的一端换流器。而POD能量补偿控制可以允许直流系统暂态解耦,通过在直流电压控制端子处也加入POD能量补偿控制,并与有功功率控制端的POD能量补偿控制组成多POD能量补偿控制系统,可以为两端交流系统提供更多阻尼。此种方法对于嵌入式直流系统更为有效。基于多POD能量补偿控制,本文对嵌入式直流系统的三机系统进行根轨迹分析,并在PSCAD/EMTDC仿真平台中,建立了详细仿真模型,验证多POD能量补偿控制具有更好的阻尼特性。次同步振荡是常见的电力系统稳定性问题之一。为了抑制次同步振荡,可以投入次同步阻尼控制器(SSDC),根据其输出改变直流系统的有功功率指令值,从而为交流系统提供阻尼,但直流系统一端有功功率的振荡部分会传递到另一端交流网络上。为了在直流系统中补偿功率振荡部分所需的能量,暂态解耦直流系统,引入SSDC的能量补偿控制,利用MMC桥臂电容器的能量来补偿SSDC所需的能量。本文基于IEEE第一标准次同步谐振系统,设计了 SSDC系统的参数和能量补偿控制,并在PSCAD仿真平台上验证了 SSDC和能量补偿控制的有效性。以上内容说明,柔性直流输电系统可以为交流系统提供频率和阻尼的支撑,从而提升交流系统的稳定性。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM721.1
【部分图文】：

直流输电能够解耦两端交流电网，会使交流系统总的“有效惯量”进一步??减少。传统机组与新能源组成的电源组经ＶＳＣ－ＨＶＤＣ送出，将失去受端电网??的惯量支撑。因此，需要在交流系统中加入虚拟惯量，如图１－２所示。加入了??虚拟惯量后，系统有效惯量增加，在惯性反应期间，频率变化率减小，最低点??升商，频率变化减小，系统稳定性增加。对干低惯量交流系统来说，需要考虑??两个非常重要的指标：频率变化率（Ｒａｔｅ?ｏｆ?Ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，?ＲｏＣｏＦ）和频率??最低点（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?Ｎａｄｉｒ）。ＲｏＣｏＦ指的是受到扰动后，频率的初始变化率，一??般小于０．５?Ｈｚ／ｓ，而各个国家的ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＮａｄｉｒ的标准不一，但都应该大于４７??Ｈｚｌｌｓ＿１６】。??火电厂?水电厂?储能系统??＞广—＇＼?传统发电机组?广—＇Ｖ??？?（ｓ）?＠??［?）高惯＃?；低惯?１；??＠?？?（§；?（Ｔ）??核电站?光伏发电?风力发电??发电机主导电力系统?换流器主导电力系统??图１－３电网架构图??Ｆｉｇ．?１－３?Ｐｏｗｅｒ?ｇｒｉｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??此外，新能源接入电网后，容易产生宽频振荡，其机理十分复杂，由电力??电子设备的拓扑和参数决定，振荡频率从几１丨２到几十Ｈｚ，甚至高到千Ｈｚ以上??［１Ｔ１。例如

电力系统的有功功率和频率调整分为一次、二次和三次调整三种。一次调??整是指由发电机组的调速器进行的、对负荷变动引起的频率偏移的调整。以一??台发电机为例，其静态频率特性如图２－１所示。??／Ｖ?‘??Ｐｇｓ?—?—?一?—?＼??Ｎ??０?＞?／??图２－１静态频率特性??Ｆｉｇ．２－１?Ｓｔａｔｉｃ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ??当负荷突然变化，系统频率发生波动，发电机组功率将因它的调速器的一??次调整作用而改变，如式（２－５）所示：??ＡＰ（ｉ?＾－ＫｃＡｆ?（２－５）??１６??

图２－３引入Ｐ－／曲线的ｄｑ解耦控制??Ｆｉｇ．２－３?Ｄｑ?ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｗｉｔｈ?Ｐ－ｆｃｕｖ＼Ｑ??引入曲线后的ｄｑ解耦控制如图２－３所示。当送端弱系统发生大扰动时，??频率发生变化，送端换流器可以改变直流系统的功率指令值为式（２?－?６）中的Ｐ’，??作为图２－３中的八ｅｆ，通过调节自身的功率输出为送端弱交流系统提供虚拟惯??量，与送端交流系统进行动态调节共同抑制频率的变化。??２．４?ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的模型预空制Ｊ??模型预测控制是一种基于模型、迭代计算和反馈校正的优化算法｜｜（？。可将??所有的约束条件包含在系统的预测控制算法中，并使系统的参数都控制在允许??的范围内｜５Ｃ）ｍ｜Ｕ８１。与传统电流解耦控制相比，省去了内外环控制以及锁相环??Ｔ／对系统稳定性的影响＾?｜（）９结构更加简巾．，开关效半高，扒有很好的鲁??榨性１４２１。??１８??
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 钟杰峰;陈丽萍;袁康龙;王晓茹;胡益;;多端柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J];南方能源建设;2015年S1期

2 喻锋;王西田;解大;;多端柔性直流下垂控制的功率参考值修正方法[J];电力自动化设备;2015年11期

3 熊凌飞;韩民晓;姚蜀军;;锁相环对多端柔性直流稳定性作用分析及参数选择研究[J];电工技术学报;2015年16期

4 许冬;韩民晓;杜旭;王华伟;;风电孤岛经混合三端直流送出的模型预测控制[J];中国电机工程学报;2015年13期

5 任敬国;李可军;张春辉;赵建国;梁永亮;;基于直流电压—有功功率特性的VSC-MTDC协调控制策略[J];电力系统自动化;2015年11期

6 熊凌飞;韩民晓;;基于组合方式的多端柔性直流输电系统控制策略[J];电网技术;2015年06期

7 蒋晓娟;姜芸;尹毅;孔祥海;;上海南汇风电场柔性直流输电示范工程研究[J];高电压技术;2015年04期

8 朱瑞可;王渝红;李兴源;贺之渊;应大力;;VSC-MTDC系统直流电压自适应斜率控制策略[J];电力系统自动化;2015年04期

9 吴博;李慧敏;别睿;邱慧敏;秦立斌;钱峰;;多端柔性直流输电的发展现状及研究展望[J];现代电力;2015年02期

10 杨柳;黎小林;许树楷;李岩;刘涛;赵晓斌;陈名;;南澳多端柔性直流输电示范工程系统集成设计方案[J];南方电网技术;2015年01期

相关硕士学位论文 前4条

1 刘晋;双馈风电机组并网的次同步控制相互作用问题研究[D];华北电力大学;2015年

2 徐坤;VSC-HVDC对次同步振荡抑制作用分析[D];华北电力大学;2012年

3 于海洋;托克托电厂600MW机组抑制次同步振荡方法研究[D];华北电力大学（河北）;2010年

4 刘国平;基于Prony法的电力系统低频振荡分析与控制[D];浙江大学;2004年

本文编号：2890374