柔性直流输电系统的联网和孤岛运行通用控制策略

1、 柔性直流输电系统的联网和孤岛运行通用控制策略 内蒙古通辽市 028000摘要：当前柔性直流输电系统缺乏在联网和孤岛运行条件下的通用控制策略的现状,根据高压电网的特点引入了交流侧的频率有功功率的下垂控制和直流侧的有功功率直流电压的下垂控制。在电压控制模式下, 换流站不需要锁相环即具备独立运行的能力。但此时的同步相位是直接给定的,柔性直流输电系统的 换流站如何与其他发电机并列运行,仍是一个问题。本文根据高压电网的特点,设计了高压大容量换流站的频率有功功率的下垂控制,并将这种下垂控制与电压控制模式相结合,得到了适用于换流站联 网和孤岛运行模式的通用控制策略。关键词：柔性直流输电；联网；孤岛运行随着

2、城市规模的不断扩大，已有的交流输电技术越来越难以满足城市用电负荷的快速增长，城市配电网增容改造遇到瓶颈。此外，目前孤岛、海上钻井平台等无源性负荷大多采用昂贵的本地发电装置，既不经济，又不环保。因此，迫切需要探索更加灵活、环保的输电方式。由于采用了自换相的电压源换流器,柔性直流输电系统具备有功和无功功率独立控制、向弱电网和无源网络供电等传统直流输电系统不具备的功能。柔性直流输电技术拓展了直流输电的应用领域,除了将其应用于传统电网互联,还可用于孤远电网和海上风电场等弱电网联网。当连接至换流站的交流电网为有源网络时,换流站和同步发电机将并列运行,柔性直流输电系统将工作于联网模式下;当连接至换流站的交

3、流电网为无源网络时,换流站将单独工作,柔性直流输电系统将工作于孤岛模式下。一、 柔性直流输电系统柔性直流输电(vsc-hvdc)是采用电压源型换流技术的直流输电技术，即由具有可控关断能力的电力电子器件如绝缘栅双极晶体管(igbt)组成的换流器技术。在现有电力网络中使用 vsc-hvdc 技术，不仅可以有效调控电网潮流、隔离电网故障，防止故障扩散，而且还能根据电网调控的需求，对系统进行紧急的无功补偿支援。这对增强地区电网稳定性，提升地域电网可控性，具有重要作用。vsc-hvdc 工程有利于提升电网接入和分配多种能源的能力，能够实现弱送端条件下新能源大规模送出，消纳清洁能源。vsc-hvdc 技术

4、能够为实现海上风电并网提供新的途径。风电场大规模集中并网，以直流形式接入电网，类比于城市供电，vsc-hvdc 系统可以实现故障隔离，防止故障传递。能够防止电压振荡、风电场失速，增强风机的低电压穿越能力，提高稳定性，同时减少风电场无功补偿装置的费用。若采用多端vsc-hvdc 系统(vsc-mtdc)，则能最大程度的提高风能利用率，同时缩减线路施工环节。在传输相同小容量风能时，常规直流输电的单位成本比柔性直流输电高。加之我国海上风电增长迅速，我国海上风电有望达到 10gw，因此，vsc-hvdc 技术在海上风电大规模并网中的前景非常广阔。如果在海岛上建设发电站，其成本和能源供给都是其不利的因素

5、。而在有分布式电源的孤岛系统中，为了提升系统供电可靠性，以及分布式能源的扩展性，需要采用柔性直流输电技术，甚至是多端柔性直流技术。柔性直流输电不存在相角问题，系统各换流站所连交流电力系统可以不同步运行。当系统潮流反向时，柔性直流输电电压极性不改变，因此对直流线路的绝缘要求相比于传统直流输电低，不像传统直流输电需要机械开关的切换，只需对电压源型换流器进行控制，即可改变有功的传输方向，实现电力潮流的双向流动，易于分布式能源与配网系统能量的交换。同时，相较于传统直流输电系统，直流线路故障时，各个换流站均可以提供无功功率的支撑，有利于保持整个系统的稳定。二、柔性直流输电系统联网控制1、换流站的建模与控

6、制。换流站经高通滤波器及换流变压器和线路总电抗 x l 与交流电网相连。整流站c1与同步发电机g1 所在的交流电网相连,逆变站 c2 则与同步发电机 g2 所在的交流电网相连。e为发电机机端电压,u为公共耦合点pcc处的电压。电压控制模式下,矢量控制器可分为内环电流 控制器和外环电压控制器。内环电流控制器具有正 常电流控制和故障电流限幅的功能;外环电压控制 器则用于控制换流站输出的交流电压。在电压控制 模式下,交流电压的同步相位是直接给定的,控制器的工作不需要锁相环提供同步相位,换流站具备独 立运行的能力。由于电压控制模式已成为换流站向 无源网络供电的常用控制方法2l和r分别为换流电抗的等值电

7、感和等值电阻。高通滤波器在工频下基本为容性,其等值电容为 c 。通过对内环电流控制器设置电流限幅,可有效防止换流器由于过电流而导致的闭锁停运。电压控制模式的特点是 dq 变换的同步相位可由下式直接给定:2、下垂控制。当取为交流电压角频率的额定值时,换流站在交流侧等效为固定频率的交流电压源。该控制方式一般只适用于向无源网络供电的情况。当负荷增加导致电网频率降低时,若换流站的电压频率保持不变,则所有同步发电机将在换流站的作用下返回同步转速,换流器的定频控制与电网的二次调频之间存在冲突。频通率用控有制功策功略率的下垂控制根据换流站输出的有功功率调节换流站电压角频率的指令值。换流站输出的交流电压角频率

8、的指令值为:将式可以得到dq变换的同步相位。假定负荷上升导致电网频率降低时,如果换流站的电压频率保持不变,换流站的输出功率将增加。但在下垂控制下,换流站的频率会相应降低,从而减小换流器输出的有功功率。根据频率和有功功率的下垂特性,负荷变化由换流站和同步发电机共同分担,换流站也参与到电网的一次调频中。为实现换流站的直流电压控制,现引入直流侧的有功功率直流电压下垂控制。当直流电压的实际值小于指令值时,换流站输出的有功功率指令值将降低;反之,换流站输出的有功功率指令值将增加,从而实现稳定换流站的直流电压。式引入将交流侧的频率有功功率下垂控制和直流侧的有功功率直流电压下垂控制结合起来，换流站的频率指令

9、值可根据换流 站工况自动调节。通过对频率指令值进行限幅,可以限制在暂态过程中的频率越限。3、电网频率调节。将以双端柔性直流输电系统为例,将换流站的下垂控制和同步发电机的一次调频相结合,对电网的频率调节特性进行分析。（1）联网运行频率调节。在初始工况下,各设备均处于计划或额定运行状态。整流站向逆变站输送计划功率为 ps,有功功 率指令值中的直流电压修正分量为 0。整流侧电网 和逆变侧电网的运行频率均为额定频率。不失一般性,假定逆变侧电网负荷增加 pl。 当系统频率达到稳态时,柔性直流输电系统的输送功率为p f。根据式可得整流站和逆变站的频率有功下垂控制方程如下:式中:r为换流站调差系数的标幺值;1 和 2 分别为整流侧电网和逆变侧电网的频率变化量;p0 和 p分别为柔性直流输电系统的额定输送功率和输送功率的变化量。在当前工况下,柔性直流输电系统输送功率的增量由整流侧电网提供。根据整流侧电网的一次调频可得:（2）孤岛运行频率调的节。如果逆变侧电网的发电机退出运行,则逆变侧电网将成为无源网络。当系统频率达到稳态时, 但逆变侧的负荷增加量将全部由柔性直流输电系统提供,式将变为:参考文献