2024年柔性直流輸電系統(tǒng)寬頻振蕩分析與控制報(bào)告-華北電力大學(xué)（劉崇茹）

化北電力大學(xué)柔性直流輸電系統(tǒng)頻振蕩分析與控制劉崇茹2024年10月19日珠海匯報(bào)提綱大工大工用大2331研究背景填率H新能源送端支撐能力弱穩(wěn)定問題頻發(fā)小e稻氣與霍思風(fēng)場標(biāo)第二次y填率H新能源送端支撐能力弱穩(wěn)定問題頻發(fā)小e稻氣與霍思風(fēng)場標(biāo)第二次y下族柔直構(gòu)網(wǎng)型控制柔性直流輸電傳統(tǒng)送出手段靈活性、怏速性不足大力發(fā)展新能源發(fā)電大力發(fā)展新能源發(fā)電寬頻電磁振蕩廈門工程南匯工程廈門工程南匯工程▲次/超同步振蕩中/高頻振蕩柔直工程典型振蕩事紀(jì)柔直工程典型振蕩事紀(jì)某柔直工程振蕩某柔直工程振蕩法法·西聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)備損毀1研究背景柔性直流輸電系統(tǒng)中的振蕩主要可以表現(xiàn)為三大類：柔性直流輸電系統(tǒng)中的振蕩主要可以表現(xiàn)為三大類：換流站內(nèi)部振蕩、直流側(cè)振蕩以及交流側(cè)振蕩。針對(duì)上述問題，從機(jī)理分析、抑制策略以及仿真建模等方面展開柔性直流輸電系統(tǒng)寬頻振蕩機(jī)理分析換流站內(nèi)部設(shè)計(jì)問題口站(極)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定誘發(fā)振蕩柔直通道站間協(xié)同問題MMC-HVDC系統(tǒng)振蕩抑制匯報(bào)提綱2機(jī)理力析2柔性直流換流閥通常采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，其控柔性直流換流閥通常采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)分為閥基控制和站(極)控制兩部分控制回路關(guān)系(電容電壓恒定)換流閥基本結(jié)構(gòu)上述模型在早期使用中時(shí)常出錯(cuò)，2014年前后(廈門工程投運(yùn))工業(yè)界開上述模型在早期使用中時(shí)常出錯(cuò)，2014年前后(廈門工程投運(yùn))工業(yè)界開始關(guān)注電電容的基頻波動(dòng)(約10%~15%)ff分散式電容本D?K分散式電容半橋子模塊f半橋子模塊f集中式(a)兩電平VSC22m柔性直流換流閥通常采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，其控柔性直流換流閥通常采用模塊化多電平結(jié)構(gòu)，其控制系統(tǒng)分為閥基控制和站(極)控制兩部分控制回路關(guān)系(電容電壓波動(dòng))控制回路關(guān)系(電容電壓波動(dòng))閥控制器是柔直流換流站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步閥控制器是柔直流換流站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，通常跟閥體打包出廠閥控穩(wěn)定性(詳細(xì)評(píng)估):維模型(計(jì)算略),穩(wěn)定性取決于閥控中環(huán)流控制器與整個(gè)閥體(含橋臂電抗以及子模塊電容器)的交互I/(sLarm+Rarm_——簡簡化的閥控)流流制)回路Hcir(s)Hcir(s)I/(sLarm+RatlLH.(s).(s)詳細(xì)的閥控)環(huán)流抑制)回路等效電路十等效電路謁L則形成正反饋回路，臨界不穩(wěn)定-1S二階矩陣，如果滿足廣義這里的環(huán)流控制器可采用不同的方案，此處僅以目前國內(nèi)工程常用的矢量電流控制方案為例介紹，不影響分析理論—11—閥控穩(wěn)定性仿真測(cè)試與模型驗(yàn)證閥控穩(wěn)定性仿真測(cè)試與模型驗(yàn)證RealRealAxisFIFrequencyIncrease實(shí)線(解析計(jì)算結(jié)果)與實(shí)點(diǎn)(掃頻結(jié)果)高度吻合下的通下的通掃頻驗(yàn)證掃頻驗(yàn)證北電力大北電力大學(xué)柔直換流站閥體和閥控裝置設(shè)計(jì)穩(wěn)定后，第二步是確保站(極)控制系統(tǒng)的柔直換流站閥體和閥控裝置設(shè)計(jì)穩(wěn)定后，第二步是確保站(極)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，站控穩(wěn)定性(簡化評(píng)估):饋環(huán)節(jié)和控制延遲的相互作用。(可認(rèn)為站控和閥控解耦)AVCHyHy(s)(子模塊閥串被視為理想受控電壓源)近近年來基本達(dá)成共識(shí)：需采用多諧波線性化等多頻線性化技術(shù)進(jìn)行詳建模以確保工程分析的精度需求站控穩(wěn)定性(詳細(xì)評(píng)估):控制對(duì)象(PlantModel):換流閥體和閥控系統(tǒng)延遲交流電壓控制器和前饋受控對(duì)象GOpen:開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣詳細(xì)的站控(交流電壓控制)回路詳細(xì)的站控(交流電壓控制)回路站控穩(wěn)定性仿真測(cè)試與模型驗(yàn)證站控穩(wěn)定性仿真測(cè)試與模型驗(yàn)證降低至50%,4s降低至0理論分析結(jié)果：滿功率運(yùn)行不穩(wěn)定，50%功率臨實(shí)線(解析計(jì)算結(jié)果)與實(shí)點(diǎn)(掃頻結(jié)果)高度吻合otfiequ時(shí)域仿真結(jié)果：環(huán)流控制器比例增益為1.5時(shí)051015202530354.045子模塊電容電壓波動(dòng)對(duì)閥控和站控回路的影子模塊電容電壓波動(dòng)對(duì)閥控和站控回路的影響主要體現(xiàn)在中低頻段電容器的高頻濾波效應(yīng)意味著頻率愈高，電容阻抗越小。對(duì)于高頻信號(hào)而言，電容器可視為短路，故電容器的基頻波動(dòng)對(duì)其高頻調(diào)制特性的影響很小環(huán)流控環(huán)流控制器—2機(jī)理分析——2.2直流側(cè)振蕩正反饋不穩(wěn)定：開環(huán)增益不滿足Nyquist穩(wěn)定判據(jù)(也稱為負(fù)阻尼不穩(wěn)定)總直流側(cè)導(dǎo)納：直流電壓傳遞函數(shù)：直流電壓傳遞函數(shù)：直流側(cè)電壓-電流反饋回路2機(jī)理分析——2.2直流側(cè)振蕩DCSide交流系統(tǒng)影響十d十直流電壓經(jīng)柔直換流站控制回路、調(diào)制環(huán)節(jié)以及外部交流系直流電壓經(jīng)柔直換流站控制回路、調(diào)制環(huán)節(jié)以及外部交流系統(tǒng)的調(diào)制過程2機(jī)理分析——2.2直流側(cè)振蕩柔性直流換流站等值阻抗表示柔性直流換流站等值阻抗表示直流側(cè)視角：交流系統(tǒng)又可被分為正序和負(fù)序兩個(gè)系統(tǒng)，換流站則作為正序、負(fù)序和直柔性直流換流站等值阻抗表示(含交流側(cè)系統(tǒng))柔性直流換流站等值阻抗表示(含交流側(cè)系統(tǒng))交流系統(tǒng)的影響：主要對(duì)直流側(cè)阻抗基波附近的影響較強(qiáng)換流站換流站交流系ff-ff-fff-fia風(fēng)電接入對(duì)響主要集中于基波附近華華北電力大學(xué)柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)負(fù)阻尼振蕩柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)負(fù)阻尼振蕩影響(Nyquist穩(wěn)定分析)0直流側(cè)阻抗分析(伯德圖)直流側(cè)阻抗分析(伯德圖)功率升至滿功率，過程中出現(xiàn)持續(xù)性7IAA4除了柔性直流輸電系統(tǒng)自身的穩(wěn)定，其并網(wǎng)(與交流系統(tǒng)間的交互)的除了柔性直流輸電系統(tǒng)自身的穩(wěn)定，其并網(wǎng)(與交流系統(tǒng)間的交互)的振蕩問題是近年來更為頻發(fā)也更為關(guān)注的問題交流系統(tǒng)回路導(dǎo)納：Ypp(s)交流電遞函數(shù)Zpn交流側(cè)電壓-電流反饋回路散“n(S)—2機(jī)理分析——2.3交流側(cè)振蕩2機(jī)理分析——2.3交流側(cè)振蕩柔性直流換流站等值阻抗表示柔性直流換流站等值阻抗表示交流側(cè)視角：交流系統(tǒng)又可被分為正序和負(fù)序兩個(gè)系統(tǒng)，換流站則作為正序、負(fù)序和直2機(jī)理分析——2.3交流側(cè)振蕩柔性直流換流站等值阻抗特性柔性直流換流站等值阻抗特性交流系統(tǒng)的影響：主要對(duì)交流側(cè)中低頻阻抗影響較強(qiáng)換流站自阻抗直流系統(tǒng)換流站自阻抗換流站交流側(cè)阻抗i風(fēng)電接入的柔性直流換流站示意圖風(fēng)電接入的柔性直流換流站示意圖風(fēng)電場對(duì)換流站直流側(cè)阻抗特性的影響風(fēng)電場對(duì)換流站直流側(cè)阻抗特性的影響nsryMMC交直流側(cè)阻抗通用計(jì)算方法22RRWWnn2心心的9個(gè)頻率分量直流側(cè)阻抗：交流側(cè)正序阻抗：f=fp-f?交流側(cè)負(fù)序阻抗：根據(jù)MMC頻域模型計(jì)算橋臂電流、橋臂電壓、子模塊電容電壓之和、調(diào)制信號(hào)中各頻率分量根據(jù)橋臂電流計(jì)算交、直流側(cè)電流分量計(jì)算MMC交/直流側(cè)阻抗負(fù)序/共模零序/差模正序/共模負(fù)序/差模零序/共模正序/差模負(fù)序/共模正序/共模負(fù)序/差模零序/共模正序/差模負(fù)序/共模零序/差模正序/共模零序/差模正序/共模負(fù)序/差模零序/共模正序/差模負(fù)序/共模零序/差模fp-3ff-2ffp-ffp+ffp+2ff小信號(hào)頻率分量的模式在共模-差模之間交替變化2機(jī)理分析——2.3交流側(cè)振蕩交流側(cè)負(fù)序阻抗計(jì)算交流側(cè)負(fù)序阻抗計(jì)算直流側(cè)阻抗計(jì)算交流側(cè)正序阻抗計(jì)算直流側(cè)阻抗計(jì)算交流側(cè)正序阻抗計(jì)算①①①①測(cè)量MMC?的直流側(cè)阻抗、交流側(cè)正序阻抗和交流側(cè)負(fù)序阻抗等值交流系統(tǒng)Z負(fù)荷o器QCo——幄值(幄值(dBC)粵30直流側(cè)阻抗交流側(cè)正序阻抗交流側(cè)負(fù)序阻抗直流側(cè)阻抗2機(jī)理分析——2.3交流側(cè)振蕩直流側(cè)阻抗交流側(cè)正序阻抗交流側(cè)負(fù)序阻抗2機(jī)理分析——2.3交流側(cè)振蕩直流側(cè)阻抗的影響更為明顯對(duì)于MMC交流側(cè)正、負(fù)序阻抗，一方面對(duì)端MMC的直流側(cè)阻抗會(huì)對(duì)MMC交流側(cè)阻抗低定有功功率控制定直流電壓控制頻率(Hz)定有功功率控制直流側(cè)阻抗交流側(cè)正序阻抗交流側(cè)負(fù)序阻抗華北電力大學(xué)OmTmurgtcrowEnwNM2機(jī)理分析華北電力大學(xué)OmTmurgtcrowEnwNM仿真設(shè)置：0.5s接入交流電纜，理論分析：柔性直流換流站的負(fù)阻尼感性頻段與交流系統(tǒng)的容性Na-80Nase-120F5IVoltageControllerNs—2機(jī)理分析——2.3交流側(cè)振蕩柔性直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)的次/超同步振蕩柔性直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)的次/超同步振蕩1.2降低至0.80時(shí)間(s)G奈奎斯特圖(k*=1.2)1.51.0實(shí)部匯報(bào)提綱22華北電力大華北電力大柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)振蕩抑制橋臂子模塊輸出反向電壓以模擬電阻效應(yīng)，通過橋臂子模塊輸出反向電壓以模擬電阻效應(yīng)，通過直流系統(tǒng)回路導(dǎo)納：漸發(fā)散，0.82s附近觸發(fā)系統(tǒng)保護(hù)阻尼增強(qiáng)“i(s)PowerControtleds阻尼增強(qiáng)北電力大北電力大學(xué)柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)振蕩抑制AFkp3抑制策略—3.2交流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)振蕩抑制參數(shù)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)：通過控制器參數(shù)的配合設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)換流站交流側(cè)高頻高頻段的無源化，但此方法會(huì)較大限制換流器的參數(shù)選取范圍，影響其他特性(如暫態(tài))kHp(s)Ast電磁暫態(tài)仿真電磁暫態(tài)仿真高頻阻抗模型及控制器協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)3抑制策略——3.2交流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)振蕩抑制陷波器Bode圖3抑制策略——3.2交流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)振蕩抑制柔性直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)振蕩抑制工況1:渝側(cè)近端N-1工況2:郡側(cè)近端N-1工況1:渝側(cè)近端N-1工況2:郡側(cè)近端N-1時(shí)時(shí)硬件在環(huán)實(shí)時(shí)