基于高比例电力电子的海上风电多端柔直系统的频率振荡抑制.pdf

水 力 发 电第 卷第 期 年 月 .基于高比例电力电子的海上风电多端柔直系统的频率振荡抑制李 欣 林继灿 王 红(河北民族师范学院 河北 承德 华南理工大学电力学院 广东 广州)摘 要:在电压源转换器的多端高压直流()集成海上风电场中 由于电力电子接口的渗透率较高 系统的惯量较低 其频率支撑和振荡抑制能力不足另外 多端口间缺乏相互支援的能力 在弱电网区域受到功率波动时 频率振荡明显 这些振荡不利于可再生能源的调整和系统的稳定运行 因此 提出了一种基于 的惯量和阻尼模拟控制方案 以应对海上风电场面对扰动时引起的频率波动 该方案的惯量利用直流电容进行惯性功率的模拟 阻尼利用各端口的频率进行阻尼功率的模拟 模拟的惯量和阻尼系数利用小信号模型进行了分析 最后 通过电磁暂态仿真证明了惯量阻尼方法能有效抑制 系统的频率振荡 提高含有高比例电力电子接口的弱电网区域的频率稳定特性关键词:频率振荡 惯量阻尼 小信号 海上风电场 弱电网 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:河北省高等学校科学技术研究青年拔尖人才项目()承德市清洁能源(双碳)产业研究院()河北民族师范学院校级科研课题()作者简介:李欣()男 辽宁葫芦岛人 硕士研究生主要从事新能源并网发电研究.0引言风能是一种典型的可再生能源 其发电组合每年都在持续增长 其中大型海上风电场()具有占地面积小、风速高和年利用小时数高等优点 是可再生能源的关注领域第 卷第 期李 欣等:基于高比例电力电子的海上风电多端柔直系统的频率振荡抑制 .与陆上电网的距离长 并且需要大量电力传输 因此 电压源转换器的多端高压直流()成为海上风电场大规模集成输电的高效技术高压直流输电对孤岛电网和主电网之间具有解耦效果 减弱两端系统的相互作用 但是 端口间缺乏相互支撑的能力 在发生扰动的时候 容易造成系统频率的振荡 中电力电子换流器的渗透率高 跟网型的控制策略无法使电压源转换器()获得频率支撑同时将交流电网分割成惯性较低的区域电网 进一步加剧了系统在发生扰动时的频率抖动 因此许多增加高压直流输电系统惯性和阻尼的方法被提出 为系统提供频率支撑文献中提出了交互通讯的风力涡轮机的辅助频率控制回路 辅助控制器将电网频率信号转换为电压下垂控制的附加直流电压信号 当风电场侧()检测到直流电压偏差 将通过控制变桨和风力涡轮机中存储的动能来调整输出功率 文献提出了集成风电场的无通信惯性响应方案 但是它忽略了 站和直流网络功率损耗对系统惯性的影响 同时 随着 数量和传输距离的增加 将导致惯性策略作用效果变差的现象 文献使用惯性仿真控制方案()为系统附加惯性功率 其惯性功率利用直流电容的吸收和释放能量的能力 改变直流线路电压 文献提出了双边惯量和阻尼的方法 为两端口的直流输电系统提供快速惯性和阻尼响应 然而 上述研究关注双端柔性直流输电系统 多端高压直流输电系统中 之间的耦合更加复杂 中考虑到多 与其他无源设备(如滤波器、变压器、线路等)之间的复杂耦合 给系统的协调控制与频率振荡抑制带来了极大的困难为了提高 的频率稳定性 许多频率支撑的方法被提出 文献 提出利用阻尼因子改进 的惯量阻尼模拟控制方法 但是该方法无法对异步交流的互联系统实现惯量和阻尼支撑文献使用自适应下垂系数提高 的动态稳定性和实现有功的分配 文献对虚拟同步机()的 控制方案进行了研究 使 具有电网支撑能力 同时具有惯性和阻尼特性 文献在文献的基础上 改进 方案 通过控制直流电压和交流电网频率来利用高压直流系统直流链路电容器中存储的电磁能量 但是 方案并未模拟出中设计的同步发电机的阻尼特性 而阻尼特性对于系统在振荡收敛中具有重要的作用 文献使用有功功率/直流电压下垂控制为 提供频率支撑但是无法为系统提供惯量和阻尼响应在多端口直流输电区域中 海上风场区域主要由高比例电力电子接口组成 其所表现出的弱电网特性会使其在捕获的风能扰动时 容易发生较大的系统区域频率波动 因此 为抑制 中弱电网特性的区域发生频率波动 本文提出了一种基于 的附加惯量阻尼的控制方法 利用网侧()直流电压控制调节直流电压参考值 进而对惯性功率进行模拟 以提高系统间的惯量 同时利用系统中的频率信息构造阻尼项 有效抑制风电场侧 系统在发生功率扰动时引起的频率波动 加快了频率的收敛速度 最后利用电磁暂态仿真验证了方法的有效性1VSCMTDC 系统结构和传统控制策略 系统的典型径向拓扑如图 所示其中 为直流侧线路电阻 为直流侧线路电抗 的发电功率由 收集并注入 系统 长海底电缆将电力传输到公共耦合点()然后根据控制策略将功率分配给每个 图 中 左侧 区域和孤岛区域为弱电网 陆上交流电网为强电网 电网强度依据其短路比()大小进行定义 本文弱电网 强电网 图 系统在 中 和 的控制策略如图 所示 被认为是一个弱交流电网 需要 提供的电压和频率支持 通常需要锁相环进行功率控制水 力 发 电 年 月 .图 控制框图对于 目前的研究控制中主要是使用功率控制或者功率直流电压()下垂控制作为基本控制器2基于同步电机的惯量阻尼模拟本文所提出的交互惯量阻尼方案基于同步发电机的转子运动方程 为 提供惯性功率和阻尼功率 具体包括惯量模拟控制方案和阻尼模拟控制方案同步发电机的转子运动方程为()()式中 和 分别为转子转动惯量系数和阻尼系数 和 分别为电网角频率和额定角频率 和 分别为同步电机输入机械功率和输出电功率根据式()可知 惯性功率和阻尼功率的模拟通过 和()项 同步电机的惯性功率和阻尼功率都根据角频率的变化进行调整 当系统趋近稳定时根据功率流向 直流电容充放电控制直流侧电压值 可得 ()式中 为 的直流电容的数量 为单个直流电容的电容量 为第 个控制直流侧电压的 的直流线路实际电压 为单个换流站的视在容量 和 分别为 系统输入和输出功率 为直流电容器吸收或释放电磁功率的标幺值 由式()可知惯性功率可以描述为 定义每台机组所需的惯性功率为 根据功率变化 提供功率惯性 结合式()、()可得 ()进一步积分可得 ()则惯量模拟方法获得的 可以表示为 ()()结合式()和式()可知 模拟的惯性功率根据频率变化进行调整 同时直流侧电压具有调节功能 因此 调整直流线路中的直流侧电压 用来跟随频率的变化 向两侧提供具有转动惯量 的惯性功率由式()可知 直流电容的选取对于直流电压的稳定具有重要作用 因此 需要选取合理的直流电容 才能有效提供稳定的惯量功率 式()可以被重新表示为 ()()对其进行泰勒公式展开 忽略高阶项后可得 ()()()()第 卷第 期李 欣等:基于高比例电力电子的海上风电多端柔直系统的频率振荡抑制 .由式()可知 电容与频率和直流侧电压的变化速率有关 结合系统频率和直流侧电压变化的幅度 定义上限为 ()式中 右下角的 和 分别代表最大和最小偏移值 因此 直流电容的参考值可以计算为 ()中 采用了功率电压控制 因此 直流电容提供的惯性功率可以利用有功控制模拟到 中 ()图 和 变化时根轨迹图 和 变化时根轨迹式中 为有功功率的参考值 通过式()可知当 发生功率扰动时 通过改变注入有功功率进行二次调节 此部分为向 注入的惯性功率 从而使系统获得根据频率变化而模拟的惯量 结合式()可知 模拟的惯性功率由 通过直流侧电压控制改变电容的电磁能 进行电压参考值的调整而获得 同样根据等式()可知 阻尼功率可以描述为()只要存在角频率偏移()就会存在阻尼功率 因此 侧模拟阻尼功率后可以描述为 ()()由式()可知 在系统频率发生波动时 通过改变 的功率给定值 使其附加阻尼功率 当系统稳定时 附加的阻尼功率为 不影响系统的稳定运行的3参数稳定性分析为了更好分析模拟的转动惯量系数和阻尼系数利用小信号分析方法进行参数分析 具体建模过程可以参考文献 线性化后的系统小信号模型可以表示为 ()式中 为控制器输入 为 系统的输出量 结合图 可知 同样为控制直流侧电压的并网模块 采用基于功率下垂的直流电压外环控制策略 和 为海上风电侧模块 与 同样为弱电网侧 采用功率电压外环控制因此 不失一般性的对()、()和()进行分析 增大参数 范围从 到 其根轨迹变化如图 所示由于系统整体阶数较高 相应的特征根也较多因此图 展示了变化较为明显的部分主特征根由图、可知 增大的时候 主特征向左边偏移幅度较大 有利于系统的稳定性 但是小部分向右偏移 因此过大的 值不利于系统的稳定性同时大部分特征值变化趋势较小 其中图、中 参数变化对系统特征值变化影响更大 这是由于弱电网下 系统对于参数变化的灵敏性较高 而图 中特征值变化趋势小 是由于强电网下 系统韧性强度高 稳定性较好水 力 发 电 年 月 .图 和 变化时根轨迹图图 传统控制策略系统输出波形表 的初始参数 站容量/直流电压标准值/交流电压标准值/直流电容/直流侧直流电阻/直流电抗/直流电阻/直流电抗/由图、可知 随着 的增大 系统大部分主特征值向左边偏移 系统的阻尼增大 能有效抑制系统的振荡 由图 可以看出 过大的阻尼容易使得系统在稳定附近点波动 从而导致失稳定 同样 图 和图 中 系统主特征值变化幅度较大 这是由于弱电网侧引起整体系统的波动较为明显 因此 模拟的惯量功率和阻尼功率对系统的影响较为明显4算例分析为了验证所提出方法的有效性 使用/软件模拟如图 所示的五端口 模型 包含 个非同步陆上电网和 个 的网络 系统参数参考文献 同时 直流侧电容的选取满足式()的要求 每个 的总风力为 的初始功率分配比为 如表 所示 传统控制策略在 时 风能捕获功率发生扰动此时系统功率输出以及频率输出如图 所示由图 可 知 仅 采 用 传 统 控 制 策 略 时 当 侧发生扰动时 弱电网侧的输出频率波动比较明显 其中 由于弱电网特性 在发生扰动时 输出的频率振荡较大 其次是 当频率动态性能较差时 将严重影响系统整体稳定运行 附加惯量和阻尼模拟控制结合图 的分析 本文选取惯量系数和阻尼系数为 增加惯量功率和阻尼功率后的输出如图 所示与图 相比 当 采用所提出的惯量阻尼模拟方法时 和 的频率波动明显减小 说明功率振荡已被深度抑制 图 为 附加的惯性功率 图 为 所附加的阻尼功率和惯性功率 由图、可知 惯性功率和阻尼功率可以根据角频率的变化而进行调整 为系统提供惯量和阻尼 考虑通讯延迟分析由于所提的方法需要利用各端口的频率进行交互模拟惯量功率和阻尼功率 同时海上输电与陆上电网具有较长的距离 因此 需要考虑通讯延迟的工况下 算法的有效性 根据文献可知 通讯延迟大约在 之间 定义通讯延迟为 延迟第 卷第 期李 欣等:基于高比例电力电子的海上风电多端柔直系统的频率振荡抑制 .图 附加惯量和阻尼控制策略系统输出波形图 的惯性功率图 的惯性功率和阻尼功率图 变化下系统主特征根变化曲线由 对系统主特征根的影响如图 所示 由图 可知 随着通讯延迟的增加 主特征根往右边移动 说明系统的稳定性减低 当系统通讯在 时 主特征根接近虚轴 系统的稳定性受到较大的影响 但是特征根同样在左半轴 证明系统在较大的通讯延迟下 系统的稳定裕度较高图 为 时系统输出 从图 可知在较大的延迟环境下 算法同样有效 说明了所提方法具有较高的延迟裕度图 通讯延迟下系统输出波形5结论本文研究了 的惯量和阻尼模拟控制为系统整体提供惯性功率和阻尼功率 抑制系统发生扰动时的振荡 所提的惯量和阻尼模拟方法 利用直流电容充放电能力 在弱电网区域发生功率扰动而引起频率波动时 为系统补偿惯性功率 进行多端口的频率支撑 其次 在系统频率调节期间根据频率的变化 进行阻尼功率的模拟 所得结论如下:()模拟的惯性功率和阻尼功率只需对端口的频率进行测量即可 在使用较少的频率信息交互下所模拟的惯性功率和阻尼功率方案具有较高的延迟裕度 同时 由于所模拟的惯性功率需要利用直流侧电容的充放电能力 因此 直流侧电容的选取需水 力 发 电 年 月 .参考电压和频率变化的范围进行筛选()弱电网侧系统对扰动的抑制能力较低 同时对参数的灵敏性较高 因此 所增加的策略在弱电网侧附加惯性功率和阻尼功率时 参数调整范围不宜过大()通过仿真和实验可知 与传统控制策略相比 所增加的惯量和阻尼模拟方法能有效的提高系统的动态性能 保证了风电区域交流网在受到功率波动下的系统稳定 避免了因高比例电力电子设备接入所带来功率振荡问题参考文献:.():.罗兰 王渝红 陈诗昱 等.基于虚拟同步发电机控制策略的多端柔性直流系统自适应下垂控制.科学技术与工程():.():.():.刘英培 崔汉阳 梁海平 等.考虑直流电压稳定的 附加频率自适应下垂控制策略.电网技术 ():.宋平岗 杨长榄 龙日起 等.考虑功率裕度的 改进下垂平坦控制策略.电工电能新技术 ():.():.():.():.():.():.():.申志鹏 朱介北 李斌 等.基于柔性直流输电系统的双边惯量和阻尼模 拟控 制方 案 .高 电 压 技 术 ():.():.付强 杜文娟 黄登一 等.含虚拟同步发电机的多端柔性直流系统稳定性分析.电力系统自动化 ():.():.():.刘佳宁.高比例风光并网系统稳定机理与功率振荡分析.杭州:浙江大学.辛焕海 甘德强 鞠平.多馈入电力系统广义短路比:多样化新能源场景.中国电机工程学报 ():.():.():.洪灏灏 顾伟 黄强 等.微电网中多虚拟同步机并联运行有功振荡阻尼 控制 .中 国 电 机 工 程 学 报 ():李亚州.多端柔性直流输电系统交直流电压稳定控制策略研究.南京:东南大学.(责任编辑 高 瑜)