VSC-HVDC参与送端电网的调频控制策略_张雪莲.pdf

研究与探索V S C-HV D C参与送端电网的调频控制策略张雪莲,严干贵(东北电力大学,吉林 吉林 1 3 2 0 1 2)摘 要:电压源型直流输电(v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r-h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t,V S C-HV D C)具有控制灵活且易于在送受端扩展新落点等优点,有助于新能源的友好接入,因而在新能源基地的直流输电中具有广阔的应用前景。随着柔直送端电网新能源占比不断增加,导致送端电网系统等效惯量持续降低、调频能力大幅减弱。针对高新能源渗透率的送端电网系统,利用V S C-HV D C对有功功率的独立与快速调节的特点,在传统的定有功功率控制中引入有功功率-频率(P-f)斜率特性,设计反下垂控制策略,使其参与送端交流系统的频率调节。并在P S C A D/EMT-D C中搭建两端柔性直流输电电网模型进行仿真验证。结果表明,所提出的控制策略提高了送端系统的频率稳定性,具备一定的有效性与可行性。关键词:电压源型直流输电;反下垂控制;频率调节中图分类号:TM 7 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 1 5-0 6F r e q u e n c yM o d u l a t i o nC o n t r o l S t r a t e g yo fV S C-H V D CP a r t i c i p a t i n ga t t h eS e n d i n gE n dN e t w o r kZ HAN GX u e l i a n,YANG a n g u i(N o r t h e a s tE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,J i l i n1 3 2 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:V o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r-h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t(V S C-HV D C)h a st h ea d v a n t a g e so ff l e x i b l ec o n t r o la n de a s yt oe x p a n dn e wl a n d i n gp o i n t a t t h es e n d i n ga n dr e c e i v i n ge n d,w h i c hi sc o n d u c i v et ot h ef r i e n d l ya c c e s so fn e we n e r g y,s oi th a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t i nt h eD Ct r a n s m i s s i o no f n e we n e r g yb a s e.W i t ht h e i n c r e a s eo f t h ep r o p o r t i o no f n e we n e r g ys o u r c e s i nt h es e n d i n ge n do f t h ep o w e r g r i d,t h e e q u i v a l e n t i n e r t i ao f t h ep o w e r g r i ds y s t e ma t t h e s e n d i n ge n dc o n t i n u e s t od e c r e a s e,a n d t h ef r e q u e n c ym o d u l a t i o na b i l i t ys i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e s.I n t h i sp a p e r,a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o fV S C-HV D C s i n d e p e n d e n t a n df a s t r e g u l a t i o no f a c t i v ep o w e r,t h es l o p ec h a r a c t e r i s t i co f a c t i v ep o w e r f r e q u e n c y(P-f)i s i n t r o d u c e d i n t ot h et r a d i t i o n a l c o n s t a n ta c t i v ep o w e r c o n t r o l,a n d t h e a n t i-d r o o pc o n t r o l s t r a t e g y i sp r o p o s e d t om a k eV S C-HV D Cp a r t i c i p a t e i n t h e f r e q u e n c yr e g u l a t i o no ft h e t r a n s m i s s i o ne n do f t h ep o w e r g r i d.I nP S C A D/EMT D C,a t w o t e r m i n a l f l e x i b l ed i r e c t c u r r e n t t r a n s m i s s i o nn e t w o r km o d e l i sb u i l t f o r s i m u l a t i o n.T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h ep r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g y i m p r o v e s t h e f r e q u e n c ys t a b i l i t yo f t h e t r a n s m i s s i o ne n do ft h ep o w e rg r i da n dh a sc e r t a i ne f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t y.K e yw o r d s:v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r-h i g hv o l t a g ed i r e c t c u r r e n t;c o n t r a-d r o o pc o n t r o l;f r e q u e n c yr e g u l a t i o n收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 7作者简介:张雪莲(1 9 9 2.1 1),女,硕士研究生,主要研究方向为新能源发电及调频控制。0 引言西北电网是我国较典型的多直流送端电网,且呈现高新能源渗透率特征。此类送端系统在频率方面有以下几个问题:新能源发电的间歇性、不确定性、波动性等固有缺点会导致电力系统频率的波动;系统中同步电源占比减小,系统等效惯量降低,承受扰动能力继续变差,调频能力大幅减弱1;新能源机组对系统高频的耐受能力较差,当系统发生较大扰动时,新能源机组容易大面积脱网,引发严重的连锁性故障2。在此类送端电网系统中,可以考虑充分利用电压源 型 直 流 输 电(v o l t a g es o u r c e dc o n v e r t e r-h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t,V S C-HV D C)的灵活调节能力参与频率调节。目前,国内外学者针对柔性直流输电系统提出有效频率调节措施的研究相对较少,提出的一些方法主 要 为 以 下 几 类:基 于 站 间 通 信 的 主 从 式 控制3-5,此类方法不仅实施成本较高,通信延时还会影响控制性能;以直流电压为媒介传递频率波动的主从式控制6-7、可以消除远距离通信带来的问题。虚拟同步机类的控制方法8-1 1,适用于受端电网系51第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.006统的频率调整。但以上文献所提出的方法中柔性直流输电仍然按照预设的传输功率值运行,然而在未来,输送功率对于送受端交流电网的容量而言,将占有越来越大的比例,此时应考虑令柔性直流输电在交流电网之间发挥事故支援能力1 2。文献1 3 提出了一种基于自适应下垂反馈的功率控制器,以帮助受扰后的受端交流频率快速恢复,但未研究送端电网发生功率不平衡时的送端频率失稳问题。本文针对高新能源渗透率的送端电网系统,利用V S C-HV D C对有功功率的独立与快速调节的特点,在传统的定有功功率控制中引入有功功率-频率(P-f)斜率特性,使交流电网的频率波动量转换为直流有功功率参考值补偿量,设计反下垂控制策略,使 其 参 与 送 端 交 流 系 统 的 频 率 调 节。并 在P S C A D/EMT D C仿 真 平 台 中 搭 建 模 型,验 证V S C-HV D C与光伏发电一同参与调频的运行稳定性与策略有效性。1 V S C-HV D C系统结构及换流器数学模型柔性直流输电可分为双端结构与多端结构,本文只针对送端电网频率调节策略进行初步研究,因此选取了较简单的双端对称单极拓扑结构。同时换流器也存在多种拓扑结构,但为简明起见,本文对换流器拓扑结构进行了简化,采用典型的三相两电平六脉冲型换流器,其实这也不失通用性与代表性。柔性直流输电采用电压源换流阀,一般使用大功率的可控关断型电力电子器件如绝缘栅双极型晶体管(i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r,I G B T)、集成门极换流晶闸管(i n t e g r a t e dg a t e-c o mm u t a t e d t h y r i s t o r,I G C T)等,本文采用I G B T做为换流阀。建模过程中只考虑基波分量,忽略高频开关导致的高频分量及功率损耗。由于双端柔性直流输电系统两侧V S C对称一致,只是工作状态不同,所以对一侧V S C进行建模即可。V S C-HV D C系统送端换流器见图1。其中usk为电网电压单相基波值;uck为V S C交流侧单相电压值;ick为V S C交流侧电流,k=a,b,c;C为V S C直流侧电容;ud c为V S C直流侧电压;id c为V S C直流侧电流;id为直流输电电流;R、L分 别 为 并 网 点 至 换 流 器 端 口 线 路 的 电 阻、电感。根据本文规定的正方向,V S C-HV D C整流站V S C 1在a b c坐标系下的数学模型为:图1 V S C-H V D C输电系统送端换流器V S C 1Ldickdt=usk-uck-R ickCdud cdt=id-id c(1)在a b c坐标系下设计控制系统时,需要对每一相分别进行控制,算法相对复杂。如果能将交流量转换成直流量,则模型可以得到简化,有助于控制系统的分析与设计。采用恒幅值派克变换矩阵进行坐标变换,在两相旋转d-q坐标系下,使d轴和us a相重叠。则在d-q同步旋转坐标系下,送端换流器V S C 1的数学模型为:Ldicddt=usd-ucd-R icd+L icqLdisqdt=usq-u