我國能源主要分布在“三北地區(qū)”,而負荷中心主要位于東部沿海一帶,為了將電能大容量遠距離輸送,高壓直流輸電是最好的選擇。隨著電力電子器件的發(fā)展,電壓源型換流器可以支撐交流電壓,獨立控制與交流系統(tǒng)交換的有功功率和無功功率,這些優(yōu)勢使得柔性直流輸電技術(shù)迅速發(fā)展。隨著我國可再生能源占比的不斷增加,新能源機組經(jīng)換流器并網(wǎng),其輸出功率不能響應系統(tǒng)頻率的變化,交流系統(tǒng)的有效慣量減小,而直流系統(tǒng)會解耦兩端交流系統(tǒng),使得有效慣量進一步減少。此外,電力系統(tǒng)電力電子化會影響交流系統(tǒng)的有效阻尼,容易引起系統(tǒng)寬頻振蕩。本文通過合理設(shè)計柔性直流輸電系統(tǒng)的附加控制策略,來為交流系統(tǒng)提供頻率和阻尼的支撐。為了提升交流系統(tǒng)的有效慣量,使得換流器的輸送功率響應頻率的變化,需尋找能量支撐的來源。大擾動情況下頻率波動的時間常數(shù)大,在系統(tǒng)中,能量儲存元件的能量很小,難以支撐交流系統(tǒng)頻率。本文在換流器端子引入發(fā)電機一次調(diào)頻的“P-f曲線”作“p-f下垂控制”,使得直流系統(tǒng)可以通過改變傳輸?shù)墓β手?從另一端電網(wǎng)擷取能量,從而對低慣量系統(tǒng)提供虛擬慣量。本文采用模型預測控制算法分別設(shè)計了整流器和逆變器的控制系統(tǒng),并對整個直流系統(tǒng)進行建模。模型預測控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應快和魯棒性好等特點,易于實現(xiàn)與柔性直流系統(tǒng)相連的低慣量交流系統(tǒng)頻率波動的抑制。本文分析了基于“p-f曲線”的柔直系統(tǒng)的模型預測控制對系統(tǒng)頻率變化的抑制作用,并在PSCAD/EMTDC仿真平臺建立了仿真模型,對比分析了系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PI雙環(huán)控制和模型預測控制對系統(tǒng)頻率的影響。仿真結(jié)果表明,模型預測控制方法能夠有效抑制交流系統(tǒng)頻率變化的幅度,加快頻率恢復的速度。兩端柔性直流輸電系統(tǒng)可以增加新落點,擴展為多端柔性直流輸電系統(tǒng)。針對連接低慣量交流系統(tǒng)的多端柔性直流輸電系統(tǒng),當系統(tǒng)發(fā)生大擾動時會發(fā)生頻率變化,為了給交流系統(tǒng)提供虛擬慣量,在換流器控制系統(tǒng)引入了 P-f下垂控制,為了進一步抑制頻率波動,快速調(diào)節(jié)各個端子間的功率平衡,設(shè)計了多端系統(tǒng)的自適應下垂控制,可以最大限度的利用換流器容量,減小直流電壓波動。論文在PSCAD/EMTDC仿真平臺建立了多端直流系統(tǒng)仿真模型,對比分析了主從控制、下垂控制和自適應下垂控制對交流系統(tǒng)頻率和直流電壓的影響。仿真結(jié)果表明,p-f下垂控制可以幫助交流系統(tǒng)抑制頻率變化,自適應下垂控制可以加強抑制的效果,加快有功功率調(diào)節(jié)響應速度,減小直流電壓波動,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文討論的電力系統(tǒng)中的寬頻振蕩包括頻率在0.1Hz與50Hz之間的低頻振蕩和次同步振蕩,與低慣量系統(tǒng)的頻率變化相比,時間常數(shù)小,需要外界支撐的能量較小。當系統(tǒng)發(fā)生寬頻振蕩時,模塊化多電平換流器(MMC)的橋臂電容器上的能量可以通過合理的控制策略的調(diào)節(jié)來為交流系統(tǒng)提供能量補償。傳統(tǒng)的MMC控制系統(tǒng)包括功率、電壓控制等上層控制和環(huán)流控制等下層控制。MMC的能量控制,可以通過控制環(huán)流電流的直流分量,靈活控制MMC橋臂上電容器的能量。傳統(tǒng)方式下,直流系統(tǒng)可以配合功率振蕩抑制(POD)控制器來為交流系統(tǒng)提供阻尼,但直流功率會根據(jù)POD的輸出而振蕩。為了保證直流功率的穩(wěn)定,本文基于能量控制設(shè)計了 POD能量補償控制,數(shù)學分析了 MMC橋臂電容器上可利用的能量,并在PSCAD/EMTDC仿真平臺上模擬送端為兩機交流系統(tǒng)的MMC-HVDC,POD控制器位于整流器側(cè)。仿真結(jié)果驗證了 POD能量補償控制可以暫態(tài)解耦直流系統(tǒng)兩端功率的傳輸。此外,POD能量補償控制解決了嵌入式直流的三機系統(tǒng)使用傳統(tǒng)POD控制方式會導致振蕩加劇的問題,證明了POD能量補償控制的優(yōu)越性。傳統(tǒng)POD控制器通過配合直流系統(tǒng)的有功功率控制端的控制系統(tǒng)來對交流系統(tǒng)進行振蕩抑制,因此只置于直流系統(tǒng)的一端換流器。而POD能量補償控制可以允許直流系統(tǒng)暫態(tài)解耦,通過在直流電壓控制端子處也加入POD能量補償控制,并與有功功率控制端的POD能量補償控制組成多POD能量補償控制系統(tǒng),可以為兩端交流系統(tǒng)提供更多阻尼。此種方法對于嵌入式直流系統(tǒng)更為有效�；诙郟OD能量補償控制,本文對嵌入式直流系統(tǒng)的三機系統(tǒng)進行根軌跡分析,并在PSCAD/EMTDC仿真平臺中,建立了詳細仿真模型,驗證多POD能量補償控制具有更好的阻尼特性。次同步振蕩是常見的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題之一。為了抑制次同步振蕩,可以投入次同步阻尼控制器(SSDC),根據(jù)其輸出改變直流系統(tǒng)的有功功率指令值,從而為交流系統(tǒng)提供阻尼,但直流系統(tǒng)一端有功功率的振蕩部分會傳遞到另一端交流網(wǎng)絡上。為了在直流系統(tǒng)中補償功率振蕩部分所需的能量,暫態(tài)解耦直流系統(tǒng),引入SSDC的能量補償控制,利用MMC橋臂電容器的能量來補償SSDC所需的能量。本文基于IEEE第一標準次同步諧振系統(tǒng),設(shè)計了 SSDC系統(tǒng)的參數(shù)和能量補償控制,并在PSCAD仿真平臺上驗證了 SSDC和能量補償控制的有效性。以上內(nèi)容說明,柔性直流輸電系統(tǒng)可以為交流系統(tǒng)提供頻率和阻尼的支撐,從而提升交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【學位單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TM721.1
【部分圖文】：

直流輸電能夠解耦兩端交流電網(wǎng)，會使交流系統(tǒng)總的“有效慣量”進一步??減少。傳統(tǒng)機組與新能源組成的電源組經(jīng)ＶＳＣ－ＨＶＤＣ送出，將失去受端電網(wǎng)??的慣量支撐。因此，需要在交流系統(tǒng)中加入虛擬慣量，如圖１－２所示。加入了??虛擬慣量后，系統(tǒng)有效慣量增加，在慣性反應期間，頻率變化率減小，最低點??升商，頻率變化減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加。對干低慣量交流系統(tǒng)來說，需要考慮??兩個非常重要的指標：頻率變化率（Ｒａｔｅ?ｏｆ?Ｃｈａｎｇｅ?ｏｆ?Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，?ＲｏＣｏＦ）和頻率??最低點（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?Ｎａｄｉｒ）。ＲｏＣｏＦ指的是受到擾動后，頻率的初始變化率，一??般小于０．５?Ｈｚ／ｓ，而各個國家的ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＮａｄｉｒ的標準不一，但都應該大于４７??Ｈｚｌｌｓ＿１６】。??火電廠?水電廠?儲能系統(tǒng)??＞廣—＇＼?傳統(tǒng)發(fā)電機組?廣—＇Ｖ??？?（ｓ）?＠??［?）高慣＃?；低慣?１；??＠?？?（§；?（Ｔ）??核電站?光伏發(fā)電?風力發(fā)電??發(fā)電機主導電力系統(tǒng)?換流器主導電力系統(tǒng)??圖１－３電網(wǎng)架構(gòu)圖??Ｆｉｇ．?１－３?Ｐｏｗｅｒ?ｇｒｉｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??此外，新能源接入電網(wǎng)后，容易產(chǎn)生寬頻振蕩，其機理十分復雜，由電力??電子設(shè)備的拓撲和參數(shù)決定，振蕩頻率從幾１丨２到幾十Ｈｚ，甚至高到千Ｈｚ以上??［１Ｔ１。例如

電力系統(tǒng)的有功功率和頻率調(diào)整分為一次、二次和三次調(diào)整三種。一次調(diào)??整是指由發(fā)電機組的調(diào)速器進行的、對負荷變動引起的頻率偏移的調(diào)整。以一??臺發(fā)電機為例，其靜態(tài)頻率特性如圖２－１所示。??／Ｖ?‘??Ｐｇｓ?—?—?一?—?＼??Ｎ??０?＞?／??圖２－１靜態(tài)頻率特性??Ｆｉｇ．２－１?Ｓｔａｔｉｃ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ?ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ??當負荷突然變化，系統(tǒng)頻率發(fā)生波動，發(fā)電機組功率將因它的調(diào)速器的一??次調(diào)整作用而改變，如式（２－５）所示：??ＡＰ（ｉ?＾－ＫｃＡｆ?（２－５）??１６??

圖２－３引入Ｐ－／曲線的ｄｑ解耦控制??Ｆｉｇ．２－３?Ｄｑ?ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ?ｃｏｎｔｒｏｌ?ｗｉｔｈ?Ｐ－ｆｃｕｖ＼Ｑ??引入曲線后的ｄｑ解耦控制如圖２－３所示。當送端弱系統(tǒng)發(fā)生大擾動時，??頻率發(fā)生變化，送端換流器可以改變直流系統(tǒng)的功率指令值為式（２?－?６）中的Ｐ’，??作為圖２－３中的八ｅｆ，通過調(diào)節(jié)自身的功率輸出為送端弱交流系統(tǒng)提供虛擬慣??量，與送端交流系統(tǒng)進行動態(tài)調(diào)節(jié)共同抑制頻率的變化。??２．４?ＶＳＣ－ＨＶＤＣ的模型預空制Ｊ??模型預測控制是一種基于模型、迭代計算和反饋校正的優(yōu)化算法｜｜（？。可將??所有的約束條件包含在系統(tǒng)的預測控制算法中，并使系統(tǒng)的參數(shù)都控制在允許??的范圍內(nèi)｜５Ｃ）ｍ｜Ｕ８１。與傳統(tǒng)電流解耦控制相比，省去了內(nèi)外環(huán)控制以及鎖相環(huán)??Ｔ／對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響＾?｜（）９結(jié)構(gòu)更加簡巾．，開關(guān)效半高，扒有很好的魯??榨性１４２１。??１８??
【參考文獻】

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本文編號：2890374