化北電力大學柔性直流輸電系統頻振蕩分析與控制劉崇茹2024年10月19日珠海匯報提綱大工大工用大2331研究背景填率H新能源送端支撐能力弱穩定問題頻發小e稻氣與霍思風場標第二次y填率H新能源送端支撐能力弱穩定問題頻發小e稻氣與霍思風場標第二次y下族柔直構網型控制柔性直流輸電傳統送出手段靈活性、怏速性不足大力發展新能源發電大力發展新能源發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柔直工程典型振蕩事紀某柔直工程振蕩某柔直工程振蕩法法·西聯網工程設備損毀1研究背景柔性直流輸電系統中的振蕩主要可以表現為三大類：柔性直流輸電系統中的振蕩主要可以表現為三大類：換流站內部振蕩、直流側振蕩以及交流側振蕩。針對上述問題，從機理分析、抑制策略以及仿真建模等方面展開柔性直流輸電系統寬頻振蕩機理分析換流站內部設計問題口站(極)控制系統不穩定誘發振蕩柔直通道站間協同問題MMC-HVDC系統振蕩抑制匯報提綱2機理力析2柔性直流換流閥通常采用模塊化多電平結構，其控柔性直流換流閥通常采用模塊化多電平結構，其控制系統分為閥基控制和站(極)控制兩部分控制回路關系(電容電壓恒定)換流閥基本結構上述模型在早期使用中時常出錯，2014年前后(廈門工程投運)工業界開上述模型在早期使用中時常出錯，2014年前后(廈門工程投運)工業界開始關注電電容的基頻波動(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構，其控柔性直流換流閥通常采用模塊化多電平結構，其控制系統分為閥基控制和站(極)控制兩部分控制回路關系(電容電壓波動)控制回路關系(電容電壓波動)閥控制器是柔直流換流站控制系統設計的第一步閥控制器是柔直流換流站控制系統設計的第一步，通常跟閥體打包出廠閥控穩定性(詳細評估):維模型(計算略),穩定性取決于閥控中環流控制器與整個閥體(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)詳細的閥控)環流抑制)回路等效電路十等效電路謁L則形成正反饋回路，臨界不穩定-1S二階矩陣，如果滿足廣義這里的環流控制器可采用不同的方案，此處僅以目前國內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—閥控穩定性仿真測試與模型驗證閥控穩定性仿真測試與模型驗證RealRealAxisFIFrequencyIncrease實線(解析計算結果)與實點(掃頻結果)高度吻合下的通下的通掃頻驗證掃頻驗證北電力大北電力大學柔直換流站閥體和閥控裝置設計穩定后，第二步是確保站(極)控制系統的柔直換流站閥體和閥控裝置設計穩定后，第二步是確保站(極)控制系統的穩定，站控穩定性(簡化評估):饋環節和控制延遲的相互作用。(可認為站控和閥控解耦)AVCHyHy(s)(子模塊閥串被視為理想受控電壓源)近近年來基本達成共識：需采用多諧波線性化等多頻線性化技術進行詳建模以確保工程分析的精度需求站控穩定性(詳細評估):控制對象(PlantModel):換流閥體和閥控系統延遲交流電壓控制器和前饋受控對象GOpen:開環傳遞函數矩陣詳細的站控(交流電壓控制)回路詳細的站控(交流電壓控制)回路站控穩定性仿真測試與模型驗證站控穩定性仿真測試與模型驗證降低至50%,4s降低至0理論分析結果：滿功率運行不穩定，50%功率臨實線(解析計算結果)與實點(掃頻結果)高度吻合otfiequ時域仿真結果：環流控制器比例增益為1.5時051015202530354.045子模塊電容電壓波動對閥控和站控回路的影子模塊電容電壓波動對閥控和站控回路的影響主要體現在中低頻段電容器的高頻濾波效應意味著頻率愈高，電容阻抗越小。對于高頻信號而言，電容器可視為短路，故電容器的基頻波動對其高頻調制特性的影響很小環流控環流控制器—2機理分析——2.2直流側振蕩正反饋不穩定：開環增益不滿足Nyquist穩定判據(也稱為負阻尼不穩定)總直流側導納：直流電壓傳遞函數：直流電壓傳遞函數：直流側電壓-電流反饋回路2機理分析——2.2直流側振蕩DCSide交流系統影響十d十直流電壓經柔直換流站控制回路、調制環節以及外部交流系直流電壓經柔直換流站控制回路、調制環節以及外部交流系統的調制過程2機理分析——2.2直流側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視角：交流系統又可被分為正序和負序兩個系統，換流站則作為正序、負序和直柔性直流換流站等值阻抗表示(含交流側系統)柔性直流換流站等值阻抗表示(含交流側系統)交流系統的影響：主要對直流側阻抗基波附近的影響較強換流站換流站交流系ff-ff-fff-fia風電接入對響主要集中于基波附近華華北電力大學柔性直流輸電系統直流側負阻尼振蕩柔性直流輸電系統直流側負阻尼振蕩影響(Nyquist穩定分析)0直流側阻抗分析(伯德圖)直流側阻抗分析(伯德圖)功率升至滿功率，過程中出現持續性7IAA4除了柔性直流輸電系統自身的穩定，其并網(與交流系統間的交互)的除了柔性直流輸電系統自身的穩定，其并網(與交流系統間的交互)的振蕩問題是近年來更為頻發也更為關注的問題交流系統回路導納：Ypp(s)交流電遞函數Zpn交流側電壓-電流反饋回路散“n(S)—2機理分析——2.3交流側振蕩2機理分析——2.3交流側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視角：交流系統又可被分為正序和負序兩個系統，換流站則作為正序、負序和直2機理分析——2.3交流側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的影響：主要對交流側中低頻阻抗影響較強換流站自阻抗直流系統換流站自阻抗換流站交流側阻抗i風電接入的柔性直流換流站示意圖風電接入的柔性直流換流站示意圖風電場對換流站直流側阻抗特性的影響風電場對換流站直流側阻抗特性的影響nsryMMC交直流側阻抗通用計算方法22RRWWnn2心心的9個頻率分量直流側阻抗：交流側正序阻抗：f=fp-f?交流側負序阻抗：根據MMC頻域模型計算橋臂電流、橋臂電壓、子模塊電容電壓之和、調制信號中各頻率分量根據橋臂電流計算交、直流側電流分量計算MMC交/直流側阻抗負序/共模零序/差模正序/共模負序/差模零序/共模正序/差模負序/共模正序/共模負序/差模零序/共模正序/差模負序/共模零序/差模正序/共模零序/差模正序/共模負序/差模零序/共模正序/差模負序/共模零序/差模fp-3ff-2ffp-ffp+ffp+2ff小信號頻率分量的模式在共模-差模之間交替變化2機理分析——2.3交流側振蕩交流側負序阻抗計算交流側負序阻抗計算直流側阻抗計算交流側正序阻抗計算直流側阻抗計算交流側正序阻抗計算①①①①測量MMC?的直流側阻抗、交流側正序阻抗和交流側負序阻抗等值交流系統Z負荷o器QCo——幄值(幄值(dBC)粵30直流側阻抗交流側正序阻抗交流側負序阻抗直流側阻抗2機理分析——2.3交流側振蕩直流側阻抗交流側正序阻抗交流側負序阻抗2機理分析——2.3交流側振蕩直流側阻抗的影響更為明顯對于MMC交流側正、負序阻抗，一方面對端MMC的直流側阻抗會對MMC交流側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阻抗交流側正序阻抗交流側負序阻抗華北電力大學OmTmurgtcrowEnwNM2機理分析華北電力大學OmTmurgtcrowEnwNM仿真設置：0.5s接入交流電纜，理論分析：柔性直流換流站的負阻尼感性頻段與交流系統的容性Na-80Nase-120F5IVoltageControllerNs—2機理分析——2.3交流側振蕩柔性直流輸電系統并網的次/超同步振蕩柔性直流輸電系統并網的次/超同步振蕩1.2降低至0.80時間(s)G奈奎斯特圖(k*=1.2)1.51.0實部匯報提綱22華北電力大華北電力大柔性直流輸電系統直流側振蕩抑制柔性直流輸電系統直流側振蕩抑制橋臂子模塊輸出反向電壓以模擬電阻效應，通過橋臂子模塊輸出反向電壓以模擬電阻效應，通過直流系統回路導納：漸發散，0.82s附近觸發系統保護阻尼增強“i(s)PowerControtleds阻尼增強北電力大北電力大學柔性直流輸電系統直流側振蕩抑制柔性直流輸電系統直流側振蕩抑制AFkp3抑制策略—3.2交流側振蕩抑制柔性直流輸電系統交流側振蕩抑制柔性直流輸電系統交流側振蕩抑制參數協調設計：通過控制器參數的配合設計，可實現換流站交流側高頻高頻段的無源化，但此方法會較大限制換流器的參數選取范圍，影響其他特性(如暫態)kHp(s)Ast電磁暫態仿真電磁暫態仿真高頻阻抗模型及控制器協調設計3抑制策略——3.2交流側振蕩抑制柔性直流輸電系統交流側振蕩抑制柔性直流輸電系統交流側振蕩抑制陷波器Bode圖3抑制策略——3.2交流側振蕩抑制柔性直流輸電系統交流側振蕩抑制柔性直流輸電系統交流側振蕩抑制工況1:渝側近端N-1工況2:郡側近端N-1工況1:渝側近端N-1工況2:郡側近端N-1時時硬件在環實時