南方电网直流暂态稳定控制策略的设计与实现

针对交直流大电网暂态功角稳定控制问题,基于控制直流功率加快耗散系统暂态能量的机理,研究提出了有效的直流暂态稳定控制策略并进行了工程应用探索。提出了直流功率作用系数指标,并通过系统暂态能量函数分析,论证了直流功率作用系数在广域频率信号集成和直流稳定控制设计中的关键作用。围绕南方电网云广特高压直流暂态稳定控制器的设计和实施,详细介绍了广域量测信号的选择和直流功率控制幅度的设置过程。在南方电网的大规模RTDS数模混合仿真平台上进行的控制装置实测试验表明,所设计的暂态稳定控制器可以明显抑制系统大扰动后的功角振荡,有效提高云广交流断面的暂态稳定极限输电能力。     

交直流混联系统非线性自适应广域附加控制器的设计

为了提高交直流混联系统的暂态稳定性,设计了基于高压直流输电(High Voltage Direct Current, HVDC)大信号调制方式的非线性自适应广域附加控制器(Nonlinear Adaptive Wide-area Supplementary Controller, NAWSC)。该控制器利用扰动观测器估计和补偿实际系统中的非线性动态,无需精确模型,解决了模型不确定时稳定控制措施不易设计的难题。同时,该控制器通过整合广域功角信息得到的系统等值功角进行输出反馈,直接实现暂态稳定控制。在四机两区域交直流混联系统和10机39节点交直流混联系统中进行仿真。结果表明：在不同运行工况下,NAWSC相对于比例积分型广域附加控制器具有更好适应性;在参数不确定下,NAWSC相对于基于精确模型的反馈线性化广域附加控制器具有更好的控制鲁棒性。所设计NAWSC可以提高HVDC暂态调节能力。     

基于惯量中心动态信号的交直流互联系统稳定控制

针对交直流互联电力系统的稳定控制问题,提出了基于系统惯量中心(center of inertia,COI)动态信号的发电机励磁和直流功率调制综合控制方案。该方案中各发电机功角和频率动态跟踪由广域测量系统提供的系统COI动态功角和频率轨迹。直流输电线路功率调制的目标是阻尼区域COI功角和频率间的相互振荡。考虑到模型误差和外部干扰因素,采用反步法设计了非线性鲁棒控制器。对某4机2区域系统进行仿真实验,结果表明该控制方案和控制器突破了系统只能稳定于工频下的局限,增大了系统的稳定域,显著改善了系统的功角稳定性。     

SSSC与励磁的非线性变结构协调控制器设计

在非线性控制理论和变结构控制理论的基础上,设计了静止同步串联补偿器与发电机励磁的协调控制器,该控制器考虑了SSSC直流侧电压稳定和输电线路的有功功率,以维持发电机的功角稳定。仿真结果表明：该协调控制器能够有效地控制输电线路的有功功率、并且显著地改善了系统的暂态稳定。     

基于D-PMSG的风火打捆直流外送系统送端功角暂态稳定性研究

风火打捆直流外送是解决能源丰富基地电力消纳问题和负荷中心能源短缺问题的主要方案。研究风火打捆系统送端风电对火电的影响意义重大。本文通过扩展等面积准则研究了基于直驱永磁风力发电机(D-PMSG)的风火打捆直流外送系统送端功角暂态稳定性。当风火打捆系统中D-PMSG输入的功率由受扰严重群减机械功率来平衡的情况下,系统遭受大扰动时,其功角暂态稳定性比纯火电系统的好,且输电方式为直流线路时的功角暂态稳定性比交流输电方式的好。仿真结果与理论分析结果一致,由此可知,由D-PMSG构成的风电场与附近火电厂打捆,经直流线路外送的方案可以提高系统的功角暂态稳定性。     

相间功率控制器改善暂态稳定性的研究

相间功率控制器（Interphase Power Controller,IPC）接入互联系统中对稳定性有一定的影响。基于IPC元件参数与功率之间的关系,通过简单系统的功角曲线分析了调节IPC元件参数改善系统暂态稳定性的机理。基于IPC的端口电压与电流的关系,说明IPC是电压控制的电流源,据此设计了功率和电流双回路可控相间功率控制器（Thyristor Controlled Interphase Power Controller,TCIPC）的控制系统。以电流作为TCIPC晶闸管的同步信号,将线路电流和有功功率的期望值作为IPC控制器的参考信号,设计了不完全微分PID控制模型。仿真结果表明：在系统发生扰动的情况下,通过设计的控制器能较好地调节TCIPC电感参数,从而有效地控制联络线的传输功率,改善带TCIPC互联系统的暂态稳定性。     

特高压半波长与直流混联系统的暂态建模与稳定性分析

为研究特高压半波长与直流混联系统的暂态稳定性,根据半波长输电系统准稳态模型建立的特高压半波长与直流混联系统的稳定分析模型,分析了半波长输电线路的稳定运行区域,讨论了直流换相失败和直流闭锁时混联系统的功角稳定性;分别基于二阶系统的冲击响应模型和阶跃响应模型,揭示了直流换相失败和直流闭锁故障后的功率变化对半波长输电系统功率波动的影响机理;研究了利用直流输电系统传输功率的快速响应特性,采用直流功率调制对系统提供紧急功率支援,以提高含半波长互联系统的暂态稳定性的可行性。混联系统的机电暂态仿真验证了直流换相失败和直流闭锁故障对系统功率波动影响的分析方法的正确性以及直流输电系统对半波长线路提供紧急功率支援的有效性。研究表明:半波长线路功率波动峰值在系统直流换相失败时与振荡频率有关,而在闭锁故障时闭锁功率越少,阻尼越大,波动峰值越小;直流功率调制可提高异步联网系统的暂态稳定性。     

“风火打捆”交直流外送系统的暂态稳定控制研究

"风火打捆"交直流外送是未来千万千瓦级风电能源基地电力外送的重要方式之一,亟需掌握"风火打捆"交直流外送系统的稳定特性及其机理。功角是反映系统暂态稳定性的主要标志,分析了双馈电机的功角快变特性和"风火打捆"系统等值机械转动惯量对火电机组功角暂态稳定性的影响。针对系统的暂态稳定性问题,提出了一种附加控制策略,并设计出控制装置样机,可提高"风火打捆"系统的暂态稳定性。基于所提附加控制策略的试验样机通过了实时数字仿真器(Real Time Digital Simulator,RTDS)的闭环验证,结果表明:该附加控制策略通过改变直流输送功率和调节风机的有功输出,消除或减小了系统在暂态过程中的瞬时不平衡功率,增强了直流系统和风机对火电机组的等效阻尼作用,有效抑制了火电机组的功角摇摆幅度,提高了"风火打捆"系统的暂态稳定性。     

特高压紧急直流功率支援策略研究

采用扩展等面积法(EEAC)分析了多机系统中特高压(UHV)紧急直流功率支援(EDCPS)提高系统暂态稳定性的机理,深入研究了UHVDC在大扰动下的EDCPS策略,包括支援起始时刻、支援速率、支援数量和支援持续时间等对功角稳定和电压稳定的影响.研究结果表明EDCPS能改善故障后系统的暂态稳定性,但直流提升量要适当,较大的提升量能够改善功角稳定性.但也加大换流站的无功需求.对正在恢复中的节点电压产生不利影响;紧急功率支援投入要适时,过早将加大换流站的无功需求.过迟则将不能有效地增加等效加速面积;提升速率不能太快,否则也将加大无功需求,削弱换相电压的稳定;在等效单机无穷大系统(OMIB)功角的回摆过程中适当回降直流功率能更好地改善系统的暂态稳定性.最后,研究负荷特性、静止无功补偿器(SVC)和低压限流单元(VDCOL)特性对EDCPS策略及效果的影响.     

相间功率控制器改善暂态稳定性的研究

相间功率控制器(Interphase Power Controller,IPC)接入互联系统中对稳定性有一定的影响.基于IPC元件参数与功率之间的关系,通过简单系统的功角曲线分析了调节IPC元件参数改善系统暂态稳定性的机理.基于IPC的端口电压与电流的关系,说明IPC是电压控制的电流源,据此设计了功率和电流双回路可控相间功率控制器(Thyristor Controlled Interphase Power Controller,TCIPC)的控制系统.以电流作为TCIPC晶闸管的同步信号,将线路电流和有功功率的期望值作为IPC控制器的参考信号,设计了不完全微分PID控制模型.仿真结果表明:在系统发生扰动的情况下,通过设计的控制器能较好地调节TCIPC电感参数,从而有效地控制联络线的传输功率,改善带TCIPC互联系统的暂态稳定性.     

渝鄂背靠背柔性直流附加控制对系统稳定性的影响

规划中的渝鄂柔性直流背靠背工程投运后,西南与华中电网将会实现异步互联,系统转动惯量减小,可能存在稳定问题。该文充分利用柔性直流输电的快速调节特性,考虑系统运行方式及换流器设备的安全边界条件,设计了渝鄂柔性直流附加控制策略及参数。在PSASP-UD中搭建了柔性直流及其附加控制策略的机电暂态模型,并通过CEPRI-36验证了模型的准确性。分别从频率和功角的角度分析了附加控制对系统稳定性的影响,推导出柔性直流接入后系统的调频特性和功角曲线,指出柔性直流可参与系统安全稳定控制。对渝鄂柔性直流近区的交流系统进行了大量N-2仿真,结果证明柔性直流附加控制可参与电网稳定控制策略的制定,提高系统稳定性。     

改善系统暂态稳定的VSC-HVDC线性自抗扰控制器

针对交直流系统暂态功角稳定问题,基于自抗扰控制理论研究,提出了电压源型换流器的柔性直流输电技术(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)有功调制控制策略。根据VSCHVDC对同步机组的可控能力筛选机组并确定聚合权重,将同步机群聚合转化为等效可控系统,利用线性自抗扰控制理论设计暂态稳定控制器;同时对同步机组的转速差和不平衡功率进行调制,从而充分发挥稳定控制器调节能力并维持交直流系统稳定。结果表明,控制器无需同步机组和直流输电系统的详细模型信息,且能适应系统运行方式的变化,并通过改进的IEEE39节点系统仿真验证了所提控制器的有效性和鲁棒性。     

大规模风电集中接入对电力系统暂态功角稳定性的影响（一）：理论基础

该文作为2篇系列文章的第1篇,旨在从理论上分析双馈风机组成的大规模风电场集中接入对电力系统暂态功角稳定性的影响。首先,根据双馈风机的暂态特性,提出了一种适用于电力系统暂态功角稳定分析的双馈风机简化模型,并讨论了利用直流潮流计算方法研究风电接入前后系统暂态功角稳定变化趋势的合理性。其次,在双馈风机简化模型和直流潮流计算方法的基础上,利用扩展等面积定则分析了双馈风机接入两机系统后系统暂态功角稳定性的变化,提出一种判断风电接入对两机系统暂态功角稳定影响的判据。最后,在双机互联系统中进行仿真,结果表明,提出的判据具有较高的准确率。     

交直流并联输电系统实用动态安全域研究

通过改变发电机节点有功功率、电压幅值以及负荷节点有功功率、无功功率可得到满足暂态功角稳定性的临界点.在给定事故、直流功率及控制方式下,交直流并联输电系统的保证暂态功角稳定性的实用动态安全域边界,由描述各节点有功功率及无功功率或电压幅值（对应于发电机节点）上、下限的垂直于坐标轴的平面和极少数几个分别对应于不同失稳模式的临界点的超平面（简称为临界面）围成.在相同故障、失稳模式、直流控制方式下,分别对应于不同直流功率的临界面间具有近似平行性,并且它们的空间几何距离与直流功率的改变量成正比.因此直流功率可以作为临界面方程的一个有功功率变量.通过观察拟合得到的临界面方程系数可以看出,临界群中各节点的有功功率、发电机节点的电压幅值的变化将显著影响系统的暂态功角稳定性,而负荷节点的无功功率变化对系统的暂态功角稳定性影响很小.     

提高暂态稳定性的HVDC与发电机励磁的非线性最优协调控制

针对大扰动情形,为进一步提高交直流混合电力系统的暂态稳定性,提出了一种高压直流输电(HVDC)与发电机励磁协调的控制方法。通过建立HVDC系统与发电机的综合模型,将现代控制理论中直接反馈线性化方法与线性系统最优控制理论相结合,设计出一种HVDC与发电机励磁协调的非线性最优控制规律。仿真结果表明,该协调控制器能明显提高交直流互联系统的功角稳定性和频率稳定性,改善直流系统的性能。     

提高暂态稳定性的HVDC与发电机励磁的非线性最优协调控制

针对大扰动情形,为进一步提高交直流混合电力系统的暂态稳定性,提出了一种高压直流输电(HVDC)与发电机励磁协调的控制方法.通过建立HVDC系统与发电机的综合模型,将现代控制理论中直接反馈线性化方法与线性系统最优控制理论相结合,设计出一种HVDC与发电机励磁协调的非线性最优控制规律.仿真结果表明,该协调控制器能明显提高交直流互联系统的功角稳定性和频率稳定性,改善直流系统的性能.     

多馈入直流输电系统的辅助协调控制设计

直流功率调制是一种具有巨大潜力的电力系统控制措施.当交直流系统受到大扰动时,利用直流系统的短时过载能力,快速调制直流系统注入交流系统的有功功率,弥补暂态过程中送、受端的有功功率不平衡,提高系统的暂态功角稳定和频率稳定.为满足功率调制工程方面的需求,设计了辅助功率/频率控制系统,详述了其协调控制策略及运行方式、具体结构....     

柔性直流与常规直流协调的紧急功率支援策略研究

柔性直流(VSC-HVDC)具有响应速度快、有功无功解耦、可向交流系统提供无功支撑等运行特性。将柔性直流纳入电网紧急控制系统,可在提升交直流电网暂态稳定性基础上降低常规切机切负荷控制的代价。基于扩展等面积法则(EEAC),研究直流紧急功率支援提高故障后系统暂态安全稳定性的机理;通过对不同类型直流功率调制的对比研究,指出柔性直流与常规直流(LCC-HVDC)的紧急功率支援在改善故障后系统功角恢复方面存在差异,紧急控制应考虑不同类型直流的控制优先级;提出为保障故障后电网暂态稳定所需直流紧急支援功率计算方法,并结合不同故障情况下直流功率支援的优先级制定相应的紧急协调控制策略。     

SMES-DFIG提高多机系统暂态功角稳定性的控制策略

为了提高风电并网系统暂态功角稳定性,以双馈风力发电机(doubly fed induction generator, DFIG)并联超导储能(superconducting magnetic energy storage, SMES)装置为研究对象,提出了一种联合SMES-DFIG的控制方法。通过风电场接入对系统节点导纳矩阵的修正和收缩处理,并基于拓展等面积等则,依据接入DFIG的网络拓扑和暂态期间系统等值功角变化的信息,分析系统等值机械功率改变量的增减性质对系统功角的影响关系,对与DFIG并联的SMES给出了提高系统暂态功角稳定性的功率输出综合控制规律,并对控制策略的有效性进行了仿真验证。研究结果表明,合理准确地控制SMES的功率输出可以改善系统等值功角的变化,加快系统稳定的恢复速度,该研究结果可为利用SMES提高多机系统暂态稳定性的控制提供参考。     

考虑过渡电阻的风机并网对电力系统稳定性的影响

大规模双馈风电集中接入对电网中传统同步机组暂态功角稳定有重要影响。将双馈风电机组近似等效为恒功率源,基于等面积定则分析了不同故障时段双馈风机等容量替代同步机组时同步机组暂态功角的变化,考虑了不同三相接地故障过渡电阻对同步机组功率特性的影响,据此分析了风电场并网运行时对系统暂态稳定影响的机理。理论分析表明,当过渡电阻值较小时,双馈风机接入增强了系统暂态功角稳定性,当过渡电阻值较大时,可能降低了系统暂态功角稳定性,对风机并网产生不利影响。通过PSCAD/EMTDC仿真验证了所提观点的正确性。