提升交流系统暂态稳定性的多端直流最优紧急功率控制

随着新能源在电力系统中的占比日益增大、系统有效惯量不断降低,交直流系统的暂态稳定性问题变得尤为突出。为解决交直流混联系统有效惯量降低、有效阻尼下降导致的功角稳定性问题,提出一种基于最优控制的多端直流(MTDC)系统的紧急功率调制方案。通过对直流潮流方程在电压平衡点处线性化,建立了含有直流网络功率调制控制的交直流混联系统模型。以发电机转子转速偏差和控制能耗最小为目标,考虑直流母线电压、直流电流、换流器功率等运行约束,得出最优控制律。基于三机九节点的交直流混联系统非线性数值仿真,表明所提控制方案在系统故障和负荷突变情况下均可有效抑制多机系统的第一摇摆,提高交直流系统的暂态稳定性。     

交直流互联系统非线性自适应控制规律设计

针对舍有多台发电机的交直流互联系统,为了提高交直流输电系统的稳定性,应用非线性自适应控制设计方法,通过递推法得到了应用于交直流互联系统直流功率调制的非线性自适应控制策略,该控制规律包含了对系统中未知参数的动态估计,用以阻尼交直流互联系统的区域间功率振荡。最后,获得了交直流互联系统的非线性自适应直流附加控制器的一般表达式。4机系统的仿真结果表明,与传统的线性直流功率调制相比较,所设计的控制器对联络线的功率振荡具有良好的阻尼功能;特别是当系统中出现大的扰动时,更能体现该控制器的良好性能。     

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PMU的多馈入交直流系统的分散协调控制

针对广域多馈入交直流系统,为充分利用直流线路的快速调节能力以改善系统稳定性,提出一种分层分散鲁棒自适应控制方案。基于相角测量装置(PMU)测量单元,协调控制器在线确定并传送故障后动态平衡点到直流线路控制器,直流线路控制器以此故障后动态平衡点为控制目标。采用非线性递推方法推导了基于PMU的多馈入交直流系统的非线性鲁棒自适应分散协调控制规律,并设计了以动态平衡点和PMU实时测量的发电机功角信号为输入的直流线路附加功率控制器。最后通过3机2条直流的测试系统验证了该控制方案的有效性。     

基于广域测量信息的HVDC鲁棒控制器设计

高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)附加控制可以提高交直流系统的稳定性,但由直流简化模型引起的误差、信号时滞及各种干扰给附加控制器的设计增加了需要考虑的不确定因素。为克服不确定因素的影响以提高交直流系统的稳定性水平,提出一种HVDC广域鲁棒控制器(wide area robust controller,WARC)设计方法。首先根据区域惯量中心的运动方程和滑模控制设计方法确定滑模切换面,然后利用李雅普诺夫稳定性定理保证系统在不确定因素存在的情况下渐近稳定。分别以交直流并联系统和多馈入系统为例,通过PSCAD/EMTDC的时域仿真将WARC与传统极点配置及PID控制方法相比较,时域仿真结果和区间振荡模式分析均表明所提WARC能有效提高系统稳定性,且比传统控制方法性能优越。     

交直流互联系统鲁棒自适应直流功率调制

设计了应用于交直流互联电力系统的直流功率调制的非线性鲁棒自适应控制器。该控制器基于驱动各互联区域电网的惯量中心至统一平衡点的设计思想，采用广域测量系统的全局信号，用以阻尼交直流互联系统的区域间功率振荡。采用反步法设计的自适应鲁棒控制规律使控制器对未知参数具有自适应性，对模型误差、扰动和平衡点变化具有较强的鲁棒性。仿真结果表明，与传统的线性直流功率调制控制器相比，该控制器对联络线的功率振荡具有优良的阻尼性能，可显著提高输电极限，而且能很好地适应运行点的变化。     

基于微分代数模型的直流非线性附加控制

针对交直流互联电力系统的稳定控制问题,提出了一种微分代数模型反馈线性化的新方法。该方法基于叠加原理,计及非线性代数模型的影响,将微分代数系统的微分模型和关联代数模型的反馈分别线性化;系统代数变量仅影响关联代数模型反馈线性化,避免微分代数模型反馈线性化过程中重复进行微分部分的计算,易于研究不同代数变量对控制系统性能指标的影响程度;基于微分模型的状态反馈线性化系统可简便地扩展为微分代数模型状态反馈线性化系统。充分考虑交直流互联系统非线性负荷对直流功率调制的影响,将该方法应用于直流非线性附加控制器设计中,仿真结果表明所设计的控制器具有较好的阻尼特性,可有效改善互联系统动态稳定性,并提高直流系统运行稳定性。     

基于李雅普诺夫函数的直流附加控制器设计

利用李雅普诺夫直接法设计了直流附加阻尼控制器,通过构造交直流系统的Lyapunov函数,设计了一个用于改善互联系统阻尼特性的直流附加控制器。该控制器利用两端换流母线处的角速度和相角,以及交流联络线上的功率作为输入信号,结构简单且易于实现。与常规的直流附加控制器相比,该控制器能更有效地抑制功率振荡,提高系统的动态稳定性。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

考虑直流调制的交直流系统中长期电压稳定协调控制

综合考虑直流系统整流侧和逆变侧控制量的调制,协调交流系统和直流系统各控制量,提出了一种考虑直流调制的交直流系统中长期电压稳定协调控制方法。首先,推导出换流母线电压对整流侧和逆变侧换流器传输功率的灵敏度解析表达式,并基于轨迹灵敏度建立以节点电压轨迹偏差和控制代价最小为综合目标的模型预测控制优化模型。然后,根据对系统控制轨迹的预测,进行交直流系统控制数量自适应调整和控制地点优选,以提高模型预测控制的效率,协调交直流系统各控制量进行电压滚动优化控制。最后,对交直流混联系统进行仿真,结果表明针对不同的故障场景,所提控制方法均能有效调制直流系统传输功率和熄弧角,全面协调交直流系统的各种控制手段,提高系统中长期电压稳定性。     

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。     

基于电压源换流器的高压直流输电系统的阻尼特性与阻尼控制

利用复数力矩分析方法近似推导了基于电压源换流器高压直流输电(voltage source converter HVDC,VSC-HVDC)系统的电磁力矩,定性分析了VSC-HVDC的快速功率控制可能会导致系统出现电气阻尼变弱或负阻尼现象。在建立包括VSC-HVDC及控制器在内的AC/DC混合系统的动态数学模型的基础上,应用最优控制理论设计了最优阻尼控制器,交直流并联系统数值仿真结果表明该附加阻尼控制方法的有效性。     

基于状态反馈附加阻尼控制的柔性直流电网抑制低频振荡

为了提升交直流互联系统的动态稳定性,研究了利用多端柔性直流输电系统阻尼交流系统低频振荡的方法。分析了柔性直流电网接入后系统的振荡模态,研究了直流电网对交流系统稳定性的影响,并基于全维状态空间反馈设计了柔性直流系统的附加阻尼控制器。系统振荡时该附加阻尼控制器能够输出附加控制量,调节各换流站的有功功率,从而抑制系统的振荡。以含有四端柔性直流电网的新英格兰10机系统为例进行了仿真研究,仿真结果表明,引入了该控制器的柔性直流电网能够很好地抑制原系统的低频振荡,改善系统的动态性能。     

基于概率法的交直流混联系统小干扰稳定性分析与改善

高压直流输电广泛运用于区域电网互联,使得传统交流低频振荡问题越发复杂。大多数对交直流低频振荡的研究都是针对单一运行方式的,本文采用概率法研究多运行方式下交直流混联系统的低频振荡特性并加以抑制。利用插入式建模技术(PMT)建立交直流输电系统和附加直流功率调制的小干扰模型;计算多运行方式下的概率潮流,采用混合中心距和半不变量结合Gram-Charlier级数展开的方法求解概率特征根。基于含交直流混联的四机两区域系统,分别使用中心频率法和测试信号法设计电力系统稳定器(PSS)和附加直流功率调制器(DCM)。根据控制效果提出DCM和PSS参数分步设计的协调原则,仿真结果表明系统小干扰概率稳定性得到明显改善。     

张北数据港柔性变电站DC/AC变流器关键控制策略

柔性直流输电是实现新能源并网和直流电网的极具潜力的输电方式。文中在张北数据港设计构造了一台柔性直流输电系统用DC/AC变流器。所设计的变流器采用多变流器并联+z型接地变压器结构。为抑制离网下由于负荷特性而造成的输出电压不平衡与输出电压畸变问题,分别提出了变流器输出电压不平衡控制策略与输出电压谐波抑制策略,以保证设备的供电质量。为保证设备的不间断供电并提高设备的供电可靠性,提出一种主动限流控制策略,在设备离网供电模式下电力系统发生短路故障时进行主动限流。最后,搭建了2.5 MW DC/AC变流器进行实验研究。实验结果验证了所提控制策略的有效性。目前,该装置已应用于张北数据港柔性变电站。     

基于降阶模型辨识的交直流混合输电系统广域阻尼控制

提出了一种辨识交直流混合输电系统降阶模型并设计其广域阻尼控制器的方法。首先在单输入单输出系统模型辨识原理的基础上提出交直流混合输电系统降阶模型的辨识方法;根据射影控制原理进一步设计了交直流混合输电系统的广域阻尼控制器。考虑到广域反馈信号在传输过程中存在的通信时延对系统稳定性的影响,设计了基于广域信号主导模式的时延补偿环节。以规划中的南方电网交直流混合输电系统进行算例研究,验证了所设计的广域阻尼控制器的有效性与可靠性。     

一种广域滑模模糊HVDC附加控制器设计方法

区域间的低频振荡成为限制区域联络线输送功率大小,影响互联电网安全稳定运行的主要因素之一。为了抑制区域间低频振荡问题,提出了基于滑模控制思想的HVDC模糊附加控制器设计方法。控制器采用广域信号作为反馈输入,基于李亚普莫夫稳定性定理由实时的广域信号确定滑模切换面,从而引入滑模控制理论作为模糊推理的依据,针对典型存在区域间振荡模式的系统在不同的工况下分析了该控制器的实用效果。特征值分析表明,在不同的运行工况下,系统区域间阻尼模式的阻尼都得到很大增强。通过非线性仿真的手段,验证了在不同的工作模式下,不同故障时控制器的动态性能,结果表明控制器均能发挥良好的附加阻尼效果。     

多馈入交直流输电系统的模糊控制器协调优化算法

设计了一套阻尼区域间功率振荡的模糊控制器。在多馈入交直流输电系统的直流功率控制系统和发电机励磁系统中同时采用了该模糊控制器,并对影响其性能的关键参数进行了协调优化。为了解决优化结果容易限于局部最优的问题,采用了遗传算法进行全局并行寻优,同时引入序优化理论在概率意义上保证优化解的质量。仿真结果表明:与常规阻尼控制器相比,模糊控制器能更好地提高交直流互联系统的动态稳定性且具有鲁棒性。序优化遗传算法比传统遗传算法具有更稳定的性能,可作为多馈入交直流输电系统的模糊控制器参数协调优化的一种有效方法。