柔性直流输电系统中虚拟同步发电机技术研究综述

虚拟同步发电机技术(VSG)通过对同步发电机(SG)的惯性响应和有功-频率下垂特性的模拟,可为交流网络提供频率支撑。介绍了基于电压源换流器的柔性直流输电(VSC-HVDC)系统的发展以及换流器控制方式,对能为本地交流网络以及互联的异步交流网络提供频率支撑的VSG技术进行了解释;基于现有学术研究,对VSC-HVDC系统中VSG控制技术的应用进行综述;阐述了VSG控制中引入直流电压控制以及采用多VSG并联控制有可能会出现的问题,指出如何克服或减小该问题的影响是未来研究的方向。     

VSC-HVDC受端换流器参与电网调频的VSG控制及其改进算法

为提高柔性直流输电(voltage source converter basedHVDC,VSC-HVDC)受端系统频率的稳定性,同时确保直流系统发生故障或扰动下的可靠运行,提出受端换流器参与电网调频的虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)控制及具有直流电压协调控制能力的VSG改进算法。首先,分析指出大容量VSC-HVDC受端换流器常规控制方式会降低系统频率稳定性,因此有必要通过合理的控制手段参与频率调节;其次,研究了使受端换流器具有惯性响应特性和一次调频能力的VSG控制技术;之后结合直流系统对运行可靠性的基本要求,将直流电压协调控制功能引入VSG技术中得到改进算法;最后,通过Matlab/Simulink构建了三端系统进行仿真。结果表明:VSC-HVDC受端换流器使用VSG控制能有效改善受端交流系统频率暂、稳态性能;VSG改进算法则能进一步提高直流系统运行可靠性。     

光伏电站与VSC-HVDC无通信虚拟同步机协调控制策略

光伏电站通过柔性直流输电系统集电后可向受端电网供电,同时柔直系统的虚拟同步响应有利于增强受端电网的暂态稳定性。本文分析了VSC-HVDC的控制策略,并且针对受端电网发生频率扰动的情况,提出了一种不依靠通信的光伏电站与VSC-HVDC的虚拟同步机协调控制策略。在受端电网扰动情况下,受端交流系统频率与送端交流系统电压幅值通过送端换流器的变压控制实现耦合。光伏逆变器的功率控制器将响应送端换流器的电压变化并调整输出的功率指令值,同时实现集电系统有功功率平衡控制和HVDC虚拟同步控制的直流电压无差调节。应用MATLAB/SIMULINK仿真软件搭建了系统的仿真模型,验证了所提协调控制策略的有效性。     

用于大规模集中式风电并网的VSC-HVDC频率控制方法

针对大规模集中式风电并网过程中送端系统频率波动以及电能输送损耗严重等问题,提出一种基于电压源型换流器高压直流输电(VSC-HVDC)的大规模风电并网系统频率稳定控制方法。VSC送端换流器通过调节脉宽调制(PWM)移相角来控制交流侧电压相位大小,以达到控制线路有功功率传输的目的,从而保证风电并网系统有功功率的平衡及系统频率的稳定,同时通过调节PWM调制比来调节交流电压,使系统电压维持稳定;受端换流器控制直流侧电压的稳定,以保证VSC-HVDC系统的正常运行。通过在Power Factory Digsilent上进行仿真,验证了该控制策略能显著增强系统的频率稳定性。     

柔性直流输电系统的联网和孤岛运行通用控制策略

针对当前柔性直流输电系统缺乏在联网和孤岛运行条件下的通用控制策略的现状,根据高压电网的特点引入了交流侧的频率—有功功率的下垂控制和直流侧的有功功率—直流电压的下垂控制,并由此提出了柔性直流输电系统联网和孤岛运行的通用控制策略。该控制策略可有效适用于换流站的联网和孤岛运行工况,且能够与电网的一次调频、二次调频配合工作,适用于孤远电网及海上风电场等弱电网互联情况。电磁暂态仿真结果表明,该柔性直流输电系统通用控制策略可实现对柔性直流输电系统联网和孤岛运行工况的有效控制。     

基于VSC-HVDC的风电分散并网下垂控制策略

海上风电的大规模开发使得柔性直流(VSC-HVDC)输电技术得到了越来越广泛的关注与应用。文中通过引入交流电压下垂控制,提出了基于VSC-HVDC的适应送端交流分散模式下的风电场多端并网的协调控制策略。在柔性直流输电传统控制策略的基础上,保留配电网侧逆变器的定直流电压控制,以保证系统功率平衡;而使风电场侧整流器采用交流电压下垂控制,以代替原有的恒功率控制,从而引入下垂控制的无需通信联系和合理动态分配等优势。仿真分析表明所提控制策略不仅能保证有功出力灵活自动跟踪系统额定值,而且还具有一定的负荷波动容忍度和交直流故障隔离功能,且在风电场采用送端交流分散模式同时向多端配电网供电时,能在风电机组切出系统的情况下快速实现潮流反转,以保证系统供电可靠性,并能自动按照额定比例在各配电网间合理分配动态功率,为风电分散并网的协调运行提供了有效的解决途径。     

基于周期搜索的多端柔性直流输电系统非线性下垂控制

当基于电压源换流器的多端柔性直流输电系统采用有功功率-直流电压线性下垂控制策略时,直流网络特性会影响换流站功率分配的准确性。在直流输电网络拓扑未知的情况下,通过建立换流站通用的有功功率-直流电压数学模型,分析了直流网络特性影响下的换流站有功功率-直流电压下垂特性的非线性特征。基于此,提出一种基于周期搜索的多端柔性直流输电系统非线性下垂控制策略,可在直流输电网络拓扑及参数未知的前提下,利用搜索技术实时获取换流站在可能运行范围内的精确非线性下垂特性曲线,再将该曲线周期性地更新到换流站底层控制中,最终实现多端柔性直流输电系统换流站有功功率的精确控制。通过在MATLAB/Simulink中建立四端环网直流输电系统模型,不仅对换流站有功功率-直流电压下垂特性的非线性分析结论进行了验证,还与传统线性下垂控制进行对比,验证所提控制策略还原换流站非线性下垂特性的准确性以及换流站有功功率精准控制的优越性。     

提高暂态稳定性的VSC-HVDC功率附加滑模控制方法

利用直流功率快速可控的特点提高交流系统的暂态稳定性已成为交直流系统的重要研究方向.以多机交直流系统为研究对象,提出了一种提高暂态稳定性的柔性直流输电(VSC-HVDC)有功控制方法.借助VSC-HVDC接地导纳模型和对节点导纳矩阵的收缩,推导包含其整流站功率特性和拓扑信息的系统等值机械功率变化量的表达式,建立了分析整流...     

双向VSC-HVDC传输系统的归一化控制与运行

针对部分地区由于地理位置以及季节性差异引起的能源不平衡现象,提出了基于电压源换流器的高压直流输电（voltage source converter-high voltage direct current,VSC-HVDC）系统双向传输的归一化控制策略,实现了分区联络电网能源优势互补。首先,将电压源换流器两侧的下垂特性归一化,获得交直流电网的传输功率参考值;然后,比较直流输电线路两端传输功率参考值的大小与方向,确定直流输电线路的传输功率;最后,通过控制直流线路两端的直流电压,实现功率双向传输,平衡两侧交流电网的功率。设计了3种不同的工作情景,采用实时数字仿真器（real time digital simulator, RTDS）进行了仿真研究,仿真结果验证了控制的有效性, 实现了低碳电力调度。     

含VSC-HVDC的交直流混合系统潮流统一迭代求解算法

介绍基于电压源换流器(VSC)的新一代高压直流输电(VSC-HVDC)技术,具有可向无源网络供电、不会出现换相失败等众多优点。分析VSC-HVDC输电系统的原理及其中VSC的控制方式。针对不同控制方式下的VSC,分别推导其交流母线及直流系统相应的潮流修正方程式。提出VSC-HVDC交直流混合系统潮流的统一迭代求解算法,并以修改后的WSCC-9节点交直流混合系统的潮流计算为例,验证统一迭代求解算法的有效性。通过该潮流算法分析VSC-HVDC输电系统的稳态特性和有功功率损耗特性。     

适合风电接入的VSC-MTDC系统协调控制策略

对于具有小集中、大分散特点的内陆风电,交流并网存在电能质量下降、经济性差等诸多问题,两端柔直并网也无法满足要求。使用多端柔直是未来风电并网的发展方向,文中提出一种适合风电接入的多端柔直系统协调控制策略。该策略综合考虑直流电压改变的方向、电压改变的大小以及换流站功率裕度等因素,自适应实时调节下垂系数,优化换流站之间功率分配,避免不当下垂系数造成的系统损耗增加、部分换流站功率过载。引入附加频率控制与自适应下垂控制协调,可充分利用系统调频容量,改善系统频率稳定性。控制器参数易于整定,结构简单。在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件中搭建了嵌入多端柔直系统的四机两区域模型,验证了所提策略的有效性和可行性。     

交直流混合微电网并联接口变换器的VSG控制策略

针对传统的并联接口变换器控制策略存在功率分配精度低、惯性小以及循环功率等问题,提出了交直流混合微电网并联接口变换器的虚拟同步发电机(VSG)控制策略。将小交流电压信号源注入到直流子网的DC/DC转换器中,使直流子网的功率-电压下垂控制变为功率-频率下垂控制。将原本采集的局部母线直流电压变为全局直流叠加频率,从而将直流子网的叠加频率与虚拟同步机的虚拟频率差值作为VSG的机械力矩。通过与传统控制策略的仿真结果比对分析,验证了所提方法的有效性和优越性。     

混合级联型多落点直流输电系统交流系统故障协调控制策略

混合级联型多落点直流输电系统整流侧为换相换流器（LCC）,逆变侧为LCC和模块化多电平换流器（MMC）组串联的拓扑结构,可以有效抑制换相失败,具备大容量功率传输的优势。建立了单极混合级联型多落点直流输电系统,针对系统中LCC送受端交流故障引发的直流功率降低、逆变侧换相失败以及受端低端MMC子系统产生的功率反向问题进行了研究,提出了一种提升系统稳定性的协调控制策略。该策略通过改变逆变侧直流电压来维持交流系统故障后功率传输的稳定性,可防止受端MMC功率反送。PSCAD/EMTDC仿真结果验证了所提协调控制策略的有效性。     

LCC与VSC型直流馈入对弱受端电网特性的影响

随着柔性直流输电（voltage source converter based high voltage direct current, VSC-HVDC）直流电压等级提升和传输容量增大,其在大容量远距离资源优化配置中将发挥更加重要的作用。以往的研究中,大多利用电磁暂态仿真软件,针对虚拟构建的小电网,仿真分析VSC-HVDC的技术性能。针对实际交流电网的VSC-HVDC动态性能验证等研究,则少有报道。本文首先针对PSD-BPA中新近开发的对应实际电网换相换流器高压直流（line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC）工程的DA卡仿真模型以及VSC-HVDC仿真模型,分析两者的技术特点。在此基础上,面向西藏藏中弱交流受端电网,仿真对比2种直流供电方案下,受端电网大扰动冲击后的暂态恢复特性。仿真研究结果为应用VSC-HVDC改善弱受端电网受扰特性和提升电网稳定水平提供了技术支撑。     

一种基于模块化多电平换流器的多端高压直流输电系统协调控制方法

针对基于模块化多电平换流器的多端高压直流输电系统(modular multilevel converter based multi-terminal DC,MMC-MTDC)中,交流区域的负荷波动导致该区域功率短暂不平衡,造成区域内电网频率波动的问题,首先提出一种基于虚拟同步发电机(virtual synchronous generator, VSG)的换流器控制方法。其次,针对在应用VSG策略调频过程中会改变换流站的输出功率,打破直流侧的功率平衡,而导致直流电压偏差过大,当存在线路阻抗时影响尤为明显的问题,将VSG控制与改进下垂控制相结合,形成MMCMTDC系统多站综合协调控制策略。该控制方法不仅可以为交流区域提供频率支持,还能优化直流母线上不平衡功率的分配,提高系统直流电压的稳定性。最后,基于Matlab/Simulink构建5端MMC-MTDC系统进行仿真,仿真结果验证了所提控制策略的有效性。     

考虑交流电网调节能力的VSC-MTDC改进下垂控制方法

多端柔性直流输电系统的现有下垂控制方法可以将直流网络的不平衡功率在各换流站间进行合理分配,但忽略了各换流站交流侧系统的承受能力,无法根据交流侧系统的暂态响应情况来灵活调节各换流站所分配的不平衡功率量。因此,该文提出一种考虑交流电网调节能力的多端柔性直流网络改进下垂控制方法,该方法根据扰动后交流侧电网的频率偏移情况来自动调节下垂控制的斜率系数,在不改变控制器结构的前提下,可使直流侧的不平衡功率在各交流电网中得到更为灵活合理的分配。在实时数字仿真器（real-time digital simulator, RTDS）平台搭建了仿真模型,通过与固定斜率下垂控制方法和考虑功率裕度的自适应下垂控制方法进行对比,验证了该改进控制方法的有效性和优越性。     

交流不对称故障下的LCC-MMC混合直流系统输送功率提升策略研究

将常规两端直流输电系统逆变站的电网换相换流器(LCC) 替换为模块化多电平换流器(MMC)所构成的混合直流输电系统,可结合两种换流器的优点而具有广阔的应用前景。在研究其基本稳态控制特性的基础上,重点分析了交流电网不对称故障引起的直流输送功率下降及中断问题。通过分析混合直流系统的交流故障特征,发现交流不对称故障发生在整流侧时易引起直流电压下降甚至输送功率的中断,发生在逆变侧时易引起直流系统电压异常。鉴于此,提出了基于MMC典型控制的附加直流电压控制策略,在其调制范围内通过降低故障时逆变侧的参考直流电压以提高直流系统的输送能力。若检测到本站直流电压的交流分量大小超过限定值,则附加控制策略自动投入,无需依靠换流站间的通信。最后,通过PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真验证了所提控制策略的可行性。     

电压源换流器式高压直流输电的动态建模与暂态仿真

基于节点电流注入法建立了交直流统一基准值下的电压源换流器式高压直流输电(VSC-HVDC)的详细动态模型.该模型包括电压源换流器模型、直流系统内部动态模型以及控制系统三个部分,具有一般性.利用电力系统分析综合程序提供的用户自定义功能(PSASP/UD)对VSC-HVDC交、直流并联输电系统进行的暂态仿真分析验证了VSCHVDC动态模型的正确性.仿真结果还表明,VSC-HVDC的直流侧电容以及换流变压器漏抗的大小对抑制功角振荡无明显效果;两端VSC采用定交流电压控制方式时系统具有较好的电压稳定性,但在这种控制方式下,在系统受扰期间VSC的过载程度较两端定无功功率控制方式下更为严重.