2024年柔性直流输电系统宽频振荡分析与控制报告

刘崇茹 华北电力大学 2024年10月19日珠海 汇报提纲 研究背景 1 2机理分析 3抑制策略 研究背景 发展新能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要举措，柔性直流输电（简称柔直）支撑能力强、控制灵活、响应快速是解决新能源并网的核心技术。 研究背景 近年来，国内外多个柔直工程频繁发生宽频振荡，迫使系统运行受限，导致弃风弃光；甚至因高频振荡损毁关键设备，造成工程长期停运。 研究背景1 柔性直流输电系统中的振荡主要可以表现为三大类：换流站内部振荡、直流侧振荡以及交流侧振荡。针对上述问题，从机理分析、抑制策略以及仿真建模等方面展开汇报。 汇报提纲 研究背景 1 2机理分析 3抑制策略 柔性直流换流阀通常采用模块化多电平结构，其控制系统分为阀基控制和站（极）控制两部分 阀控：平衡子模块电容电压并确保桥臂输出电压能准确跟踪参考值 站控：根据外部系统需求产生换流阀内电势参考电压 上述模型在早期使用中时常出错，2014年前后（厦门工程投运）工业界开始关注电容电压波动的影响 柔性直流换流阀通常采用模块化多电平结构，其控制系统分为阀基控制和站（极）控制两部分 阀控：平衡子模块电容电压并确保桥臂输出电压能准确跟踪参考值 站控：根据外部系统需求产生换流阀内电势参考电压 2机理分析一2.1柔直换流站内部振荡 阀控制器是柔直流换流站控制系统设计的第一步，通常跟阀体打包出厂 阀控稳定性（简化评估）：如果忽略子模块电容电压动态，将子模块阀串视为理想电压源，稳定性则主要取决于阀控中环流控制器与桥臂电抗的交互阀控稳定性（详细评估）：考虑电容电压波动后，受控对象由一维的桥抗模型增加为二维模型（计算略），稳定性取决于阀控中环流控制器与整个阀体（含桥臂电抗以及子模块电容器）的交互 2 机理分析2.1柔直换流站内部振荡 阀控稳定性仿真测试与模型验证 理论分析：开环回路矩阵特征值包围（-1，i0）则稳定，否则不稳扫频验证：逐个频率点在环流控制器参考值注入扰动并测取闭环传递函数稳定仿真：环流控制器比例增益在1.5s由5降低至1.5，在4s增加至5 稳定仿真 扫频验证 2机理分析一2.1柔直换流站内部振荡 柔直换流站阀体和阀控装置设计稳定后，第二步是确保站（极）控制系统的稳定，早期为简化评估方法，后期为详细评估方法。 站控稳定性（简化评估）：忽略子模块电容电压动态，主要取决于交流电压控制器、前馈环节和控制延迟的相互作用。（可认为站控和阀控解耦） 受控对象（PlantModel）：单位增益（子模块阀串被视为理想受控电压源） 这里的交流电压控制器存在多种控制模式，此处仅以交流电压控制模式为例介绍，不影响分析理论 近年来基本达成共识：需采用多谐波线性化等多频线性化技术进行详建模以确保工程分析的精度需求 站控稳定性（详细评估）：主要取决于交流电压控制器、前馈环节、控制延迟以及阀体和阀控间的相互作用。（阀控和站控通过电容器强耦合） 站控稳定性仿真测试与模型验证 理论分析：开环回路矩阵特征值包围（-1，iO）则稳定，否则不稳扫频验证：逐个频率点在交流电压控制器参考值注入扰动并测取闭环传递函数稳定仿真：传输功率在1s增加值额定功率，2s降低至50%，4s降低至0 稳定仿真 扫频验证 2机理分析一2.1柔直换流站内部振荡 子模块电容电压波动对阀控和站控回路的影响主要体现在中低频段 原因：电容器的高频滤波效应意味着频率愈高，电容阻抗越小。对于高频信号而言，电容器可视为短路，故电容器的基频波动对其高频调制特性的影响很小 柔性直流换流站内部控制设计稳定后，柔性直流输电系统的稳定还需要考虑内部换流站及其与直流线路之间相互作用诱发的直流侧振荡问题 正反馈不稳定：开环增益不满足Nyquist稳定判据（也称为负阻尼不稳定） 谐波放大不稳定：传递函数幅值过小（也称为弱阻尼不稳定） 总直流侧导纳： 失稳判据： 1、Zyc(s)Ypc(s)不满足Nyquist稳定判据，诱发谐振发散2、Yac(s)或者Gv(s)过大，从而诱发谐波放大 柔直换流站直流侧阻抗模型，不仅受到换流站本体的影响，还受交流系统影响交直流系统间的耦合：弱交流系统（例如风场）对换流站直流侧阻抗影响明显 柔性直流换流站等值阻抗表示 直流侧视角：交流系统又可被分为正序和负序两个系统，换流站则作为正序、负序和直流系统之间的接口 柔性直流换流站等值阻抗特性 柔性直流输电系统直流侧负阻尼振荡 现象：谐波被直流电压控制器的负阻尼放大并且逐渐发散 注记：直流电压控制器比例增益越大，换流站直流侧阻抗负阻尼越大 电磁暂态仿真 直流侧阻抗分析（伯德图） 柔性直流输电系统直流侧谐波放大 现象：谐波被放大但不发散（诱因为容性的子模块阀串与桥抗串联产生谐振点） 换流站子模块-桥臂电抗阻抗分析 除了柔性直流输电系统自身的稳定，其并网（与交流系统间的交互）的振荡问题是近年来更为频发也更为关注的问题 高频振荡：负阻尼不稳定（发散振荡）和弱阻尼不稳定（谐波放大） 中低频振荡：正、负序系统间的频率耦合效应无法忽略 交流系统回路导纳： 类似于柔直换流站直流侧阻抗特性，柔性直流换流站交流侧阻抗特性亦会受到直流系统动态特性的强烈影响 柔性直流换流站等值阻抗表示 交流侧视角：交流系统又可被分为正序和负序两个系统，换流站则作为正序、负序和直流系统之间的接口 柔性直流换流站等值阻抗表示（含直流侧系统） 柔性直流换流站等值阻抗特性 交流系统的影响：主要对交流侧中低频阻抗影响较强 MMC交直流侧阻抗通用计算方法 MMC交直流侧阻抗通用计算方法 交流侧正序阻抗计算+ 直流侧阻抗计算 交流侧负序阻抗计算 f=f,+fiV,(f)=Vacn(f)+2Zacgm(fp)/kerylu（(f)V.(f,+2f)=2Zacg（f,+2f)/kjIu（f,+2f)Vae(f,+f)=3Zdeg(f,+f)I(f,+f)ktrfVacn (f,)Z mMC-αn(f,) = -Zacm (f,)21 (f,) [f=fV,(f+fi)=2Zacgp(f,+fi)/kirylu（f,+fi)V.(f,-fi)=2Zaegm（f-f)/ktryIu（f-fi)(Va(f)=V,(f,)3Zdg(f,)I（f,)V,(f,)ZMMC-de (f,) =Zdeg (f,)31.(f,) 在1Hz-5kHz对MMC，进行扫频，1Hz-255Hz频段每1Hz扫描一个频点，在260Hz-2550Hz频段每10Hz扫描一个频点，在2600Hz-5000Hz频段每100Hz扫描一个频点 测量MMC,的直流侧阻抗、交流侧正序阻抗和交流侧负序阻抗 交流侧网络阻抗对MMC直流侧阻抗在基频50Hz附近阻抗特性产生影响 直流侧网络阻抗对MMC交流侧阻抗在中低频段阻抗产生影响 >负序内环控制对于MMC的直流侧阻抗、交流侧正序阻抗、交流侧负序阻抗均存在一定程度的影响 >负序内环控制对MMC负序阻抗影响最大，无负序内环控制时基频处无谐振峰 2机理分析-2.3交流侧振荡 直流侧施加的扰动激励会直接通过直流电压控制环进入到MMC中，因此外环控制方式对直流侧阻抗的影响更为明显 对于MMC交流侧正、负序阻抗，一方面对端MMC的直流侧阻抗会对MMC交流侧阻抗低频段产生影响；另一方面外环控制的带宽很低，因此主要影响MMC交流侧低频段阻抗 柔性直流输电系统并网高频振荡 柔性直流换流站高频控制特性及交流侧阻抗 柔性直流输电系统并网的次/超同步振荡 诱因：交流侧次/超同步振荡受到外部系统影响强，各控制环节的影响均难以忽略，难以一般性的定义主导因子注记：在不同场景开展稳定性和灵敏度分析可能找到不同的因子 仿真设置：5s时，柔性直流换流站交流电压控制器比例增益由1.2降低至0.8 注：此规律与外部系统配置强相关，因此未必是一般性结论 电磁暂态仿真 汇报提纲 研究背景 1 2机理分析 3抑制策略 3 抑制策略3.1直流侧振荡抑制 柔性直流输电系统直流侧振荡抑制 有源阻尼：通过规律性调节子模块的投切以模拟电阻效应，从而增强系统阻尼 核心思想：采集直流侧电流的谐波分量，并通过桥臂子模块输出反向电压以模拟电阻效应，通过负反馈抵消谐波电流，增强系统阻尼 有源阻尼对直流阻抗的影响效果 3 抑制策略3.1直流侧振荡抑制 柔性直流输电系统直流侧振荡抑制 有源滤波：通过滤波器消除控制器引入的负阻尼，如直流电压控制器的负阻尼 仿真设置：换流站直流电压控制器比例增益在1s时由5增加至10。 电磁暂态仿真 柔性直流输电系统交流侧振荡抑制 参数协调设计：通过控制器参数的配合设计，可实现换流站交流侧高频高频段的无源化，但此方法会较大限制换流器的参数选取范围，影响其他特性（如暂态） 参与协调设计约束： 高频阻抗模型及控制器协调设计 电磁暂态仿真 柔性直流输电系统交流侧振荡抑制 参数协调设计：通过电压电流滤波可以改变分子、分母中延时环节的系数，在谐振频率处消除延时影响，使得MMC阻抗为R+sL 陷波器Bode图 柔性直流输电系统交流侧振荡抑制 参数协调设计：无阻尼控制时分别出现860Hz，620Hz，510Hz高频振荡，阻尼控制投入后高频振荡均有效抑制 柔性直流输电系统交流侧振荡抑制 多目标优化设计：通过多目标优化算法设计寻找控制器参数池，确保换流器端口阻抗在全频段为正阻尼，可用于辅助控制参数的整定 正阻尼约束： 多目标优化参数设计约束及效果 柔性直流输电系统交流侧振荡抑制 混合阻尼设计：通过低通有源滤波器滤除高频段负阻尼，通过在桥臂电抗器附加无源阻尼器消除低通滤波器截止频带的负阻尼并在高频段提供额外正阻尼 高频阻抗模型： 3 抑制策略3.2交流侧振荡抑制 柔性直流输电系统交流侧振荡抑制 无源滤波：要求能够在高频段呈现阻性，幅值小于柔直阻抗，使等效阻抗特性向阻性方向靠近；在低频段有较大幅值，使得并联后柔直阻抗占主主导作用，降低对MMC正常运行的影响 ①品质因数对滤波器高频阻抗特性影响 截止频率以上，高频段滤波器阻抗角随品质因数增大而增大品质因数为1时，滤波器高频阻抗最接近阻性 ②裁止频率对滤波器高频阻抗特性影响 选型 裹心感谢各位专家敬请批评指导！