CN109659969B - 一种柔性直流输电动态稳定性判断及控制方法 - Google Patents

一种柔性直流输电动态稳定性判断及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电动态稳定性判断及控制方法，所述判断方法包括以下步骤：解锁柔性直流输电系统的换流站，让柔性直流输电系统运行于非孤岛控制模式；提取柔性直流输电系统的相应参数，所述参数包括交流系统电压有效值Ut0、柔性直流外送无功功率Qvsc0、锁相环PLL的增益kp以及锁相环PLL的比例积分时间常数ki；计算短路比SCR，并计算Ut0、Qvsc0的标幺值；计算关键稳定分量；检查关键稳定分量的正负号并判定柔性直流输电系统稳定性。本发明方法只需简单计算关键稳定分量的值，通过该值的正负号判断系统的稳定性，简单易行，有利于工程实践。

Description

一种柔性直流输电动态稳定性判断及控制方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电系统控制技术领域，特别是一种柔性直流输电动态稳定性判断及控制方法。
背景技术
相比于传统LCC-HVDC，柔性直流输电VSC-HVDC可为交流系统提供无功支撑且不存在换相失败，因此，其在弱连接场景下具有更广泛的应用前景。特别是其在孤岛控制模式下(定交流电压、定交流频率)可实现新能源柔性并网、向无源系统送电以及辅助电网黑启动等常规输电方式不具备的新功能。
当VSC-HVDC与交流系统并联时，系统频率由交流主网决定，此时VSC必须采用非孤岛控制模式，但其仍然可以为交流系统提供无功支撑，因此在一般弱交流场景下VSC仍可稳定运行。然而，随着交流系统SCR的不断降低，人们发现非孤岛控制模式下的VSC-HVDC稳定性仍然受到系统强度的制约，即在极弱交流系统中VSC存在失稳的风险。
随着研究的深入，极弱系统中VSC-HVDC失稳的原因被认为主要由其控制系统中的锁相环(Phase-Locked Loop，PLL)导致。为深入讨论极弱交流系统中VSC失稳的内在机理，相关学者近几年做了大量研究，除去如归纳法、图解法等个别方法外，其余方法大都基于传统状态空间模型、阻抗模型及复转矩模型三类手段进行理论分析。传统状态空间模型多从特征值、根轨迹方面入手，从经典控制理论的角度揭示极弱交流系统中VSC的稳定机理。阻抗模型的理论最早来源于非线性控制中的无源性定理，其主要通过对系统的输入导纳矩阵的正定性判断系统是否稳定。
在直流工程设计建设之初，人们发现随着直流容量的增加，交直流间的相互作用将越发明显，从而导致各种问题频发，直观的来看即是直流相对于交流系统变得更“强”，而交流系统变得更“弱”。为具体衡量交直流系统的相互作用程度，避免弱交流系统中的LCC-HVDC失稳，IEEE及CIGRE工作组定义了短路比(Short-Circuit Ratio，SCR)及有效短路比指标(Effective Short-Circuit Ratio，ESCR)对交流系统强度进行划分。SCR定义为交流系统短路容量与直流额定功率之比，一般认为，短路比大于3为强系统，小于2为极弱系统，且SCR越大，交流系统越强，系统越稳定。
现有对柔性直流输电系统的稳定性进行判断存在以下缺点：
1)需要对整个系统进行小信号建模，分析系统的特征值是否存在不稳定的模式，较为繁琐(如文献：苑宾、李探、许建中等.联接弱交流电网MMC系统小信号稳定性分析.中国电机工程学报，2017，37(18):5339-5349)；
2)通过对系统的进行阻抗建模，利用系统的输入阻抗特性是否为负来判断系统是否稳定，一是需要整体建模，二是只能得到系统外特性，无法深入内部进一步分析(如文献：伍文华、陈燕东、罗安、周乐明、周小平、杨苓、黄旭程.海岛VSC-HVDC输电系统直流阻抗建模、振荡分析与抑制方法.中国电机工程学报，2018，38(15):4359-4368+4636.“一种抑制传统直流输电连续换相失败的虚拟电阻电流限制控制方法”)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性直流输电动态稳定性判断及控制方法，通过所提出的关键稳定分量判断柔性直流输电的动态稳定性；关键稳定分量的计算简单明确，柔性直流运行状态一旦确定，即可计算出该分量；相比于传统的特征值方法、阻抗法，本发明方法不需要对整个系统进行建模即可判断出柔性直流输电是否会动态失稳。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种柔性直流输电动态稳定性判断方法，包括以下步骤：
步骤1：解锁柔性直流输电系统的换流站，让柔性直流输电系统运行于非孤岛控制模式；
步骤2：提取柔性直流输电系统的相应参数，所述参数包括交流系统电压有效值Ut0、柔性直流外送无功功率Qvsc0、锁相环PLL的增益kp以及锁相环PLL的比例积分时间常数ki；
步骤3：以换流站额定容量，交流系统电压为基准值，计算短路比SCR，并计算Ut0、Qvsc0的标幺值；
步骤4：计算关键稳定分量其中，ω为角频率；
步骤5：检查关键稳定分量的正负号并判定柔性直流输电系统稳定性；若为正且大于0.5，则柔性直流输电系统稳定，此时能投入柔性直流；若为负，则柔性直流输电系统不稳定，若大于等于0且小于等于0.5，则柔性直流输电系统为临界稳定，不稳定或临界稳定时不能够投入柔性直流。
一种柔性直流输电动态稳定性控制方法，基于上述柔性直流输电动态稳定性判断方法的判断结果，具体是：
若柔性直流输电系统不稳定，则改善系统稳定的控制方法为：首先计算关键稳定分量右半部分的正负号，即公式的正负号，若其为负，则调整PLL的增益kp以及比例积分时间常数ki，使的符号为正且大于0.5，确保系统稳定并能投入柔性直流；若公式为正，则说明关键稳定分量为负是左半部分导致的，即为负，则增大SCR或增加无功补偿设备以减少QVSC0，使的符号为正且大于0.5，此时确保系统稳定性并能够投入柔性直流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：相比于主流的阻抗法与特征值分析法，本发明只需简单计算关键稳定分量的值，通过该值的正负号判断系统的稳定性，主流的方法均需要进行详细建模并全面分析，较为繁琐，本发明方法简单易行，有利于工程实践。
附图说明
图1是与交流系统相连的基于矢量控制的VSC控制系统。
图2是PLL控制原理图。
图3是两端柔性直流输电系统。
图4是第一种柔性直流输电系统参数运行下的仿真验证结果。
图5是在第一种柔性直流输电系统参数运行下对PLL控制参数进行调整后的仿真验证结果。
图6是在第一种柔性直流输电系统参数运行下对PLL控制参数再次进行调整后的仿真验证结果。
图7是第二种柔性直流输电系统参数运行下的仿真验证结果。
图8是在第二种柔性直流输电系统参数运行下对PLL控制参数进行调整后的仿真验证结果。
图9是在第二种柔性直流输电系统参数运行下对PLL控制参数再次进行调整后的仿真验证结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明中一种柔性直流输电动态稳定性判断方法，包括以下步骤：
步骤1：解锁柔性直流输电系统的换流站，让柔性直流输电系统运行于非孤岛控制模式；步骤2：提取柔性直流输电系统的相应参数，所述参数包括交流系统电压有效值Ut0、柔性直流外送无功功率Qvsc0、锁相环PLL的增益kp以及锁相环PLL的比例积分时间常数ki；步骤3：以换流站额定容量，交流系统电压为基准值，计算短路比SCR，并计算Ut0、Qvsc0的标幺值；步骤4：计算关键稳定分量其中，ω为角频率；步骤5：检查关键稳定分量的正负号并判定柔性直流输电系统稳定性；若为正且大于0.5，则柔性直流输电系统稳定，此时能投入柔性直流；若为负，则柔性直流输电系统不稳定，若大于等于0且小于等于0.5，则柔性直流输电系统为临界稳定，不稳定或临界稳定时不能够投入柔性直流。
基于上述柔性直流输电动态稳定性判断方法的判断结果，若柔性直流输电系统不稳定，则改善系统稳定的控制方法为：首先计算关键稳定分量右半部分的正负号，即公式的正负号，若其为负，则调整PLL的增益kp以及比例积分时间常数ki，使的符号为正且大于0.5，确保系统稳定并能投入柔性直流；若公式为正，则说明关键稳定分量为负是左半部分导致的，即为负，则增大SCR或增加无功补偿设备以减少QVSC0，使的符号为正且大于0.5，此时确保系统稳定性并能够投入柔性直流。
以图3的两端柔性直流输电系统为例进行验证。
方案一：设定柔性直流输电系统参数如下所示(表中均为标幺值)：
可见，在上述系统参数下，关键稳定分量计算值为-0.0264，判断系统不稳定，不可投入柔性直流。仿真验证如图4所示，系统振荡发散，不稳定，与理论分析一致。
为提升系统稳定性，首先计算关键稳定分量右半部分的值为-0.011085，其为负，表明关键稳定分量的负号由其右半部分为负导致，则逐步调整PLL的控制参数kp，期望最终使得关键稳定分量为正。增大kp＝1.5，则系统参数与关键稳定分量计算如下所示：
可见，在上述系统参数下，关键稳定分量计算值为0.0817，其介于0至0.5之间，判断系统临界稳定，不可投入柔性直流。仿真验证如图5所示，系统等幅振荡，确为临界稳定，与理论分析一致。
继续增大kp＝10，则系统参数与关键稳定分量计算如下所示：
可见，在上述系统参数下，关键稳定分量计算值1.1855，为正，判断系统稳定，可投入柔性直流。仿真验证如图6所示，系统收敛，与理论分析一致。
方案二：设定系统参数如下所示(表中均为标幺值)：
可见，在上述系统参数下，关键稳定分量计算值为0.1845，其介于0至0.5之间，判断系统临界稳定，不可投入柔性直流。仿真验证如图7所示，系统等幅振荡，确为临界稳定，与理论分析一致。
为提升系统稳定性，则逐步调整PLL的控制参数ki，期望最终使得关键稳定分量为较大的正值。首先减小ki＝20000。则系统参数与关键稳定分量计算如下所示：
可见，在上述系统参数下，关键稳定分量计算值为0.2019，改善不大，其介于0至0.5之间，判断系统仍然临界稳定，不可投入柔性直流。仿真验证如图8所示，系统等幅振荡，确为临界稳定，与理论分析一致。
为进一步提升系统稳定性，调整PLL的控制参数ki＝1，同时增设无功设备，提升电压稳定性，使得Ut0＝1，并减小QVSC0。则系统参数与关键稳定分量计算如下所示：
可见，在上述系统参数下，关键稳定分量计算值2.3834，为正，判断系统稳定，可投入柔性直流。仿真验证如图9所示，系统收敛，与理论分析一致。
综上，利用关键稳定分量判断直流输电的动态稳定性正确可行，改善系统稳定性方法有效。

Claims (2)

1.一种柔性直流输电动态稳定性判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：解锁柔性直流输电系统的换流站，让柔性直流输电系统运行于非孤岛控制模式；
步骤2：提取柔性直流输电系统的相应参数，所述参数包括交流系统电压有效值Ut0、柔性直流外送无功功率Qvsc0、锁相环PLL的增益kp以及锁相环PLL的比例积分时间常数ki；
步骤3：以换流站额定容量，交流系统电压为基准值，计算短路比SCR，并计算Ut0、Qvsc0的标幺值；
步骤4：计算关键稳定分量其中，ω为角频率；
步骤5：检查关键稳定分量的正负号并判定柔性直流输电系统稳定性；若为正且大于0.5，则柔性直流输电系统稳定，此时能投入柔性直流；若为负，则柔性直流输电系统不稳定，若大于等于0且小于等于0.5，则柔性直流输电系统为临界稳定，不稳定或临界稳定时不能够投入柔性直流。
2.一种柔性直流输电动态稳定性控制方法，其特征在于，基于如权利要求1所述柔性直流输电动态稳定性判断方法的判断结果，具体是：
若柔性直流输电系统不稳定，则改善系统稳定的控制方法为：首先计算关键稳定分量右半部分的正负号，即公式的正负号，若其为负，则调整PLL的增益kp以及比例积分时间常数ki，使的符号为正且大于0.5，确保系统稳定并能投入柔性直流；若公式为正，则说明关键稳定分量为负是左半部分导致的，即为负，则增大SCR或增加无功补偿设备以减少QVSC0，使的符号为正且大于0.5，此时确保系统稳定性并能够投入柔性直流。
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