新型电力系统MMC振荡机理及稳定性分析.pdf
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1、新型电力系统振荡机理及稳定性分析王皓正(东北电力大学,吉林吉林 )摘要:近 年 来,基 于 模 块 化 多 电 平 换 流 器 的 高 压 直 流 输 电(,)系统经常出现振荡现象,小信号分析法是研究 系统振荡机理及控制器设计的有效工具。首先,针对实际工程中出现的部分振荡问题,分析了其对系统安全稳定运行的影响。然后,介绍了国内外现有的阻抗建模方法,并针对谐波状态空间(,)法总结了开环平均值模型通用的建模过程,归纳出该方法常用的闭环控制环节的引入方案,对现有的振荡问题稳定性分析方法进行了总结。最后,提出了未来柔性直流系统振荡问题的研究方向与挑战。关键词:模块化多电平换流器;谐波状态空间;小信号建
2、模;稳定性分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()(,):,()(),(),:;收稿日期:作者简介:王皓正(),男,硕士研究生,研究方向为柔性直流输电宽频振荡机理及稳定性研究。引言随着我国直流输电技术的不断发展,柔性直流输电中采用模块化多电平换流器(,),具备可控性强,无须无功补偿,无换相失败等优势,被广泛应用在分布式能源并网以及电网的异步互联等领域 。随着多个柔性直流工程的投入使用,换流器小信号稳定性问题在柔性直流工程的投入运行中日益显现,这种由于引入大量电力电子器件而产生的新型振荡问题根据谐振频率的不同分为低频振荡、中频振荡以及高频振荡 。目前针对该问题的研究主要集中于关键影响因素对稳定
3、性的影响以及新型的抑制策略等方面。其中,基于谐波状态空间的小信号建模法由于其物理意义清晰、易于编程实现,是现在的主流建模方法。该方法通过引入托普利兹形式的状态空间矩阵,建立了线性的频域小信号模型,可以用于阻抗分析法以及特征值分析法分析系统的稳定性。为了更好地解决柔性直流系统振荡问题,本文针对实际工程中出现的部分振荡问题,总结出其对电网的危害;回顾现有的柔性直流系统阻抗建模法,分析了各方法特点与优势;针对谐波状态空间法总结归纳了拓扑结构的平均值模型通用建模流程,梳理了现有的闭环控制环节引入方案;从阻抗分析法与特征值分析法两方面分析振荡问题。振荡问题对电网的影响广东南澳与上海南汇柔性直流工程在风场
4、外送第 卷第期(总第 期)年月 吉林电力 ()出力增大过程中均有次同步振荡情况发生,其振荡频率为 。系统风电机组产生的振荡电流流入变流器中,由于变流器在该谐振频率处阻尼不足,会造成直流侧电流振荡,引起系统不稳定,若振荡长时间内不消失,会引发电网大规模停电事故。鲁西背靠背柔性直流工程曾出现 高频振荡。换流站在系统发生振荡前处于柔性直流单元单独运行状态,当运行状态发生改变后,柔性直流单元出现 的高频谐波相电压及相电流,振荡问题经调试后仍无法消除,最终导致柔性直流单元跳闸。渝鄂背靠背柔性直流工程空载加压调试过程中分别出现高达 和 的高频振荡,振荡若长时间不消除,换流站控制保护系统为保护相关设备安全将
5、执行闭锁逻辑,会造成功率盈余或缺失,从而对交流主网产生严重冲击。舟山某直流工程换流站在运行方式由联网运行转变为孤岛运行的切换过程中出现谐波电流,且在系统中被放 大,引 起发散振荡,发生高频分量跳闸。综上,实际工程中发生的振荡问题范围从几赫兹到几千赫兹,呈现宽频域特性,并且若振荡问题持续一段时间,产生的谐波会严重畸变交流电流及交流电压,增加系统损耗,可能使系统闭锁停运。小信号模型研究现状目前的建模方法主要应用平均值模型,该模型不会反映出子模块内部的动态特性,为周期性时变等效模型,故无法采取传统的稳定性分析法,应采用傅里叶变换的分析方法将时域转换为频域进行分析。在频域模型中,又根据傅里叶变换形式的
6、不同,分为变量形式为正负序分量的相序域模型和形式为 分量的 域模型。其中,相序域模型傅里叶变换为指数形式,常用的建模方法包括谐波线性化、多谐波线性化、谐波状态空间种;域模型傅里叶变换为三角函数形式,常采用动态相量法进行建模。以上 建 模 方 法 虽 形 式 不 同,但 都 可 以 建 立线性时不变的小信号阻抗模型,进而运用阻抗分析法中的奈奎斯特判据和 图分析系统的振荡稳定性。谐波状态空间法和动态相量法可以建立系统的状态空间模型,进而运用特征值分析法定量地分析系统稳定性。谐波线性化谐波线性化方法在静止坐标系下建立了交直流侧阻抗模型,该方法认为子模块电容值为无穷大,但在实际运行中子模块电容电压具有
7、稳态谐波分量。在稳态运行中由于其结构特点所引起的非线性特性与谐波间相互耦合,会导致稳态谐波的出现,对系统的稳定运行产生影响。因此,谐波线性化方法无法考虑内部动态特性,造成计算结果不精确。即使有文献考虑了低次稳态谐波,但当考虑多个谐波时,仍会出现推导过程十分复杂的问题。多谐波线性化同样在静止坐标系下,文献 在谐波线性化方法的基础上提出多谐波线性化的方法,基本思想是在建模时引入矩阵运算。在建模过程中,将状态变量变换为矩阵形式,并在稳定运行的直流系统交流侧或直流侧添加一个特定频率的扰动电压,通过编写阻抗模型计算得到对应的响应电流,从而得到该扰动频率下的阻抗值。该方法基于矩阵形式建立了考虑不同变量谐波
8、耦合的动态方程,将各次谐波的影响在模型中加以体现,模型更加精确可靠。但在使用多谐波线性化方法时,推导过程相对复杂,编程实现相对困难。谐波状态空间法与多谐波线性化类似,谐波状态空间分析法同样在静止坐标系下的稳态工作点上应用微扰动线性化分析法进行小信号建模,引用托普利兹矩阵进行频域上的求解。该方法数学推导明确,易于拓展模型阶数,对复杂系统编程求解较为简单,与谐波线性化方法相比,更加适用于考虑系统多频次谐波特性的小信号建模。动态相量法对于三相交流系统,动态相量法通过将静止坐标系下稳态工作点的交流非线性时变信号转换为旋转坐标系下的直流线性时不变分量,通过这种方法得到的 域小信号模型只适用于三相对称系统
9、,当三相系统中存在不平衡、谐波分量或接入不平衡电网时,不能使用该方法。同时,当研究风电场中多风电机组小信号模型时,由于动态相量法建立的机组模型以本地并网点作为参考,要求将每个模型都旋转到统一的参考系,所以在大规模风场并网时该方法存在一定限制。动态相量法在计及三次以上谐波时,表达式变得冗长,不如谐波状态空间法建模简便。第 卷第期(总第 期)吉林电力 年月谐波状 态空间法的小信号建模方案 犕犕犆开环频域模型现有的谐波状态空间法主电路线性模型结构大致相同。当稳定运行时,假设各桥臂子模块电容电压保持平衡,可将任一桥臂等效成一个平均子模块,从而得到单相平均等效模型,见图。图中 为直流电压;为交流侧相电压
10、;、分别为由控制系统决定的上、下桥臂的调制函数;和 分别代表上、下桥臂的电容电压之和;和分别为上、下桥臂流过的电流;为循环电流;为交流侧相电流;为等效桥臂电容;为换流变压器等效阻抗,由等效电阻和等效电抗构成。图 单相平均等效模型根据拓扑结构可以得到系统的状态空间模型,见式()。()()()()()()式中:()、()、()为状态空间表达式中状态变量及其导数、以及输入变量的矩阵形式;()、()矩阵分量可由平均等效模型及基尔霍夫定律推导求得。针对上述时域状态空间模型,利用傅里叶变换法可将任意连续的周期性信号转化成频域形式,代入原方程并经过微扰线性化处理后,可得基于谐波状态空间的频域模型,见式()。
11、()()式中:、矩阵是由()、()、()、()经谐波状态空间(,)法频域变换后得到的,形式相同,为 矩阵;为对角矩阵,对角元素包含频率信息。值得注意的是,为与扰动前的、矩阵加以区分,用表示扰动信号构成的矩阵,且、矩阵结构与加入扰动前相同。控制环节引入方案上述基于谐波状态空间(,)建立的状态空间模型只考虑了换流器本体的拓扑结构,还需要引入的控制环节,完善阻抗模型。闭环控制下系统结构见图,控制系统通过派克反变换生成的调制波来实现对换流器的控制,而的状态变量又经过派克变换和输入量共同影响调制波。图闭环控制下系统结构系数矩阵中的调制函数中含有换流器反馈回的状态变量,与矩阵中的状态变量相乘就会产生二次的
12、状态变量,故模型呈现非线性。针对此问题,文献 在矩阵中直接增加控制系统信息,得到的平均值模型的主电路线性模型见式()。()()烅烄烆()式中:上 标代 表 变 量 的 稳 态 值;代 表 小 信 号分量。最后将得到的线性模型运用谐波状态空间的方法引入托普利兹矩阵进行频域运算,但这样做会使得矩阵的结构发生改变,并且当控制环节增加时,矩阵的结构较为复杂,后续的模型验证以及稳定性分析都较麻烦。文献 引入,两个矩阵来表示控制环节对调制函数的影响,并将小信号扰动对电气回路的影响通过在状态空间方程中增加一个系数矩阵来代替,得到新的状态空间方程。最后运用谐波状态空间法将状态空间方程变换到频域下,这样既不王皓
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