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柔性直流输电系统控制研究综述  

2016-11-11 11:37:44|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者李兴源教授担任四川大学电气信息学院直流输电科研课题组的技术总指导。直流输电科研课题组拥有以李兴源教授为首的高层次的中青年人才相结合的科研队伍(包含教授3人,副教授2人,讲师5人,专职博士后1人),长期从事电力系统安全稳定性分析与控制、高压直流输电及智能电网方面的研究。课题组拥有大量国际国内常用的电力系统分析软件,包括ADPSS、PSASP、BPA、NETOMAC、EMTDC、MATLAB、电科院综合稳定程序等,并针对国内外实际工程,结合相关软件开发了发电机励磁系统、PSS和HVDC、FACTS元件及其控制器的模型和许多自定义模块,具有仿真复杂交直流混合运行电网计算的能力。本课题组在在高压直流输电技术领域开展了多年深入的研究工作,先后承担和完成多项国家级项目,包含863、973及多个自然科学基金重点项目及面上项目,共计有关高压直流输电系统的30多个研究项目。

柔性直流输电系统

  近年来,随着风能、太阳能等可再生能源大规模的接入以及对电力系统稳定性要求的进一步提高,一方面需要大力开发利用可再生能源,通过转变能源生产、配置和消费方式,优化能源结构,提高能源效率,实现清洁发展;另一方面,也需要在不降低电力系统运行可靠性的前提下,更加有效的利用输电网络,最大限度地提高线路的输送能力。基于电力电子器件的柔性输电方式,极大地促进了线路输送功率的提高以及可再生能源的接入。尤其是随着电力电子器件的发展,基于绝缘栅双极晶体管换流阀(IGBT)的柔性直流输电(VSC-HVDC)技术,因为具有有功无功可实现快速解耦控制、不存在换相失败、输出电压电流谐波含量低等优势,在可再生能源并网、多端直流网络构建、弱系统联网等场合得到了广泛的应用。柔性直流输电作为新一代直流输电技术,目前被认为是实现新能源并网和建立直流电网的极具潜力的输电方式,也是构建未来智能化输电网络的关键技术,而柔性直流输电系统的控制则是影响输电系统运行性能的关键因素之一。论文针对柔性直流输电系统控制进行研究,概述了两端及多端柔性直流输电系统的拓扑结构及其优缺点,介绍了多端柔性直流系统协调控制的主要方法,讨论了柔性直流输电系统附加控制的多种方法,并分析了风电接入下柔性直流输电系统的控制。

  1.柔性直流输电系统拓扑及控制

  两端VSC-HVDC系统拓扑结构较为简单,通过点对点的连接实现有功功率的传输。在两端基础上发展而来的多端柔性直流输电系统(VSC-MTDC),能够实现多电源供电和多落点受电,可以采用不同的拓扑结构形成直流网络,极大地提高了直流输电系统的操作灵活性和系统的可靠性。多端直流系统的拓扑可以分为串联型和并联型,如下图1-图4所示,其中并联型包括星形拓扑、环形拓扑和星形-中央环形拓扑等。

图1串联型拓扑结构

图2星形拓扑结构

柔性直流输电系统

图3环形拓扑结构


图4星形?中央环形拓扑结构

  VSC-MTDC系统中直流电压反映了系统的有功平衡情况,所以维持直流电压稳定是VSC-MTDC系统控制的核心问题之一。按照直流电压稳定控制方式可将VSC-MTDC系统的控制分为单点直流电压控制和多点直流电压控制,具体控制分类如图5所示。单点直流电压控制在同一时刻只有一个换流站参与功率的调节,系统的动态响应速度慢;而多点直流电压控制尤其是组合控制方式可以在多个换流站共同维持直流电压稳定的同时,进一步调整功率分配,以保证VSC-MTDC系统更加可靠、经济运行。

柔性直流输电系统

图5VSC-MTDC系统控制分类

  2.柔性直流输电系统附加控制

  柔性直流输电具有快速的动态响应特性并且能独立控制有功和无功功率,因此,在正常输送功率的同时还可以实现一些附加控制功能,其中利用VSC换流站提供频率支撑和进行阻尼控制是两种主要的附加控制方式。

  频率支撑:保持发电功率和负荷功率平衡是保证电力系统稳定运行的前提。在弱交流系统中,功率不平衡会导致很大的频率偏移。VSC换流站可快速控制有功功率的传输,可以利用附加控制实现为弱交流电网提供频率支撑的目的。

  阻尼控制:利用电压源换流器控制的灵活性和快速性,通过附加功率调制改善系统弱阻尼特性可取得很好的控制效果。目前,提高系统阻尼控制器的设计方法主要有极点配置法、最优控制、能量函数法、非线性变结构控制、人工智能等。

  3.风电接入下的柔性直流输电系统控制

  风电的不确定性使其在采用直流方式接入电网时会导致直流系统和受端交流系统的不稳定,因此,需要完善具有良好动态性能的变流器控制方法和先进的协调控制技术,以提高风电机并网的稳定性。新型变流器控制策略多以提高变流器的动、静态性能,简化控制器参数整定为目标,包括基于虚拟磁链的直接功率控制控制、无拍差预测控制、滑模控制、虚拟同步发电机技术等各种控制方法;在风电接入场景下针对不同情况提出的各种附加控制及协调控制策略亦均能达到各自的控制目标。

  未来展望

  柔性直流输电相比于传统直流输电具有诸多优势,是未来构建直流电网的重要组成部分,其控制技术的发展决定了柔性输电技术的发展前景。

  多端柔性直流接入交流电网后,针对交直流混合系统的协调控制和潮流优化需进一步分析和研究;针对VSC换流站输出的无功功率可调,进一步挖掘换流站无功输出能力,有利于系统特定紧急控制目标的实现。目前,柔性直流输电的附加阻尼控制的研究多针对小区域、单条直流进行设计,针对多区域复杂交直流网络的广域协同阻尼控制方法还有待进一步研究。未来风电接入容量在整个电网所占比例将会增大数倍,柔性输电的控制方式的研究应考虑复杂多变直流电网结构和大容量密集分布风电场功率随机性的影响,减小风电并网下的频率、电压波动,提高系统惯性水平。

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