我国西北地区的水电与新能源打捆经电网换相高压直流(Line-Commutated Converter HVDC,LCC-HVDC)输电系统送出,直流系统单极闭锁故障时,由于配套交流滤波器延时分组切除,送端系统的新能源场站将承受持续性的过电压冲击,系统稳定隐患凸显。送端水电机组具有进相运行能力,可进一步发掘其动态无功容量用于抑制系统过电压,但水电机组进相协调的相关研究几近空白。为此,首先基于详细的公式推导,探究直流闭锁引起送端电网过电压的形成机理与形态特征;然后从换流站侧与系统侧两个方向展开研究,以过电压幅值和持续时间为标尺多维度分析风光水送端系统的过电压隐患。其次,针对送端系统不同程度的过电压工况,提出以直流换流站交流母线电压为输入信号的附加励磁控制,作为水电机组协调控制策略,包括水电与直流换流站协调、水电机组间协调两部分。直流单极闭锁时,水电机组基于换流站的过电压幅值决定其进相深度,从而动态吸收系统盈余无功,使新能源场站的过电压状况得以改善。然后,基于励磁系统输出极限和机端电压稳定极限,提出协调控制策略中附加励磁控制器增益上限的整定规则。再次,基于电磁功率解析表达式和等面积准则(Equal Area Criterion,EAC),研究直流单极闭锁前后水电机组的功角稳定特性;并以保障系统功角稳定为目标,分析直流单极闭锁前后水电机组最大进相深度的变化规律,由此提出与进相协调策略相适配的低励限制曲线改进方法。最后,基于青海风光水送端系统的PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真模型,开展验证分析。仿真结果表明:所提出的水电机组进相协调策略及低励限制曲线改进方法,可在保障功角稳定的前提下,进一步提高送端系统抑制过电压能力,从而有效发掘水电机组参与系统紧急调压的能力,填补送端系统无功调节功能的短时空缺。研究成果对实际工程具有一定指导意义。
在“双高”电网背景下,迫切要求新能源机组具备为系统提供惯性和阻尼能力,虚拟同步发电机(Virtual synchronous generator,VSG)控制由于可模拟同步发电机(Synchronous generator,SG)的出力特性而成为研究热点。VSG是一种基于SG运行原理设计的电力电子逆变电源控制算法,具有较好的功率跟随和频率响应能力,但VSG同时继承了SG的低频振荡特性,易与其他电源产生低频振荡以及动态功率交互现象,影响系统稳定性。本文以VSG为研究对象,探讨了其在“双高”电网中的运行特性和低频振荡问题,并提出了一种基于附加虚拟电力系统稳定器(Virtual power system stabilizer,VPSS)的低频振荡抑制策略。具体从以下三个方面对VSG及其低频振荡问题进行了深入研究:
首先,通过理论分析VSG和SG的运行特性,并将VSG的运行规律和低频振荡特性引入到功角层面,与SG进行对比分析,总结了VSG和SG在功角运行特性和功率输出方面的差异和相似点。通过仿真实验比较VSG和SG在短路扰动和功率跟随方面的响应情况,验证理论分析的正确性。
其次,建立基于VSG-无穷大系统的Phillips-Heffron模型,分析并揭示其低频振荡机理,提出了一种附加VPSS的VSG改进控制策略,并用相位补偿法整定VPSS参数。引入VPSS前后的系统极点位置及仿真验证表明,当电力系统受到不同扰动时,所提控制器可显著提高系统阻尼,减少低频振荡风险。
最后,探讨了VSG接入互联电力系统后,其与SG之间的动态功率交互现象(功角反馈现象)及其对系统低频振荡的影响。通过建立互联电力系统的Phillips-Heffron模型,揭示VSG和SG之间的低频振荡作用路径,将VPSS控制策略应用于该互联电力系统以抑制机组间的低频振荡,同时使用相位补偿法优化VPSS参数。由零极点分析可见,VPSS有效提升了互联系统低频振荡阻尼,阻尼比从几乎为0提升到了0.04仿真验证表明,所提VPSS在互联系统低频振荡中抑制效果良好,对于系统稳定性的改善具有一定的有效性与优越性,为“双高”电网低频振荡抑制提供了新思路。
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