新能源高压输电系统并网稳定性分析.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（下）-34-高 新 技 术高压输电系统是现代电力系统中的关键组成部分，它承担着将发电厂产生的电能从远距离输送到用户的重要任务1-2。由于电力系统规模不断扩大，复杂性增加，高压输电系统的并网稳定性分析面临新的挑战3。例如，可再生能源的大规模接入4、电力市场的自由化以及智能电网的发展等都对系统的稳定性提出了新的要求。因此，进一步深入研究高压输电系统的并网稳定性，探索新的分析方法和控制策略，保障电力系统的安全。本文通过深入研究系统的动态特性、建立准确的数学模型以及进行仿真分析，有效评估系统的稳定性。为高压输电系统的可靠运行和电力供应的稳定性提供有力支持，推动电力系统的发展。1 研究概况高压直流（HVDC）输电系统是一种将交流电转换为直流电进行输送的电力传输系统。该系统有以下 4 个组成部分。1）电源侧换流器。在高压直流输电系统中，电源侧的换流器将交流电转换为直流电。这个过程称为整流。2）直流线路。直流电从电源侧的换流器进入直流输电线路。直流线路通常采用高压的绝缘电缆或空气绝缘线路。在直流电的输送过程中，由于电流较低，因此输电损耗相对较小。3）负载侧换流器。在负载侧，直流电再次经过一个换流器进行逆变，将直流电转换为交流电。4）负载侧电网。逆变后的交流电供应给负载侧的电网或用户。在整个过程中，控制系统起到了关键的作用，通过监测电压、电流和频率等参数控制整流器和逆变器的开关状态，以实现电能的转换和控制。控制系统还负责监测和保护系统的运行，保证系统的稳定性。2 研究方法2.1 技术原理目前，HVDC 系统主要采用线路换流器（Line-Commutated Converter）作为主要的电力转换装置。线路换流器是一种基于可控硅的电力电子装置，通过控制换流器的开关状态来实现交流到直流和直流到交流的转换。该系统的运行模式包括逆变模式和整流模式，在逆变模式下，线路换流器将直流电转换为交流电。换流器的可控硅开关将直流电源连接到交流侧，并通过逆变操作将直流电转换为交流电。逆变模式用于将直流电能输送到交流电网中；在整流模式下，线路换流器将交流电转换为直流电。换流器的可控硅开关将交流电源连接到直流侧，并通过整流操作将交流电转换为直流电。整流模式的作用是从交流电网中采集直流电能5。HVDC 系统采用的控制方式主要为换流器的开关控制和调节控制，系统的换流器采用可控硅开关，通过控制这些开关的通断状态来实现电能转换。基于电网频率控制开关，换流器通过检测电网的零交叉点来进行开关的触发和控制。为了保证系统稳定输电，还需对系统进行调节控制。调节控制主要包括电流控制和电压控制。电流控制的作用是控制直流电流的大小和稳定性，以满足电力系统的需求6。电压控制用于控制交流侧的电压稳定性，保证系统稳定地运行。因此，对换流器的研究是高压直流输电系统稳定性研究的重点。2.2 模型建立当 HVDC 系统处于实际运行状态中时，系统的换流器工作点会不断变化，根据以上特点，本文采用线性化法和分量对称法3对谐波进行线性变化，使其能够适用于这类非线性系统。当系统输入端输入扰动电压时，工作点处的三相电各分量如公式（1）公式（3）所示。va（t）=V1cos1t+Vpcos（pt+p）（1）式中：va为 a 相侧电压；V1为交流电压幅值；1为三相电压角频率；Vp为扰动信号幅值；p为扰动信号角频率；p为扰动信号相位。vtVtVtpppb?112323coscos?（2）式中：vb为 b 相侧电压。vtVtVtpppc?112323coscos?（3）式中：vc为 c 相侧电压。对各分量的变化进行分析，若各分量变化相对稳定，则系统总体稳定。而各分量稳定性与其电压频域相关，为求得各分量电压频域，对上式进行傅里叶变换，就可以得新能源高压输电系统并网稳定性分析刘喜军（恒诚信国际工程咨询有限公司山东分公司，山东 济南 250101）摘 要：当电网强度较低时，高压直流输电系统的并网系统中可能出现谐波，进而影响系统整体稳定性。本文采用阻抗分析法对新能源高压输电过程中系统的稳定性进行研究，通过建立阻抗数学模型并利用某仿真模拟软件对并网系统的谐波产生条件进行分析。经过研究发现：系统的稳定性与阻抗大小和传递函数有统计学意义，保证输入端的低阻抗运行能够避免网路系统与输入端阻抗产生交点进而产生谐波影响总体稳定性；调整整流器侧电流控制器参数是控制谐波产生的重要手段之一，其可以有效降低谐振频率内谐振的发生概率。关键词：高压输电系统；阻抗；谐波；电流控制器中图分类号：TM726文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.4（下）-35-高 新 技 术到 a 相电压的频域，如公式（4）所示。VsVffVeffapj pp?1122,?（4）式中：Va（s）为 a 相电压的频域；f 为三相交流电频率分量；f1为三相交流电频率；fp为同步相位对应的频率分量。b 相和 c 相的电压频域同理，这里不再过多赘述。2.3 仿真验证采用某仿真软件对模型的有效性进行验证。将交流电源相电压设为 500kV，交流电频率设为 50Hz，当整流器处于定流模式时，其额定直流电流大小为 2kA，在输入端施加 100V的交流电压作为扰动信号，该信号频率为 1Hz1000Hz，通过计算得到结果（如图 1 所示）。从图中结果可以看出，在1000 Hz 以内，采用本文阻抗模型得出的计算结果与仿真结果吻合效果较好，但根据发展趋势可以推测出在更高的频率区段中，二者结果可能会存在部分偏离现象。3 结果分析3.1 并网稳定性分析通过建立的整流器阻抗模型进一步对高压直流输电系统的总体阻抗进行分析，总结了输入阻抗的变化特征，利用奈奎斯特稳定性判据对并网稳定性进行判定。在高压直流输电并网系统中，交流电网可以看作是电源，因此可以将其等效为一个串联阻抗的电压源戴维南电路，而高压直流输电系统本身相当于负载，可将其等效为一个并联理想电流源的诺顿电路，因此网路电压可以控制整个系统的输入电压，而高压直流输电系统则负责控制系统的交流电流。根据等效原理，可以推导出公式（5）、公式（6）。I sVsZsIsZsZsIsVsZsgrecsgrecsgrec?H（5）H sZsZsgrec?11 （6）式中：H（s）为传递函数；Zg（s）为网路阻抗；Zrec（s）为整流器端的输入阻抗。从公式（5）、公式（6）可以看出，当电压源空载运转时，高压直流输电系统的并网稳定性主要取决于传递函数H。图 2 显示了电流随时间变化的趋势。根据数据，电流在1.01014 kA2.31996 kA 变化。可以看出，电流的变化幅度较大，可能与系统的负载和电源的变化有关。此外，数据中电流的变化趋势也值得注意。从图中可以看出，电流呈现出周期性变化的趋势，其中电流的最大值和最小值交替出现，该结果可能与系统的控制和调节有关。从图2 中的结果可以看出，在理想条件下，高压直流输电系统决定并网电流，其先决条件是在整个网路中的阻抗较低并且无谐波干扰，在并网系统中不会出现震荡的情况。在实际的电网运行过程中，其阻抗不为 0，与一般情况相比其在新能源发电中的阻抗更大，系统网路中的阻抗与系统输入端阻抗在一定的频域区间中存在交点，从而产生一定频次的谐波震荡，使并网系统稳定性变差。3.2 送端并网稳定性分析对于高压直流输电系统的送端网路阻抗以及其电压等级，本文主要参照 CIGRE Benchmark 模型4。在忽略滤波器对阻抗的影响调价下，其短路比设定为 2.5，换流变压器的比值设置为 345kV/210kV，其谐波吸收次数为 11 次和 13 次，以便于为并网系统提供较低阻抗下的运行通路，避免了低频谐振的情况出现。考虑到定电流调节器参数的不同会对阻抗造成一定的影响，因此将调节器参数设置为 p=0.002，i=2.9，带宽设为20 Hz。由于定电流控制器各不相同，因此本文给出以下 2 种参数。1）p1=0.9，i1=0.9。2）p2=2.2，i2=21。根据设计参数得图 1 输入端仿真计算结果（a）幅值变化（b）相位变化相位/（）中国新技术新产品2024 NO.4（下）-36-高 新 技 术出了送端并网波特图，从图 3 可以看出，在第一种参数下网路阻抗与整流器端的输入阻抗交于 200Hz 处，二者相位角裕度为 45，在该参数设置下，高压直流输电系统可以稳定运行；而在第二种参数设置下，网路阻抗与整流器端的输入阻抗交于 350 Hz 处，二者相位角裕度约为 25，且其直流侧存在 350 Hz 的谐振。4 结论本文通过深入研究系统的动态特性、建立准确的数学模型和进行仿真分析，有效评估高压直流输电系统并网的稳定性，并得出以下 2 个结论。1）高压直流输电系统的稳定性在实际工作运行中主要取决于低阻抗环境和传递函数大小，低阻抗运行环境中能够减少谐波产生的可能性，从而保证系统稳定性。2）整流器侧电流控制器的参数变化会影响并网系统的稳定性，将参数设置在合理区间内，能够在谐振出现的频率区间保证稳定的裕度。参考文献1 韩平平，陈凌琦，胡迪，等.直流闭锁暂态过电压对风电外送影响及其抑制措施 J.电力系统保护与控制，2018，46（5）：7.2 黄守道，叶虹志，张文娟，等.基于虚拟磁链的直接功率控制在 VSC-HVDC 中的应用 J.电网技术，2014，38（4）：6.3 鲍颜红.大电网多形态稳定性预防控制和紧急调控的在线辅助决策方法研究 D.北京：华北电力大学（北京），2016.4孙雅旻，吴林林，王潇，等.双馈直驱风机混合接入MMC-HVDC送端系统的次同步振荡特性分析与抑制J.电网技术，2023（10）：47.5 杨海琳，魏永忠，许永龙，等.集中式并网光伏电站建设使用防反二极管的优缺点分析 J.电子世界，2014（22）：2.6 王玉玺.VSC-HVDC 供电系统暂态特性分析 D.北京：华北电力大学（北京），2012.图 2 电流在震荡条件下的波形变化趋势（a）2 种参数的幅值变化（b）2 种参数的相位变化注：Zrec1为第一种设计参数下整流器端的输入阻抗；Zrec2为第二种设计参数下整流器端的输入阻抗；Zdc为等效直流阻抗。图 3 不同参数的送端并网波特图2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.780 70 60 50 40 30 20300 250 200 150 100 500 50-1001.001.051.151.251.101.201.30瞬时电流/kA时间/s频率/s频率/s量级/dB相位/（）Zg（网路阻抗）Zrec1（等效整流侧输入阻抗1）Zdc（等效直流阻抗）Zrec2（等效整流侧输入阻抗2）Zg Zrec1 Zrec2Zdc 101010010010001000