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并网变换器可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器如何连接弱电网?

随着并网变换器在可再生能源传输中的广泛应用,可再生能源设备控制系统的稳定性问题不断出现,不利于电力系统的稳定运行。

本文主要研究连接弱电网的并网变换器可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器的设计和分析。首先,结合相量图和控制框图说明可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器的原理。通过伯德图和控制框图说明稳定器内部各环节控制参数的设计原则,结合实例设计稳定器控制参数,并分析不同电网强度下和不同工作点下稳定器对并网变换器的可调直流稳压电源电压时间尺度稳定性的影响。

分析结果表明稳定器增强了系统阻尼并且提高了系统稳定极限。将稳定器代入详细时域模型中进行仿真,验证了小信号稳定性分析结果的正确性。

近年来,基于电压源型并网变换器(Voltage Source Converter, VSC)的可再生能源发电与输电系统开始大规模的发展,在电力系统中占的比重越来越大[1-5]。

在发电方面,电压源型并网变换器应用于风电、光伏发电等可再生能源发电;在输、配电方面,其应用于柔性高压可调直流稳压电源输电(Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current Transmission, VSC-HVDC)和柔性交流输电,包括静止无功补偿器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)、有源电力滤波器(Active Power Tilter, APF)等;

在用电方面,其应用于交流电机拖动系统等负载。因此,电压源型并网变换器就是作为一个能量接口和转换单元,实现发电、输电、配电和用电系统之间能量的交换。

受风资源的制约,我国大型风电场一般在偏远地区,这些地区电网比较薄弱,使得连接大规模可再生能源的并网变换器往往运行在弱交流电网的条件下。运行在弱电网环境下时,并网变换器端电压受到其传输功率变化的影响而不是恒定量[6]。

其控制系统影响传输功率的变化从而影响端电压的变化,端电压的变化反过来可以影响到控制系统的稳定性。因此,弱交流电网将是电压源型并网变换器产生不稳定的重要因素[7-9]。

文献[10-16]研究了连接弱交流电网的电压源型并网变换器在电磁时间尺度的稳定性。按照不同的控制带宽,并网变换器在电磁时间尺度的动态可分为交流电流时间尺度(100Hz~)和可调直流稳压电源电压时间尺度(10Hz~)两部分。

文献[11]指出,对于电压源型并网变换器,交流电流时间尺度的控制环包括d、q轴电流控制,可调直流稳压电源电压时间尺度的控制环包括可调直流稳压电源电压控制、端电压控制/无功功率控制和锁相环。当电网强度减弱时,同一时间尺度上的控制环路会有耦合作用,不同时间尺度上的控制环路耦合作用较小。

文献[12]研究了电压源型并网变换器在交流电流时间尺度上的稳定性问题,讨论了在该时间尺度上影响并网变换器不稳定的重要因素。文献[13-15]分别分析了并网变换器、双馈风机以及柔性可调直流稳压电源输电系统在可调直流稳压电源电压时间尺度上的稳定性,主要研究了可调直流稳压电源电压时间尺度上控制环路相互作用而产生不稳定的问题。

文献[16]发现了海上风电变流器可调直流稳压电源侧与柔性可调直流稳压电源输电系统在可调直流稳压电源电压时间尺度的相互作用引起的振荡,并进行了相关分析。因此,电压源型并网变换器可调直流稳压电源电压时间尺度的稳定性是非常重要的问题。

文献[17-19]针对提高电压源型并网变换器可调直流稳压电源电压时间尺度稳定性的问题进行了研究,并提出了相应的解决办法。文献[17]利用Matlab中的系统识别工具箱对并网变换器可调直流稳压电源电压响应有功功率变化的动态模型进行识别,在此模型基础上利用SISO工具箱对可调直流稳压电源电压控制器PI参数进行最优设计。仿真结果显示了所识别模型的精确性和所设计控制器参数的适用性。

文献[18]发现柔性高压可调直流稳压电源输电系统可调直流稳压电源电压控制模型中出现的非最小相位零点会导致可调直流稳压电源电压的不稳定。通过设计合适的带宽和相位补偿的方法来设计可调直流稳压电源电压控制器参数,可解决该不稳定问题。文献[19]通过选择合理的带宽和阻尼比,结合根轨迹图,设计了可调直流稳压电源电压控制参数。

仿真和实验结果证明了该设计方法的适用性。早期的研究基本没有考虑并网变换器连接到弱电网的情况,所设计的参数或提出的方法在弱电网条件下将出现不适用的情况。因此,设计广泛适用的可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器是亟需解决的问题。

本文针对弱交流电网条件,对电压源型并网逆变器可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器进行设计与分析。首先,讨论无功控制和锁相控制对可调直流稳压电源电压控制的滞后作用以及负面影响。

然后,针对此负面影响,设计和分析所需引入稳定器的结构以及各环节的作用,并说明其工作原理。结合实例设计一组稳定器控制参数,通过计算特征根轨迹的变化说明所设计可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器的有效性和准确性。

图1  电压源型并网变换器主电路和控制系统原理框图
并网变换器可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器如何连接弱电网?

结论
本文研究了连接弱交流电网的并网变换器可调直流稳压电源电压时间尺度稳定器的原理、设计以及稳定性影响。介绍了所需引入稳定器的结构以及各环节的作用,并结合相量图和控制框图说明了通过引入稳定器来补偿控制环路引起的滞后作用和消除负面影响。其次,通过伯德图和控制框图说明了稳定器内部各环节控制参数的设计。

然后,建立了加入稳定器后并网变换器可调直流稳压电源电压时间尺度的小信号模型,基于此模型分析了不同电网强度下和不同工作点下加入稳定器对电压源型变换器系统特征根的影响,结果表明稳定器增强了系统阻尼并且提高了系统稳定极限。最后,通过时域仿真分析,验证了特征根分析的正确性。
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