【多个网侧换流器无功支持协调控制探究概述7700字】

多个网侧换流器无功支持协调控制分析概述 1 1 1 1.2模型预测参与的多机无功控制 8 81.2.2基于模型预测控制的无功支援控制 1.1.1动态无功下垂控制基础模型风电场1换流器1风电场1所换流器Ⅱ所风电场IⅢ图4-1风电场有功功率输出如图4-1所示，分布且距离负荷中心较远的风电场通过VSC-HVDC接入负荷核心区。风电场侧的VSC承担控制风电场电压的幅值和频率的任务。网侧换流器的电路结构和拓扑结构则如图4-2所示，其d轴控制负责稳定输电线路的直流电压，为电网提供无功支持的相关控制策略则由q轴实现。当公共连接点电压在阈值范围内时，系统不需要紧急无功注入。但为了保证系统的安全经济运行，仍然需要输出一定的无功功率。此时，调度中心将根据最VSC在故障前无功功率指令的基础上还会增加无功功率输出以维持公共连接点网侧换流器网侧换流器LsU₅本外环d轴控制使能信号IqI₄内环控制3UacrefdgIa几7URCL图4-2风电场有功功率输出无功支持任务分配的问题。所以定电圧控制被替换为Q-V下垂控制。即入下垂系数实现无功功率任务在各换流器站之间的分配。已经有部分文献对传统的Q-V下垂控制进行了探讨。然而定下垂系数具有数K将限制逆变器的无功输出能力。过大的下垂系数K可能会影响换流器运行为了验证所提控制策略的有效性，在仿真软件PSCAD/EMTDC中建立了风电场VSC-HVDC接入负荷中心的仿真模型。该仿真模型由三个风电场和VSC-HVDC组成。模型的详细参数见风电场I风电场Ⅱ换流站交流侧额定电压(一)模式切换控制验证案例1演示了采用模式切换控制的多个网侧变流器对电压跌落的响应。在电指定为有功功率和无功功率的正方向。有功功率(WM有功功率(WM30MW55MW055MV'ar47MVar019MVar14MVar0公从图4-4可以看出，在t=Os时，网侧换流器按照调度中心的指令输出无功功率。因此公共连接点电压如图4-5所示为1.01,略高于额定电压。在t=0.5s时，公共连接点电压发生跌落。当各网侧逆变器检测到电压降落超过限值0.95时，定电圧控制使能开启，换流器将从电压跌落前的恒定无功功率输出模式切换到电压支持模式。其中，逆变Ⅱ的无功功率输出从19MVar增加到55MVar。如图4-4所示，在电压跌落前逆变器Ⅱ工作在恒无功模式下时在三个网侧换流器中输出最多的无功功率。电压跌落后由于网侧换流站Ⅱ接受的有功功率较少，剩余容量较多，风电场有功功率较小，因此在电压支持模式下扔承担了最多的无功输出任务。虽然变流器I和变流器Ⅲ在电压跌落前输出的无功功率接近，但因为55MW的有功功率占据了逆变器Ⅲ的大部分容量。所以在动态无功下垂系数的调整下，变流器Ⅲ承担的无功支持任务较少，仅比之前多输出1MVar。此外，在t=0.5s时，逆变器Ⅲ的无功功率在电压跌落的暂态过程期间经历了较小程度的下降。同时，网侧逆变器Ⅲ的有功功率的波动也相对大于逆变器和无功功率。在该案例中，网侧逆变器Ⅲ采用有功功率优先输出的方式。当电压跌落时，无功功率容量最低降至0MVar,保证有功功率的优先输出。在其他换流器的无功功率的输出下，公共连接点电压在t=0.6s后恢复到正常值附近。此时，换流器Ⅲ的无功输出极限提高，根据无功动态下垂控制输出相应的无功功率14MVar。(二)采用固定下垂系数的变换器性能评价40MW和20MW。三台逆变器接入城市负荷中心的下垂系数为定值Ko=10。虽55MW20MW40MW0图4-6公共连接点电压30有功功率(MW有功功率(MW当t=0.5s时，公共连接点电压发生跌落。当电压跌落达到阈值后，各换流器启动无功支援模式。如图4-7所示，因为剩余容量充足，逆变器I和Ⅱ的输出功率分别为37MVar和38MVar。然而，受到电压跌落和有功功率优先模式限值，逆变器Ⅲ输出无功功率仅为11MVar。此时，逆变器I仍有空容量提供电压支持，而逆变器Ⅲ已耗尽容量。由于没有充分考虑逆变器剩余容量的差异，使得全局无功分配不合理。虽然所有逆变器都输出无功功率，但如图7(c)所示，系统电压为0.939p.u.,低于案例3中的0.961pu。所以可以得到结论，恒下垂系数逆变器控制可以提供无功功率辅助。但因为无功功率的分配并未考虑容量的影响，其对有功功率不确定的并网风电场的适应性弱于动态无功下垂控制。(三)动态无功下垂控制性能评估有功功率(MW有功功率(MW55MWPw₂二0图4-9公共连接点电压41MVar36MVar0一一Ue州0.920.9盒0在本例中，并网系统拓扑和逆变器参数与案例2中相同。与案例二不同的是，在本例中三台逆变器接入采用本文提出的动态无功下垂系数。假设从逆变器到电网的方向为功率的正方向。案例三的三个风电场的有功功率如表二所示，分别为55MW、40MW和20MW。为了与案例二形成对比，除拓扑结构与电压跌落程度相同外，电压跌落发生前的换流器工况也保持相同。即当t=0时，三个网侧换流器的无功输出为0MVar。当t=0.5s时，电网中出现电压降。从图4-10可以看出，相较于定下垂系数，采用动态下垂控制的网侧逆变器输出不同的无功功率。由于变流器I的有功功率(三)反馈校正环节建模精细度对控制效果带来的影响，需要设计如式(4-3)所示的反馈校正环节型中。其控制原理如图4-13所示。入到PI中经过积分得到过大的无功参考量，进而是否可以写为其中Qi,ref为逆变器i的无功指令参考值。式(4-5)为等应速度进而影响控制效果。因此本文使用了简化梯度法解决这一问题。其如图的目标函数如(4-7)所示。其中wi为由不等式约束转化而来的罚函数。每个不等式约束的罚因子可以表示为决该问题，具体可以写为(4-9)。通过求梯度中偏导求取，等式约束作为联立方则根据简化梯度可以求得此次迭代的控制变精度要求。如果不满足精度要求，则进入下一次循然后根据此时的换流器转态以及无功支援模块下达的指令代入到式(4-7)(一)基于模型预测控制的无功支持与动态无功下垂控制性能比较为了验证所提控制策略的有效性，在仿真软件SimuLink中建立了风电场VSC-HVDC接入负荷中心的仿真模型。该仿真模型由三个风电场及其并网逆变器构成。为比较模型预测控制的优势，此时工况选择与1.1案例3相同。有功功率(MW)2在t=Os时所有的并网逆变器都只承担输送风电场功率的功能，分别输出有功功率55MW,40MW,20MW。此时电网电压为额定值1p.u.,无需进行无功支援，所以并网逆变器不输出任何无功功率。当t=0.5s时，公共连接点电压跌落至0.86p.u.,达到了无功支持启动的阈值，统一的无功支援控制器开始工作。经过模型预测控制的滚动优化，无功指令值被发送到各并网逆变器。110.96-—交流电压此时，如图4-17所示换流器I因为容量利用率最低所以输出了最多无功功率51MVar;换流站Ⅱ次之，输出无功功率37MVar;换流站Ⅲ因为负荷率最高，仅仅输出无功功率5MVar。由图4-17可以发现，相较动态无功下垂控制，基于模型预测控制的响应会有轻微的滞后，这也导致了电压跌落达到了0.86p.u.。这是因为无功支持需要经过一个全局的定电压控制然后分发到各换流站，其中多出的PI环节延缓了无功控制对电压跌落的响应。51MVar0-37MVar此外，由图4-18可以发现。并网逆变器Ⅲ在故障跌落起始阶段未输出无功功率。这是因为其他换流器无功输出增加的暂态过程期间，换流器Ⅲ的设备容量占用率仍是最大的；而在这个暂态过程中模型预测控制依然生效，随时间不短增加的无功功率任务依然被优先分配给换流器I与Ⅱ。当各换流器的无功输出达到稳态时，其功率输出情况与容量利用率如表4-2所示。分析表4-2可以得到，在本案例中当达到稳态时基于模型预测控制下容量利用率达到了更为平均的水平，约为91%。这可以理解为通过利用模型预测控制精度更高的优势将无功功率进一步调配给控制容量更多的换流站，从而使容量利用率更为平均。这不仅提高了无功功率支援的潜力。在风速相同的情况下，还为捕获更多的风功率提供了换流站编号动态无功下垂控制无功功率输出容量利用率无功功率输出容量利用率1235在案例(二)中，换流站起始工作状态与系统拓扑与案例(一)相同。与前文不同的是，此次的电压跌落程度较轻，系统所需的无功较少。2由图4-18可知，当t=0.5s系统发生电压跌落。无功支援控制启动，经过模型预测控制滚动优化后将适应各换流器的无功功率下发到各换流器。如图4-20所示在稳态时，换流器I输出无功功率43MVar;换流器Ⅱ输出无功功率23MVar;而换流器Ⅲ因为设备容量使用率较高未被分配到无功功率。——并网逆变器I43MW23MW0——并网逆变器IⅡ0各逆变站的换流器工况如表4-3所示。因为换流器Ⅲ已经接近功率边缘。所以在其他换流站未达到该利用率时，不会有无功支持任务分配给换流站Ⅲ。这就导致了本例中换流站Ⅲ输出的无功功率为0MVar。根据计算可得，在全局无功继续增加24MVar的情况下，换流器Ⅲ才会进一步承担无功支援任务。在同样情况下，因