学术简报︱含多电压源型变换器型电力电子设备的互联电网广域阻尼控制

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摘要

国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院、东北电力大学电气工程学院的研究人员徐茂达、王也、郝文波、刘铖、陈枭杰，在2019年第9期《电气技术》杂志上撰文指出，随着众多电压源型变换器型电力电子设备接入电力系统的渗透比逐步增加，形成了含多变流器的电力电子化互联电网。

本文针对多电压源型变换器型变流器的无功调制特点，利用多变流器无功调制能力设计广域阻尼控制策略，为互联电网提供阻尼并抑制低频振荡。首先，对多电压源型变换器型变流器控制环节构成进行介绍，研究并构建了多电压源型变换器型变流器通用性模型；其次，分析了多变流器无功调制阻尼贡献机理；最后提出多变流器广域阻尼控制策略，利用多电压源型变换器型变流器无功环节的模糊控制来对互联电网功率振荡进行抑制。

通过构建多电压源型变换器型变流器算例仿真，结果表明，该方法可为系统提供阻尼，有效抑制区域间振荡，增强电力系统的稳定性。

随着新能源发电蓬勃发展，风电、光伏等大量并网，多种电压源型变换器（voltage-source converter, VSC）柔性交流输电系统（flexible AC transmission system, FACTS）和高压直流输电（high-voltage direct current, HVDC）接入电网，使电网含有VSC型变流器的比重与容量逐步增加，已逐步形成多变流器的电力电子化互联电网。

多变流器电力电子设备接入渗透比增加使得互联电网特性变得更为复杂，对电力系统功率振荡分析与抑制带来极大挑战，一旦发生功率振荡将会对电力系统造成巨大影响。所以，如何改善系统阻尼特性，抑制功率振荡值得研究。如果能够利用众多电力电子设备为系统提供阻尼并抑制功率振荡将具有重要意义。

现有阻尼控制措施大多考虑利用单独设备元件使其具备阻尼能力，如考虑利用传统和改进的电力系统稳定器（power system stabilizer, PSS），及利用风机或SVC提供阻尼等，许多学者已提出了改进措施，但效果具有单一性且有一定的适应范围，单个元件阻尼作用程度十分有限。

目前，各种电力电子设备接入电网的方式，主要通过变流器接口形式接入。其中接口变流器大部分采用VSC，也使电网呈现出多VSC型变流器共存的新形态。在多VSC变流器型电网中，电力电子化设备中的可再生能源，如光伏发电、风力发电系统接口变流器的控制模式一般为电压控制模式，在故障期间可提供功率平衡和电压支撑。电网运行时，VSC型变流器为系统提供无功需求。

当电网发生功率振荡时，如果不能有效抑制振荡将严重影响电网安全运行。所以，如果能够利用现有系统中的多VSC型变流器为电网功率振荡提供阻尼控制，将为互联电网的功率振荡提供新的抑制途径。因此，扰动期间使多VSC型变流器具有阻尼抑制能力变得极为重要。多VSC型变流器无功调制阻尼控制可改变传统单一设备提供阻尼的改善程度有限、适用范围有限的不足。且可在其提供无功电压支撑的同时具有附加阻尼控制能力，能够为互联电网的功率振荡提供有效抑制。

因此，针对含多VSC型变流器互联电网的参数不确定性和强非线性，本文提出了利用多VSC型变流器的无功模糊调制阻尼控制方法。首先，建立通用变流器模型；其次，研究多VSC型变流器无功调制阻尼控制机理；最后，结合模糊控制原则设计了多VSC型变流器无功调制阻尼控制策略。仿真结果表明，该方法简单有效，所提出的多变流器阻尼控制具有较强鲁棒性，并可有效增强互联电网功率振荡抑制能力。

图7 多VSC型变流器结构阻尼控制策略示意图

总结

针对含多VSC型电力电子设备的互联电网新特点，本文提出了利用多VSC型变流器的广域阻尼控制策略。建立了VSC型变流器通用模型，以解释VSC型变流器无功调制阻尼作用机理，设计了多VSC型变流器无功模糊阻尼控制策略。通过仿真验证，得到如下结论：

1）多VSC型变流器通过无功调制可为系统提供阻尼，有效抑制区域间振荡。
2）多VSC型变流器无功阻尼控制能够有效适应互联系统强非线性，克服了难以适应工况变化等缺点，且相比于单一VSC型元件阻尼效果更为明显。该设计方法简单，易于实现，为逐步实现电力电子化互联电网的阻尼控制提供了新思路。