IS200TSVCH2ADC MRP061873 用自适应控制稳定高压直流输电线路

现代电力系统继续越来越依赖可再生能源的互联和集成，这使得高压直流输电线路对于提高长距离输电的效率非常重要。高压直流输电线路不仅能提供精确的功率流控制，还能降低损耗，允许灵活的电网与各种能源整合。然而，随着可再生能源波动性的增加和发电的分散化，这些电网系统中存在一些复杂性，直接影响到必须适应交流电网动态的高压直流输电技术.

　　图一。带有处理高电压的电力转换器的变电站。图片由提供皮沙贝

　　高压直流输电系统和交流电网扰动综述

　　在异步电网中，高压直流输电系统通常用于远距离互联和电力传输，通过将交流(AC)转换为直流(DC)，以高电压传输。在接收端，HVDC通过链路两端的换流站转换回交流电。与传统的交流线路相比，高压直流系统的特点是电阻更小，减少了无功功率问题，并且不容易产生充电电流。

　　然而，高压直流输电线路的稳定性会受到交流电网中瞬时故障、电压骤降和频率变化的影响。如果管理不当，这些电网干扰可能会导致配电中断。传统的控制方法通常依赖于使用固定参数控制器，如比例积分(PI)控制器、反馈环路和下垂控制方案，它们通过调整转换器的输出来维持稳定的工作，以响应电压和电流变化。然而，这些传统的控制方法在电网扰动的情况下适应性较差，因为它们不能快速调整功率以动态响应电网变化。基于线性系统假设设计的传统控制方法无法处理电力系统中的非线性动态特性，在扰动时这种特性尤为明显。

　　高级转换器控制策略

　　最常见的逆变器控制方法之一是自适应控制技术，该技术基于电网的条件实时地连续改变响应。使用卡尔曼滤波或递归最小二乘法等算法，自适应方法可以动态估计HVDC链路中的参数，识别电网中电压、电流和频率等方面的变化。为了电网稳定，这种控制方法允许增益设置。例如，控制器可以通过增加阻尼来抑制振荡，然后在电网稳定时恢复到标准工作状态，从而解决瞬时故障。这确保了高压直流输电线路的弹性，即使在电网条件波动的情况下也是如此。

　　另一种转换器控制方法被称为droop方案，它允许电力系统的分散调节。这包括调整转换器的输出电压及其频率，以响应无功和有功功率流。通过有意允许输出电压在预设的特性曲线附近“下降”(降低)，功率可以在多个转换器之间按比例分配，而无需集中控制。在固定的特性曲线上运行，下垂方案不是解决电网中所有扰动的理想选择。因此，该方案可以与自适应控制相结合，用于实时动态调整下垂参数。两种控制方法的集成提供了一个协调的响应系统，该系统通过共享稳态功率来平衡抑制快速扰动的需求，从而创建一个更具弹性的HVDC系统。

　　为了更好地理解和确保高压直流输电线路的稳定性，有必要考虑定量分析框架，如特征值分析和波特图评估。对于非线性HVDC换流器动态方程的线性化，通过考虑诸如电流、控制状态和电压的状态向量(x ),在稳态工作点附近进行特征值分析。除了输入状态之外，在表示线性化模型时也考虑输入向量(u ),如下所示，其中处理系统动态的状态矩阵由(A)定义，输入矩阵由(B)表示。这种分析有助于电力工程师评估高压直流输电线路的不稳定性。在这种情况下，所有特征值都可以有负的实部，系统在这种状态下被认为是稳定的。然而，如果任何特征值具有正的实部，系统可能是不稳定的。当值接近虚轴时，它可能表示对参数变化敏感的振荡行为。

　　x⋅=Ax+Bu�⋅=��+��另一方面，波特图是一种定量工具，在评估高压直流输电线路控制系统的稳定性方面效果很好。波特图提供了系统动态的频域视角，直观地表示了系统对不同频率的正弦输入的反应。波特图的组成部分包括幅度图中的增益裕量(GM ),用于评估不稳定点;相位图中的相位裕量，用于描述系统中的相移。从下图2中HVDC系统的波特图样本可以看出，相位裕量较大，表明换流器控制系统可以处理电网扰动或延迟带来的额外相位滞后，而不会出现振荡或不稳定。同样，当增益裕度合适时，控制器可以承受参数偏差和电网扰动，而不会面临失控放大。对这些裕度的分析有助于微调自适应和下垂控制方法，以确保HVDC系统在电网扰动中的稳定性。

　　图二。HVDC换流器控制系统的波特图揭示了在10 rad/s附近的幅度响应中的显著峰值和从-90°到-180°的急剧相移。这些特性表明，关键频率范围需要仔细管理，以确保系统稳定性。图片由鲍勃·奥德希安波提供

　　故障穿越能力和现代MMC技术

　　在高压直流输电线路中，故障穿越(FRT)是在交流电网发生瞬时故障时允许线路保持功能的系统之一。该FRT用于防止传统HVDC系统中由于电压下降、频率波动或短路等问题导致的断开或断电。为了实施FRT，可以考虑采用快速限流等策略来保护高压直流输电系统中的半导体器件，支持动态无功功率以获得稳定的交流电压，以及集成储能以处理瞬态功率的不平衡，从而提高高压直流输电线路的弹性。

　　基于的高压直流输电线路模块化多电平转换器(MMC)与两级或三级转换器相比，具有增强的FRT。这是因为MMC的多个子模块通过允许故障模块的旁路来提供冗余，从而防止整个系统关闭。对于受控故障恢复，MMC子模块中的分散储能电容器和故障后逐渐恢复电力以减少涌入电流，使其在现代HVDC链路中普遍用于稳定性。

　　随着高压直流输电技术的进步，了解如何建立适应力强、经得起未来考验的电力系统至关重要。工程师可以设计稳定安全的现代电网高压直流输电线路通过适应性控制策略。