面向电力系统稳定的广域PSS与VSC-HVDC协同控制策略研究.docxVIP

面向电力系统稳定的广域PSS与VSC-HVDC协同控制策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着国民经济的迅猛发展，电力需求持续攀升，电力系统规模不断扩张，结构愈发复杂。传统单一的输电模式已逐步演变为交直流混合输电模式，区域电网互联程度不断加深。这种发展态势在提升能源利用效率、改善电能质量等方面成效显著，比如通过将不同地区的能源资源进行整合调配，使能源得以更充分利用，也让电能的稳定性和可靠性得到提高。但与此同时，也给电网稳定性带来了严峻挑战，其中低频振荡问题尤为突出。

低频振荡是指发电机的转子角、转速以及相关电气量，如线路功率、母线电压等发生近似等幅或增幅的振荡，其振荡频率一般在0.1-2.5Hz。低频振荡的产生原因主要是电力系统中发电机并列运行时，在扰动下发生发电机转子间的相对摇摆，且在缺乏阻尼时持续振荡。当电力系统发生低频振荡时，会对系统稳定性产生极大影响，严重时可能导致系统解列，引发大规模停电事故，造成巨大的经济损失和社会影响。例如，在某些实际案例中，因低频振荡导致电网相关断面潮流超过送电极限，使控制系统产生误动，进而破坏电网稳定，致使工业生产停滞、居民生活不便。

为抑制电力系统低频振荡，提高系统稳定性，电力系统稳定器（PSS）应运而生。而广域测量系统（WAMS）的出现和发展，为PSS的优化升级提供了新契机，基于WAMS提供的远方信号构成的广域PSS，能够获取更全面的系统信息，从而更有效地抑制低频振荡。与此同时，基于电压源换流器的高压直流（VSC-HVDC）输电技术，凭借可关断的自换相器件和脉宽调制技术，具备诸多独特技术优势，如能实现快速的有功和无功功率控制、对交流系统的依赖性小等。世界各地已有众多VSC-HVDC工程投入实际运行，在提高电力系统稳定性方面发挥了积极作用。

然而，当前很少有学者将广域PSS与VSC-HVDC结合起来进行深入研究。实际上，二者在提高电力系统稳定性方面具有互补性。广域PSS可利用全局信息为系统提供附加阻尼，VSC-HVDC则能凭借灵活的功率调节特性支撑系统电压和频率稳定。若能实现二者的协调控制，有望进一步提升电力系统的稳定性和可靠性，保障电力系统安全稳定运行，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在电力系统稳定器（PSS）的研究进程中，早期主要聚焦于本地信号PSS，通过采集发电机的本地信号，如转速偏差、电功率偏差等，经处理后为发电机励磁系统提供附加控制信号，以抑制系统低频振荡。然而，随着电力系统规模的不断扩张和结构的日益复杂，本地信号PSS逐渐暴露出局限性，因其仅依赖本地信号，无法全面获取系统全局信息，在抑制区间低频振荡方面效果欠佳。

广域测量系统（WAMS）的诞生为PSS的发展开辟了新路径。基于WAMS构成的广域PSS，能够借助全球定位系统（GPS）的精确授时功能，实时采集电力系统中各节点的电压、电流相量等信息，获取远方信号，从而更全面地感知系统状态。众多学者围绕广域PSS展开了深入研究，涵盖信号传输过程中时滞问题的应对策略，如采用预测算法对时滞进行补偿，以降低时滞对控制性能的负面影响；以及控制器参数优化方法，通过智能优化算法寻找最优参数组合，提升广域PSS的控制效果等方面。尽管取得了一定成果，但在实际应用中，广域PSS仍面临一些挑战，例如通信网络的可靠性和稳定性问题，一旦通信出现故障，将严重影响广域PSS的正常运行。

基于电压源换流器的高压直流（VSC-HVDC）输电技术近年来发展迅猛。在理论研究层面，学者们对VSC-HVDC系统的工作原理、数学模型和控制策略进行了广泛而深入的探讨。在工作原理上，明确了其利用可关断自换相器件和脉宽调制技术实现电能转换和传输的机制；数学模型方面，建立了精确的微分-代数方程模型，为系统分析和控制设计提供了坚实基础；控制策略上，提出了多种有效的策略，如定直流电压控制、定交流电压控制、定功率控制等，以满足不同运行场景的需求。在工程实践领域，世界各地陆续建成并投运了多项VSC-HVDC工程，这些工程的成功运行，验证了VSC-HVDC技术在长距离大容量输电、可再生能源并网、城市电网供电等方面的显著优势。不过，VSC-HVDC系统在运行过程中也面临着一些问题，如换流器损耗较大、故障穿越能力有待提高等。

尽管广域PSS和VSC-HVDC在各自领域都取得了一定进展，但将二者结合进行协调控制的研究仍相对匮乏。目前，少数相关研究主要集中在理论分析和仿真验证阶段，旨在探索二者协调控制的可行性和潜在优势。在理论分析中，初步探讨了协调控制的原理和机制，分析了二者相互作用对电力系统稳定性的影响；仿真验证方面，通过搭