دانلود رایگان مقاله استراتژی کنترل هماهنگ توان راکتیو برای انتقال قدرت بادی در مقیاس بزرگ

چکیده

          وقفه و نوسان خروجی های فارم های بادی مقیاس بزرگ منجر به مشکلات چشمگیری در سیستم های انتقال قدرت توسط لینک های (LCC-HVDC) جریان مستقیم ولتاژ بالای مبدل کموتاسیون خطی می شود. دستگاه های قدیمی جبرانسازی توان راکتیو همچون فیلترهای AC قادر به تنظیم مستمر توازن توان راکتیو نیستند. این مقاله استراتزی هماهنگی از کنترل توان راکتیو را ارائه می کند تا تنظیمات مستمر و مداوم را اتخاذ کند. یک کندانسور هماهنگ (SC) در ایستگاه مبدل DC به منظور همکاری با فیلترهای AC به کار میرود. ظرفیت SC با ظرفیت کمینه و منطقه مرده از واحد فیلتر AC مشخص می شود و مقرون به صرفه بودن نیز لحاظ می شود. در حالی که خروجی های قدرت تقاضای توان راکتیو فراتر از ظرفیت SC است، یک واحد فیلتر AC عمل می کند و SC نیز تنظیمات را اعمال میکند تا توازن توان راکتیو را حفظ کند. استراتزی کنترل ارائه شده با شبیه سازی PSCAD/EMTDC اعتبارسنجی می شود.

1. مقدمه

          مسائل محیطی ناشی از جبرانسازی مصرف سوخت فسیلی موجب توسعه انرزی های تجدیدپذیر شده است. در ۳۰ سال اخیر، قدرت بادی سریعا توسعه یافته است و از نقطه نظر کامل شده است. به تازگی، اساسا دو نوع قدرت بادی وجود دارد، که زنراتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSG) و زنراتور القایی دوبل تغذیه وجود دارد [۱]. ظرفیت راه اندازی شده مزارع بادی در چین اخیرا بزرگترین مزارع در جهان می باشد. با توجه به اجرای جهانی انرزی، دهها مزارع بادی سطح MW در مناطق شمال غربی ایجاد شده است. منبع انرزی بادی در این مناطق بسیار متمرکز است و انتقال بالا اجتناب ناپذیر است. لینک های HVDC به دلیل انتقال مسافت بالا بسیار مناسب تر از سیستم های جریان جایگزین ولتاز بالا است [۲].

          سیستم (LCC-HVDC) جریان مستقیم ولتاز بالای مبدل خط تبدیلی برای انتقال قدرت در منطقه شمال غربی ایده آل است، که شبکه قدرت آن دارای ضعیف، مدولاسیون فرکانس ضعیف و قابلیت اصلاح کردن ضعیف است. در کل، اظهار و توافق بر این است که LCCها نسبت به سایر HVDCها از منظر قابلیت اعتماد، هزینه و کارائی برتر است. LCC-HVDC می تواند سریعا توان اکتیو را تنظیم کند تا نوسانات خروجی مزارع بادی را انطباق دهد و واریانس قدرت را برای مرکز بار در مناطق مرکزی و شرقی انتقال دهد. با این وجود، LCC-HVDC برخی از محدودیت ها را دارد. دستگاه های جبرانسازی توان راکتیو (RPCDها) در سیستم های LCC-HVDC obligatory است و با ظرفیت فزاینده سیستم، توازن توان راکتیو در ایستگاه های مبدل بسیار و بسیار پیچیده می شود [۳]. در عین حال، intermittence و واریانس سریع خروجی های باد موجب افزایش سختی کنترل توان راکتیو (RPC) در سیستم LCCHVDC می شود. در نتیجه، این بسیار روشن است که مسئله RPC برای مزارع بادی مقیاس بزرگ توسط لینک های LCC-HVDC حل شود.

          منابع چندین راهبرد RPC را در سیستم های LCC-HVDC ارائه می کند که از منظر سه جنبه دسته بندی می شود یعنی: بهینه سازی مصرف توان راکتیو از مبدل LCC-HVDC [۴،۵]، بهبود توپولوزی RPCDها [۶] و افزایش ثبات مبدل های HVDC در سیستم های ضعیف AC یا بسیار مخصوص در سیستم های مزارع بادی می-شود [۷-۱۰]. 

          دای و همکاران [۴] یک تابع RPC از LCC اجرا شده در یک سیستم مدیریت انرزی را ارائه می کند، تا مصرف خالص توان راکتیو سیستم HVDC را با کنترل همکارانه دستگاه های متنوع توان راکتیو کمینه سازی کند از جمله فیلترهای AC، ظرفیت های شنت، راکتورهای شنت، SCها، و جبرانساز var استاتیک (SVCها). زوو و زانگ [۵] یک RPC در جانب مبدل از سیستم LCC-HVDC را با ظرفیت های قابل کنترل ارائه می کنند. قابلیت فعالیت تحت زاویه انقراض منفی استفاده می شود بدین منظور که طیف وسیعی از RPC و قابلیت استخراج توان راکتیو را بدست آورد.

           همچنین، یک طرح عملیاتی از LCC-HVDC به منظور بیشینه سازی اندازه خازن شنت در سیستم AC در [۶] ارائه می شود به طوری که تعداد خازن شنت به حداقل می رسد.

         یک راهبرد و استراتزی تعادل توان راکتیو در مقاله [۷] ارائه می شود تا ثبات مبدل HVDC متصل به شبکه های ضعیف را افزایش دهد. یک ترانسفورماتور مبدل جدید و شاخه های تماما تنظیم شده شامل زیر سیستم های مبدل برای پیاده سازی یک روش فیلترینگ القائی است. با توسعه سریع دستگاه های الکترونیک قدرت، RPCDهای الکترونیک قدرت ادغام می شود تا RPC سریع را منتشر کند. المهدی و همکاران [۸] تعیین جبرانسازی راکتیو دینامیک از یک سیستم LCC-HVDC متصل به یک سیستم AC در باس یکسوساز را بحث می کنند. نتایج نشان می دهد که کندانسور سنکرون (SC) عملکرد دینامیکی بهتری را در مقایسه با خازن فیکس شده ارائه می-کند. بطور خاص، منابع نیز تحقیقاتی را در استراتزی کنترل هماهنگ بین مزارع بادی و مبدل های HVDC ایجاد می کند. یک استراتزی RPC هماهنگ بین مزارع بادی و مبدل های HVDC برای حل نوسان ولتاز AC در [۹، ۱۰] ارائه می شود که یک استراتزی کنترل هماهنگ و طرح پیکربندی از RPCD از سیستم DC برای انتقال قدرت بادی حرارتی دسته بندی را ارائه می کند تا RPCD مرسوم با SVC را جایگزین می کند تا دفعات اقدام از RPCD مرسوم را حل کند.

         با اینحال، چندین مطالعه بر روی استراتزی RPC هماهنگ در مبدل های HVDC انجام می شود که در عین حال خروجی های قدرت مزارع بادی را مکررا دچار نوسان می کند. RPCDهای الکترونیک قدرت همچون SVC و SVG می تواند کنترل قدرت هماهنگ سریع را منتشر کند، و اما برای برآورده نمودن الزامات منبع تغذیه توان راکتیو گذار سخت است.

          در این مقاله، یک استراتژی RPC هماهنگ ارائه میشود. نخست، یک طرح پیکربندی از PRCDهای دینامیکی در مبدلهای DC ارائه میگردد. یک SC به منظور همکاری با فیلترهای AC به کار میرود. ظرفیت و گروهبندی فیلترهای AC  با مهندسی دیسیپلین و نظم و انظباط مشخص می شود. تعیین منطقه مرده از سوئیچینگ فیلترهای AC اجتناب از سوئیچینگ مکرر دستگاه را در نظر می گیرد، و  ظرفیت SC از این منطقه مرده محاسبه می شود و صرفه جوئی در هزینه بهینه سازی می شود. سپس، یک روش کنترل هماهنگ بر اساس فیلترهای AC و SC ارائه می شود. در حالی که خروجیهای قدرت مزارع بادی دچار نوسان میشود، مقدار تنظیمی توان اکتیو DC تغییر میکند و همچنین تقاضای توان راکتیو نیز تغییر می یابد. SC به سرعت واکنش نشان می دهد تا توان راکتیو را به موازنه برساند.  زمانی که تقاضای توان راکتیو فراتر از ظرفیت SC باشد، یک واحد فیلتر AC فعالیت میکند و SC تنظیم مجدد را انجام می دهد تا تعادل توان راکتیو را حفظ کند. نتایج شبیه سازی نشان میدهد که استراتژی کنترل ارائه شده بتواند جبرانسازی توان راکتیو موثر را بدست آورد، در عین حالی که تنظیم سریع و مستمر را تحقق میبخشد.

Abstract

         The intermittence and fluctuation of outputs of large-scale wind farms lead to significant problems in power transmission system by line-commuted converter high-voltage direct current (LCC-HVDC) links. Traditional reactive power compensation devices such as AC filters are not capable of adjusting reactive power balance continuously. This paper presents a coordinated reactive power control strategy to realise continuous adjustment. A synchronous condenser (SC) is applied in the DC converter station to cooperate with AC filters. The capacity of the SC is determined by the minimum capacity and dead zone of the AC filter unit, and cost saving is also taken into account. While power outputs of wind farms fluctuate, the setting value of DC power gets changed. The SC responses rapidly to reduce the reactive power exchange. When the reactive power demand is beyond the capacity of the SC, one AC filter unit operates and the SC readjusts to maintain the reactive power balance. The proposed control strategy is validated by simulation in PSCAD/EMTDC.

1 Introduction

         The environment problems caused by fossil fuel consumption impel the development of renewable energy. In the last 30 years, wind power has developed rapidly and has become technically mature. Currently, there are mainly two types of wind power generators, which are doubly-fed induction generator and permanent magnetic synchronous generator (PMSG) [1]. The installed capacity of wind farms in China is currently the largest all around the world. According to the national energy administration, several tens of MW level wind farms will be built in northwest provinces. The wind energy source is highly concentrated in these areas and long transmission is inevitable. HVDC links are more suitable than highvoltage alternating current systems due to the long distance transmission [2].

          Line-commuted converter high-voltage direct current (LCC-HVDC) system is ideal for the power transmission in the northwest area, whose power network is of weak strength, poor frequency modulation and peak shaving capability. In general, it is agreed that LCCs are superior to other HVDCs in terms of reliability, cost and efficiency. LCC-HVDC can adjust active power rapidly to adapt to the fluctuation of the output of wind farms and transfer the power variance to the load centre in central and eastern areas. Nevertheless, LCC-HVDC has some limits. Reactive power compensation devices (RPCDs) are obligatory in LCC-HVDC systems, and with the increasing capacity of the system, the reactive power balance at the converter stations will become more and more complicated [3]. Meanwhile, the intermittence and fast variance of wind outputs increases the difficulty of reactive power control (RPC) in the LCCHVDC system. Thus, it is very urgent to solve the RPC problem for large-scale wind farms by LCC-HVDC links.

         The literature proposes several RPC strategies in LCC-HVDC systems which can be classified in three major aspects, optimising the consumption of reactive power of LCC-HVDC converter [4, 5], improving the typology of RPCDs [6] and enhancing the stability of HVDC converters in weak AC systems or more specifically in wind farm systems [7–10].

          Dai et al. [4] proposed a RPC function of LCC implemented in an energy management system, to minimise the reactive power net consumption of HVDC system by collaboratively controlling diverse reactive power devices, including AC filters, shunt capacitors, shunt reactors, SCs, and static var compensato (SVC)s. Xue and Zhang [5] presented a RPC at the inverter side of the LCC-HVDC system with controllable capacitors. The ability of operating under negative extinction angle is utilised to achieve a wide range of RPC and the ability of exporting reactive power.

         Besides, an operation scheme of LCC-HVDC to maximise the shunt capacitor size in AC system is proposed in [6] so that the number of shunt capacitor is minimised.

         A reactive power balance strategy is proposed in paper [7] to enhance the stability of the HVDC inverter connected to weak grids. A new converter transformer and related fully tuned branches are included in the converter subsystem for implementing an inductive filtering method. With the fast development of power electronic devices, power electronic RPCDs are integrated to realise fast RPC. Elmehdi et al. [8] discussed the determination of dynamic reactive compensation of a LCC-HVDC system connected to a weak AC system at the rectifier bus. Results show that the synchronous condenser (SC) offers better dynamic performance than the fixed capacitor. Specifically, the literature also makes research on coordinated control strategy between wind farms and HVDC converters. A coordinated RPC strategy between wind farms and HVDC converters to solve AC voltage oscillation is proposed in [9, 10] which presents a coordinated control strategy and configuration scheme of the RPCD of DC system for wind-thermal-bundled power transmission, replacing conventional RPCD with SVC to decrease action times of conventional RPCD.

         However, few studies work on the coordinated RPC strategy in HVDC converters considering the power outputs of wind farms fluctuate frequently. Power electronic RPCDs such as SVC and SVG could realise fast coordinated power control, but difficult to meet the requirement of transient reactive power supply.

         In this paper, a coordinated RPC strategy is proposed. First, a configuration scheme of dynamic RPCDs in DC converters is proposed. A SC is applied to cooperate with AC filters. The capacity and grouping of AC filters are determined by engineering discipline. The determination of dead zone of switching AC filters takes account of avoiding frequent device switching, and the capacity of the SC is calculated from this dead zone and cost saving is optimised. Second, a coordinated control method is proposed based on AC filters and the SC. While power outputs of the wind farm fluctuate, the setting value of DC active power varies, and the reactive power demand changes as well. The SC responses rapidly to balance the reactive power. When the reactive power demand is beyond the capacity of the SC, one AC filter unit operates and the SC readjusts to maintain the reactive power balance. The simulation results show that proposed coordinated control strategy can achieve effective reactive power compensation, realising fast and continuous adjustment.

چکیده

1. مقدمه

2. مدل سیستم

2.1 سیستم PMSG

2.2  سیستم HVDC

3. کنترل توان راکتیو هماهنگ

3.1 تعیین ظرفیت RPCD

3.2 استراتژی RPC هماهنگ

4. نتایج شبیه سازی و ارزیابی

5. نتیجه گیری

منابع

Abstract

1 Introduction

2 Model of the system

2.1 PMSG system

2.2 HVDC system

3 Coordinated reactive power control

3.1 RPCD capacity determination

3.2 Coordinated RPC strategy

4 Simulation results and evaluation

5 Conclusion

References