LCC與VSC型直流饋入對弱受端電網(wǎng)特性的影響

鄭超，楊金剛，滕予非，李惠玲，呂思卓

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100045；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都市 610072)

LCC與VSC型直流饋入對弱受端電網(wǎng)特性的影響

鄭超1，楊金剛2，滕予非3，李惠玲1，呂思卓1

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市 100192；2.國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100045；3.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，成都市 610072)

隨著柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current, VSC-HVDC)直流電壓等級提升和傳輸容量增大，其在大容量遠(yuǎn)距離資源優(yōu)化配置中將發(fā)揮更加重要的作用。以往的研究中，大多利用電磁暫態(tài)仿真軟件，針對虛擬構(gòu)建的小電網(wǎng)，仿真分析VSC-HVDC的技術(shù)性能。針對實際交流電網(wǎng)的VSC-HVDC動態(tài)性能驗證等研究，則少有報道。本文首先針對PSD-BPA中新近開發(fā)的對應(yīng)實際電網(wǎng)換相換流器高壓直流(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)工程的DA卡仿真模型以及VSC-HVDC仿真模型，分析兩者的技術(shù)特點。在此基礎(chǔ)上，面向西藏藏中弱交流受端電網(wǎng)，仿真對比2種直流供電方案下，受端電網(wǎng)大擾動沖擊后的暫態(tài)恢復(fù)特性。仿真研究結(jié)果為應(yīng)用VSC-HVDC改善弱受端電網(wǎng)受擾特性和提升電網(wǎng)穩(wěn)定水平提供了技術(shù)支撐。

高壓直流輸電(HVDC)；柔性直流(VSC-HVDC)；機(jī)電暫態(tài)；仿真模型；恢復(fù)特性

0 引 言

以絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)為核心元件，以電壓源換流器為主要功能部件的柔性直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current, VSC-HVDC)，具有換流器獨(dú)立有功與無功控制、換流站間無需通訊、潮流靈活快速翻轉(zhuǎn)、可向弱交流電網(wǎng)甚至無源網(wǎng)絡(luò)供電等眾多技術(shù)優(yōu)點。該項技術(shù)受到國內(nèi)外電力工程界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[1-4]。近年來，柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展迅速，其電壓等級與輸送容量大幅提升，并逐漸應(yīng)用于輸電領(lǐng)域[5]。

在柔性直流輸電系統(tǒng)的建模與控制策略研究方面，文獻(xiàn)[6]提出了VSC-HVDC系統(tǒng)的離散模型以及基于Simth狀態(tài)預(yù)估器的電流內(nèi)環(huán)控制策略；文獻(xiàn)[7]提出了柔性直流輸電的動態(tài)電流限幅控制策略；文獻(xiàn)[8]針對多電平式柔性直流輸電，提出了換流器預(yù)充電控制策略；文獻(xiàn)[9]建立了dq0坐標(biāo)系下的VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了控制器；文獻(xiàn)[10]分析了VSC-HVDC穩(wěn)態(tài)特性，并提出了交直流混聯(lián)系統(tǒng)潮流交替求解算法；文獻(xiàn)[11]則建立了VSC-HVDC動態(tài)向量模型。在柔性直流與交流電網(wǎng)相互作用方面，文獻(xiàn)[12]分析了VSC對近端火電機(jī)組電氣阻尼特性的影響，并設(shè)計了抑制機(jī)組次同步振蕩的附加阻尼控制器；文獻(xiàn)[13]探討了柔性直流投運(yùn)后，上海電網(wǎng)的運(yùn)行方式；文獻(xiàn)[14]和[15]針對交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)，分別設(shè)計了VSC-HVDC附加阻尼控制器，提升了擾動沖擊后系統(tǒng)的振蕩阻尼；文獻(xiàn)[16]研究利用發(fā)電機(jī)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(power system stabilizer，PSS)與VSC-HVDC附加阻尼控制器的參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化，提升電網(wǎng)振蕩阻尼的方法；文獻(xiàn)[17]研究利用VSC-HVDC抑制風(fēng)電場電壓波動。VSC-HVDC可向弱交流電網(wǎng)供電是其重要的技術(shù)優(yōu)勢，針對該場景的研究，大多集中于虛擬構(gòu)建的小電網(wǎng)[18-19]。接入實際弱交流電網(wǎng)的VSC-HVDC特性，及其與電網(wǎng)換相換流器高壓直流輸電(line commutated converter based high voltage direct current，LCC-HVDC)性能差異的相關(guān)研究與分析，則少有報道。

本文首先針對PSD-BPA中新近開發(fā)的對應(yīng)實際LCC-HVDC直流工程的DA卡仿真模型以及VSC-HVDC仿真模型，分析兩者的技術(shù)特點。在此基礎(chǔ)上，針對西藏藏中交流弱受端電網(wǎng)，對比分析LCC-HVDC和VSC-HVDC 2種不同送電方案，大擾動沖擊下系統(tǒng)恢復(fù)特性差異。對比結(jié)果驗證了VSC-HVDC是向弱交流受端電網(wǎng)送電的優(yōu)選技術(shù)方案。

1 LCC-HVDC特點及機(jī)電暫態(tài)仿真模型

1.1 LCC-HVDC輸電特點

由半控型晶閘管構(gòu)成的6脈動電流源逆變器，以及以該逆變器為核心部件的LCC-HVDC逆變站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中ud、id分別為直流電壓和電流；T為換流變壓器變比；Pd、Qi分別為換流器輸出有功和無功消耗；Uc為換流變一次側(cè)電壓。逆變站中的換流變壓器為逆變器提供適當(dāng)?shù)慕涣麟妷?，濾波器及補(bǔ)償電容器濾除換流變壓器一次側(cè)特征諧波電流，并提供容性無功補(bǔ)償。

圖1 LCC-HVDC逆變站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of LCC-HVDC inverter station

電流源逆變器具有如下特征：由于僅有觸發(fā)超前角一個可控量，因此換流器送電有功Pd與無功消耗Qi之間存在相互耦合影響；晶閘管僅在承受正向電壓時才能被觸發(fā)導(dǎo)通，因此相電流滯后相電壓，逆變器運(yùn)行需吸收大量的無功功率；交流電網(wǎng)需是具有一定相間短路電流水平的有源電網(wǎng)，才可使逆變器橋臂正常換相；此外，LCC-HVDC工作點取決于整流站與逆變站運(yùn)行特性曲線交點，因此兩端換流站控制系統(tǒng)需要相互通信與配合。

1.2 機(jī)電暫態(tài)仿真模型

1.2.1 逆變器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型

電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真中，對應(yīng)LCC-HVDC單橋6脈動逆變器的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，可采用如下表達(dá)式模擬。

(1)

Pd=udid

(2)

Qi=Pdtanφ

(3)

cosφ=ud/ud0

(4)

γ=β-μ

(5)

(6)

式中：T、Xc為換流變壓器變比及漏抗；Uc為逆變站高壓母線電壓；β、γ和μ分別為逆變器觸發(fā)超前角、熄弧角和換相角；φ為逆變器功率因數(shù)角；ud0為無相控理想空載直流電壓[20]。

1.2.2 直流控制系統(tǒng)模型

一方面，由于設(shè)備供貨商不同，高壓直流輸電工程中的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在差異；另一方面，由于所連接交流電網(wǎng)特性不同，同一廠商的控制系統(tǒng)也需做適應(yīng)性調(diào)整。因此，在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)分析中，尚無統(tǒng)一的直流控制系統(tǒng)仿真模型。

電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件PSD-BPA提供了對應(yīng)美國太平洋直流聯(lián)絡(luò)線工程控制系統(tǒng)的簡化模型，即D卡模型[21]，以及國際大電網(wǎng)CIGRE推薦的直流控制系統(tǒng)測試模型，即DM/DZ卡模型[22]。近年來，隨著直流送電容量增大以及交流電網(wǎng)運(yùn)行工況趨于復(fù)雜，以簡化模型或測試模型為基礎(chǔ)的故障擾動計算，已難以滿足混聯(lián)電網(wǎng)特性分析與控制策略研究需要。為此，針對已投運(yùn)的高壓直流輸電工程，相繼開發(fā)了對應(yīng)Simems公司直流控制系統(tǒng)的模型，即DN/DZ卡模型[22]，以及對應(yīng)ABB公司直流控制系統(tǒng)的模型，即DA/DA+卡模型[23]。

DN/DZ卡直流模型包括主功率控制器和整流器、逆變器極控系統(tǒng)模型等，如圖2和圖3所示。主功率控制器接收功率指令Pd，疊加直流附加功率信號，除以直流電壓量Ud，輸出直流電流指令I(lǐng)ref。以整流器件極控制系統(tǒng)模型為例，其包括直流電流控制和直流電壓控制偏差量計算2部分，如圖3(a)所示。圖中：Ud-rec為整流側(cè)直流電壓；Id-rec為直流電流；Iref為電流指令；Uref為電壓參考值；Dregr為電流偏差量；DIdr為電壓偏差量DUdr中的最小值；T1和T2為測量時間常數(shù)。

圖2 DN/DZ卡直流主功率控制器Fig.2 DC main power controller of DN/DZ

圖3 DN/DZ卡極控器偏差計算模型Fig.3 Deviation calculation model of DN/DZ controller

DA/DA+卡直流模型的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主控的邏輯框圖如圖5所示。圖中：Uac為換流母線電壓；Ud和Udref分別為直流電壓及其參考值；Udmin和Udmax分別為電壓的下限和上限值；Id為直流電流；Pref為直流功率參考值；α、αmax、αmin分別為觸發(fā)角、觸發(fā)角的上限和下限值。模型的基本控制原則是電流裕度法，即整流站與逆變站在任何時刻都保持0.1 pu的電流指令裕度。正常運(yùn)行時，整流站定直流電流，逆變站定熄弧角，逆變站α取值其上限，即γ角控制器輸出αmax。整流站交流電壓降低或逆變站交流電壓升高很多時，整流站進(jìn)入最小α控制方式，取值為其下限αmin，逆變站轉(zhuǎn)而控制直流電流。

圖4 DA/DA+卡直流模型總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Main structure of DC model of DA/DA+

圖5 主控邏輯框圖Fig.5 Logical block diagram of master control

2 VSC-HVDC特點及機(jī)電暫態(tài)仿真模型

2.1 VSC-HVDC換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及特點

VSC-HVDC換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示。由全控型器件絕緣柵雙極晶體管IGBT構(gòu)成的兩電平、三電平或MMC結(jié)構(gòu)的電壓源換流器，是交直流轉(zhuǎn)換的核心部件。換流變壓器為換流器提供合適的交流接入電壓；換流電抗器是換流器與交流系統(tǒng)能量交換的紐帶，同時也起到濾波的作用；直流電容器的作用包括為換流器提供電壓支撐、緩沖橋臂關(guān)斷時的沖擊電流、減小直流側(cè)諧波。

圖6 電壓源換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology structure of VSC-HVDC converter station

換流橋中全控型開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷的時序，由VSC控制器及脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)環(huán)節(jié)依據(jù)控制策略計算給出。經(jīng)過調(diào)制，換流橋出口電壓的幅值和相位均可控，其與交流電網(wǎng)電壓共同作用于換流電抗器，形成VSC交流基波注入電流，從而可對VSC發(fā)出或吸收的有功、無功進(jìn)行快速和獨(dú)立地控制。

2.2 機(jī)電暫態(tài)仿真模型

2.2.1 電壓源換流器準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型

在機(jī)電暫態(tài)仿真中，不計及VSC開關(guān)動作與諧波特性，僅考慮基波分量。如圖6所示，換流器與交流系統(tǒng)交換的有功Pm和無功Qm分別為：

(7)

(8)

由式(7)(8)可推導(dǎo)出換流器注入交流電網(wǎng)電流的實部和虛部分量Imx、Imy。

(9)

(10)

2.2.2 直流輸電系統(tǒng)模型

如圖6所示，兩端VSC-HVDC直流輸電側(cè)主要動態(tài)元件包括VSC直流側(cè)電容cd和直流線路電感l(wèi)d。根據(jù)VSC交、直流兩側(cè)有功動態(tài)平衡以及直流回路基爾霍夫電壓定律，計及動態(tài)元件特性的標(biāo)么值模型為：

(11)

(12)

(13)

2.2.3 控制系統(tǒng)模型

電壓源換流器通常采用dq0坐標(biāo)系下的內(nèi)外雙環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)。外環(huán)控制器采用PI調(diào)節(jié)器，輸入為交流有功功率、無功功率或直流電壓與對應(yīng)目標(biāo)設(shè)定值間的偏差信號。經(jīng)限幅環(huán)節(jié)后，輸出為內(nèi)環(huán)電流控制器的d軸和q軸目標(biāo)電流值，如圖7所示。

圖7 電壓源換流器外環(huán)控制器Fig.7 Outer-loop controller of voltage source converter

內(nèi)環(huán)電流控制器如圖8所示，其以PI調(diào)節(jié)器為核心，輸入為外環(huán)控制器輸出的電流目標(biāo)值與VSC交流實際電流間的偏差信號，經(jīng)限幅環(huán)節(jié)后，輸出為VSC交流輸出電壓的d軸和q軸調(diào)制目標(biāo)值。

圖8 電壓源換流器內(nèi)環(huán)控制器Fig.8 Inner-loop controller of voltage source converter

3 兩種直流饋入對弱受端電網(wǎng)的影響

3.1 西藏藏中弱交流受端電網(wǎng)

連接青海格爾木換流站和西藏朗塘換流站的 ± 400 kV青藏直流，為藏中經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了電源保障。藏中主干輸電網(wǎng)為連接奪底、乃瓊和曲哥變電站的220 kV三角形環(huán)網(wǎng)，主力電源包括羊湖抽水蓄能電站、燃機(jī)電站以及直孔和老虎嘴水電站，如圖9所示。由于轉(zhuǎn)動慣量水平低、短路電流水平小，藏中交直流混聯(lián)受端電網(wǎng)電壓存在難以快速恢復(fù)，甚至存在電壓失穩(wěn)風(fēng)險。

圖9 青藏直流饋入的西藏弱受端電網(wǎng)Fig.9 Receiving-end gird of Tibet with DC infeed

交流電網(wǎng)受擾后，LCC-HVDC逆變站換流母線電壓跌落偏離正常運(yùn)行水平時，由于濾波和補(bǔ)償裝置的容性無功出力顯著降低，逆變站將呈現(xiàn)出無功負(fù)荷特性，并將弱化電網(wǎng)恢復(fù)能力[24]。與此不同，VSC-HVDC中VSC具有出口電壓和無功功率控制能力，因此在交流電壓降低過程中，換流站可向交流電網(wǎng)輸出更多無功或維持無功基本恒定，將有助于交流電壓恢復(fù)。

以下將考察青藏直流采用LCC-HVDC和VSC-HVDC 2種方案，受端電網(wǎng)故障恢復(fù)特性的差異。

3.2 受端電網(wǎng)暫態(tài)恢復(fù)特性對比分析

藏中電網(wǎng)中，城東至奪底110 kV線路城東側(cè)三相接地短路故障，0.17 s切除故障線路，青藏直流分別采用LCC-HVDC和VSC-HVDC 2種方案下，朗塘換流站控制交流無功功率恒定。擾動沖擊下，逆變站從交流電網(wǎng)吸收的無功功率、換流母線電壓、直流送電有功功率以及系統(tǒng)頻率偏差的暫態(tài)響應(yīng)對比曲線，如圖10所示。

由圖10可以看出，故障清除后，與LCC-HVDC逆變站從交流電網(wǎng)吸收無功呈現(xiàn)出無功負(fù)荷特性不同，VSC-HVDC逆變站在定無功控制作用下無功基本恒定，不會對電壓恢復(fù)造成不利影響，對應(yīng)受端交流電網(wǎng)電壓可較快恢復(fù)。與LCC-HVDC送端有功隨電壓跌落減少不同，VSC-HVDC在擾動清除后有功可快速恢復(fù)，對應(yīng)受端電網(wǎng)有功缺額水平減少，電網(wǎng)頻率偏差幅度可有效減小。

此外，LCC-HVDC送電方式下的朗塘換流站逆變器熄弧角響應(yīng)曲線如圖11(a)所示，2種送電方式下直流電壓恢復(fù)特性如圖11(b)所示。從圖中可以看出，故障導(dǎo)致交流電網(wǎng)電壓跌落期間，逆變器將發(fā)生換相失敗，對應(yīng)直流電壓降為0乃至反向為負(fù)，直流送電功率因此將阻斷。采用VSC-HVDC送電，則無換相失敗問題，交流電網(wǎng)電壓大幅跌落期間，換流站直流側(cè)仍可維持一定的電壓水平。

圖10 兩種直流饋入下弱受端電網(wǎng)暫態(tài)響應(yīng)對比Fig.10 Comparison of transient response of weak-receiving-end gird with two different DC infeed

圖11 直流逆變站電氣量對比Fig.11 Electrical quantities comparison of DC inverter station

綜合以上分析，可以看出VSC-HVDC是保障弱交流受端電網(wǎng)安全可靠供電的優(yōu)選技術(shù)方案，同時也是提升直流本身送電性能的優(yōu)選技術(shù)方案。

4 結(jié) 論

(1)針對LCC-HVDC工程實際，建立的DA/DA+機(jī)電暫態(tài)仿真模型，在簡化實際控制器的同時，保留了其主要的控制特性，從而避免了將實際控制器與仿真程序接口所帶來的復(fù)雜性。

(2)故障擾動后的電壓恢復(fù)期間，LCC-HVDC逆變站從交流電網(wǎng)吸收無功功率，呈現(xiàn)出無功負(fù)荷特性，不利于受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

(3)故障擾動后的電壓恢復(fù)期間，VSC-HVDC逆變站可發(fā)揮支撐電壓恢復(fù)的作用，是保障弱交流電網(wǎng)可靠供電的優(yōu)選技術(shù)方案。

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楊金剛 (1982)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析和電網(wǎng)規(guī)劃；

滕予非(1984)，男，博士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其新型輸電的分析與控制；

李惠玲(1978)，女，博士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)分析與控制、電動汽車入網(wǎng)技術(shù)等；

呂思卓(1989)，男，碩士，工程師，主要研究方向為高壓直流輸電的運(yùn)行分析與仿真。

(編輯 景賀峰)

Impact of LCC-HVDC and VSC-HVDC Infeed on Weak-Receiving-End Grid Characteristics

ZHENG Chao1, YANG Jingang2, TENG Yufei3, LI Huiling1, LYU Sizhuo1

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. State Grid Jibei Electric Economic Research Institute, Beijing 100045, China;3. State Grid Sichuan Electric Power Research Institute, Chengdu 610072, China)

With the DC voltage level upgrading and transmission capacity increasing, the voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC ) plays a more important role in the optimal allocation of large capacity resources over a long distance. In the previous studies, the technology performance of VSC-HVDC was analyzed by using the virtual small grid and electromagnetic transient simulation software. The study results of the dynamic performance validation for the actual AC grid were reported rarely. In this paper, the DA simulation model in line commutated converter based high voltage direct current (LCC-HVDC ) and VSC-HVDC simulation models developed newly by PSD-BPA are introduced and the technical characteristics of these models are analyzed firstly. On this basis, aimed to the Tibetan AC weak power grid, the transient recovery characteristics of receiving-end grid with large disturbance impact are compared under two different power transmission programs. The simulation results can provide technical support to apply VSC-HVDC to improve the disturbance characteristics of weak -receiving-end grid and grid stable level.

high voltage direct current (HVDC); voltage source converter based high voltage direct current (VSC-HVDC); electromechanical transient; simulation model; recovery characteristic

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2011AA05A105); 國家電網(wǎng)公司科技項目(XT71-14-040)

TM 72

A

1000-7229(2016)04-0084-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.013

2015-12-24

鄭超(1977)，男，工學(xué)博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、交直流系統(tǒng)分析、FACTS、新能源并網(wǎng)技術(shù)等；

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2011AA05A105)