基于電子電力變壓器的電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制策略

黃輝，張俊峰，張坤

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

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基于電子電力變壓器的電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制策略

黃輝1，張俊峰1，張坤2

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

摘要：提出了一種利用電子電力變壓器的附加阻尼控制器來(lái)提高電力系統(tǒng)阻尼的方法，建立了電子電力變壓器的數(shù)學(xué)模型，研究了電子電力變壓器的矢量控制策略。提出在電子電力變壓器有功控制環(huán)中增加阻尼控制器來(lái)提高系統(tǒng)阻尼的控制策略，研究了基于頻率響應(yīng)法的附加阻尼控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，在兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了電子電力變壓器阻尼控制器的參數(shù)，并通過(guò)時(shí)域仿真驗(yàn)證了阻尼控制器的有效性。

關(guān)鍵詞：電子電力變壓器；小信號(hào)分析；低頻振蕩阻尼器

大規(guī)?；ヂ?lián)已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但它在提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和可靠性的同時(shí)也使電網(wǎng)中的安全穩(wěn)定問(wèn)題變得更加突出。特別是遠(yuǎn)距離重負(fù)荷輸電線路在某些運(yùn)行方式下容易發(fā)生低頻振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)某個(gè)局部在遭受小擾動(dòng)時(shí)，有可能引起整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)發(fā)生惡性連鎖反應(yīng)，甚至系統(tǒng)解列，引發(fā)大面積停電事故，造成嚴(yán)重的社會(huì)損失。低頻振蕩問(wèn)題是現(xiàn)代電力系統(tǒng)面臨的重要穩(wěn)定性問(wèn)題之一。

同步發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(powersystemstabilizer，PSS)[1]被認(rèn)為是增強(qiáng)電力系統(tǒng)阻尼最經(jīng)濟(jì)、最直接有效的措施之一，但是若要兼顧區(qū)域振蕩模式和局部振蕩模式，PSS的參數(shù)整定則非常困難[2-3]，如果參數(shù)整定不當(dāng)，會(huì)惡化發(fā)電機(jī)的輸出電壓品質(zhì)[4]。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，PSS的數(shù)學(xué)模型經(jīng)歷了從PSS1A、PSS2A、PSS2B、PSS3B到PSS4B的逐步改進(jìn)，其參數(shù)整定問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜。

電力電子技術(shù)的進(jìn)步以及柔性交流輸電系統(tǒng)和高壓直流輸電系統(tǒng)的出現(xiàn)為增加電力系統(tǒng)阻尼提供了一種新的手段。已有的研究表明，在配置合適的附加阻尼控制器后，靜止同步補(bǔ)償器(staticsynchronouscompensator，STATCOM)、晶閘管投切串聯(lián)電容器(thyristorcontrolledseriescapacitors，TCSC)、統(tǒng)一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，UPFC)、雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(double-fedinductiongenerator，DFIG)、基于電壓源變換器(voltagesourcedconverters，VSC)的直流輸電系統(tǒng)等電力電子裝置均能有效提高系統(tǒng)阻尼[5]。

作為一種新型的電力電子設(shè)備，電子電力變壓器(electronicpowertransformer，EPT)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)電壓、電流和功率的靈活調(diào)節(jié)，為解決遠(yuǎn)距離輸電的穩(wěn)定問(wèn)題提供了一條新的途徑。

目前已有部分文獻(xiàn)進(jìn)行了含EPT的穩(wěn)定性分析。文獻(xiàn)[6]和[7]分別在一個(gè)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)和一個(gè)單機(jī)多回路輸電系統(tǒng)中，研究了EPT與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了最優(yōu)控制器，仿真結(jié)果表明，該協(xié)調(diào)控制可大幅提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]對(duì)由一臺(tái)EPT連接的兩個(gè)單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)組成的多機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了系統(tǒng)的Phillips-Heffron模型，基于該模型分析了EPT對(duì)系統(tǒng)阻尼的作用，并基于最優(yōu)控制理論為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制器，通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了分析的正確性。文獻(xiàn)[9]所研究的系統(tǒng)為在遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的線路中間通過(guò)EPT接入另一電力系統(tǒng)建立了系統(tǒng)的線性化模型，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了最優(yōu)控制器，仿真結(jié)果表明通過(guò)協(xié)調(diào)控制能有效提高遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定性。

黃輝，等：基于電子電力變壓器的電力系統(tǒng)低頻振蕩抑制策略本文將功率振蕩阻尼器(poweroscillationdamper，POD)引入到EPT的控制系統(tǒng)中，以提高系統(tǒng)區(qū)間振蕩阻尼，并研究了基于頻率響應(yīng)法的POD控制參數(shù)設(shè)計(jì)方法，最后在兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)中驗(yàn)證了EPT阻尼控制器的有效性。

1EPT數(shù)學(xué)模型

1.1EPT動(dòng)態(tài)模型

圖1為一種典型的三級(jí)結(jié)構(gòu)的EPT，由高壓級(jí)變換器、隔離級(jí)變換器和低壓級(jí)變換器組成。由于中間隔離級(jí)變換器的動(dòng)態(tài)過(guò)程非常迅速，在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析中可以將其忽略[8]，從而得到簡(jiǎn)化后的EPT的等效物理模型，如圖2所示。同時(shí)在暫態(tài)穩(wěn)定分析中，忽略電子開(kāi)關(guān)的電磁暫態(tài)過(guò)程以及線路和器件的損耗，可以得到以下EPT的動(dòng)態(tài)模型：

式中：U1d、U1q、U2d、U2q為兩個(gè)VSC所連母線的電壓U1、U2的d軸分量和q軸分量；UEd、UEq、UBd、UBq為兩個(gè)VSC的輸出電壓UE、UB的d軸分量和q軸分量；iEd、iEq、iBd、iBq為兩個(gè)VSC連接電感中電流iE、iB的d軸分量和q軸分量；LE、LB為兩個(gè)VSC的連接電感值；Cdc為中間直流環(huán)節(jié)的等效電容；Udc為中間直流環(huán)節(jié)的直流電壓值；mE、mB、δE、δB分別為兩個(gè)VSC的調(diào)制比和控制角，ωE和ωB分別表示兩端母線電壓頻率，RE、RB分別表示系統(tǒng)等效電阻。

1.2EPT控制系統(tǒng)

2.2.3 治療反應(yīng)的分析和評(píng)估：臨床上最初的診斷是擬診，通常是通過(guò)病情的演變和觀察治療反應(yīng)來(lái)明確診斷的。也就是說(shuō)，如果治療有效，那么擬診就可以確立診斷了。例如漿液性結(jié)核性胸膜炎胸水中往往找不到結(jié)核桿菌，如果臨床表現(xiàn)和胸水化驗(yàn)符合結(jié)核性胸膜炎，抗結(jié)核治療有效，就可以做出臨床診斷了?？梢?jiàn)治療反應(yīng)的評(píng)估與診斷的關(guān)系極大。為了鑒別診斷，還需要決定治療的先后順序，如1例右上肺炎性陰影合并空洞的患者，肺結(jié)核或肺膿腫的可能性都有，先按肺膿腫給予抗生素治療，結(jié)果炎癥很快吸收，空洞也關(guān)閉。如果先按肺結(jié)核治療，觀察的時(shí)間就要長(zhǎng)得多。診斷就會(huì)延遲。

本文采用dq解耦控制，一側(cè)的VSC采用的是定有功功率和定無(wú)功功率的控制方式，另一側(cè)的VSC采用的是定直流電壓和定無(wú)功功率的控制方式。

2EPT附加阻尼控制器設(shè)計(jì)

2.1附加阻尼控制器模型

附加阻尼控制器的結(jié)構(gòu)(如圖3所示)與電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)相似，它由放大倍數(shù)為Kω的放大環(huán)節(jié)、時(shí)間常數(shù)為T(mén)ω的隔直環(huán)節(jié)和多個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén)1和T2的超前滯后環(huán)節(jié)以及最后的限幅環(huán)節(jié)組成。

當(dāng)電力系統(tǒng)由于弱阻尼發(fā)生低頻振蕩時(shí)，POD根據(jù)系統(tǒng)振蕩情況及時(shí)調(diào)整EPT中VSC注入電網(wǎng)的功率，從而抑制振蕩，提高系統(tǒng)阻尼。因此可以將POD的輸出信號(hào)添加到EPT的有功功率控制環(huán)、無(wú)功功率控制環(huán)、直流電壓控制環(huán)或交流電壓控制環(huán)中。

2.2附加阻尼控制器設(shè)計(jì)

附加阻尼控制器的常用設(shè)計(jì)方法有極點(diǎn)配置法[10]、留數(shù)法[11]、特征值法[12]、頻率響應(yīng)法[13]等，使用頻率響應(yīng)法設(shè)計(jì)POD控制器參數(shù)的步驟如下：

a) 確定系統(tǒng)的低頻振蕩頻率。建立電力系統(tǒng)的微分代數(shù)方程模型，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性化，求取特征值和參與因子，可以得到系統(tǒng)低頻振蕩的特征頻率ωn；在確定了POD的輸入變量后，可以計(jì)算得到如圖4所示的包含POD的單輸入單輸出系統(tǒng)模型。

b) 確定阻尼控制器的時(shí)間常數(shù)。選擇POD隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，一般在1～20s之間比較合適[14]。將圖4中系統(tǒng)的POD控制器的超前滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T1和T2設(shè)置成0后計(jì)算系統(tǒng)的Nyquist圖，可以得到系統(tǒng)振蕩的特征頻率ωn對(duì)應(yīng)的相位；選擇POD的補(bǔ)償相位φ，盡量使得系統(tǒng)的正頻率Nyquist圖關(guān)于實(shí)軸對(duì)稱(chēng)，以保證補(bǔ)償后的系統(tǒng)有足夠的相位裕度，并根據(jù)式(2)求取超前滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)。一般POD中包含兩個(gè)超前滯后環(huán)節(jié)，即n=2。

(2)

c) 確定阻尼控制器的放大倍數(shù)。在根軌跡圖上調(diào)節(jié)阻尼控制器的放大倍數(shù)Kω，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼。一般認(rèn)為，在大型電力系統(tǒng)中振蕩模態(tài)的阻尼比大于10%即可滿足設(shè)計(jì)要求[15]。

3仿真分析

3.1系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)接線圖如圖5所示。EPT將兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)與一個(gè)無(wú)窮大系統(tǒng)連接起來(lái)，電子電力變壓器中連接在母線13上的VSC工作在定有功功率和定無(wú)功功率的工作模式，連接在母線14上的VSC工作在定直流電壓和定無(wú)功功率的工作模式。各個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出功率與機(jī)端電壓見(jiàn)表1，母線3為平衡節(jié)點(diǎn)。

表1發(fā)電機(jī)初始工作狀態(tài)

3.2阻尼控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的初始運(yùn)行條件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小信號(hào)分析，得到特征值和參與因子，以及系統(tǒng)中的3個(gè)機(jī)電振蕩模態(tài)，其中兩個(gè)本地振蕩模態(tài)和一個(gè)區(qū)間振蕩模態(tài)，見(jiàn)表2。

從表2可以看到系統(tǒng)區(qū)間振蕩的阻尼只有1.16%，振蕩頻率ωn=3.871 7 rad/s。選擇POD隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Tω=5 s，POD的輸入信號(hào)為母線7和8之間交換的有功功率P78，POD的輸出信號(hào)添加到EPT的有功功率控制環(huán)上，通過(guò)小信號(hào)分析可以得到EPT有功功率環(huán)到P78之間的傳遞函數(shù)ΔP78(s)/ΔPE_ref(s)，并得到其N(xiāo)yquist圖，如圖6所示。系統(tǒng)在ωn=3.871 7 rad/s處有1.616 9 rad的相位滯后，選擇POD超前滯后環(huán)節(jié)的相位補(bǔ)償量φ=1.616 9 rad，由式(3)可以計(jì)算得到超前滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，T1=0.644 5 s，T2=0.103 5 s。

調(diào)用MATLAB的控制系統(tǒng)工具箱，可以得到補(bǔ)償后系統(tǒng)的根軌跡圖。在根軌跡圖上選擇合適的放大倍數(shù)Kω，如圖7所示，最終選擇的Kω為0.5，此時(shí)區(qū)間振蕩頻率4.02 rad/s，阻尼比為24%滿足設(shè)計(jì)要求。最終得到的阻尼控制器的傳遞函數(shù)如式(4)。

(4)

3.3不同工況下系統(tǒng)的阻尼特性

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的阻尼控制器的有效性，在負(fù)荷功率因數(shù)恒定的情況下，改變母線7上負(fù)荷的大小，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小信號(hào)分析，系統(tǒng)區(qū)間振蕩阻尼隨負(fù)荷變化情況見(jiàn)表3。

表3區(qū)間振蕩模式隨母線7上負(fù)荷變化情況

從表3可以看出，母線7上的負(fù)荷從(967+j100)×0.8MVA增加到(967+j100)×1.2MVA時(shí)，系統(tǒng)振蕩頻率從0.477Hz增至0.595Hz，阻尼比從21.14%增至28.9%。在各種工況下，阻尼控制器都能使系統(tǒng)阻尼比大于20%，說(shuō)明設(shè)計(jì)的阻尼控制器能夠很好地適應(yīng)系統(tǒng)工況的變化。

3.4仿真結(jié)果

在1.0s時(shí)，母線8上發(fā)生三相金屬性接地故障，故障持續(xù)0.5s后消除，母線恢復(fù)正常工作，分別考慮EPT的POD投入和不投入兩種情況下的仿真，仿真結(jié)果如圖8所示，其中EPT輸出功率基準(zhǔn)值為100MVA。

從圖8可以看到，當(dāng)POD投入時(shí)，發(fā)電機(jī)間的轉(zhuǎn)角差能夠在6s內(nèi)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)POD不投入時(shí)，發(fā)電機(jī)間的轉(zhuǎn)角差達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間超過(guò)20s。圖8 (e)中，雖然POD投入時(shí)，EPT的輸出功率出現(xiàn)了波動(dòng)，但是在6s內(nèi)會(huì)恢復(fù)到額定值；圖8 (f)為母線7上電壓的動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)POD投入時(shí)，母線7上的電壓調(diào)節(jié)時(shí)間小于1s，當(dāng)POD不投入時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間大于20s。從仿真結(jié)果可以看出，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，未投入POD時(shí)，發(fā)電機(jī)的功角差出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間振蕩，表明系統(tǒng)出現(xiàn)了弱阻尼，且EPT的輸出有功功率能夠很好地維持在額定值，說(shuō)明電子電力變壓器能夠很好地控制其傳輸?shù)墓β?；投入POD后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)角差的振蕩幅度大大減小，振蕩時(shí)間從幾十秒減至幾秒，系統(tǒng)區(qū)間振蕩的阻尼和本地振蕩的阻尼均有很大程度的提高。

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種利用EPT的附加阻尼控制器提高系統(tǒng)阻尼的方法，并且研究了基于頻率響應(yīng)法的附加阻尼控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法。以含EPT的兩區(qū)四機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，使用頻率響應(yīng)法設(shè)計(jì)了附加阻尼控制器參數(shù)。不同運(yùn)行工況下的特征值分析表明阻尼控制器能夠明顯提高系統(tǒng)阻尼，說(shuō)明了附加阻尼控制器對(duì)系統(tǒng)不同運(yùn)行工況有很好的適應(yīng)性。最后，大擾動(dòng)下的仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的附加阻尼控制器不僅能夠有效提高系統(tǒng)區(qū)間振蕩模式的阻尼，而且能夠提高本地振蕩模式的阻尼。

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黃輝(1988)，男，湖北孝感人。助理工程師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

張俊峰(1978)，男，湖北襄樊人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要從事發(fā)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)及PSS控制技術(shù)的研究。

張坤(1979)，男，湖南衡陽(yáng)人。工程師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

(編輯查黎)

StrategyforRestrainingLowFrequencyOscillationofPowerSystemBasedonElectronicPowerTransformer

HUANGHui1,ZHANGJunfeng1,ZHANGKun2

(1.ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510080,China; 2.StateGridHunanElectricPowerCorporationResearchInstitute,Changsha,Hunan410007,China)

Keywords：electronicpowertransformer(EPT);smallsignalanalysis;lowfrequencyoscillationdamper

Abstract：Akindofmethodofusingadditionaldampingcontrollerofelectronicpowertransformer(EPT)toimprovedampingofpowersystemisproposed,mathematicmodelforEPTisconstructedandvectorcontrolstrategyforEPTisstudied.AcontrolstrategyofaddingdampingcontrollerinactivepowercontrolloopofEPTisproposedtoimprovedampingofthepowersystemandamethodfordesigningparametersoftheadditionaldampingcontrollerbasedonfrequencyresponsemethodisstudied.ParametersofthedampingcontrollerofEPTaredesignedintwo-areaandfour-machinesystemandtime-domainsimulationverifiesvalidityofthedampingcontroller.

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.04.019

收稿日期：2015-09-08

中圖分類(lèi)號(hào)：TM712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)04-0105-05

作者簡(jiǎn)介：