渝鄂背靠背柔性直流附加阻尼控制策略研究

徐友平，張 珂，潘曉杰，奚江惠，邵德軍，唐衛(wèi)華，孫海順

(1.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

渝鄂背靠背柔性直流附加阻尼控制策略研究

徐友平1，張 珂2，潘曉杰1，奚江惠1，邵德軍1，唐衛(wèi)華3，孫海順2

(1.國家電網(wǎng)公司華中分部，湖北 武漢 430077；2.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室(華中科技大學(xué))，湖北 武漢 430074；3.中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410007)

針對渝鄂異步互聯(lián)北通道及三峽近區(qū)大機(jī)組與常規(guī)直流和柔性直流強(qiáng)耦合動態(tài)問題，建立了包含三峽左一電廠、渝鄂背靠背柔性直流以及龍政直流外送通道的簡化等值系統(tǒng)及其詳細(xì)電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型。仿真研究了暫態(tài)擾動下?lián)Q流站近區(qū)機(jī)組的動態(tài)穩(wěn)定特性。提出采用柔性直流有功無功解耦控制回路附加阻尼控制的方法平抑?jǐn)_動后機(jī)組持續(xù)緩慢衰減的功率振蕩問題，分別設(shè)計了基于有功調(diào)制和無功調(diào)制的阻尼控制控制器，比較研究了兩者的作用效果。研究表明，采用有功和無功協(xié)同調(diào)制的阻尼控制策略可同時快速平抑功率振蕩和電壓波動，提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，可為工程應(yīng)用提供參考。

柔性直流輸電；異步互聯(lián)；功率振蕩；PQ解耦控制；阻尼控制器

0 引言

華中電網(wǎng)目前包括川渝電網(wǎng)和華中東四省鄂豫湘贛電網(wǎng)，其中，川渝電網(wǎng)通過南北兩個通道的雙回交流聯(lián)絡(luò)線與三峽近區(qū)湖北電網(wǎng)相聯(lián)，進(jìn)而通過鄂豫互聯(lián)和特高壓 1 000 kV 聯(lián)絡(luò)線與華北電網(wǎng)構(gòu)成一種近似鏈型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。這種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在實際運(yùn)行中遇到一些穩(wěn)定性問題，對于西南地區(qū)水電外送產(chǎn)生了限制作用。因此國家電網(wǎng)公司規(guī)劃將重慶電網(wǎng)與湖北電網(wǎng)的南北兩個交流互聯(lián)通道改為異步互聯(lián)，并傾向于采用背靠背柔性直流技術(shù)。按照這樣的規(guī)劃，三峽近區(qū)包括南北兩回柔直饋入，龍政宜華江城等多直流送出，加上三峽電站機(jī)群，將形成大容量機(jī)組集群與不同類型多換流站間相互耦合的復(fù)雜交直流動態(tài)系統(tǒng)，其暫態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定特性和相關(guān)控制策略是需要關(guān)注的重要課題[1-2]。

自從模塊化多電平(MMC)電壓源型換流器技術(shù)提出后，基于電壓源型換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)(VSC-HVDC)在電力系統(tǒng)中獲得了快速的應(yīng)用，國內(nèi)代表性的工程有南澳和舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)，目前最大容量和電壓等級是在建的廈門柔性直流輸電[3-5]。與常規(guī)直流相比，VSC-HVDC 通過 dq解耦控制，實現(xiàn)有功、無功功率的快速、獨(dú)立控制，不存在換相失敗問題和無功補(bǔ)償要求；既可以實現(xiàn)類似常規(guī)直流輸電的附加有功調(diào)制，又能夠?qū)崿F(xiàn)與STATCOM 相似的附加無功調(diào)制，通過配置阻尼控制，從而能夠提高系統(tǒng)阻尼，抑制系統(tǒng)振蕩。VSC-HVDC 具有快速的功率控制能力，能夠在故障發(fā)生后，實現(xiàn)對直流功率的緊急調(diào)節(jié)，從而減少擾動對系統(tǒng)的沖擊影響[6-20]。

本文以規(guī)劃建設(shè)的渝鄂異步互聯(lián)北通道三峽近區(qū)為例，建立了包含三峽左岸電廠、渝鄂背靠背柔性直流以及龍政直流外送通道的等值系統(tǒng)，通過等值系統(tǒng)的詳細(xì)電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)建模和仿真[11]，分析三峽機(jī)組與柔性直流換流器和常規(guī)直流換流器間存在的相互影響，研究暫態(tài)擾動下系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定特性；針對機(jī)組存在的持續(xù)功率振蕩現(xiàn)象，提出利用柔性直流附加阻尼控制快速平抑系統(tǒng)功率振蕩，分別基于柔性直流有功無功解耦控制回路設(shè)計了阻尼控制器，比較研究了基于有功調(diào)制和無功調(diào)制阻尼控制的作用效果。

1 等值系統(tǒng)及其電磁暫態(tài)建模

等值系統(tǒng)主要用于研究渝鄂異步互聯(lián)北通道三峽近區(qū)機(jī)組與柔性直流和常規(guī)直流之間的相互影響，如圖1所示。

圖1 渝鄂異步互聯(lián)北通道三峽近區(qū)等值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of simplified equivalent system

其中，渝鄂異步互聯(lián)北通道背靠背柔性直流接入 500 kV 龍泉站，額定輸送功率 2 500 MW，渝側(cè)送端電網(wǎng)采用等值電源；三峽左岸電廠 8 臺機(jī)組(額定功率 760 MW×8)通過三回 500 kV 線路接入龍泉站；斗笠站以外華中系統(tǒng)采用等值電源。

對上述系統(tǒng)在 PSCAD/EMTDC 中建立詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真模型。其中，三峽左一電廠8臺發(fā)電機(jī)采用凸極發(fā)電機(jī)詳細(xì)模型，考慮水輪機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)和 PSS，模型及參數(shù)按實際機(jī)組配置情況設(shè)置；龍政直流輸電系統(tǒng)采用雙極性接線方式，其整流測和逆變側(cè)各由兩組 12 脈動換流器串聯(lián)而成，額定輸送功率為 3 000 MW，整流側(cè)控制方式采用定電流控制，逆變側(cè)控制方式采用定熄弧角控以及含低電壓限流環(huán)節(jié)的定電流控制；交流輸電線路采用分布參數(shù)模型；等值電源內(nèi)阻抗根據(jù)對應(yīng)運(yùn)行方式下母線的短路電流水平確定。柔性直流系統(tǒng)及附加阻尼控制模型下一節(jié)詳細(xì)介紹。

系統(tǒng)大負(fù)荷方式下龍泉站累計功率饋入8 580 MW，通過龍政直流外送 3 000 MW，其余經(jīng)龍斗三回 500 kV 交流線路送出以及供應(yīng)部分就地負(fù)荷。與全網(wǎng)綜合程序仿真對比表明，簡化等值系統(tǒng)基本保留了原系統(tǒng)中北通道三峽近區(qū)電網(wǎng)的動態(tài)特性。

2 柔性直流輸電模型及附加阻尼控制策略

渝鄂北通道背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)由兩個電壓源型換流站組成，換流站直流側(cè)直接相連，交流側(cè)分別連接兩個不同的交流系統(tǒng)，背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)的額定傳輸功率為 2 500 MW，直流電壓等級為±400 kV。

2.1 換流器平均值模型

從研究系統(tǒng)問題的角度出發(fā)，為了便于研究，渝鄂背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)中的換流站均采用圖2所示的平均值模型。

圖2 電壓源型換流器的平均值模型Fig. 2 Average value mode for two-level voltage source converter

圖中R、L為變壓器等效電阻和電感，記A、B、C 三相的每相調(diào)制比為則三相橋臂輸出的基波交流電壓為

交流側(cè)輸入到直流側(cè)的有功功率為

將式(1)帶入式(2)，可得受控直流電流源的值為

2.2 柔性直流主控制模型

電壓源型換流器的控制采用功率/電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中電流內(nèi)環(huán)控制器采用 dq 解耦控制，其原理在于將 abc三相靜止坐標(biāo)系下的三相電流變換到 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，通過控制流過電抗器的交流電流的 dq 軸分量而控制換流器的調(diào)制度和輸出相角，實現(xiàn)有功、無功電流分量的解耦控制。外環(huán)控制器采用定直流電壓控制、定有功功率控制和定無功功率控制。

在本文所示簡化等值模型中，背靠背柔性直流輸電系統(tǒng)的整流側(cè)控制直流側(cè)電壓，逆變側(cè)控制注入龍泉 500kV 母線的有功功率，整流側(cè)和逆變側(cè)的雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 整流側(cè)雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)Fig. 3 Double-loop controller at rectifier side

圖4 逆變側(cè)雙環(huán)控制器結(jié)構(gòu)Fig. 4 Double-loop controller at inverter side

2.3 柔性直流輸電系統(tǒng)的附加阻尼控制策略

渝鄂背靠背柔性直流輸電逆變側(cè)接入龍泉500 kV 站，換流器采用定功率控制，包括相互解耦的有功控制環(huán)路和無功控制環(huán)路，因此，可以在兩個控制環(huán)路中加入阻尼控制器，用于快速平息故障后的功率振蕩[13-15]。

(1) 基于有功功率調(diào)制的 d 軸附加阻尼控制

基于有功功率調(diào)制的d軸附加阻尼控制器實測交流線路有功功率信號，通過附加阻尼控制環(huán)節(jié)輸出調(diào)制信號疊加到 d 軸的有功功率控制回路的有功指令值上(如圖4 所示)，對 VSC-HVDC 逆變輸出有功進(jìn)行調(diào)制，用于平抑功率振蕩。

圖5 d 軸附加阻尼控制器結(jié)構(gòu)Fig. 5 Power oscillation damping controller at d-axis

(2) 基于無功功率調(diào)制的 q 軸附加阻尼控制

基于無功功率調(diào)制的 q軸附加阻尼控制類似STATCOM 補(bǔ)償控制[15]，以換流器交流側(cè)電壓為反饋輸入，通過附加阻尼控制環(huán)節(jié)輸出對交流電壓振蕩的抑制信號與原無功指令疊加(如圖4 所示)，輸入換流器 q 軸的無功功率控制環(huán)節(jié)。

附加阻尼控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中各參數(shù)的定義參考d軸附加阻尼控制器。

圖6 q 軸附加阻尼控制器結(jié)構(gòu)Fig. 6 Voltage oscillation damping controller at q-axis

(3) 附加阻尼控制器參數(shù)設(shè)計

本文中所搭建阻尼控制器模型如表1所示。

表1 附加阻尼控制器參數(shù)Table 1 Parameters of additional damping controller

3 仿真分析

在 PSCAD/EMTDC 下建立了本文等值系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型，開展了如下仿真研究：(1) 暫態(tài)擾動下近區(qū)大機(jī)組、柔性直流輸電系統(tǒng)以及常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性；(2) 基于有功功率調(diào)制的d 軸附加阻尼控制策略驗證；(3) 基于無功功率調(diào)制的 q 軸附加阻尼控制策略驗證；(4) 基于有功功率和無功功率協(xié)同調(diào)制的附加阻尼控制策略驗證。

初始穩(wěn)態(tài)時三峽左一電廠機(jī)組額定滿功率輸出，渝鄂背靠背輸入 2 500 MW，龍政直流外送3 000 MW，龍泉就地負(fù)荷 310 MW。仿真設(shè)定 2.0 s時，龍泉-斗笠三回線中的一回線路中點發(fā)生三相接地短路，2.1 s 時，線路兩端斷路器開斷，切除故障線路。

3.1 暫態(tài)擾動下交直流系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性

圖7反映了等值系統(tǒng)在交流輸電線三相短路故障擾動下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。圖中和分別代表三峽左一電廠輸出有功功率，柔直逆變側(cè)有功功率，龍政直流功率，以及等值系統(tǒng)接收的有功功率。

由圖7(a)~(d)所示的系統(tǒng)響應(yīng)可看出，系統(tǒng)故障后三峽左一電廠機(jī)組出現(xiàn)較大幅度持續(xù)功率振蕩，相應(yīng)地?fù)Q流站 500 kV 母線電壓也持續(xù)波動。VSC-HVDC 直流功率經(jīng)歷一個暫態(tài)反調(diào)很快恢復(fù)初始功率，龍政直流由于整流移相觸發(fā)角跟隨電壓波動快速調(diào)節(jié)，經(jīng)歷一個功率暫降后功率也很快恢復(fù)，在初始功率附近呈現(xiàn)較小幅度振蕩。

圖7 系統(tǒng)故障響應(yīng)特性Fig. 7 System fault response characteristics

3.2 基于有功功率調(diào)制的 d 軸附加阻尼控制作用

圖8所示為在 d軸有功附加阻尼控制，系統(tǒng)中交流線路發(fā)生三相接地故障時的響應(yīng)特性，故障設(shè)置同 3.1 節(jié)。仿真結(jié)果表明：采用 d 軸有功附加阻尼控制的系統(tǒng)阻尼顯著增加，系統(tǒng)振蕩能夠快速平抑。

3.3 基于無功功率調(diào)制的 q 軸附加阻尼控制作用

圖9所示為在q軸有功附加阻尼控制的系統(tǒng)響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明：采用q軸有功附加阻尼控制的系統(tǒng)阻尼顯著增加，系統(tǒng)振蕩能夠快速平抑。

圖8 d 軸有功阻尼控制仿真結(jié)果Fig. 8 Simulation results of damping controller at d-axis

圖9 q 軸無功阻尼控制仿真結(jié)果Fig. 9 Simulation results of additional damping control at q-axis

3.4 有功無功協(xié)同阻尼控制策略

圖10 是采用 dq 軸有功無功阻尼協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性。比較圖10 和圖8 采用 d 軸有功阻尼控制以及圖9采用q軸無功阻尼控制的作用效果，結(jié)果表明，采用 dq 軸有功無功阻尼協(xié)調(diào)控制策略的系統(tǒng)振蕩能夠快速平抑，且平抑速度、效果均優(yōu)于僅僅采用d軸有功阻尼控制策略或q軸無功阻尼控制策略的系統(tǒng)，同時電壓波動也得到很好的抑制。

圖10 dq 軸有功無功阻尼協(xié)調(diào)控制仿真結(jié)果Fig. 10 Simulation results of active and reactive power coordinative damping control

4 結(jié)論

本文針對渝鄂背靠背柔性直流聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃工程，建立了包含大機(jī)組、柔性直流輸電和常規(guī)直流輸電的局部等值系統(tǒng)，研究了暫態(tài)擾動下系統(tǒng)地動態(tài)響應(yīng)特性，以及基于柔性直流輸電的阻尼控制策略，主要研究結(jié)果包括：

(1) 渝鄂異步互聯(lián)后，三峽近區(qū)局部出現(xiàn)大機(jī)組和柔性直流與常規(guī)直流混合運(yùn)行的場景，暫態(tài)擾動下，機(jī)組呈現(xiàn)持續(xù)緩慢的搖擺振蕩，柔性直流和常規(guī)直流由于其控制響應(yīng)快速，呈現(xiàn)較好的暫態(tài)恢復(fù)特性。

(2) 由于柔性直流換流器的有功功率和無功功率獨(dú)立控制，可以分別設(shè)計基于有功功率調(diào)制和基于無功功率調(diào)制的附加阻尼控制器，用于快速平抑三峽左一電廠機(jī)組的功率振蕩。

(3) 仿真比較研究表明，采用有功功率調(diào)制或無功功率調(diào)制的阻尼控制均可以有效阻尼機(jī)組功率振蕩，并且，同時采用有功功率調(diào)制和無功功率調(diào)制的協(xié)同阻尼控制可同時平抑功率振蕩和電壓波動，具有更好的控制效果。

以上研究結(jié)果，對于渝鄂異步互聯(lián)后的三峽近區(qū)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與控制具有較好的參考意義。

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(編輯 張愛琴)

Damping control based on back to back VSC-HVDC connecting Chongqing and Hubei Power Grid

XU Youping1, ZHANG Ke2, PAN Xiaojie1, XI Jianghui1, SHAO Dejun1, TANG Weihua3, SUN Haishun2
(1. Central China Branch of State Grid Corporation of China, Wuhan 430077, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Hunan Electric Power Design Institute Corporation Ltd., China Energy Engineering Group, Changsha 410007, China)

With the scheduled back to back VSC-HVDC based unsynchronized interconnection between Chongqing and Hubei power grid, the dynamic of such hybrid AC-DC power system consist of large capacity hydro-generator units and both LCC and VSC based HVDC is of serious concern. An equivalent system and the detailed time domain model are established including Three Gorge Power Plant No. 1 located at left bank, the back to back VSC-HVDC and the Long-Zheng LCC-HVDC. Transient simulation is undertaken which demonstrates post fault power oscillation of the hydro-generator units with poor damping. It is proposed that damping controllers can be added to either the active or reactive control loop of VSC-HVDC to improve the damping of the power oscillation. These two ways of damping control design are studied and validated. Results show that combination of both design, i.e., damping controls based on active control and reactive control, could fast decrease power oscillation as well as stabilize voltage variation.

VSC-HVDC; unsynchronized interconnection; power oscillation; PQ decoupled control; damping controller

10.7667/PSPC160619

：2016-08-04

徐友平(1971-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)運(yùn)行分析和管理；E-mail: xuyp@cc.sgcc.com.cn

張 珂(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為直流電網(wǎng)控制策略、優(yōu)化潮流分析；E-mail: vivian92@hotmail.com

潘曉杰(1976 -)，男，博士(后)，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制；E-mail: pxj76@163.com