新能源匯集站調(diào)相機(jī)附加控制研究

朱建華，李 巖，柳方舟，李湘韶，劉芳芳

(1. 潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450000； 2. 華潤(rùn)電力(溫州)有限公司，浙江 溫州 325810；3. 徐州華潤(rùn)電力有限公司，江蘇 徐州 221142； 4. 華潤(rùn)電力焦作有限公司，河南 焦作 454001)

近年來，隨著新能源開發(fā)的力度不斷加大，新能源裝機(jī)占比不斷提升。但新能源出力不穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)電壓和頻率穩(wěn)定都造成一定壓力[1-4]。為更好滿足新能源站調(diào)壓需求，國(guó)內(nèi)部分新能源匯集站配置了分布式調(diào)相機(jī)。文獻(xiàn)[5]研究了包含主變高壓側(cè)電壓控制的調(diào)相機(jī)對(duì)河南電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響，為此類調(diào)相機(jī)控制器調(diào)整提供了整定依據(jù)。文獻(xiàn)[6]研究調(diào)相機(jī)對(duì)直流閉鎖后電壓穩(wěn)定影響。文獻(xiàn)[7]對(duì)直流換相失敗后調(diào)相機(jī)的暫態(tài)強(qiáng)勵(lì)策略進(jìn)行研究，調(diào)相機(jī)的暫態(tài)性能提升交直流電網(wǎng)的暫態(tài)能力。文獻(xiàn)[8]研究了華東電網(wǎng)調(diào)相機(jī)自動(dòng)電壓控制策略，研究結(jié)果表明，合理的控制策略提升了電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓水平。文獻(xiàn)[9]對(duì)調(diào)相機(jī)內(nèi)部的低勵(lì)限制、定子電流限制等內(nèi)部環(huán)節(jié)做了論述，為調(diào)相機(jī)的參數(shù)配合和策略優(yōu)化提供研究依據(jù)。文獻(xiàn)[10]論證調(diào)相機(jī)對(duì)西北地區(qū)弱送端電壓的暫態(tài)電壓無功支撐能力。據(jù)已有資料，青海已建成國(guó)內(nèi)首個(gè)電源側(cè)分布式調(diào)相機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目，為青豫直流送出新能源提供無功支撐，但關(guān)于分布式調(diào)相機(jī)的低頻振蕩抑制研究，還未見相關(guān)研究。

目前，基于調(diào)相機(jī)抑制振蕩的問題多集中于暫態(tài)電壓穩(wěn)定范圍，而利用調(diào)相機(jī)抑制低頻振蕩的研究較少。因此，本文結(jié)合調(diào)相機(jī)可調(diào)節(jié)容量大和調(diào)節(jié)速度能夠滿足低頻振蕩響應(yīng)需求的特點(diǎn)，提出用于系統(tǒng)低頻振蕩抑制的分布式調(diào)相機(jī)附加阻尼控制策略。

1 調(diào)相機(jī)模型

1.1 調(diào)相機(jī)本體模型

單臺(tái)調(diào)相機(jī)接入無窮大系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如下所示：

(1)

1.2 小干擾模型

調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，功角δ近似等于0，可以近似認(rèn)為小干擾分析時(shí)sin(δ0)=0，δ0為選定的調(diào)相機(jī)運(yùn)行點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功角[11]。

同步發(fā)電機(jī)線性化可以直接得出海倫-菲利普斯模型，具體表達(dá)式參見文獻(xiàn)[12]。在調(diào)相機(jī)線性化模型的主要參數(shù)K1～K6中，K2是sin(δ0)的函數(shù)，認(rèn)為K2=0和K4=0。

簡(jiǎn)化后的調(diào)相機(jī)線性化模型如圖1所示。

圖1 調(diào)相機(jī)的線性化模型圖

從圖1可以看出，調(diào)相機(jī)模型可以分解為兩個(gè)聯(lián)系較為松散的子閉環(huán)模型。同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)阻尼控制策略時(shí)，多考慮將發(fā)電機(jī)的功角、轉(zhuǎn)速、有功作為輸入。但對(duì)于調(diào)相機(jī)而言，由于有功和無功基本解耦，因此不宜將調(diào)相機(jī)功角、有功作為阻尼控制的輸入，需要考慮將遠(yuǎn)方控制信號(hào)或本地的電流或匯集站有功作為控制輸入。

1.3 控制有效性論證

關(guān)于調(diào)相機(jī)是否給系統(tǒng)提供阻尼的問題存在較大分歧，文獻(xiàn)[13]認(rèn)為調(diào)相機(jī)無法提供阻尼，主要理由是同步發(fā)電機(jī)的PSS提供阻尼的主要是通過勵(lì)磁繞組磁鏈變化提供的電磁轉(zhuǎn)矩變化量產(chǎn)生的，而調(diào)相機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩變化很小，所以無法提供阻尼。

本文認(rèn)為文獻(xiàn)[13]的說法是正確的，調(diào)相機(jī)無法通過改變q軸暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)的變化量，而q軸暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)的變化影響調(diào)相機(jī)阻尼，因此，調(diào)相機(jī)附加控制無法改變本機(jī)的阻尼特性。但調(diào)相機(jī)可以調(diào)整發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，進(jìn)而改變系統(tǒng)特性。

2 附加阻尼控制策略

控制器對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 附加控制的傳遞函數(shù)圖

如圖2所示，阻尼控制主要分為四個(gè)環(huán)節(jié)。首先是濾波環(huán)節(jié)，Tw=5 s，可以濾除暫態(tài)分量，避免阻尼控制器輸出對(duì)調(diào)相機(jī)暫態(tài)響應(yīng)構(gòu)成干擾。第二部分為超前滯后環(huán)節(jié)，這里選取2階傳遞函數(shù)，Td1和Td2的參數(shù)選取需要根據(jù)調(diào)整效果進(jìn)行優(yōu)化。Kpss為阻尼控制的比例增益，其參數(shù)大小可以影響阻尼控制的調(diào)節(jié)速度。最后為限幅環(huán)節(jié)，設(shè)置為±5%，以勵(lì)磁電壓額定值為基準(zhǔn)。

附加控制參數(shù)配置需要考慮的問題主要有：

1)參數(shù)的適應(yīng)性。阻尼控制需要適應(yīng)電網(wǎng)的運(yùn)行方式的變化，不宜過度強(qiáng)調(diào)在某種運(yùn)行方式下最優(yōu)補(bǔ)償效果。需要綜合權(quán)衡多種運(yùn)行方式補(bǔ)償效果。特別是對(duì)新能源送端電網(wǎng)時(shí)，白天和晚上潮流方向完全相反，需要重點(diǎn)考慮潮流方向逆轉(zhuǎn)時(shí)阻尼控制的適應(yīng)性。

2)與自動(dòng)電壓控制的協(xié)調(diào)配合。阻尼控制器前端內(nèi)置有濾波環(huán)節(jié)，可以將0.2 Hz以上的高頻分量隔離。但對(duì)于0.2 Hz以下的低頻分量，需要根據(jù)電壓調(diào)整效果進(jìn)行整定和配合研究。

3)輸入量選擇問題。與同步機(jī)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器不同，附加阻尼控制不宜選擇調(diào)相機(jī)的轉(zhuǎn)速、有功、功角作為輸入量。根據(jù)靈敏度計(jì)算結(jié)果可以在匯集站電流、有功、母線電壓頻率中選擇。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)控制策略的控制效果，搭建仿真模型見圖3。四機(jī)系統(tǒng)的模型見參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]。

圖3 四機(jī)系統(tǒng)示意圖

3.1 不同運(yùn)行方式的控制策略有效性

為驗(yàn)證阻尼控制器對(duì)運(yùn)行方式的適應(yīng)性，模擬新能源上網(wǎng)為典型聯(lián)網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行方式，上網(wǎng)功率為141 MW左右。夜晚，模擬新能源脫網(wǎng)其他負(fù)荷從電網(wǎng)下功率的脫網(wǎng)用電運(yùn)行方式，下網(wǎng)功率為45 MW左右。仿真兩種運(yùn)行方式下控制策略適應(yīng)性，對(duì)應(yīng)時(shí)域波形如圖4所示。

圖4 不同運(yùn)行方式新能源電站出線電流對(duì)比圖

從圖4可以看出，兩種運(yùn)行方式下控制策略取得較好控制效果。在下網(wǎng)運(yùn)行方式下，正向和反向功率振蕩均存在，恢復(fù)時(shí)間在2 s左右。在聯(lián)網(wǎng)發(fā)電方式下，負(fù)向功率振蕩較大，恢復(fù)時(shí)間與脫網(wǎng)用電運(yùn)行方式一致，也在2 s左右。從圖4可以看出，在不同運(yùn)行方式，阻尼控制均取得較好效果，說明所提控制策略具有一定的適應(yīng)性。

3.2 不同輸入變量的控制策略有效性

為驗(yàn)證不同輸入變量對(duì)控制策略有效性的影響，在5s時(shí)刻設(shè)置1號(hào)機(jī)機(jī)端電壓發(fā)生5%階躍電壓激勵(lì)，在系統(tǒng)產(chǎn)生一定功率振蕩。仿真三種控制策略時(shí)域響應(yīng)，對(duì)應(yīng)時(shí)域波形如圖5所示。

圖5 下網(wǎng)功率下三種控制方式下電流對(duì)比圖

從圖5可以看出，三種控制策略在抑制有功波動(dòng)上均取得較好效果。采用頻率輸入的控制策略，電流波動(dòng)抑制效果最好，后期電流恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時(shí)間最長(zhǎng)。電流輸入控制策略超調(diào)相對(duì)較大，恢復(fù)穩(wěn)態(tài)時(shí)間較短。功率輸入超調(diào)最大，后期恢復(fù)時(shí)間與電流輸入控制策略類似，均短于頻率輸入的控制策略。

3.3 控制阻尼控制對(duì)原有區(qū)間模式的影響

為驗(yàn)證阻尼控制器對(duì)區(qū)間振蕩模式的影響，選擇時(shí)域分析法，對(duì)比傳輸線曲線實(shí)現(xiàn)模態(tài)對(duì)比的目的。仿真兩種運(yùn)行方式下區(qū)間振蕩模式變化趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 不同運(yùn)行方式下傳輸線功率對(duì)比圖

從圖6可以看出，三種運(yùn)行方式下傳輸線功率有所差異，主要原因新能源電站的加入導(dǎo)致系統(tǒng)潮流變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳輸線電流變化。但對(duì)比三種方式下傳輸功率，振蕩周期基本一致，阻尼也基本一致，說明調(diào)相機(jī)附加阻尼加入對(duì)區(qū)間振蕩模式影響很有限，主要原因是調(diào)相機(jī)容量有限，僅有50 MVar。而4臺(tái)主力機(jī)組容量均為900 MVar，調(diào)相機(jī)容量?jī)H占系統(tǒng)機(jī)組容量的1.39%。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)研究了新能源匯集站的調(diào)相機(jī)電力系統(tǒng)低頻振蕩和阻尼特性，推導(dǎo)出調(diào)相機(jī)小干擾傳遞函數(shù)，并通過時(shí)域仿真驗(yàn)證了小干擾模型和控制策略的有效性。

2)在聯(lián)網(wǎng)發(fā)電和脫網(wǎng)用電運(yùn)行方式下，控制策略均能夠適應(yīng)潮流方向變化，為系統(tǒng)低頻振蕩提供正阻尼，對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的潮流變化具有一定的適應(yīng)性。

3)對(duì)比三種不同控制輸入的控制策略，不同輸入的控制策略均取得較好的控制效果。相對(duì)而言，電流輸入的控制動(dòng)態(tài)效果最好，其他兩種控制策略恢復(fù)穩(wěn)態(tài)效果稍差。