UHVDC多信號(hào)直流調(diào)制提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究

嚴(yán)棟，蔣平，劉建坤，趙靜波

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

我國能源和負(fù)荷的地理分布不均，決定了我國要解決電力供應(yīng)的問題，就必須充分發(fā)揮電網(wǎng)的互補(bǔ)調(diào)劑及區(qū)域負(fù)荷錯(cuò)峰作用[1]。特高壓直流輸電（UHVDC）是±500kV高壓直流（HVDC）之上采用更高一級(jí)電壓等級(jí)（±800kV）的直流輸電技術(shù)。其電壓等級(jí)更高、傳輸功率更大，能更大地降低線路損耗。但UHVDC的性能極大地依賴于控制系統(tǒng)[2]。制定一個(gè)可行、可靠的控制策略十分重要而且必要。綜合目前交直流互聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定控制策略，UHVDC的直流調(diào)制得到了極大關(guān)注。文獻(xiàn)[3]研究了交直流混聯(lián)系統(tǒng)的直流快速調(diào)制對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[4]提出了一種HVDC暫態(tài)穩(wěn)定控制策略參與交直流并聯(lián)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[5]研究了交直流互聯(lián)電網(wǎng)直流功率調(diào)制相關(guān)問題，包括直流功率調(diào)制信號(hào)的選擇、直流調(diào)制控制器的設(shè)計(jì)及其參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化等。文獻(xiàn)[6]采用雙側(cè)頻率調(diào)制改善送端交直流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]研究了直流系統(tǒng)在一定的控制方式下，調(diào)制增益的變化對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度及直流系統(tǒng)的影響。然而，傳統(tǒng)的直流調(diào)制一般僅采用單個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，調(diào)制效果可能不能令人滿意。文中在UHVDC基本控制功能的基礎(chǔ)上，制定附加控制策略，設(shè)計(jì)了多信號(hào)直流調(diào)制控制器并采用極點(diǎn)配置法整定控制器參數(shù)。通過在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立電磁暫態(tài)仿真模型，驗(yàn)證了UHVDC提高交流系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的效果。

1 直流調(diào)制基本原理

直流功率調(diào)制[8]的原理是在已有的直流輸電控制系統(tǒng)中加入附加的直流調(diào)制器，從交流系統(tǒng)中提取反映系統(tǒng)異常的信號(hào)，調(diào)節(jié)直流輸電線路傳輸功率，使之快速吸收或補(bǔ)償其所連交流系統(tǒng)中的功率過?；蛉鳖~，起到緊急支援和阻尼振蕩的作用。

UHVDC的直流調(diào)制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用可用圖1所示的等面積法則說明。

未采用直流調(diào)制的交流系統(tǒng)功角特性如圖1（a）所示，直流功率在故障后僅恢復(fù)故障前水平，交流系統(tǒng)獲得的減速能量無明顯增加，系統(tǒng)有可能失穩(wěn)。而采用直流功率調(diào)制后的交流系統(tǒng)功角特性如圖1（b）所示，直流功率在故障后通過調(diào)制功能提升了傳輸?shù)闹绷鞴β?，使交流系統(tǒng)獲得的減速能量增加，交流系統(tǒng)保持穩(wěn)定的可能性大大增加。

好的調(diào)制效果要求所選取的調(diào)制信號(hào)中必須包含系統(tǒng)的被控模態(tài)。在某些情況下，為獲得好的調(diào)制效果，所選取的調(diào)制信號(hào)應(yīng)由反映系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)的信號(hào)組成，而不應(yīng)只局限于某一個(gè)信號(hào)。直流功率調(diào)制可選用下列參數(shù)作為輸入信號(hào)。

（1）發(fā)電機(jī)角頻率調(diào)制。研究表明，直流功率的變化可由某臺(tái)發(fā)電機(jī)的角速度變化量Δω決定。

（2）雙側(cè)頻率功率調(diào)制。頻率是表征系統(tǒng)有功功率是否平衡的一個(gè)關(guān)鍵量[6]。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障（如短路、斷線）后，有功功率將無法保持平衡，從而引起系統(tǒng)頻率的變化。

（3）交流線功率信號(hào)調(diào)制。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的潮流一般不會(huì)發(fā)生明顯變化；而當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)潮流會(huì)發(fā)生重新分配，交流線路上傳輸?shù)墓β蕰?huì)有劇烈變化。

以上各單信號(hào)調(diào)制各有優(yōu)缺點(diǎn)。為充分發(fā)揮各信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，取得更好的控制效果，采用多信號(hào)直流控制器，將上述單信號(hào)進(jìn)行加權(quán)綜合。

2 直流調(diào)制控制器設(shè)計(jì)

2.1 單信號(hào)控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定

對(duì)采用不同調(diào)制信號(hào)的直流調(diào)制控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)整定時(shí)，采用極點(diǎn)配置的方法。在交直流系統(tǒng)中，以直流電流整定值增量ΔI作為控制變量，附加控制的調(diào)制信號(hào)為被控變量ΔX（即直流調(diào)制的調(diào)制信號(hào)）。則ΔI到ΔX的開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）框圖如圖2（a）所示。引入ΔX作為反饋?zhàn)兞?，系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)Gc（s）框圖如圖2（b）所示。

圖2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

其中：G（s）=G1（s）G2（s）。

由上式可知，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為：

假設(shè)加入反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)后閉環(huán)系統(tǒng)的期望主導(dǎo)極點(diǎn)為sd，則有：

因此H（s）在s=sd處的幅值和相角可通過系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G（s）在s=sd處的幅值和相角求得。根據(jù)該結(jié)果可求出相應(yīng)于期望主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的直流調(diào)制器的補(bǔ)償幅值與相位，整定調(diào)制器參數(shù)。

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)可利用測試信號(hào)法[9]來擬合。首先在電流附加控制環(huán)節(jié)上施加一系列小信號(hào)振蕩電流。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，提取公共周期內(nèi)的數(shù)據(jù)ΔItest和ΔX。進(jìn)行傅里葉分解，得到不同頻率下的相量ΔI˙test（kω0）和ΔX˙（kω0）。對(duì)所有的kω0計(jì)算在此頻率下的傳遞函數(shù)：

最后通過擬合得出G（s）的解析表達(dá)式。

在求得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式后，即可求出系統(tǒng)區(qū)域間振蕩模式的頻率和阻尼比,選擇期望的主導(dǎo)極點(diǎn)。從而求出直流調(diào)制器的補(bǔ)償幅值和相位，整定控制器參數(shù)。

設(shè)計(jì)的功率調(diào)制器如圖3所示。包含隔直環(huán)節(jié)、比例放大環(huán)節(jié)、1～3階的超前-滯后環(huán)節(jié)、限幅環(huán)節(jié)。

圖3 功率調(diào)制器控制框圖

隔直環(huán)節(jié)中，Tw通常取10s，目的是將輸入信號(hào)中的直流成分濾除。比例放大環(huán)節(jié)和超前-滯后環(huán)節(jié)的參數(shù)根據(jù)前述的測試信號(hào)法進(jìn)行整定，限幅環(huán)節(jié)一般取-50%～50%。

2.2 多信號(hào)控制器的設(shè)計(jì)

多信號(hào)控制器采用加權(quán)綜合的方法。權(quán)值分配通過每組單信號(hào)控制增益調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)?？刂瓶驁D如圖4所示。其中，各通道的參數(shù)可通過上節(jié)中的測試信號(hào)法進(jìn)行整定，K1～K3聯(lián)合運(yùn)行參數(shù)的選取可通過多次仿真確定最佳參數(shù)配置。

圖4 多信號(hào)控制器框圖

發(fā)電機(jī)的角頻率信號(hào)對(duì)于發(fā)電機(jī)功角擺動(dòng)具有良好的模態(tài)可觀性和可靠性，因此與另2種調(diào)制信號(hào)相比，引入發(fā)電機(jī)的角頻率信號(hào)對(duì)減弱功角搖擺以及防止轉(zhuǎn)子失步具有更好的效果。但該調(diào)制方法僅反映局部的運(yùn)行狀態(tài)，具有一定的局限性。

引入換流站兩側(cè)的頻差信號(hào)在提高交流穩(wěn)定性和阻尼振蕩也能夠收到較好的效果，且能即時(shí)反映整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻率狀況，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有較好的監(jiān)測與控制作用。不過母線頻率信號(hào)需要通過鎖相環(huán)間接測量，其測量過程中會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，并可能會(huì)受到諧波以及電網(wǎng)其他擾動(dòng)的影響，且測量器件的參數(shù)對(duì)調(diào)制效果也有一定的影響。

引入交流線上傳輸功率信號(hào)在提高交流穩(wěn)定方面的作用并不如上述2種信號(hào)明顯，但功率信號(hào)的測量簡單，成本較低，在規(guī)模不大的網(wǎng)絡(luò)中引入重要交流聯(lián)絡(luò)線的功率作為調(diào)制信號(hào)也有一定意義。

事實(shí)上，在廣域測量系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)角速度信號(hào)可以取多臺(tái)重要發(fā)電機(jī)的角速度，交流線功率變化量信號(hào)可以取多條重要聯(lián)絡(luò)線的功率變化。在發(fā)生故障時(shí)，通過系統(tǒng)電氣量變化估算故障的距離，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)多信號(hào)權(quán)值，改變UHVDC的電流指令，給予系統(tǒng)功率支援，提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

3 直流調(diào)制控制器的仿真

錦屏—蘇南特高壓直流工程[10]預(yù)計(jì)將在2012年建成投運(yùn)。屆時(shí)將有7200MW電能從四川水電基地送至江蘇電網(wǎng)，對(duì)江蘇電網(wǎng)的運(yùn)行方式和穩(wěn)定性將帶來重大影響。為驗(yàn)證直流調(diào)制控制器在實(shí)際電網(wǎng)中的作用，通過PSCAD/EMTDC軟件建立含直流調(diào)制控制器的UHVDC仿真模型及江蘇電網(wǎng)等值模型，進(jìn)行仿真研究。

3.1 模型建立

在PSCAD/EMTDC環(huán)境中建立一個(gè)雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)接線的7200MW特高壓直流輸電模型。送電端采用交流電源模型，即為一無窮大電網(wǎng)；受電端采用江蘇交流網(wǎng)等值模型，如圖5所示。

基本控制系統(tǒng)采用CIGRE標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)[11]，整流側(cè)由定電流控制和最小觸發(fā)角限制組成；逆變側(cè)配有定電流控制和定關(guān)斷角控制，但無定電壓控制。此外，整流側(cè)和逆變側(cè)都配有低壓限流環(huán)節(jié)（VDCOL），可以減小換相失敗的可能性，并降低直流功率同時(shí)減小對(duì)交流系統(tǒng)無功的需求，逆變側(cè)還配有電流偏差控制（CEC）。

該仿真系統(tǒng)中，附加阻尼控制系統(tǒng)采用三通道信號(hào)調(diào)制，分別為諫壁電廠發(fā)電機(jī)角頻率信號(hào)、UHVDC兩側(cè)交流系統(tǒng)頻率差信號(hào)和過江斷面功率變化信號(hào)作為直流調(diào)制的控制信號(hào)。

3.2 仿真結(jié)果分析

在江蘇電網(wǎng)晉陵節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)時(shí)長0.1s的金屬性瞬時(shí)三相短路的大擾動(dòng)，對(duì)UHVDC的直流調(diào)制進(jìn)行仿真比較。故障后諫壁電廠發(fā)電機(jī)功角（取對(duì)沙洲電廠發(fā)電機(jī)的相對(duì)功角）搖擺曲線圖6所示。

可見，加入直流功率調(diào)制后，諫壁電廠的發(fā)電機(jī)功角搖擺衰減速度均有不同程度的提高。UHVDC的直流功率調(diào)制對(duì)江蘇電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的提高有一定作用。

3種調(diào)制信號(hào)各有優(yōu)缺點(diǎn)。將3種調(diào)制信號(hào)進(jìn)行加權(quán)綜合輸出的調(diào)制信號(hào)，既能反映全網(wǎng)的運(yùn)行狀況，也反映重要發(fā)電機(jī)的功角變化，具有更好的調(diào)制效果。

采用3種信號(hào)加權(quán)綜合調(diào)制后（K1=1.6，K2=0.5，K3=0.2），調(diào)制效果如圖7所示，諫壁電廠的發(fā)電機(jī)功角第一擺有了更明顯的下降，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也有縮短，提高了交流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

文中主要研究了直流調(diào)制器的設(shè)計(jì)與基于極點(diǎn)配置法的控制器參數(shù)整定，提出了多信號(hào)綜合調(diào)制的直流調(diào)制方法。通過PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，對(duì)錦屏-蘇南特高壓直流輸電工程接入江蘇交流網(wǎng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的直流調(diào)制控制器能夠有效地提高交直流互聯(lián)系統(tǒng)中交流系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，減弱故障后發(fā)電機(jī)功角搖擺。采用多種信號(hào)綜合調(diào)制的控制方法能夠發(fā)揮各種信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，具有更好的調(diào)制效果。

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