基于儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)多布點(diǎn)的HVDC換相失敗抑制方法

李 強(qiáng)，吳盛軍，易 洋，李澤文

(1．國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2．長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

隨著交直流特高壓電網(wǎng)和各類可再生能源的發(fā)展不斷向前邁進(jìn)，電網(wǎng)靈活性已表現(xiàn)出不能夠完全適應(yīng)其發(fā)展的趨勢(shì)。電化學(xué)儲(chǔ)能用來(lái)支撐調(diào)節(jié)電網(wǎng)、穩(wěn)固電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在電化學(xué)儲(chǔ)能的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)方向上，并且電化學(xué)儲(chǔ)能電站建設(shè)周期短，能夠小型分散配置，其對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。與傳統(tǒng)的無(wú)功調(diào)壓裝置相比，其獨(dú)特的有功無(wú)功四象限調(diào)節(jié)能力對(duì)系統(tǒng)電壓的控制極其有效，在電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)方面應(yīng)用廣泛。

在直流輸電系統(tǒng)中，由于逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路會(huì)帶來(lái)許多不利影響[1]，其中之一便是可能導(dǎo)致?lián)Q流站發(fā)生換相失敗故障。研究人員發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在單一直流、多饋入直流還是分不同層次饋入的多饋入直流系統(tǒng)中，無(wú)功支撐都在其中占據(jù)著重要地位[2]。如果逆變側(cè)發(fā)生故障，導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓降低，換流站將會(huì)從電網(wǎng)中吸收無(wú)功，且一旦故障嚴(yán)重，換流站可能出現(xiàn)無(wú)法換相的情況[3]。電化學(xué)儲(chǔ)能電站因其具備強(qiáng)無(wú)功支撐能力，當(dāng)故障發(fā)生后可以立即投入運(yùn)行，可以有效地補(bǔ)充系統(tǒng)中的無(wú)功功率，使換流站可以正常運(yùn)行，從而抵御換相失敗[4]。

為了提高抵御換相失敗的應(yīng)變能力，研究人員一方面對(duì)混聯(lián)輸電網(wǎng)進(jìn)行研究[5]，并在換流站采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，降低換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)[6-8]；另一方面在換流站附近安裝了同步補(bǔ)償器，提供充足的無(wú)功儲(chǔ)備[9]。為此，研究人員提出了多種基于同步補(bǔ)償器的控制策略[10-11]。文獻(xiàn)[12]針對(duì)含有同步調(diào)相機(jī)并網(wǎng)的直流輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制進(jìn)行研究，在小擾動(dòng)、中擾動(dòng)和大擾動(dòng)情況下得到同步調(diào)相機(jī)接入對(duì)母線電壓的補(bǔ)償效果，驗(yàn)證了分析方法的有效性；文獻(xiàn)[13]提出了受端電網(wǎng)中儲(chǔ)能電站的布點(diǎn)方法以及電化學(xué)儲(chǔ)能站在不同區(qū)域待機(jī)的控制方法。但以上都沒(méi)有提及在發(fā)生故障時(shí)如何控制電化學(xué)儲(chǔ)能電站的無(wú)功功率。文獻(xiàn)[14]提出發(fā)電機(jī)是系統(tǒng)中分布最廣、最好的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，且調(diào)相機(jī)與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，通過(guò)在受端電網(wǎng)配置調(diào)相機(jī)來(lái)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高交直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行能力，但未對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站與同步機(jī)之間的聯(lián)系進(jìn)行深入研究。

從上述文獻(xiàn)可知，目前，在儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)的緊急支撐方面缺乏研究，因此本文提出儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的概念，完成該模型的搭建，驗(yàn)證其對(duì)HVDC系統(tǒng)的換相電壓跌落具有較強(qiáng)的支撐作用，并且充分利用儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償特性，提出了一種利用儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)應(yīng)對(duì)多饋入直流換相失敗的多布點(diǎn)方法，該方法首先從各節(jié)點(diǎn)與換流站間的電氣距離入手，以此確定待補(bǔ)償區(qū)域；然后對(duì)帶補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非故障點(diǎn)電壓反應(yīng)速率平均值計(jì)算，以此為指標(biāo)確定最佳的儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)安裝站點(diǎn)；最后基于實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)在PSCAD中仿真，得到單一儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)接入對(duì)換相失敗的抑制效果，同時(shí)對(duì)比驗(yàn)證了本布點(diǎn)方法確能有效地發(fā)揮儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的聚合作用，更好地抑制換相失敗。

1 儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)模型建立

儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)(energy storage virtual synchronous generator, ESVSG)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要包括儲(chǔ)能單元和逆變器單元2個(gè)部分，以單相表示三相。圖1中，PWM為脈寬調(diào)制，Rs、Ls、Cs分別為濾波電阻、電感和電容，Rg和Lg分別為線路電阻和電感。

圖1 虛擬同步機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Virtual synchronous machine grid-connected structure

同步逆變器控制是模擬同步發(fā)電機(jī)特性的并網(wǎng)逆變器，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖相環(huán)自同步并網(wǎng)。同步逆變器控制以三相隱極機(jī)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，Te、Qe

和em均通過(guò)同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型結(jié)合逆變器輸出的三相電流瞬時(shí)值計(jì)算出來(lái)，其中em為反向電動(dòng)勢(shì)，因此同步逆變器控制器可以表示為

(1)

式中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為虛擬轉(zhuǎn)子角速度；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Td為阻尼轉(zhuǎn)矩；p為虛擬同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率；θ為虛擬同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁相角。

(2)

式中K為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；Mf為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間互感的最大值；if為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流；Qset為無(wú)功功率的參考值；Dq為無(wú)功—電壓下垂系數(shù)；Er為電壓參考值；E為逆變器LC濾波器出口處的相電壓幅值。

Tm、Te、Qe、em的計(jì)算公式分別為

(3)

(4)

(5)

(6)

式(3)～(6)中Pset為功率參考值；ia、ib、ic為三相電流瞬時(shí)值；Em為同步發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)有效值。

當(dāng)三角載波的幅值為1 V時(shí)，三相調(diào)制波vma、vmb、vmc的計(jì)算公式為

(7)

式中Vm為三相調(diào)制波有效值，其計(jì)算公式為

(8)

逆變器出口處的基波電壓esa、esb、esc的表達(dá)式為

(9)

相電壓基波幅值es的計(jì)算公式為

(10)

將式(6)、(9)代入式(4)得：

(11)

將式(6)、(9)代入式(5)得：

(12)

式中P、Q分別為逆變器實(shí)際輸出的有功和無(wú)功功率。當(dāng)Vdc=Vdc,ref時(shí)，虛擬同步機(jī)正常工作。由式(11)、(12)表明，此時(shí)同步逆變器的控制器中計(jì)算出的Te、Qe與逆變器實(shí)際輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和無(wú)功功率相同，即同步逆變器無(wú)須測(cè)量三相電壓瞬時(shí)值即可實(shí)現(xiàn)功率計(jì)算。

2 ENVSG抑制換相失敗效果分析

電化學(xué)儲(chǔ)能裝置可以實(shí)時(shí)調(diào)整充電和放電功率，并且具有峰值削波能力，是其自身安裝能力的2倍。儲(chǔ)能電站于交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)而言都具有較強(qiáng)的提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和靈活性的能力，對(duì)前者儲(chǔ)能電站可以削減充谷，調(diào)整系統(tǒng)頻率，提供無(wú)功電壓支持；對(duì)后者電化學(xué)儲(chǔ)能電廠還可以為換流站提供足夠的無(wú)功功率，并增強(qiáng)換流站抵抗換相失敗的能力[15-16]。儲(chǔ)能電站主要由蓄電池室、變壓升壓箱、10 kV合流箱、智能主控室、SVG室、變電站及其他電站配套設(shè)備組成。電站配有站側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，智能網(wǎng)絡(luò)負(fù)載交互式終端，同步相量測(cè)量裝置，防孤島保護(hù)和頻率電壓應(yīng)急控制裝置以及智能輔助控制系統(tǒng)[17]。

同步電動(dòng)機(jī)需要用于電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，其在接入電網(wǎng)時(shí)以空載運(yùn)行這種特殊方式運(yùn)行，此運(yùn)行方式能提高功率因素和改善供電性能。由分析可知，ESVSG也同樣具有同步機(jī)的特殊運(yùn)行方式。在應(yīng)對(duì)直流換相失敗方面，ESVSG在系統(tǒng)發(fā)生故障直流母線電壓急速下降的過(guò)程中，能持續(xù)向系統(tǒng)提供無(wú)功以支撐直流母線電壓，防止換相失敗。由于HVDC系統(tǒng)中整流側(cè)晶閘管關(guān)斷時(shí)間充裕，其逆變側(cè)晶閘管的關(guān)斷時(shí)間不足，會(huì)使原本未完全關(guān)斷的晶閘管兩端承受正向電壓，該晶閘管將重新導(dǎo)通，故換相失敗大多發(fā)生在逆變側(cè)換流站晶閘管中。由此可知，若對(duì)HVDC系統(tǒng)的換相電壓跌落進(jìn)行支撐，能極大程度上抑制換相失敗。

本文基于PSCAD/EMTDC搭建了HVDC系統(tǒng)及儲(chǔ)能電站的仿真模型，模型拓?fù)淙鐖D2所示。該模型為±500 kV雙極測(cè)試模型，直流系統(tǒng)容量為1 000 MW，逆變側(cè)短路比SCR為2.5，儲(chǔ)能電站接入逆變側(cè)交流母線，儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能總量為300 MW/600 MW·h。

圖2 仿真模型主電路Figure 2 Main circuit diagram of simulation model

DC濾波器、整流側(cè)AC濾波器和逆變側(cè)AC濾波結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)設(shè)置分別如圖3～5所示；故障發(fā)生前后的ESVSG無(wú)功輸出特性的仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，ESVSG的無(wú)功功率輸出受到其系統(tǒng)容量的限制，在故障切除瞬間ESVSG能短時(shí)快速地發(fā)出接近其額定容量的無(wú)功功率，以此達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償與穩(wěn)定逆變側(cè)電網(wǎng)電壓的作用，因此ESVSG的無(wú)功功率輸出特性與傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置相比并無(wú)劣勢(shì)。

圖3 DC濾波器Figure 3 DC filter

圖4 整流側(cè)AC濾波器Figure 4 AC filter atrectifierring side

圖5 逆變側(cè)AC濾波器Figure 5 AC filterat inverting side

圖6 ESVSG無(wú)功輸出特性曲線Figure 6 ESVSG reactive power output characteristic curve

當(dāng)ESVSG接入直流輸電系統(tǒng)逆變側(cè)交流母線近區(qū)，在受端系統(tǒng)交流側(cè)0.5 s發(fā)生三相短路故障時(shí)，逆變側(cè)交流母線電壓波動(dòng)情況和HVDC電壓波動(dòng)情況分別如圖7、8所示。由圖7、8可知，ESVSG對(duì)故障發(fā)生后的交流母線電壓跌落和HVDC直流電壓降落具有顯著的支撐作用，反應(yīng)迅速，能夠極大程度上抑制直流換相失敗。

圖7 逆變側(cè)交流母線電壓波形Figure 7 AC bus voltage waveform on the inverter side

圖8 直流電壓波形Figure 8 DC voltage waveform

3 ESVSG多點(diǎn)布局選取方式

多饋入直流輸電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型如圖9所示，換流母線BUS1-BUS4通過(guò)各耦合阻抗Z12、Z13、Z14、Z23、Z24、Z34相連且各處接有交流負(fù)荷，逆變站落點(diǎn)于同一交流受端系統(tǒng)。

圖9 多饋入直流輸電系統(tǒng)模型Figure 9 Multi-infeed DC transmission system model

在該系統(tǒng)中，交流系統(tǒng)故障是造成直流換相失敗的主要因素，與此同時(shí)換相失敗會(huì)導(dǎo)致直流功率傳輸速率下降，極端情況下會(huì)下降至零，從而直流功率傳輸會(huì)出現(xiàn)驟?，F(xiàn)象。對(duì)該系統(tǒng)而言，換相失敗的直流數(shù)目越多和持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，受端系統(tǒng)受到的沖擊就越大，系統(tǒng)維持穩(wěn)定就越難。上述分析可知，ESVSG能夠有效地支撐電網(wǎng)無(wú)功進(jìn)而應(yīng)對(duì)直流換相失敗，故對(duì)其安裝站點(diǎn)的選擇是應(yīng)對(duì)多饋入直流輸電系統(tǒng)發(fā)生換相失敗的關(guān)鍵。

3.1 確定待補(bǔ)償區(qū)域

由于直流輸電建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各回直流間的相互作用影響將愈加強(qiáng)烈，某一回直流逆變站換相失敗可能導(dǎo)致周邊直流逆變站同時(shí)發(fā)生換相失敗，故各補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)與逆變站間的電氣距離成為選取待補(bǔ)償區(qū)域的關(guān)鍵指標(biāo)。本文采用的參考指標(biāo)為各節(jié)點(diǎn)與換流站間的電氣距離值，以此來(lái)確定待補(bǔ)償區(qū)域，將節(jié)點(diǎn)i與所有換流站的等效電氣距離定義為

(13)

3.2 確定待補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)

同等容量的ESVSG在不同節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行補(bǔ)償，其對(duì)故障前后系統(tǒng)的無(wú)功支撐效果不盡相同，為此在確定的待補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)中選取出與ESVSG個(gè)數(shù)相同的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)尤為重要。對(duì)暫態(tài)電壓穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)[18]，本文不多贅述。

對(duì)所確定的待補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)出線依次發(fā)生三相永久短路故障后，本文利用區(qū)域內(nèi)其余各節(jié)點(diǎn)的電壓反應(yīng)速率平均值來(lái)表示故障節(jié)點(diǎn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)暫態(tài)電壓的影響程度。為此本文提出非故障節(jié)點(diǎn)電壓反應(yīng)速率平均值的概念，以該值的大小來(lái)選取關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。其值定義為

(14)

圖10 待補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)選取流程Figure 10 Flowchart of node selection to be compensated

4 算例仿真分析

以某實(shí)際電網(wǎng)2019年典型運(yùn)行方式為算例，采用PSCAD仿真軟件，驗(yàn)證本文提出的基于儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)多布點(diǎn)的HVDC換相失敗抑制方法的可靠性。該電網(wǎng)原有8條直流饋入線路，隨著直流輸電線路的不斷發(fā)展且增至10條，換相失敗的問(wèn)題更一步凸顯?？紤]到電化學(xué)儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)適用性，本文選取的電化學(xué)儲(chǔ)能電站安裝數(shù)目為3個(gè)。直流總?cè)萘抗?4.2 GW，各直流輸送功率如圖11所示。

圖11 直流輸送功率Figure 11 DC transmission power diagram

4.1 待補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)選取

由式(13)計(jì)算得到各節(jié)點(diǎn)與換流站之間的等效電氣距離，根據(jù)Di值確定待補(bǔ)償區(qū)域，選取方式為Di值越小，進(jìn)入待補(bǔ)償區(qū)域的優(yōu)先級(jí)越高。如圖12所示，采用該選取方式確定的25個(gè)待補(bǔ)償區(qū)域節(jié)點(diǎn)為圖12中實(shí)心的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記。

圖12 待補(bǔ)償區(qū)域節(jié)點(diǎn)Figure 12 Node graph of area to be compensated

表1 待補(bǔ)償區(qū)域節(jié)點(diǎn)Table 1 Node value of area to be compensated

4.2 仿真驗(yàn)證

圖13 ESVSG無(wú)功補(bǔ)償效果Figure 13 ESVSG reactive power compensation effect diagram

當(dāng)采用多點(diǎn)布局的方式時(shí)，即在亭、奉、新3個(gè)站點(diǎn)同時(shí)投入以及其余4個(gè)組別的補(bǔ)償站點(diǎn)處分別投入ESVSG時(shí)，其誘發(fā)所有直流同時(shí)換相失敗故障數(shù)由無(wú)投入時(shí)的20條分別減少至4、10、5、7和5條，對(duì)抑制直流換相失敗的效果明顯好于單一站點(diǎn)處投入ESVSG。特別是在本文所提方法選出來(lái)的亭、奉、新3個(gè)站點(diǎn)處投入ESVSG時(shí)，對(duì)所有直流同時(shí)發(fā)生換相失敗的抑制作用最好，說(shuō)明亭奉新確為最佳的多點(diǎn)布局站點(diǎn)，該補(bǔ)償方式的聚合作用效果極強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)多布點(diǎn)的HVDC換相失敗抑制方法，經(jīng)過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，最終得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)提出了儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的概念，完成了其模型的搭建，對(duì)單個(gè)的儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得到其無(wú)功輸出特性；

2)提出了一種儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的多點(diǎn)布局選取方法，該方法首先從各節(jié)點(diǎn)與換流站間的電氣距離入手，以此確定待補(bǔ)償區(qū)域；然后對(duì)帶補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行非故障點(diǎn)電壓反應(yīng)速率平均值計(jì)算，以此為指標(biāo)確定最佳的儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)安裝站點(diǎn)；

3)利用儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償特性及儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)的多點(diǎn)布局選取方法，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)后結(jié)果表明，儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)多點(diǎn)局部對(duì)支撐電網(wǎng)電壓和抑制換相失敗的聚合作用效果。

本文仿真實(shí)驗(yàn)條件較為理想，且現(xiàn)有研究并未考慮其他無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)選址位置的影響，因此分別研究?jī)?chǔ)能電站、同步調(diào)相機(jī)響應(yīng)特性對(duì)抑制多直流換相失敗的效果，計(jì)及儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)及其他無(wú)功補(bǔ)償裝置特性來(lái)抑制故障后直流換相失敗的緊急協(xié)調(diào)控制是論文未來(lái)需要開(kāi)展的研究方向。