新能源高壓輸電系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定性分析

摘 要：當(dāng)電網(wǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，高壓直流輸電系統(tǒng)的并網(wǎng)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)諧波，進(jìn)而影響系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。本文采用阻抗分析法對(duì)新能源高壓輸電過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，通過建立阻抗數(shù)學(xué)模型并利用某仿真模擬軟件對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生條件進(jìn)行分析。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的穩(wěn)定性與阻抗大小和傳遞函數(shù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，保證輸入端的低阻抗運(yùn)行能夠避免網(wǎng)路系統(tǒng)與輸入端阻抗產(chǎn)生交點(diǎn)進(jìn)而產(chǎn)生諧波影響總體穩(wěn)定性；調(diào)整整流器側(cè)電流控制器參數(shù)是控制諧波產(chǎn)生的重要手段之一，其可以有效降低諧振頻率內(nèi)諧振的發(fā)生概率。

關(guān)鍵詞：高壓輸電系統(tǒng)；阻抗；諧波；電流控制器

中圖分類號(hào)：TM 726" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高壓輸電系統(tǒng)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它承擔(dān)著將發(fā)電廠產(chǎn)生的電能從遠(yuǎn)距離輸送到用戶的重要任務(wù)[1-2]。由于電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，復(fù)雜性增加，高壓輸電系統(tǒng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性分析面臨新的挑戰(zhàn)[3]。例如，可再生能源的大規(guī)模接入[4]、電力市場(chǎng)的自由化以及智能電網(wǎng)的發(fā)展等都對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了新的要求。因此，進(jìn)一步深入研究高壓輸電系統(tǒng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性，探索新的分析方法和控制策略，保障電力系統(tǒng)的安全。本文通過深入研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型以及進(jìn)行仿真分析，有效評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為高壓輸電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和電力供應(yīng)的穩(wěn)定性提供有力支持，推動(dòng)電力系統(tǒng)的發(fā)展。

1 研究概況

高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)是一種將交流電轉(zhuǎn)換為直流電進(jìn)行輸送的電力傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)有以下4個(gè)組成部分。1）電源側(cè)換流器。在高壓直流輸電系統(tǒng)中，電源側(cè)的換流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。這個(gè)過程稱為整流。2）直流線路。直流電從電源側(cè)的換流器進(jìn)入直流輸電線路。直流線路通常采用高壓的絕緣電纜或空氣絕緣線路。在直流電的輸送過程中，由于電流較低，因此輸電損耗相對(duì)較小。3）負(fù)載側(cè)換流器。在負(fù)載側(cè)，直流電再次經(jīng)過一個(gè)換流器進(jìn)行逆變，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。4）負(fù)載側(cè)電網(wǎng)。逆變后的交流電供應(yīng)給負(fù)載側(cè)的電網(wǎng)或用戶。在整個(gè)過程中，控制系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的作用，通過監(jiān)測(cè)電壓、電流和頻率等參數(shù)控制整流器和逆變器的開關(guān)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和控制?？刂葡到y(tǒng)還負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 研究方法

2.1 技術(shù)原理

目前，HVDC系統(tǒng)主要采用線路換流器（Line-Commutated

Converter）作為主要的電力轉(zhuǎn)換裝置。線路換流器是一種基于可控硅的電力電子裝置，通過控制換流器的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)交流到直流和直流到交流的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)的運(yùn)行模式包括逆變模式和整流模式，在逆變模式下，線路換流器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。換流器的可控硅開關(guān)將直流電源連接到交流側(cè)，并通過逆變操作將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。逆變模式用于將直流電能輸送到交流電網(wǎng)中；在整流模式下，線路換流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。換流器的可控硅開關(guān)將交流電源連接到直流側(cè)，并通過整流操作將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。整流模式的作用是從交流電網(wǎng)中采集直流電能[5]。HVDC系統(tǒng)采用的控制方式主要為換流器的開關(guān)控制和調(diào)節(jié)控制，系統(tǒng)的換流器采用可控硅開關(guān)，通過控制這些開關(guān)的通斷狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換?；陔娋W(wǎng)頻率控制開關(guān)，換流器通過檢測(cè)電網(wǎng)的零交叉點(diǎn)來進(jìn)行開關(guān)的觸發(fā)和控制。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定輸電，還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。調(diào)節(jié)控制主要包括電流控制和電壓控制。電流控制的作用是控制直流電流的大小和穩(wěn)定性，以滿足電力系統(tǒng)的需求[6]。電壓控制用于控制交流側(cè)的電壓穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。因此，對(duì)換流器的研究是高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)。

2.2 模型建立

當(dāng)HVDC系統(tǒng)處于實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)中時(shí)，系統(tǒng)的換流器工作點(diǎn)會(huì)不斷變化，根據(jù)以上特點(diǎn)，本文采用線性化法和分量對(duì)稱法[3]對(duì)諧波進(jìn)行線性變化，使其能夠適用于這類非線性系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)輸入端輸入擾動(dòng)電壓時(shí)，工作點(diǎn)處的三相電各分量如公式（1）～公式（3）所示。

va（t）=V1cosω1t+Vpcos（ωpt+φp） （1）

式中：va為a相側(cè)電壓；V1為交流電壓幅值；ω1為三相電壓角頻率；Vp為擾動(dòng)信號(hào)幅值；ωp為擾動(dòng)信號(hào)角頻率；φp為擾動(dòng)信號(hào)相位。

（2）

式中：vb為b相側(cè)電壓。

（3）

式中：vc為c相側(cè)電壓。

對(duì)各分量的變化進(jìn)行分析，若各分量變化相對(duì)穩(wěn)定，則系統(tǒng)總體穩(wěn)定。而各分量穩(wěn)定性與其電壓頻域相關(guān)，為求得各分量電壓頻域，對(duì)上式進(jìn)行傅里葉變換，就可以得到a相電壓的頻域，如公式（4）所示。

（4）

式中：Va（s）為a相電壓的頻域；f為三相交流電頻率分量；f1為三相交流電頻率；fθp為同步相位對(duì)應(yīng)的頻率分量。b相和c相的電壓頻域同理，這里不再過多贅述。

2.3 仿真驗(yàn)證

采用某仿真軟件對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。將交流電源相電壓設(shè)為500kV，交流電頻率設(shè)為50Hz，當(dāng)整流器處于定流模式時(shí)，其額定直流電流大小為2kA，在輸入端施加100V的交流電壓作為擾動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)頻率為1Hz～1000Hz，通過計(jì)算得到結(jié)果（如圖1所示）。從圖中結(jié)果可以看出，在1000 Hz以內(nèi)，采用本文阻抗模型得出的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合效果較好，但根據(jù)發(fā)展趨勢(shì)可以推測(cè)出在更高的頻率區(qū)段中，二者結(jié)果可能會(huì)存在部分偏離現(xiàn)象。

3 結(jié)果分析

3.1 并網(wǎng)穩(wěn)定性分析

通過建立的整流器阻抗模型進(jìn)一步對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的總體阻抗進(jìn)行分析，總結(jié)了輸入阻抗的變化特征，利用奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)對(duì)并網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行判定。在高壓直流輸電并網(wǎng)系統(tǒng)中，交流電網(wǎng)可以看作是電源，因此可以將其等效為一個(gè)串聯(lián)阻抗的電壓源戴維南電路，而高壓直流輸電系統(tǒng)本身相當(dāng)于負(fù)載，可將其等效為一個(gè)并聯(lián)理想電流源的諾頓電路，因此網(wǎng)路電壓可以控制整個(gè)系統(tǒng)的輸入電壓，而高壓直流輸電系統(tǒng)則負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的交流電流。根據(jù)等效原理，可以推導(dǎo)出公式（5）、公式（6）。

（5）

（6）

式中：H（s）為傳遞函數(shù)；Zg（s）為網(wǎng)路阻抗；Zrec（s）為整流器端的輸入阻抗。

從公式（5）、公式（6）可以看出，當(dāng)電壓源空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，高壓直流輸電系統(tǒng)的并網(wǎng)穩(wěn)定性主要取決于傳遞函數(shù)H。

圖2顯示了電流隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。根據(jù)數(shù)據(jù)，電流在1.01014 kA～2.31996 kA變化?？梢钥闯?，電流的變化幅度較大，可能與系統(tǒng)的負(fù)載和電源的變化有關(guān)。此外，數(shù)據(jù)中電流的變化趨勢(shì)也值得注意。從圖中可以看出，電流呈現(xiàn)出周期性變化的趨勢(shì)，其中電流的最大值和最小值交替出現(xiàn)，該結(jié)果可能與系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)有關(guān)。從圖2中的結(jié)果可以看出，在理想條件下，高壓直流輸電系統(tǒng)決定并網(wǎng)電流，其先決條件是在整個(gè)網(wǎng)路中的阻抗較低并且無諧波干擾，在并網(wǎng)系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)震蕩的情況。在實(shí)際的電網(wǎng)運(yùn)行過程中，其阻抗不為0，與一般情況相比其在新能源發(fā)電中的阻抗更大，系統(tǒng)網(wǎng)路中的阻抗與系統(tǒng)輸入端阻抗在一定的頻域區(qū)間中存在交點(diǎn)，從而產(chǎn)生一定頻次的諧波震蕩，使并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。

3.2 送端并網(wǎng)穩(wěn)定性分析

對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)的送端網(wǎng)路阻抗以及其電壓等級(jí)，本文主要參照CIGRE Benchmark模型[4]。在忽略濾波器對(duì)阻抗的影響調(diào)價(jià)下，其短路比設(shè)定為2.5，換流變壓器的比值設(shè)置為345kV/210kV，其諧波吸收次數(shù)為11次和13次，以便于為并網(wǎng)系統(tǒng)提供較低阻抗下的運(yùn)行通路，避免了低頻諧振的情況出現(xiàn)。

考慮到定電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的不同會(huì)對(duì)阻抗造成一定的影響，因此將調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為p=0.002，i=2.9，帶寬設(shè)為20 Hz。由于定電流控制器各不相同，因此本文給出以下2種參數(shù)。1） p1=0.9，i1=0.9。2） p2=2.2，i2=21。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)得出了送端并網(wǎng)波特圖，從圖3可以看出，在第一種參數(shù)下網(wǎng)路阻抗與整流器端的輸入阻抗交于200Hz處，二者相位角裕度為45°，在該參數(shù)設(shè)置下，高壓直流輸電系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行；而在第二種參數(shù)設(shè)置下，網(wǎng)路阻抗與整流器端的輸入阻抗交于350 Hz處，二者相位角裕度約為25°，且其直流側(cè)存在350 Hz的諧振。

4 結(jié)論

本文通過深入研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和進(jìn)行仿真分析，有效評(píng)估高壓直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)的穩(wěn)定性，并得出以下2個(gè)結(jié)論。1）高壓直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性在實(shí)際工作運(yùn)行中主要取決于低阻抗環(huán)境和傳遞函數(shù)大小，低阻抗運(yùn)行環(huán)境中能夠減少諧波產(chǎn)生的可能性，從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。2）整流器側(cè)電流控制器的參數(shù)變化會(huì)影響并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將參數(shù)設(shè)置在合理區(qū)間內(nèi)，能夠在諧振出現(xiàn)的頻率區(qū)間保證穩(wěn)定的裕度。

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