李 政，李興源

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610065）

目前，HVDC的輔助調(diào)頻主要基于HVDC聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)交流系統(tǒng)的頻差信號(hào)，利用HVDC的快速響應(yīng)和短時(shí)過(guò)載能力進(jìn)行緊急控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械頻率的控制。文獻(xiàn)［1～3］根據(jù)系統(tǒng)頻率的減小來(lái)降低HVDC的輸送功率，維持系統(tǒng)功率平衡，文獻(xiàn)［4］通過(guò)加裝輔助頻率控制器調(diào)整兩側(cè)交流系統(tǒng)頻率，文獻(xiàn)［5］用高頻切機(jī)與直流頻率控制的相互協(xié)調(diào)提高頻率穩(wěn)定性，文獻(xiàn)［6］利用多回直流線路間的直流功率緊急轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)頻率控制，文獻(xiàn)［7，8］設(shè)計(jì)了一種非線性元件構(gòu)成的比例積分微分PID（proportional integral differential control）輔助頻率控制器，文獻(xiàn)［9］應(yīng)用調(diào)相機(jī)增大直流系統(tǒng)有效短路比，文獻(xiàn)［10］利用故障后，廣域測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)頻率進(jìn)行緊急控制。然而，在孤網(wǎng)運(yùn)行方式下，HVDC聯(lián)絡(luò)線輸送功率相對(duì)于額定直流輸送功率較小，交流系統(tǒng)的短路比與等效慣性時(shí)間常數(shù)較小，屬于弱交流系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，無(wú)法抑制瞬時(shí)電頻率的躍變。

對(duì)于與弱交流系統(tǒng)相連的直流系統(tǒng)，交流電壓對(duì)負(fù)荷變化十分靈敏［11，12］，利用HVDC的高可控特性，設(shè)計(jì)了一種反映換流母線電壓的輔助頻率控制器，通過(guò)直流功率調(diào)制抑制送端孤網(wǎng)的瞬時(shí)頻率振蕩。

1 問(wèn)題描述

參照文獻(xiàn)［13］中的方法，定義節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)電頻率為

式中，為節(jié)點(diǎn)電壓向量的相角。發(fā)電機(jī)的機(jī)械頻率為

式中，δi為發(fā)電機(jī)功角。發(fā)電機(jī)的機(jī)械頻率對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其變化受到發(fā)電機(jī)慣量的制約，通常是平緩而連續(xù)的，不可能出現(xiàn)過(guò)于劇烈的變化現(xiàn)象；瞬時(shí)電頻率的變化不受任何制約，在特定情況下可能發(fā)生相當(dāng)劇烈的變化現(xiàn)象。電頻率和發(fā)電機(jī)的機(jī)械頻率都屬于電力系統(tǒng)地區(qū)瞬時(shí)頻率［13］，當(dāng)電力系統(tǒng)中由于機(jī)組跳閘或負(fù)荷投切造成各發(fā)單機(jī)組間電功率振蕩時(shí)，系統(tǒng)中各機(jī)組的機(jī)械頻率和各節(jié)點(diǎn)的電頻率變化基本相同［13］，然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，節(jié)點(diǎn)電壓相角可能突變，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離額定值，在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，尤其突出［14］；而一次調(diào)頻和發(fā)電機(jī)超速保護(hù)及低頻減災(zāi)等控制措施響應(yīng)于發(fā)電機(jī)的機(jī)械頻率，具有機(jī)械性，當(dāng)電頻率突變時(shí)，控制器不會(huì)動(dòng)作，不能抑制瞬時(shí)電頻率；以HVDC為聯(lián)絡(luò)線運(yùn)行的孤網(wǎng)，應(yīng)用HVDC的快速和高可控特性，通過(guò)直流功率調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)電頻率的有效抑制。

文獻(xiàn)［11］指出在孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為提高弱交流系統(tǒng)的性能，逆變器連續(xù)運(yùn)行于恒定電流（CC）控制，整流器為相應(yīng)于αmin的恒定觸發(fā)角（CIA）控制，稱為AC控制方式。由此，有如下運(yùn)行控制特征。

（1）在AC控制方式下，由整流器定電壓，通過(guò)改變觸發(fā)延遲角α使α＝αmin，通常整定在5°左右，盡可能升高整流側(cè)直流電壓，整流器將運(yùn)行在恒定觸發(fā)角（CIA），由逆變器定電流，逆變器運(yùn)行在恒定電流（CC）控制方式，在保持足夠的換相裕度條件下，調(diào)整逆變器熄弧超前角γ，使

式中：Im為電流裕度；Iord為整流器的電流指令。由此，整流器為定觸發(fā)延遲α角控制。

（2）變壓器抽頭切換裝置的控制是用來(lái)將換流器的控制角保持在期望范圍內(nèi)，采用一般為幾秒鐘的時(shí)間延遲，防止抽頭的不必要切換，當(dāng)線路或節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)故障時(shí)，由于換流器的高可控和快速性，故障后其恢復(fù)時(shí)間通常小于1 s，因而，換流變抽頭不會(huì)動(dòng)作。

2 附加控制器

2.1 附加控制器設(shè)計(jì)

整流器穩(wěn)態(tài)方程為

式中：Eac為高壓側(cè)母線線電壓有效值；T為變壓器匝數(shù)比；B為串聯(lián)的橋數(shù)；Xc換相電抗；Vd、Id分別為每極的直流電壓和直流電流。由式（4）可得

式中，cosα和T為常量；為了反映換流母線電壓與直流電流的動(dòng)態(tài)關(guān)系，對(duì)式（5）進(jìn)行全微分得

逆變器穩(wěn)態(tài)電壓方程為

式中：Vdoi為空載直流電壓；Xci為逆變器換相電抗；Rd為直流傳輸線的等值電阻；由于采用PI控制調(diào)整逆變器觸發(fā)角，當(dāng)調(diào)節(jié)器增益為K1時(shí)有

所以

對(duì)式（9）用擾動(dòng)值表示為

將式（10）代入式（6）可得控制規(guī)律為

而

式中：L為線間等值電感，L為常數(shù)；IL為基頻電流有效值；由于因此有

可得閉環(huán)傳遞函數(shù)為

控制器傳遞函數(shù)形式如圖1所示，參數(shù)值由式（13）和式（14）確定。

圖1 帶反饋的控制器框圖Fig.1 Diagram of controller with feedback loop

圖2 帶反饋控制器的簡(jiǎn)化圖Fig.2 Simple diagram of controller with feedback loop

2.2 附加控制器工作原理

附加控制器的工作原理是根據(jù)整流側(cè)換流母線電壓的減小來(lái)調(diào)制HVDC的輸送功率從而加快故障后送端交流系統(tǒng)功率平衡的恢復(fù)；基本控制策略是整流器為最小α控制，逆變器連續(xù)運(yùn)行于電流控制方式，附加控制的輸出用于修正電流指令，如圖3所示。

圖3 附加控制器工作原理Fig.3 Principle of the additional controller

3 云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)孤網(wǎng)模型

如圖4所示，云廣直流輸電工程西起云南楚雄州祿豐縣，東至廣東增城東部，電壓等級(jí)±800 k V，輸電線路長(zhǎng)度1438 km，輸電規(guī)模5 GW，額定電流3125 k A。只有金安橋水電站通過(guò)500 k V線路向楚雄站送電時(shí)，直流輸電功率為500 MW，為直流輸電額定容量的10%，受端通過(guò)穗東換流站與廣州電網(wǎng)相連，該種運(yùn)行方式為以HVDC為聯(lián)絡(luò)線的孤網(wǎng)運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)地理接線示意Fig.4 Geographical wiring diagram

3.1 發(fā)電機(jī)模型

發(fā)電機(jī)采用基于派克方程的精確模型。該模型包括d軸阻尼繞組和q軸阻尼繞組方程，計(jì)及了磁路飽和的影響。

3.2 直流系統(tǒng)模型

3.2.1 結(jié)構(gòu)與元件

本文基于南方電網(wǎng)2010年數(shù)據(jù)，采用PSCAD／EMTDC建立了云廣±800 k V特高壓直流輸電系統(tǒng)詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真模型，其電路接線如圖5所示。

在電磁暫態(tài)仿真中，濾波器通過(guò)斷路器連接到高壓母線。從換流站交流母線起，對(duì)換流變、換流閥采用詳細(xì)的三相模型，換流變壓器考慮飽和效應(yīng)。每極采用雙12脈波換流器串聯(lián)連接，直流線路采用分段T型線路表示，換流閥采用精確的換流晶閘管模型，詳細(xì)模擬直流濾波器和平波電抗器。

3.2.2 控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的基本控制方式：整流側(cè)由定電流控制和αmin限制兩部分組成；逆變側(cè)配有定電流控制、定關(guān)斷角γ0控制、電流偏差控制；整流側(cè)和逆變側(cè)都配有低壓限流控制。為了提高弱交流系統(tǒng)的性能，在孤網(wǎng)運(yùn)行方式下，逆變器連續(xù)運(yùn)行于電流控制方式而整流器為最小α控制方式。

采用的保護(hù)措施主要有：①最大電流限制；②最小電流限制；③依賴于電壓的電流指令限制（VDOL）；④最小觸發(fā)角限制。

圖5 直流系統(tǒng)模型Fig.5 Model of DC system

4 擾動(dòng)試驗(yàn)及仿真分析

為了驗(yàn)證附加控制的效果，選取孤網(wǎng)輸送500 MW功率進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)楚雄換流站交流母線發(fā)生故障時(shí)（5.0 s～5.1 s），換流站交流母線電壓下降，送端換流母線節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)電頻率，傳輸?shù)闹绷鞴β薯憫?yīng)特性充分體現(xiàn)了附加控制器的作用。

4.1 單相接地短路

當(dāng)楚雄換流站交流母線發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，送端交流瞬時(shí)頻率，傳輸?shù)闹绷鞴β薯憫?yīng)特性如圖6所示。

圖6 單相接地短路故障的響應(yīng)Fig.6 Responses to single phase short circuit grounding faults

4.2 兩相短路接地

當(dāng)楚雄換流站交流母線發(fā)生兩相短路接地故障時(shí)，送端交流瞬時(shí)頻率，傳輸?shù)闹绷鞴β薯憫?yīng)特性如圖7所示。

圖7 兩相短路接地故障的響應(yīng)Fig.7 Responses to two－phase short circuit grounding faults

4.3 兩相短路

當(dāng)楚雄換流站交流母線發(fā)生兩相短路故障時(shí)，送端交流瞬時(shí)頻率，傳輸?shù)闹绷鞴β薯憫?yīng)特性如圖8所示。

4.4 三相短路接地

當(dāng)楚雄換流站交流母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，送端交流瞬時(shí)頻率，傳輸?shù)闹绷鞴β薯憫?yīng)特性如圖9所示。

單相接地短路、兩相短路接地、兩相短路、三相短路接地障后，附加控制器控制了直流輸送功率的恢復(fù)速度，送端交流系統(tǒng)有功功率缺額減小，有效抑制了瞬時(shí)頻率的振蕩。

圖8 兩相短路故障的響應(yīng)Fig.8 Responses to two－phase short circuit faults

圖9 三相短路接地故障的響應(yīng)Fig.9 Responses to three－phase short circuit grounding faults

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的HVDC輔助調(diào)頻以犧牲對(duì)端交流系統(tǒng)的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)［15］，不能及時(shí)抑制瞬時(shí)電頻率，為了充分發(fā)揮HVDC聯(lián)絡(luò)線的快速響應(yīng)能力，本文設(shè)計(jì)了反映換流母線電壓的瞬時(shí)頻率附加控制器，并應(yīng)用于云廣HVDC孤網(wǎng)系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，即使送端換流母線故障，該控制器也能夠有效抑制瞬時(shí)電頻率，保持頻率穩(wěn)定；同時(shí)提高了送端交流系統(tǒng)電能質(zhì)量。

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