，

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.河南電力試驗研究院，河南 鄭州 450052)

0 引 言

隨著中國西電東送和跨大區(qū)聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的逐步實施，直流系統(tǒng)的運行控制特性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行所造成的影響程度和影響層面越來越突出[1-4]。

當(dāng)前使用較為廣泛的仿真軟件均考慮直流輸電環(huán)節(jié)。機電暫態(tài)仿真軟件(常見的有BPA、PSASP和PSS/E等)采用的直流準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型無法實現(xiàn)對直流系統(tǒng)動態(tài)特性的精確仿真[5-6]。PSCAD/EMTDC是目前公認(rèn)較權(quán)威的包含直流輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真軟件，但其所能模擬的系統(tǒng)規(guī)模較小，需要對電力系統(tǒng)進行等值簡化，降低了計算分析的準(zhǔn)確性[7-10]。

近年來，中國電力科學(xué)研究院研究并開發(fā)的電力系統(tǒng)實時仿真裝置(advanced digital power system simulator，ADPSS)在含HVDC的大電網(wǎng)仿真研究中的應(yīng)用得到廣泛關(guān)注。ADPSS可應(yīng)用于機電-電磁混合仿真的模式，既詳細模擬HVDC內(nèi)部快速暫態(tài)變化過程，又不需要對外部網(wǎng)絡(luò)簡化等值，大大提高仿真分析的準(zhǔn)確性[11-13]。但是ADPSS電磁暫態(tài)程序ETSDAC提供的直流控制系統(tǒng)模型缺乏相應(yīng)的直流輔助功能控制模塊，控制特性較工程實際尚有較大差距。

為了解決上述問題，利用ADPSS電磁暫態(tài)程序ETSDAC的用戶自定義功能，以Simens的直流輔助控制為參考，建立了換流變壓器分接頭控制和換流站無功控制的輔助控制模型；探討了直流系統(tǒng)無功消耗、關(guān)斷角、換相角、直流電流等變量之間相互關(guān)系，提出分接頭調(diào)整和無功補償裝置投切的聯(lián)合控制策略；在此基礎(chǔ)上，將輔助控制應(yīng)用到含HVDC的實際大電網(wǎng)進行混合仿真分析，驗證了模型的有效性，分析了輔助控制模型對直流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，為交直流大電網(wǎng)運行特性的仿真研究提供參考。

圖1 分接頭控制框圖

1 輔助控制模型及控制策略

1.1 換流變壓器分接頭控制(TCC)建模

換流變壓器分接頭控制的基本控制原則是保持整流側(cè)觸發(fā)角、逆變側(cè)熄弧角和直流電壓運行在指定范圍內(nèi)[14]。模型的主要結(jié)構(gòu)見圖1，可分為輸入信號選擇與處理、滯環(huán)比較控制、輸出脈沖控制三個層級。

模型基本控制模式有兩種，可手動切換。

1)角度控制

整流側(cè)分接頭采用角度控制時，觸發(fā)角α維持在指定范圍內(nèi)(15°±2.5°)，以保證觸發(fā)角留有可調(diào)范圍的同時盡量提高換流器的功率因數(shù)；逆變側(cè)分接頭角度控制則保持一周期12個關(guān)斷角中的最小值γmin不超出指定范圍(18°±2°)。

2)電壓控制

對于直流電壓Ud的控制，當(dāng)其偏離指定范圍(0.98～1.02)且超過時滯時間時，分接頭動作調(diào)節(jié)電壓。

模型根據(jù)控制模式的設(shè)定選擇輸入信號，并通過一階平滑器PT1濾除干擾信號。與經(jīng)典分接頭控制相比，模型控制參數(shù)的指定范圍由自定義雙回環(huán)滯環(huán)比較器LVM2確定，采用這種方法對控制量的上限和下限分別設(shè)定兩個門檻值，從而避免了當(dāng)測量值接近臨界值時，測量值的誤差信號使分接頭控制誤動作。模型考慮了分接頭動作的時滯時間(3 s)，在時滯時間內(nèi)控制量短時超出指定范圍分接頭不切換，主要目的是為了防止調(diào)節(jié)機構(gòu)來回頻繁動作。

1.2 無功控制(RPC)建模

無功控制為濾波器投切控制模式之一，主要功能是通過投切交流濾波器組或電容器組實現(xiàn)交直流無功功率交換的平衡[15-16]。換流站與交流系統(tǒng)的無功交換Qsys可以表示為

Qsys=Qdc-Qfilteract

(1)

式中，Qdc為換流站吸收的無功；Qfilteract為投入運行的濾波器實際提供的無功。

直流系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生變化時，無功控制就將換流站與交流系統(tǒng)間的無功交換限制在允許范圍內(nèi)。

實際上，交流電網(wǎng)隨著全網(wǎng)負(fù)荷水平的不同而不斷變化，投入運行的無功濾波器的出力也不是一成不變的，實際無功出力可由式(2)得到。

Qfilteract=(Uac/UacN)2Qtotal

(2)

式中，Uac為實際交流母線電壓；UacN為無功設(shè)備設(shè)計時考慮的交流母線額定電壓；Qtotal為當(dāng)前狀態(tài)下已投入總的無功補償設(shè)備的額定容量。

通過運行人員工作站(QWS)可以確定當(dāng)前運行點的理想不平衡無功Qac和允許不平衡無功ΔQ，換流器消耗功率由式(3)求出。

(3)

式中，Ud和Id分別為直流電壓和電流；α為整流側(cè)觸發(fā)角；μ為換相重疊角。當(dāng)換流器位于逆變站時，用熄弧角替換式中的α。

當(dāng)滿足Qdc-(Uac/UacN)2Qtotal+Qac≥ΔQ時，發(fā)出無功補償設(shè)備投入命令。

當(dāng)滿足(Uac/UacN)2Qtotal-Qac-Qdc≥ΔQ時，發(fā)出無功補償設(shè)備切除命令。

為防止濾波器無功出力在投切控制臨界點造成濾波器頻繁投切，雙回環(huán)滯環(huán)比較器對無功交換設(shè)定上限和下限分別設(shè)置兩個門檻值。模型主結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無功控制框圖

考慮到交流母線電壓在無功控制過程中的變化，模型設(shè)置電壓限制投切功能，當(dāng)電壓達到“隔離”或者“跳閘”級別時，無論不平衡無功是否在指定范圍內(nèi)，都將自動分閘，直到只剩下最小濾波器，保證系統(tǒng)安全。此外，在換流母線發(fā)生交流短路故障時，無功控制功能將自動閉鎖，以避免開關(guān)頻繁誤動。

1.3 TCC與RPC聯(lián)合控制

基于ADPSS的特高壓直流輸電控制系統(tǒng)模型的基本控制方式是，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、定電壓控制和定關(guān)斷角γ控制，此外，整流側(cè)和逆變側(cè)都配有低壓限流控制(VDCOL)。其穩(wěn)態(tài)方程如下。

(4)

式中，Ud1和Ud2為整流站和逆變站的直流電壓；U1和U2為整流站和逆變站換流變壓器閥側(cè)空載線電壓有效值；Id為直流電流；Xr1和Xr2為整流站和逆變站每相的換相電抗；α為整流器觸發(fā)角；γ為逆變側(cè)關(guān)斷角。

正常運行時，整流側(cè)為定電流控制模式，逆變側(cè)為定γ控制，一般直流換流器控制靠改變換流器的觸發(fā)角來間接調(diào)節(jié)Id和γ達到整定值(1～10 ms)。

當(dāng)直流電流整定值Idref發(fā)生大幅改變時，由式(4)可知，若要在電流達到指令值的同時使得直流系統(tǒng)維持正常的換流器控制模式，需人為調(diào)整換流變壓器閥側(cè)空載線電壓值(U1、U2)，通過改變換流變壓器的變比k或換流母線的電壓Uac來調(diào)節(jié)直流的穩(wěn)態(tài)運行特性，此類調(diào)整一般由改變換流變壓器分接頭檔位和投切無功濾波器實現(xiàn)，且兩種輔助控制之間相互影響[17]。

換流器對于交流系統(tǒng)而言是一種無功負(fù)荷，其功率因數(shù)由式(5)確定。

(5)

其中，換相重疊角

(6)

由式(5)和式(6)可知，若調(diào)節(jié)換流變壓器檔位，閥側(cè)電壓U1改變，μ和tanΦ的數(shù)值均會發(fā)生變化，從而影響換流器消耗的無功量，導(dǎo)致?lián)Q流母線的電壓Uac和直流運行參數(shù)發(fā)生波動。反之，運行參數(shù)的改變又將影響分接頭控制的輸出，可能引起分接頭位置的再次變化。因此分接頭檔位的調(diào)整和無功補償裝置的控制需要相互配合來確定最終的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

TCC與RPC的聯(lián)合控制策略如圖3所示，將換流站的控制分為3個層次，第1層為直流系統(tǒng)換流器控制層，第2層為無功控制層，第3層為換流變壓器分接頭控制層。第2層與第3層的輔助控制之間的控制級別為：第2層優(yōu)先，第3層次之。即直流系統(tǒng)運行參數(shù)發(fā)生改變時，首先控制無功補償裝置的投入使無功不平衡量和換流母線電壓回到規(guī)定范圍；然后調(diào)整換流變壓器分接頭，將α、Ud2等直流參數(shù)調(diào)節(jié)到正常值；由于直流參數(shù)的變化對于系統(tǒng)無功消耗存在影響，必要時，需重新改變無功補償?shù)耐度?，再次調(diào)整分接頭。

圖3 聯(lián)合控制策略

2 仿真分析

2.1 算例情況與仿真方案

仿真數(shù)據(jù)基于華中電網(wǎng)2014規(guī)劃冬大方式，該數(shù)據(jù)中含有16 698個節(jié)點、8 686條交流線路、1 725臺發(fā)電機和14條直流輸電線路。其中哈密—鄭州直流輸電工程額定功率8 000 MW，額定電壓±800 kV，將成為中國輸送容量最大、輸送距離最遠的特高壓直流，其穩(wěn)態(tài)運行特性成為影響華中電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的重要因素。

為精確模擬換流器、直流控制系統(tǒng)物理過程，同時保留大電網(wǎng)運行特性，對系統(tǒng)采取混合仿真。機電暫態(tài)接口位置選在與HVDC直接相連的交流母線，直流部分劃分到電磁子網(wǎng)，交流系統(tǒng)劃分到機電子網(wǎng)。輔助控制模型通過自定義模塊(UDM)的“接口變量”與仿真主系統(tǒng)連接，實現(xiàn)模型在主系統(tǒng)中的“安裝”及調(diào)用。輔助控制的配置如下：整流側(cè)換流變壓器分接頭采用角度控制，逆變側(cè)采用電壓控制；送端換流站位于電廠附近，可利用交流系統(tǒng)的部分無功源，因此只考慮逆變側(cè)的無功控制以維系該側(cè)換流母線電壓。

2.2 輔助控制的動作特性及機理分析

考慮運行狀態(tài)Ⅰ：直流系統(tǒng)自5 s開始進入持續(xù)時間為2 h的短期過負(fù)荷狀態(tài)。輔助控制的動作過程及對直流運行參數(shù)的影響如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，直流功率提升后，所建的無功控制自定義模塊能夠正確響應(yīng)，投入13組無功補償裝置，為直流系統(tǒng)提供無功支撐。此時換流站其他運行參數(shù)(直流電壓、觸發(fā)角等)存在越界的現(xiàn)象，兩側(cè)換流變壓器分接頭控制自定義模塊同時發(fā)出動作指令，分接頭檔位分別降低至-3和-2，從而提高兩端換流變壓器閥側(cè)繞組電壓，使得觸發(fā)角回升至14°，直流電壓穩(wěn)定在0.99 p.u.。分接頭調(diào)整過程中，逆變側(cè)空載直流電壓的增大導(dǎo)致?lián)Q流站無功需求增加，因此在逆變側(cè)換流變壓器分接頭第二次動作時，無功控制模塊根據(jù)新的檔位對無功補償進行調(diào)整，增加投入1組無功補償裝置，使不平衡無功重新達到規(guī)定范圍。調(diào)整后，逆變側(cè)直流電壓仍控制在理想范圍內(nèi)，換流變壓器分接頭不需要再次動作。

圖4 直流過負(fù)荷期間輔助控制的動作

圖5 輔助控制對直流運行參數(shù)的影響

2.3 輔助控制的影響分析

表1對比了無輔助控制與投入輔助控制兩種情況下的直流穩(wěn)態(tài)運行參數(shù)。

表1 不同控制策略下直流穩(wěn)態(tài)參數(shù)

注：控制1為無輔助控制；控制2為投入輔助控制。

可以看到，在直流過負(fù)荷的運行方式下，投入TCC與RPC的聯(lián)合控制，在維持直流系統(tǒng)逆變側(cè)無功平衡和換流母線電壓穩(wěn)定方面效果顯著，同時換流站運行參數(shù)被控制到指定范圍內(nèi)，直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行性能得到大大改善。

在運行狀態(tài)Ⅰ的基礎(chǔ)上假設(shè)故障：逆變站交流母線“豫鄭州換”母線三相短路接地，接地電阻為60 Ω，開始時間為20 s，結(jié)束時間為20.1 s。比較表1兩種情況下的逆變側(cè)閥電流波形，如圖6所示。

圖6 兩種控制模型下逆變側(cè)閥電流波形

由圖6的閥電流波形可以看到，輔助控制的投入避免了故障期間“換相失敗”現(xiàn)象的發(fā)生。這是因為：在直流過負(fù)荷的運行方式下，TCC與RPC的聯(lián)合控制提高了逆變器的換相電壓，增大穩(wěn)態(tài)時的關(guān)斷余裕角，從而減少“換相失敗”發(fā)生的風(fēng)險，使得直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)故障導(dǎo)致的“換相失敗”承受能力更強。

3 結(jié) 論

(1)利用ADPSS用戶自定義功能建立的包括換流變壓器分接頭控制和換流站無功控制的直流輔助控制模型能夠正確響應(yīng)直流系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化，適用于實際大區(qū)電網(wǎng)的混合仿真分析。

2)考慮直流換流器參數(shù)與換流站無功調(diào)整之間的交互影響，模型對分接頭調(diào)整和無功補償裝置投切之間采用聯(lián)合控制，從而達到維持換流站無功平衡和保證直流理想運行參數(shù)的雙重控制目標(biāo)。

3)與ADPSS原有直流輸電模型相比，輔助控制模型的投入對改善直流穩(wěn)態(tài)運行性能效果顯著，有效減少“換相失敗”的風(fēng)險，有利于維持直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

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