李 娟， 王維羽， 陳璟毅， 逯沙鷗， 嚴(yán)宇昕

(1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院， 吉林省 吉林市 132012； 2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司朝陽供電公司， 遼寧 朝陽 122000)

基于VSC的動態(tài)可控相間功率控制器改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的研究

李 娟1， 王維羽1， 陳璟毅1， 逯沙鷗1， 嚴(yán)宇昕2

(1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院， 吉林省 吉林市 132012； 2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司朝陽供電公司， 遼寧 朝陽 122000)

根據(jù)電壓源換流器(VSC)和相間功率控制器(IPC)的基本工作原理及特性，以VSC代替IPC的移相環(huán)節(jié)，晶閘管控制電抗器(TCR)代替電感支路，晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)代替電容支路，構(gòu)建了動態(tài)可控的相間功率控制器(DCIPC)；基于DCIPC的原理結(jié)構(gòu)，建立了VSC注入電壓與聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的關(guān)系，對無IPC與帶IPC的簡單系統(tǒng)的功角特性曲線進行分析，說明DCIPC可以改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性機理，確定提高系統(tǒng)穩(wěn)定的參數(shù)可控制范圍。針對VSC的移相環(huán)節(jié)，設(shè)計了直流電壓外環(huán)、輸出電流內(nèi)環(huán)的比例-諧振(PR)控制器；搭建了帶DCIPC的簡化系統(tǒng)模型進行仿真。仿真結(jié)果驗證了控制器的有效性，并說明通過控制DCIPC中VSC的注入電壓，可以改善帶DCIPC電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

電壓源換流器； 動態(tài)可控相間功率控制器； PR控制器； 暫態(tài)穩(wěn)定性

1 引言

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)進步和電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)進入了大系統(tǒng)容量、高電壓等級、電網(wǎng)跨區(qū)域互聯(lián)及系統(tǒng)市場化運營的新階段。然而，電網(wǎng)的日趨復(fù)雜使得系統(tǒng)的運行環(huán)境更加嚴(yán)峻，穩(wěn)定性問題更加突出且難以分析[1]。應(yīng)用靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS)技術(shù)可以在不改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的條件下，靈活地控制有功和無功功率，提高線路傳輸能力，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。

相間功率控制器(Interphase Power Controller，IPC)是一種典型的串聯(lián)型FACTS設(shè)備，具有魯棒潮流控制、短路電流限制和電壓解耦的優(yōu)良特性。國外對于IPC的研究已經(jīng)發(fā)展到研制出實際裝置并將其應(yīng)用于電網(wǎng)的階段，國內(nèi)也在其潮流調(diào)節(jié)、穩(wěn)態(tài)特性及改善系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面取得了一定的理論成果[3]。文獻[4,5]在分析相間功率控制特性的基礎(chǔ)上，研究通過控制IPC的電感參數(shù)提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。相間功率控制器電感和電容支路分別串聯(lián)于不同的移相環(huán)節(jié)，控制電感和電容支路的移相角，可以實現(xiàn)功率的控制。目前，國內(nèi)外對于將具有靈活移相功能的電壓源換流器(VSC)引入IPC的研究尚處起步階段，因此，本文對基于VSC的動態(tài)可控相間功率控制器(Dynamic Controlled Interphase Power Controller，DCIPC)進行分析，并采用比例-諧振(PR)控制方式對VSC加以適當(dāng)控制，提高帶IPC線路的輸送能力，從而提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，并進行算例仿真驗證。

2 基于VSC的DCIPC基本結(jié)構(gòu)原理

2.1 基于VSC的DCIPC基本結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)IPC的通用模型如圖1所示。PST1和PST2為等效的移相環(huán)節(jié)，XL和XC分別為從屬于移相環(huán)節(jié)的電感、電容支路的等效感抗和容抗，兩條支路并聯(lián)后構(gòu)成相間功率控制器串聯(lián)于輸電線路上。

圖1 常規(guī)IPC通用電路模型Fig.1 General circuit model of usual IPC

VSC是可交直流雙向變換且交流有功功率和無功功率可分別獨立控制的電力換流器。VSC的基本電壓由直流側(cè)并聯(lián)電容器提供，除自身損耗外，通常與系統(tǒng)間不存在有功功率交換，因此，其向輸電線路注入的電壓為近似正弦的且與線路電流正交的可控電壓[6,7]。VSC的基本結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。

圖2(b)顯示了VSC注入電壓與電流關(guān)系的相量圖。如虛線部分所示，其注入電壓使得VSC兩端電壓的幅值和相位均發(fā)生改變，可以起到移相器的移相作用，且VSC的注入電壓可以通過控制VSC中IGBT的觸發(fā)角靈活地進行調(diào)節(jié)，并且其響應(yīng)速度可以達到ms級，能夠達到動態(tài)可控的目的。

圖2 VSC基本結(jié)構(gòu)及注入電壓與電流相量關(guān)系圖Fig.2 Basic structure of VSC and injecting voltage and current

因此，將VSC應(yīng)用于常規(guī)IPC的各支路取代移相環(huán)節(jié)，用晶閘管控制電抗器(TCR)和晶閘管控制串聯(lián)電容器(TCSC)分別代替電感、電容支路的感抗和容抗[8,9]，構(gòu)建出動態(tài)可控的相間功率控制器，并將其應(yīng)用于單機無窮大系統(tǒng)的線路中，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖 3 基于VSC的DCIPC模型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of improved DCIPC based on VSC

圖3中，Us、δ分別為發(fā)電機端電壓大小與相角，U為無窮大系統(tǒng)母線電壓，U1和U2分別為DCIPC電感、電容支路VSC注入線路電壓，它們分別與電感和電容支路的電流正交，其相量關(guān)系如圖4所示。其中，θ1、θ2為電感、電容支路電流相角，φ1、φ2為VSC注入電壓引起的等效移相角。

圖4 基于VSC的DCIPC電感、電容支路相量圖Fig.4 Phasor diagram of inductance and capacitance branch in DCIPC based on VSC

2.2 基于VSC的DCIPC功率控制機理

(1)

經(jīng)由DCIPC流入無窮大系統(tǒng)的有功功率表達式為：

(2)

式中，X為雙回輸電線的等值電抗。

由式(1)和式(2)可見，經(jīng)帶IPC聯(lián)絡(luò)線向無窮大系統(tǒng)傳輸?shù)墓β逝cDCIPC電感、電容支路的等效移相角度及感抗、容抗參數(shù)有關(guān)，通過控制這些參數(shù)，能夠調(diào)節(jié)控制發(fā)電機向系統(tǒng)傳輸功率的能力。

3 基于VSC的DCIPC改善系統(tǒng)穩(wěn)定性機理分析

當(dāng)圖3中的單機經(jīng)雙回線與無窮大系統(tǒng)相連，雙回線中無IPC時，系統(tǒng)正常運行時的功角特性為P(1)=UsUsinδ/X，功角特性曲線可以如圖5中P(1)所示。發(fā)電機輸送的功率為P0，原動機輸出的功率為PT(等于P0，設(shè)故障后PT保持不變)，圖5中a點為正常運行工作點，功角為δ0。當(dāng)雙回輸電線一回的始端發(fā)生短路故障時，發(fā)電機向系統(tǒng)輸送的功率將顯著減少，三相短路故障則為0；故障后，經(jīng)過一段時間，在c點時切除故障線路，故障切除后的傳輸功率表達式為P(2)=UsUsinδ/(2X)，功角特性曲線如圖5中P(2)所示，其減速面積為bcd所圍成的陰影部分。若系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度較低，減速面積過小，系統(tǒng)將失去穩(wěn)定性[10]。因此，若在故障切除的同時提高傳輸功率極限，增大減速面積，將有利于改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖5 簡單系統(tǒng)的功角特性曲線Fig.5 Power-angle characteristic curve of simple system

當(dāng)圖3的單機無窮大系統(tǒng)線路的始端配置有DCIPC時，由式(2)可知，其DCIPC中VSC注入電壓及電感、電容參數(shù)對輸電線路的功率傳輸能力有一定的影響。

當(dāng)VSC的注入電壓U1=U2=0，DCIPC中的移相環(huán)節(jié)不進行移相，即φ1=φ2=0時，故障切除后發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)傳輸?shù)墓β时磉_式為：

(3)

為了在切除故障后利用DCIPC提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，由式(3)可見，調(diào)控XL及XC使?jié)M足：

(4)

即

(5)

可提高傳輸功率極限，增大減速面積。功率極限提高的幅度與電感、電容的大小有關(guān)，電感、電容可以同時調(diào)節(jié)，也可以固定一個元件參數(shù)，調(diào)節(jié)另一個元件參數(shù)。調(diào)節(jié)后的功角特性曲線如圖6中P(3)所示，增大后的減速面積為cef所圍成的陰影部分，P(2)為未裝設(shè)DCIPC的系統(tǒng)故障切除后的功角曲線。

圖6 帶DCIPC系統(tǒng)調(diào)節(jié)其感抗參數(shù)后的功角特性曲線Fig.6 Power-angel characteristic curve after adjusting inductances in system with DCIPC

當(dāng)控制VSC注入電壓，對DCIPC中的移相環(huán)節(jié)進行移相時，故障切除后的傳輸功率表達式為：

(6)

此時，式(6)與IPC移相電壓、電感和電容的等效電抗均有關(guān)，三個參數(shù)同時進行調(diào)節(jié)控制很復(fù)雜，本文先從簡單情況入手，只針對調(diào)諧型IPC進行分析，即XL=-XC=XIPC，XIPC為調(diào)諧型IPC等值電抗，則其傳輸功率表達式為：

(7)

(8)

Pr=Asin(δ+φ1)+Bsin(δ+φ2)=Csin(δ+φ′)

(9)

式中

(10)

若調(diào)節(jié)IPC移相環(huán)節(jié)，使功角特性曲線向左移動，如圖7所示，使φ′滿足：

(11)

即

(12)

式中，Pref為輸出功率參考值。移相后的功角特性曲線如圖7中P(3)所示，δm為曲線P(3)與P0交點，增大后的減速面積由cef圍成，P(2)為未裝設(shè)DCIPC的系統(tǒng)故障切除后的功角曲線。

圖7 向左移相后的功角特性曲線Fig.7 Power-angle characteristic curve after phase shift to left

若調(diào)節(jié)IPC移相環(huán)節(jié)，使功角特性曲線向右移動，則使φ′滿足：

φ″m<φ′<0

(13)

也能夠保證傳輸功率極限的提高。式(13)中移相角φ″最大值φ″m滿足：

即

(14)

圖8 向右移相后的功角特性曲線Fig.8 Power-angle characteristic curve after phase shift to right

由以上分析可知，在故障切除的同時，及時有效地控制VSC的注入電壓及DCIPC各支路的電感、電容值，使其滿足一定的范圍便能夠提高傳輸功率的極限，增大減速面積，進而改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

4 DCIPC中VSC的控制器設(shè)計

4.1 控制策略概述

電壓源換流器VSC的注入電壓傳統(tǒng)上經(jīng)常采用PI控制[11]，但PI控制只能對直流信號實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差，不能消除因逆變橋死區(qū)效應(yīng)而引起的諧波分量。因此，本文采用直流電容電壓外環(huán)，VSC輸出電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式，電壓外環(huán)采用PI控制器，電流內(nèi)環(huán)采用PR控制器。

PR控制器的傳遞函數(shù)為：

(15)

PR控制器在諧振頻率ω0處的增益為無窮大，而在非諧振頻率處的增益迅速下降，將ω0設(shè)置為基波角頻率可實現(xiàn)對VSC輸出交流電流信號的零穩(wěn)態(tài)誤差控制，截止頻率ωc的引入增加了控制器的帶寬，kP、kr分別為比例和積分系數(shù)[12-14]。此外，PR控制器對由于逆變橋死區(qū)效應(yīng)而引起的低次諧波(主要為3、5次諧波)能夠進行很好的補償。

4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

在無窮大系統(tǒng)雙回輸電線一回始端發(fā)生的短路故障切除后，其經(jīng)DCIPC向系統(tǒng)傳輸?shù)墓β蔖r及功角δ等參數(shù)將受到影響。及時調(diào)節(jié)VSC的注入電壓使傳輸功率上升至參考值，將有利于提高系統(tǒng)的功角穩(wěn)定。

由式(7)～式(10)可知，傳輸功率參考值及VSC注入電壓參考值為：

(16)

(17)

圖9 系統(tǒng)簡化控制框圖Fig.9 Simplified diagram of control system

VSC控制環(huán)節(jié)由采用PI控制器的電壓外環(huán)及采用PR控制器的電流內(nèi)環(huán)組成，其控制結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖11 PR控制諧波補償結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Harmonic compensation block diagram of PR controller

5 仿真分析

以帶DCIPC的單機-無窮大系統(tǒng)(如圖12所示)為例，對基于VSC的動態(tài)可控相間功率控制器改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的作用進行仿真驗證。該電力系統(tǒng)的發(fā)電機容量SG為1200MW，變壓器T的變比為13.8/500kV，雙回輸電線的等值電抗X=0.02pu，模擬在傳輸線路2始端發(fā)生三相短路接地故障，8s時故障發(fā)生，0.2s后故障切除。

圖12 簡化電力系統(tǒng)仿真圖Fig.12 Simplified diagram of simulation power system

當(dāng)系統(tǒng)未裝設(shè)DCIPC時，其發(fā)生故障后的搖擺曲線如圖13(a)所示?？梢钥闯?，故障發(fā)生后，發(fā)電機功角δ呈弱阻尼振蕩。當(dāng)系統(tǒng)裝設(shè)有DCIPC且不對其進行移相時，在故障切除時刻，根據(jù)式(5)調(diào)控TCR及TCSC使XL=0.32pu，XC=0.035pu，則調(diào)控后的系統(tǒng)搖擺曲線如圖13(b)所示。故障切除后，其振蕩幅值最高為37.4°，且在3.2s后恢復(fù)至δ=12.5°。通過比較可以看出，在故障切除時刻及時調(diào)控DCIPC的電感、電容參數(shù)，能夠改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖13 DCIPC電抗參數(shù)改善系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真圖Fig.13 Simulation curves of improving system transient stability by DCIPC reactances

在裝設(shè)有DCIPC且其XL=-XC=2X=0.04pu的單機-無窮大系統(tǒng)中，本文分別采用PI控制和PR控制方式調(diào)控故障切除時刻VSC的注入電壓，以改變DCIPC移相角，改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。其中，PI控制器參數(shù)KP=0.4，Ki=20；PR控制器參數(shù)KP=1.58，Ki=0.834，Kr=0.95。

使發(fā)電機功角特性曲線向左移動時，測算后的VSC注入電壓為U1=118V，U2=79V。采用PI控制方式調(diào)控VSC注入電壓后的系統(tǒng)搖擺曲線如圖14(a)所示，振蕩幅值最高為25.6°,2.8s后曲線恢復(fù)至δ=9.5°。采用PR控制方式調(diào)控VSC注入電壓后的系統(tǒng)搖擺曲線如圖14(b)所示，其振蕩幅值最高為21.8°,2.8s后曲線恢復(fù)至δ=9.5°。通過比較可知，DCIPC向左移相能夠改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性；由于振蕩幅值的縮減，PR控制相對于傳統(tǒng)的PI控制方式有著更好的控制特性。

圖14 DCIPC向左移相改善系統(tǒng)穩(wěn)定性仿真圖Fig.14 Simulation curves of improving system transient stability by DCIPC phase shift to left

使發(fā)電機功角特性曲線向右移動時，經(jīng)測算后的VSC注入電壓為U1=103V，U2=176V。采用PI控制方式調(diào)控VSC注入電壓后的系統(tǒng)搖擺曲線如圖15(a)所示，振蕩幅值最高為27.7°,2.6s后曲線恢復(fù)至δ=14.8°。采用PR控制方式調(diào)控VSC注入電壓后的系統(tǒng)搖擺曲線如圖15(b)所示，其振蕩幅值最高為22.4°,2.3s后曲線恢復(fù)至δ=14.8°。振蕩幅值及恢復(fù)穩(wěn)定的時間都得到了一定的縮減。因此，通過比較可以看出，對于VSC，PR控制方式比傳統(tǒng)的PI控制有著更好的控制特性，且使DCIPC向右移相能夠改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

圖15 DCIPC向右移相改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定仿真圖Fig.15 Simulation curves of improving system transient stability by DCIPC phase shift to right

以上仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)故障切除時刻，及時適當(dāng)?shù)卣{(diào)控DCIPC的電感、電容參數(shù)，或采用PR控制方式調(diào)節(jié)DCIPC中VSC的注入電壓，靈活地改變相間功率控制器的移相角，能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率，提高功率極限，實現(xiàn)改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的目的。

6 結(jié)論

本文對基于VSC的動態(tài)可控的相間功率控制器改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性進行了理論分析與研究，得出以下結(jié)論：

(1)建立的聯(lián)絡(luò)線功率與DCIPC參數(shù)關(guān)系的表達式說明，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)IPC的電感、電容參數(shù)，可以提高線路傳輸功率極限，有利于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2)VSC引入的注入電壓直接影響DCIPC電感、電容支路移相角，而此移相角與功率傳輸極限相關(guān)。對于調(diào)諧型DCIPC，減小其等值電抗，或在電抗值一定的情況下使DCIPC移相環(huán)節(jié)向左或向右移相并滿足其相應(yīng)控制范圍，能夠提高傳輸功率極限，進而改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

(3)基于PR控制設(shè)計了VSC控制器，并將其應(yīng)用到DCIPC調(diào)節(jié)控制移相角度，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。仿真分析表明與傳統(tǒng)的PI控制方式相比，在短路故障切除后，系統(tǒng)搖擺曲線的幅值降低，達到穩(wěn)定的時間縮短，具有更好的控制特性，對于利用DCIPC改善系統(tǒng)穩(wěn)定性起到更好的作用。

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Analysis of enhancing transient stability of power system with DCIPC based on VSC

LI Juan1， WANG Wei-yu1， CHEN Jing-yi1， LU Sha-ou1， YAN Yu-xin2

(1. School of Electrical Engineering， Northeast Dianli University， Jilin 132012， China；2. State Grid Liaoning Chaoyang Power Supply Company， Chaoyang 122000， China)

According to the basic working principle and characteristics of voltage source converter (VSC) and interphase power controller (IPC), by replacing the phase shifter of IPC with VSC, by replacing the inductance branch of the controller with TCR, and by replacing capacitor branch with TCSC, a dynamically controlled interphase power controller is constituted. Based on the principle and structure of DCIPC, the relationship between the injected voltage of VSC and the transmission power in the line is constructed. The paper analyzes the power-angle characteristic curve of a simple system with IPC and without IPC and illustrates the mechanism with which the system’s transient stability can be improved by DCIPC. It identifies the parameters range to improve the system’s stability. The proportional-resonant controller is designed for the phase shifting link, in which DC voltage is in the outer loop and output current is in the inner loop. A simplified system model with DCIPC is constructed in line to make a simulation, and the effectiveness of the controller is verified.

voltage source converter； dynamic controlled interphase power controller； PR controller； transient stability

2015-07-04

李 娟 (1972-)， 女， 山東籍， 教授， 博士， 主要研究方向為電力系統(tǒng)運行控制及FACTS研究; 王維羽 (1988-)， 男， 吉林籍， 碩士研究生， 主要研究方向為電力系統(tǒng)運行控制及FACTS研究。

TM76

A

1003-3076(2016)06-0036-08