郭 琦, 郭海平, 黃立濱

(1. 直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司), 廣東省廣州市510080;2. 中國南方電網(wǎng)公司電網(wǎng)仿真重點實驗室, 廣東省廣州市 510663)

0 引言

近年來柔性直流輸電技術(shù)快速發(fā)展[1],南方電網(wǎng)在廣東南澳建設(shè)了世界首個多端柔性直流輸電工程[2],在云南魯西建設(shè)了世界首個常規(guī)直流和柔性直流并聯(lián)運行的異步聯(lián)網(wǎng)工程[3-4],國家電網(wǎng)也建設(shè)了舟山五端柔性直流、廈門柔性直流[5-6]、張北柔性直流[7]輸電工程等極大地提升了中國柔性直流輸電技術(shù)水平和裝備制造水平。由于柔性直流輸電采用模塊化多電平換流器(MMC),在橋臂含有大量子模塊的情況下,具有諧波小、無需考慮交流濾波器的特點[8-14],很少有文獻分析其諧波特性,尤其是接入系統(tǒng)為弱交流電網(wǎng)情況下的高頻諧波特性[15-17]。實際上,柔性直流輸電接入弱交流系統(tǒng)運行時有可能出現(xiàn)高頻諧波現(xiàn)象[15,18],本文以云南魯西異步聯(lián)網(wǎng)工程2017年4月10日發(fā)生的高頻諧波諧振事件為例,分析了與高頻諧波有關(guān)的各個因素,得出了MMC柔性直流電網(wǎng)電壓前饋控制環(huán)節(jié)的不當設(shè)計是本次高頻諧波諧振主因的結(jié)論,提出了在電壓前饋控制環(huán)節(jié)增加濾波環(huán)節(jié)的高頻諧波諧振解決方案,通過實時數(shù)字仿真儀(RTDS)仿真試驗驗證后在現(xiàn)場實施。

1 魯西“4·10”高頻諧波諧振現(xiàn)象

云南魯西異步聯(lián)網(wǎng)工程是世界上首個在主網(wǎng)采用柔性直流單元與常規(guī)直流單元并列運行進行背靠背聯(lián)網(wǎng)的工程,其中柔性直流單元輸送容量達1 000 MW,直流電壓為±350 kV。

2017年4月10日,魯西站常規(guī)直流單元處于停運狀態(tài),柔性直流單元單獨運行,廣西側(cè)交流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。事件過程為:廣西側(cè)交流電網(wǎng)僅為一回出線(魯西站到百色站的西百甲線),西馬乙線由馬窩站空充,廣西側(cè)交流系統(tǒng)容量非常低(魯西站廣西側(cè)交流系統(tǒng)的等值三相短路容量小于3.3 GVA)。此時,魯西站柔性直流單元、百色站、永安站等站點的交流電壓電流均可觀測到1 271 Hz左右的高頻諧振,其中魯西站網(wǎng)側(cè)電壓電流如圖2所示。此時,降低柔性直流廣西側(cè)無功功率目標值或有功功率目標值,高頻諧振電流基本保持不變。最終柔性直流單元跳閘,高頻諧振隨之平息。

圖1 產(chǎn)生諧波時的電網(wǎng)局部接線圖Fig.1 Partial wiring diagram of grid when harmonics are generated

以廣西側(cè)換流變網(wǎng)側(cè)A相交流電壓和交流電流為例,柔性直流單元停運前波形如圖2所示,為MATLAB所畫時域波形,錄波軟件分析截圖見附錄A圖A1。

圖2 魯西站廣西側(cè)電壓、電流及電壓諧波Fig.2 Voltage, current and harmonics on Guangxi side

通過對高頻諧振過程廣西側(cè)網(wǎng)側(cè)相關(guān)波形現(xiàn)場錄波進行傅里葉分析,發(fā)現(xiàn)本次系統(tǒng)產(chǎn)生的電壓、電流高頻諧振的頻率主要為1 271 Hz。

2 高頻諧波諧振的機理分析

柔性直流運行時高頻諧波有關(guān)的因素包括:MMC柔性直流結(jié)構(gòu)特性(如模塊電平數(shù)[19])、閥控特性(包括子模塊電容電壓平衡和環(huán)流抑制策略[20])、鎖相環(huán)控制、電壓環(huán)控制和電流環(huán)控制等。由于本次高頻諧波諧振的主導頻率在1 kHz以上,鎖相環(huán)控制的響應時間一般在100 ms左右[21],對高頻諧波的影響不大。另外,柔性直流輸送功率的大小理論上也會影響諧波[15,22],但是經(jīng)對現(xiàn)場實際波形的分析發(fā)現(xiàn),本次高頻諧振事件中柔性直流功率的變化對諧振頻率和幅值的影響均不大。因此,此次高頻諧波諧振的最主要影響因素定位為柔性直流控制算法(包括電流內(nèi)環(huán)控制和解耦控制部分[15,23]等)、MMC主回路阻抗特性及交流系統(tǒng)諧波阻抗特性,詳細分析如下。

魯西背靠背柔性直流單元的主要控制模式為云南側(cè)控直流電壓,廣西側(cè)控直流功率,柔性直流單元的控制周期為100 μs。廣西側(cè)功率控制的目標是控制向電網(wǎng)注入的電流,其中關(guān)鍵的電流環(huán)控制的控制可以簡化表示,見圖3。

圖3 柔性直流電流環(huán)控制原理Fig.3 Control principle of flexible DC current loop

圖3中iref為電流參考值;v為柔性直流輸出電壓;L為柔性直流的等值電抗;i為網(wǎng)側(cè)電流;e為網(wǎng)側(cè)電壓;T2為電流環(huán)延時;T1為前饋電壓控制環(huán)節(jié)的延時;Z(s)為交流電網(wǎng)的諧波內(nèi)阻抗;s為控制參數(shù);PI表示比例—積分控制器。

將圖3的控制框圖進行等效變換,得到控制框圖如圖4所示。

從圖2的電流波形來看,電流振蕩現(xiàn)象明顯。而從圖4可以看出,電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)相當于電流環(huán)的內(nèi)環(huán),由圖4的控制框圖可以推導出電壓前饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)F為:

(1)

F的物理意義為電壓前饋控制環(huán)節(jié)對交流電壓的控制增益,包括幅值增益和相位偏移。F增益越大,電壓前饋對電流環(huán)控制造成的擾動也越大,產(chǎn)生高頻諧波諧振的可能性就越大。

式(1)中,將s=jω代入可得,當ω=n2π/T1(n=0,1,2,…,∞),此時(1-e-T1s)模值為極小值0;但是當ω=π/T1+(2nπ)/T1(n=0,1,2,…,∞),此時(1-e-T1s)模值為極大值2。

頻率公式ω=2πf=2π/T,所以當諧波角頻率滿足ω=π/T1+(2nπ)/T1(n=0,1,2,…,∞)=2π/T時候,即諧波周期T=2T1/(2n+1)(n=0,1,2,…,∞)時,電壓前饋環(huán)節(jié)會對該諧波信號進行2倍放大。這也就是說,前饋電壓的延時T1,會導致f=(2n+1)/(2T1)(n=0,1,2,…,∞) 頻率附近電網(wǎng)諧波阻抗的放大(即式(1)中F的增益會增大),這是本次諧波放大的主要原因。由后續(xù)的試驗得出諧波主要產(chǎn)生在n=0的時候,即容易在f=1/(2T1)附近產(chǎn)生諧波諧振。

如果取消電網(wǎng)電壓前饋控制的話,高頻諧振出現(xiàn)的可能性就小很多。如果將交流電網(wǎng)側(cè)等效為一個RLC并聯(lián)等值回路(電容反映廣西側(cè)空充西百乙線的效應)。由此,根據(jù)高頻諧波諧振發(fā)生時刻的交流電網(wǎng)等值為Z1(詳細參數(shù)見附錄A圖A2),按照式(1)可畫出加入電網(wǎng)電壓前饋和不加前饋柔性直流系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的影響傳遞函數(shù)F的波特圖對比,如圖5所示,圖中A點表示系統(tǒng)為直接前饋,頻率為1.15×103Hz,幅值為3.78 dB。

圖5 有無電壓前饋環(huán)節(jié)的波特圖對比Fig.5 Comparison of Bode diagram with and without voltage feedforward

根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù),由于電網(wǎng)電壓前饋延時的存在,藍色曲線在1 150 Hz和1 250 Hz左右對諧波起到了放大作用(對應此時的RTDS仿真結(jié)果,其諧波情況見圖6和附錄A圖A3,主要為23次和25次諧波)。

圖6 RTDS仿真復現(xiàn)諧波情況Fig.6 Harmonic by RTDS simulation

3 對機理分析的仿真驗證

根據(jù)上述推導的式(1),柔性直流等效電抗的大小是固定的,因此高頻諧波主要由式(1)中電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)的延時環(huán)節(jié)(1-e-T1s)及系統(tǒng)阻抗Z(s)來決定。根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù),當Z(s)和(1-e-T1s)的幅值都很大的時候,就有可能產(chǎn)生高頻諧波諧振。

本文仿真采用的試驗平臺為南方電網(wǎng)仿真重點實驗室含魯西柔性直流實際控制保護系統(tǒng)的閉環(huán)RTDS仿真平臺,通過分別改變Z(s)和T1來驗證原理分析的正確性。

3.1 延時T1固定,改變網(wǎng)絡(luò)阻抗特性Z(s)

在魯西柔性直流RTDS試驗仿真系統(tǒng)中,由于前饋電壓延時T1是由硬件本身特性決定的,為驗證方便,首先通過改變電網(wǎng)等值諧波阻抗的方式來對上述原理進行驗證。根據(jù)魯西柔性直流廣西側(cè)電網(wǎng)接線結(jié)構(gòu),馬窩站空沖西馬乙線,線路中產(chǎn)生對地電容C,在RTDS中,可構(gòu)造電網(wǎng)等值模型見圖7。

圖7 RTDS本次試驗用柔性直流結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)模型Fig.7 RTDS simulation model of flexible DC structure and grid

改變圖7中R1,R2,L1,C,L2等參數(shù),就可以靈活地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的阻抗,本文目前主要是通過調(diào)節(jié)C和R1,構(gòu)造了4種不同的交流電網(wǎng)等值諧波阻抗網(wǎng)絡(luò),通過4種不同電網(wǎng)等值阻抗網(wǎng)絡(luò)的RTDS試驗,測量廣西側(cè)電網(wǎng)諧波的情況,阻抗網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及試驗結(jié)果詳見附錄A。

可以看到,在Z1,Z2和Z3阻抗特性差別非常大的情況下,產(chǎn)生諧波的頻率沒有太大變化,主要還是在22次和23次左右,這也驗證了式(1)中(1-e-T1s)項的作用,主要在f=1/(2T1)處產(chǎn)生諧波,反過來能推斷動態(tài)性能測試系統(tǒng)(DPT)系統(tǒng)的前饋電壓延時大概在434～454 μs之間。

在不同的電網(wǎng)諧波阻抗特性情況下,傳遞函數(shù)F的相角穩(wěn)定裕度差別很大,當相角穩(wěn)定裕度太小時,系統(tǒng)容易產(chǎn)生諧波諧振;當相角裕度為負時,系統(tǒng)必定產(chǎn)生諧波諧振(詳見附錄A)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)阻抗特性Z(s)固定,改變延時T1

由第2節(jié)的分析可知,系統(tǒng)容易在f=1/(2T1)處產(chǎn)生諧波,當增加前饋電壓延時T1后,諧波諧振頻率會降低。由于預估的前饋電壓延時在434～454 μs,如果通過在RTDS模型的電壓輸出環(huán)節(jié)增加100 μs的延時,那么前饋電壓控制環(huán)節(jié)的總延時將相應增至534～554 μs,原來22次和23次諧波將變?yōu)?8次和19次諧波,原來對應的19次諧波諧振頻率也會降低。通過RTDS仿真驗證了上述推導,T1延時增大100 μs后,在不同電網(wǎng)阻抗特性下的試驗結(jié)果如附錄B所示。

本節(jié)通過不同的試驗,分別獨立地改變Z(s)和T1,證明了原因分析的正確性和準確性,即前饋環(huán)節(jié)延時T1主要影響產(chǎn)生諧波的中心頻次f=1/(2T1),電網(wǎng)阻抗Z(s)的大小主要決定是否可能產(chǎn)生諧波諧振。

4 抑制諧波諧振的解決方案

由于諧波諧振的產(chǎn)生是由于控制系統(tǒng)中電壓前饋環(huán)節(jié)的延時引起,不引入前饋環(huán)節(jié)而將前饋值固定是一種解決方案,但是這可能會對系統(tǒng)的抗擾動性能造成一定的影響。比如電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓往往不是額定的,那么固定值的前饋就有可能在固定前饋值附近解鎖成功,但是實際運行時一旦電網(wǎng)電壓偏離了固定值,則有可能過流導致解鎖失敗,低電壓穿越、功率階躍等動態(tài)特性都有可能受到影響。

本文提出的一種解決方案是將前饋電壓進行恰當?shù)臑V波后再進行前饋,這樣就能避免諧波諧振的產(chǎn)生,也能避免對系統(tǒng)動態(tài)特性造成大的影響。本文在RTDS送出到控制保護裝置的電網(wǎng)電壓中加二階帶通濾波器來實現(xiàn),通帶中心頻率采用50 Hz,阻尼系數(shù)ξ分別為0.1, 0.707, 0.9時的頻譜特性如圖8所示。

圖8 二階帶通濾波器設(shè)計Fig.8 Design of second order bandpass filter

5 解決方案的仿真驗證和現(xiàn)場實施

5.1 諧波治理解決方案驗證

增加RTDS自帶的二階帶通濾波器(ωn=100π,ξ=0.1),電壓前饋環(huán)節(jié)系統(tǒng)的波特圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)波特圖對比Fig.9 Bode diagram comparison of the system

可以看到加入濾波后,系統(tǒng)在f=1/(2T1)附近頻率和不加前饋環(huán)節(jié)基本一致,系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。

前饋電壓環(huán)節(jié)加入濾波后,通過RTDS仿真試驗驗證前面所有試驗中產(chǎn)生諧波諧振的現(xiàn)象均會消失。以Z4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例,加入前饋電壓環(huán)節(jié)濾波后,即使在前饋電壓環(huán)節(jié)再加入800 μs的延時,也不再出現(xiàn)高頻諧波諧振的現(xiàn)象。

表1 有無前饋濾波環(huán)節(jié)的試驗結(jié)果比對Table 1 Test results comparison with and without feedforward and filter loop

5.2 對其他功能的影響(解閉鎖、低穿越、功率階躍)

在前饋電壓環(huán)節(jié)加入濾波后,在RTDS中測試了低電壓穿越、解閉鎖及功率階躍等試驗,發(fā)現(xiàn)前饋電壓環(huán)節(jié)加入濾波前后對系統(tǒng)的動態(tài)特性幾乎沒有太大影響,甚至對相關(guān)性能起到了優(yōu)化作用。以解閉鎖為例,初步對比如下。

在Z1阻抗網(wǎng)絡(luò)下,加入前置濾波前后,系統(tǒng)解鎖時的相關(guān)波形對比見圖10(a);加入前置濾波前后,有功功率階躍響應的對比見圖10(b)。

圖10 系統(tǒng)解鎖時的相關(guān)波形Fig.10 Relevant waveforms when system is unlocked

從圖10(a)可以看到,加入前饋電壓環(huán)節(jié)后,解鎖沖擊電流的峰值從1 700 A左右降低到了1 200 A左右,加入前饋電壓環(huán)節(jié)后沖擊電流更小些;從圖10(b)可以看到,加入前饋電壓環(huán)節(jié)后,功率階躍響應基本一致。

5.3 現(xiàn)場實施效果

在前饋電壓環(huán)節(jié)加入濾波后,在現(xiàn)場進行了實施。以低電壓穿越為例,方案實施后低電壓穿越成功,如圖11所示。

圖11 低電壓穿越波形Fig.11 Waveforms under low voltage ride-through

6 結(jié)語

通過對“4·10”廣西側(cè)諧波的特征進行分析,從魯西背靠背柔性直流單元控制原理出發(fā),推導了反映柔性直流對電網(wǎng)電壓控制增益的傳遞函數(shù),包括電壓前饋環(huán)節(jié)控制傳遞函數(shù)、柔性直流諧波阻抗和交流系統(tǒng)諧波內(nèi)阻抗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對該傳遞函數(shù)的諧波穩(wěn)定性分析,得出了前饋環(huán)節(jié)時延與系統(tǒng)阻抗在特定工況下,如換流站附近帶有空充線路或者容性負載可能產(chǎn)生高頻諧波諧振的規(guī)律,并經(jīng)過了RTDS仿真驗證。

同時本文還提出了在柔性直流電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)增加濾波環(huán)節(jié)進行高頻諧波諧振抑制的措施,并通過RTDS仿真進行了驗證,試驗結(jié)果表明,完善后的柔性直流電網(wǎng)電壓前饋控制邏輯可以有效抑制類似“4·10”的電網(wǎng)高頻諧波諧振現(xiàn)象。該優(yōu)化措施在魯西背靠背工程的柔性直流單元得到了實施,為同類高頻諧波諧振事件的處理提供了有益的參考。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。