李露瓊

摘 要：柔性直流輸電系統(tǒng)基于電壓源變流器，在運(yùn)行的過程中，會受到電力電子等設(shè)備的影響，進(jìn)而造成控制系統(tǒng)的效率不高，甚至?xí)霈F(xiàn)多變的功率震蕩。而近些年社會之中關(guān)于電力運(yùn)輸柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象的報(bào)道也是屢見不鮮，文章中筆者將結(jié)合自身的實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象做出分析，并提出相關(guān)控制方法，希望能夠保障柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：柔性直流輸電系統(tǒng)；振蕩現(xiàn)象；控制方法

中圖分類號：TM721.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0148-02

Abstract： Flexible direct current transmission system based on voltage source converter， in the process of operation， will be affected by power electronics and other equipment， resulting in low efficiency of the control system， and even variable power shocks. In recent years， the oscillation phenomenon of flexible direct current transmission system in power transportation is also reported frequently. The author analyzes the oscillation phenomenon of flexible direct current transmission system from practical work experience， and in order to ensure the security and stability of flexible direct current transmission system， some control methods are put forward.

Keywords： flexible direct current transmission system； oscillation phenomenon； control method

前言

柔性直流輸電系統(tǒng)由于具有結(jié)構(gòu)功能強(qiáng)、輸出諧波小等特點(diǎn)，因此現(xiàn)下被廣泛的應(yīng)用到遠(yuǎn)距離、大容量的電力運(yùn)輸之中，但在柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于易受電力電子設(shè)備快速控制影響，在系統(tǒng)斜波頻率附近呈現(xiàn)容性阻抗和負(fù)阻抗，從而造成系統(tǒng)諧波電流的發(fā)散，引發(fā)柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象，這會對電力運(yùn)輸造成影響，因此必須對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象做出有效的控制。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象概述

1.1 次同步頻率范圍震蕩

柔性直流輸電系統(tǒng)呈現(xiàn)容性阻抗和負(fù)阻抗，并與其它設(shè)備呈現(xiàn)震蕩電路，從而造成電流發(fā)散是引發(fā)柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象的重要原因，而根據(jù)發(fā)生機(jī)理的不同，產(chǎn)生的震蕩現(xiàn)象也有所差異，其中次同步頻率范圍震蕩是比較常見的一種震蕩。具體而言，在次同步頻率范圍震蕩發(fā)生過程中，其系統(tǒng)運(yùn)行中的直流電壓和交流電壓的波形在變化上并沒有太大的變化，而除此之外，兩者電壓還有有著一定差別的，如，電壓波形的變化不太大，而且在直流電流和交流電流方面所呈現(xiàn)的震蕩現(xiàn)象也有著很多的不同之處，并且這兩種不同形式的震蕩頻率是表現(xiàn)互補(bǔ)關(guān)系的。而導(dǎo)致次同步頻率范圍震蕩的原因有很多，例如，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的過程中可能受到電網(wǎng)強(qiáng)度、運(yùn)行點(diǎn)、轉(zhuǎn)子參數(shù)等多項(xiàng)因素的影響，使得運(yùn)行模式的效率也會有所變化，而在此過程中同頻率范圍內(nèi)也出現(xiàn)震蕩的現(xiàn)象[1]。同時(shí)這種震蕩會隨著震蕩風(fēng)流流入到變流器之中，若是此時(shí)變流器的震蕩頻率處能夠提供足夠的阻尼，那么柔性直流輸電系統(tǒng)還可以正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，但若是變流器本身設(shè)計(jì)就存在一定的問題，當(dāng)震蕩風(fēng)流流入到變流器時(shí)，震蕩頻率產(chǎn)生的阻尼不足，這時(shí)就會轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鱾?cè)電流震蕩，而這會對柔性直流輸電系統(tǒng)造成很大的影響，引起電流電壓波動，從而發(fā)生震蕩風(fēng)險(xiǎn)。在以往的文獻(xiàn)的報(bào)道之中，上海南匯、廣東南澳、福建廈門的電力工程之中，都曾發(fā)生過這種次同步頻率范圍震蕩。

1.2 中高頻率范圍震蕩

中高頻率范圍震蕩也是柔性直流輸電系統(tǒng)中比較常見的一種震蕩現(xiàn)象：（1）中頻震蕩，以往在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，需要進(jìn)行直流電纜建模，則需要π型等值模型，而在這種方法實(shí)施的過程中，往往會忽視直流電纜頻率變化的組抗性，會在一定程度上對直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，另外，也存在忽略了變流器和關(guān)鍵設(shè)備對震蕩的影響，這是導(dǎo)致中頻震蕩現(xiàn)象發(fā)生的重要原因。在以往的文獻(xiàn)報(bào)道之中，德國北海海上風(fēng)電場在運(yùn)行的過程中發(fā)生中頻震蕩，震蕩頻率大約達(dá)到了250～350Hz，而震蕩的單流則達(dá)到了基波電流的40%以上[2]。（2）高頻震蕩，國內(nèi)電力企業(yè)發(fā)生高頻震蕩的問題屢見不鮮，如舟山五端直流震蕩，從而導(dǎo)致高頻分量跳閘。在或者魯西直流工程震蕩，震蕩頻率高達(dá)1.2kHz，直接造成系統(tǒng)停運(yùn)。而導(dǎo)致柔性直流輸電系統(tǒng)高頻震蕩的直接原因，就是MMC變流站接入弱點(diǎn)站時(shí)，中高頻率的阻抗特性，如電流電壓控制等，在運(yùn)行的過程中會對MMC變流站產(chǎn)生一定的影響，如產(chǎn)生震蕩等現(xiàn)象，面對這種運(yùn)行問題，則需要及時(shí)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，分析不同狀態(tài)下系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)消除高頻震蕩問題。

2 柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩分析方法

通過上述的分析了解到，在柔性直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，由于受到多種因素的影響，會產(chǎn)生不同程度的震蕩問題，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而下文則主要對柔性直流輸電系統(tǒng)的振動進(jìn)行分析，提出幾種震蕩分析方法，具體分析如下。

2.1阻抗模型搭建法

風(fēng)電作為一種新能源建設(shè)方式，風(fēng)機(jī)自身的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通過阻抗模型搭建法可以更好的對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩做出分析和控制，從而為風(fēng)能輸電安全作出保障。具體而言，影響柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩的關(guān)鍵因素就是，機(jī)側(cè)/電網(wǎng)控制參數(shù)、鎖相環(huán)延時(shí)、直流側(cè)VSC控器參數(shù)以及濾波器等。在MMC的直柔系統(tǒng)應(yīng)用范圍不斷加大的過程中，對阻抗模型搭建法的研究也不斷朝著MMC等效模型搭建過渡，而在這個(gè)過程中，又逐漸的衍生出了傳統(tǒng)詳細(xì)模型、詳細(xì)等效模型和快速模型三種形式，在這三種模型之中，傳統(tǒng)詳細(xì)模型的整體精準(zhǔn)度是最高的，但是計(jì)算的難度比較大。而詳細(xì)等效模型仿真速度適中，因此比較適用于分析柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩特性。最后快速模型堅(jiān)固了仿真度和速度，因此現(xiàn)下應(yīng)用范圍較廣。

2.2 穩(wěn)定性分析方法

柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，可大致分為特征值分析方法、頻率掃描分析方法、時(shí)域仿真法、阻抗分析法等，不同的穩(wěn)定性分析方法適用的范圍和對象各有不同。首先特征值分析方法基于小擾動線性模型，在這個(gè)過程中主要通過求解系統(tǒng)中的特征向量、矩陣特征根來判斷系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。其次，可以通過頻率掃描的方式了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過輸入不同頻率的信號擾動結(jié)合檢測變電流器進(jìn)一步評論信號，達(dá)到識別目標(biāo)系統(tǒng)和設(shè)備阻抗模型[3]。再次時(shí)域仿真法，時(shí)域仿真法需要建立每個(gè)設(shè)備的微分模型，通過逐步積分的方式，獲取系統(tǒng)整體的運(yùn)動曲線。最后阻抗分析法通過奈奎斯特推廣的奈奎斯特判斷依據(jù)為基礎(chǔ)，此種分析方法對震動點(diǎn)的觀測比較清晰。

3 柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象控制方法

3.1 優(yōu)化控制器參數(shù)

以往常常在柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩發(fā)生時(shí)，通過切除風(fēng)機(jī)電阻、改變漿距角等方式，從而讓系統(tǒng)避開震蕩區(qū)間，這種方式雖然可以控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩，但是付出的經(jīng)濟(jì)代價(jià)比較高，因此不適合作為控制手段，而優(yōu)化控制器參數(shù)可以從機(jī)理上實(shí)現(xiàn)對震蕩的控制，這是因?yàn)槿嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)振蕩發(fā)生的本質(zhì)原因就是系統(tǒng)在震動頻率出的阻尼不足，從而產(chǎn)生的阻抗特性，因此若是能夠優(yōu)化控制器的參數(shù)，勢必可以改變變流器與設(shè)備之間的互動行為，提高震動頻率處的阻抗特性，從而對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象做出有效的控制，減少震蕩風(fēng)險(xiǎn)[4]。如對于采用MMC柔直系統(tǒng)需要考慮橋臂電感與子模塊電容之間的諧振現(xiàn)象，通過改變橋臂諧振電流和變流器之間的參數(shù)，從而減少橋臂環(huán)流問題發(fā)生，并增加系統(tǒng)穩(wěn)定性子模塊電容和橋臂電感之間的選擇，這無疑是可以控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩的。而在一些復(fù)雜的多柔端直系統(tǒng)之中，優(yōu)化控制器參數(shù)的同時(shí)，還必須要考慮多變流器之間的耦合作用，要保證每個(gè)電流器都等得到最大優(yōu)化，這樣才能實(shí)現(xiàn)更好的柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩控制效果。

3.2 附加阻尼控制器

在控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩的過程中，除優(yōu)化控制器參數(shù)這種方法，我們還可以通過附加阻尼控制器的方法，從而實(shí)現(xiàn)對震蕩現(xiàn)象的控制。附加阻尼控制器主要是應(yīng)用于系統(tǒng)變流器眾多，控制器參數(shù)優(yōu)化效益比較低的情況下，通過添加額外的阻尼，從而實(shí)現(xiàn)對震蕩的控制。但由于附加阻尼控制器這種方式，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求比較高，因此往往難以適應(yīng)柔性直流輸電系統(tǒng)多變的運(yùn)行狀態(tài)和擾動情況。而近些年隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，有學(xué)者提出通過使用虛擬斜波電阻控制器，從而提升附加阻尼控制器與柔性直流輸電系統(tǒng)之間其他設(shè)備相互作用。此外還應(yīng)該通過研發(fā)一種新型阻尼控制器，重塑變流器的阻抗特性，進(jìn)而從整體上改善變流器系統(tǒng)的整體性和互動性，為從機(jī)理上降低柔性直流輸電系統(tǒng)與其他設(shè)備互相震動風(fēng)險(xiǎn)提供保障。由此可以看出，在柔性直流輸電系統(tǒng)之中附加阻尼控制器雖然是一種可行的方式， 但是現(xiàn)下的研究并不成熟，今后還需進(jìn)一步對此作出更加深入的研究。

3.3 附加濾波裝置

結(jié)合電力工程之中柔性直流輸電系統(tǒng)的工作原理，還可以通過附加濾波裝置的方式，來對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩做出控制，由于串聯(lián)阻塞濾波器本身的占地面積比較大，因此產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益就會相對低一些，為此現(xiàn)下常將串聯(lián)阻塞濾波器作為短期震蕩控制方法，在控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩發(fā)生過程中，可以通過設(shè)置多個(gè)斜震點(diǎn)的方式，將震蕩最大限度的做出消除[5]。但與串聯(lián)阻塞濾波器和相同，旁路濾波器也是一種占地面積比較大，經(jīng)濟(jì)效益比較低的裝置，因此也只能作為一種短期控制方法，所以附加濾波裝置這種柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩控制方法還存在一定的限制。

4 結(jié)束語

電力運(yùn)輸作為城市建設(shè)的發(fā)展動力，而柔性直流輸電為今后大容量、大規(guī)模、多端輸電工程建設(shè)發(fā)展提供了保障，而顯然在柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng)用過程中，震蕩問題是控制電力企業(yè)必須要攻克的難關(guān)，但目前的震蕩控制技術(shù)局限于單機(jī)系統(tǒng)、小擾動和變流器的一側(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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