陳輝，韓連山，李成博，劉偉航

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)

0 引言

電力系統(tǒng)在正常運行時，電網(wǎng)中的發(fā)電功率與用電功率相等，電網(wǎng)的頻率保持穩(wěn)定[1]。發(fā)電機具備一定的調節(jié)能力，當負荷功率發(fā)生變化時，發(fā)電機可以通過調速系統(tǒng)調整發(fā)電功率，維持功率平衡，保持頻率穩(wěn)定[2]。然而，處于孤島運行的電網(wǎng)的發(fā)電機裝機規(guī)模有限、旋轉備用較小[3]，其調節(jié)能力有限[4]。當因故障跳閘、大型沖擊性負荷退出等導致大功率負荷突然消失，發(fā)電機調節(jié)能力不足時，電網(wǎng)頻率快速升高，發(fā)電機超速保護、高周切機、低頻減載交替動作，嚴重時甚至會造成黑網(wǎng)事件[5]。這種現(xiàn)象在2～4臺機組的孤網(wǎng)系統(tǒng)中尤為突出，孤網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電機和負荷的數(shù)量少，功率調節(jié)性手段也相對較少，因此出現(xiàn)甩負荷時更容易引起事故擴大[6]。

為應對電力系統(tǒng)突然甩負荷造成的頻率異常，解決方案有改造發(fā)電機機網(wǎng)協(xié)調系統(tǒng)、配置穩(wěn)定控制系統(tǒng)、配置高周切機、增加低頻減載保護以及采用蓄電池儲能系統(tǒng)等。其中，機網(wǎng)協(xié)調系統(tǒng)需要對原發(fā)電機進行改造，提高發(fā)電機的調節(jié)能力，但仍需發(fā)電機在正常運行期間留有一定的旋轉備用[7]。穩(wěn)定控制系統(tǒng)、高周切機以及低頻減載系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行三道防線的概念[8]。這些策略通過切除部分發(fā)電機、部分負荷甚至部分電網(wǎng)的方式維持系統(tǒng)功率平衡，但在孤網(wǎng)系統(tǒng)以及微電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于發(fā)電機、負荷顆粒度加大，難以通過二、三道防線匹配發(fā)電-負荷功率，電網(wǎng)仍面臨一定失穩(wěn)風險。儲能系統(tǒng)作為新興的電力系統(tǒng)調節(jié)手段在資源配置優(yōu)化和系統(tǒng)穩(wěn)定方面具有一定的效果，但蓄電池造價昂貴、壽命短、充放電次數(shù)有限、維護工作量大，因此儲能在孤網(wǎng)中作為調節(jié)性電源應用時具有一定局限性[9]。電子負荷裝置可應用于廠礦企業(yè)電網(wǎng)，在優(yōu)化大型負荷投退策略、補償功率缺額、平衡三相有功以及配合機組黑啟動等方面具有顯著成效[10—11]。

文中提出采用基于晶閘管控制的電子負荷裝置解決電力系統(tǒng)由于甩負荷而造成的失穩(wěn)問題。介紹了電子負荷的基本原理和控制策略，并針對企業(yè)電網(wǎng)頻率振蕩的問題，進行了針對性分析。結果表明，電子負荷能夠快速平滑地調節(jié)功率，在電網(wǎng)一次調頻、頻率阻尼抑制方面效果顯著。

1 電子負荷結構與原理

常規(guī)電子負荷系統(tǒng)采用機械開關分組投切的方式實現(xiàn)，如圖1(a)所示。其中，ui，ia分別為電子負荷電壓、電流，R為電阻。常規(guī)電子負荷雖然價格相對低廉，但存在機械開關響應速度慢、分合閘操作周期長、開關故障率高等缺點。文中采用反并聯(lián)的晶閘管閥組替代傳統(tǒng)的機械式開關，通過調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角實現(xiàn)負荷功率調整。

在大功率電力電子產(chǎn)品中，應用最多、最成熟的電力電子器件是晶閘管和絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。其中晶閘管的典型應用是高壓直流輸電換流閥以及靜止無功補償器等，而IGBT的典型應用是柔性直流輸電換流閥以及直流斷路器等。相比而言，IGBT造價昂貴、控制復雜且故障率高。電子負荷采用晶閘管控制，在性能和工程應用上更具性價比[12]。

在工程實際應用中，為了減小晶閘管導通時的電流變化率、限制晶閘管端短路引起的短路電流，需要在回路中串聯(lián)電感L，如圖1(b)所示。

圖1 電子負荷裝置原理Fig.1 Principle of the electronic load device

晶閘管閥組的設計借鑒了靜止無功補償器中晶閘管及其阻尼回路的設計[13—14]，晶閘管觸發(fā)和監(jiān)視電路采用高壓自取能方式。電子負荷工作時的電壓和電流關系如圖2所示。其中，α為晶閘管觸發(fā)角；θ為晶閘管導通角；ug1，ug2分別為VT1，VT2的觸發(fā)脈沖。電子負荷根據(jù)系統(tǒng)控制需求生成功率指令，通過閉環(huán)調節(jié)α滿足控制需求。

圖2 電子負荷晶閘管控制邏輯Fig.2 Thyristor control logic of electronic load

假設系統(tǒng)電壓有效值為U，則觸發(fā)角為α時，裝置電壓、電流為[9]：

(1)

(2)

其中：

(3)

φ=arctan(ωL/R)

(4)

則裝置電流有效值為：

(5)

其中，α，φ，θ滿足：

(6)

可見，隨著α的變化，電子負荷的電流不同，其運行功率也隨之改變。運行功率為：

(7)

不同α下的運行功率點對應關系如圖3所示。

圖3 α與功率運行點對應關系Fig.3 Correspondence between α and power operating point

用晶閘管代替常規(guī)的機械式開關，可以將負荷的響應時間從數(shù)秒級減少至數(shù)十毫秒級，控制精度從數(shù)兆瓦提升2～3個數(shù)量級至千瓦級。因此采用電子負荷可以實現(xiàn)諸多常規(guī)負荷無法實現(xiàn)的功能。需要說明的是，電子負荷作為一種調節(jié)性負荷或緊急備用負荷，在正常情況下不運行，因此一般不承擔生產(chǎn)任務。

電子負荷由于采用晶閘管相控的工作原理，工作時其電流呈斷續(xù)狀態(tài)，會產(chǎn)生一定的諧波和感性無功，可通過配置一定數(shù)量的濾波器實現(xiàn)諧波濾除和寄生感性無功補償。

2 電子負荷控制策略

2.1 整體控制策略

電子負荷裝置的主要控制手段是控制α，最終通過改變功率運行點實現(xiàn)沖擊負荷補償、頻率振蕩抑制等高級功能[10]。電子負荷裝置的整體控制如圖4所示，包含5級模塊，分別為功率差額、比例積分(proportional integral,PI)、限幅、α換算及閥控模塊。

圖4 整體控制策略Fig.4 Overall control strategy

其中，核心控制部分采用經(jīng)典的PI控制，該環(huán)節(jié)把輸入的功率差值Δp經(jīng)過PI運算，輸出給限幅環(huán)節(jié)。α換算的作用是把輸入的功率指令折算為晶閘管的α。由圖3可知，對于每個確定的p有且僅對應一個α。然而p和α呈非線性關系，無法采用解析法得到指定p下的α，因此采用多項式數(shù)值擬合的方式代替，即：

α=a0+a1p+a2p2+a3p3+a4p4+a5p5

(8)

多項式的項數(shù)越多，擬合的曲線越精確，多項式的系數(shù)a0～a5取決于整體功率的大小。閥控部分的功能是把計算出來的α通過光電轉換等環(huán)節(jié)最終作用在閥組上，該環(huán)節(jié)實際上是一個延時環(huán)節(jié)，用于模擬實際硬件設備的信號延遲。

2.2 功率差額環(huán)節(jié)

圖4中功率輸入指令Pref，負荷平衡系統(tǒng)的實際有功功率Pact以及頻率阻尼輔助控制輸入指令Pfreq構成了功率差額環(huán)節(jié)。不同應用場景下，電子負荷系統(tǒng)有不同的控制模式，不同控制模式下Pref的選擇如圖5所示。手動功率模式時，Pref由運行人員通過人機界面直接給定；功率跟蹤模式時，Pref為功率跟蹤點在一段時間內的平均功率;穩(wěn)控協(xié)調模式時，Pref通過與穩(wěn)控通信獲取。需要注意的是，模式切換時，Pref的切換緩慢平滑，避免給系統(tǒng)帶來沖擊。

圖5 不同控制模式下Pref的選擇Fig.5 The choice of Pref in different control modes

2.3 頻率阻尼抑制環(huán)節(jié)

頻率阻尼控制一般作為控制器的輔助功能,通過在主控制回路上疊加一個控制信號實現(xiàn)阻尼抑制[15—16]。圖4中Pfreq的生成方式見圖6。

圖6 頻率阻尼抑制框圖Fig.6 Block diagram of frequency damping suppression

圖6共由6級環(huán)節(jié)組成，分別為頻率差值、低通濾波、2級超前滯后、矯正以及最終的限幅。其中，頻率差值環(huán)節(jié)根據(jù)輸入的頻率值fact，設定的頻率上限fmax和設定的頻率下限fmin得到，表達式為[17]：

(9)

電力系統(tǒng)正常運行時，允許頻率在一定范圍內波動，此時發(fā)電機自身的調節(jié)能力可以滿足穩(wěn)定調節(jié)的要求，因此在此期間電子負荷系統(tǒng)不參與調節(jié)；當頻率越過限定范圍時，電子負荷系統(tǒng)參與調節(jié)。

濾波環(huán)節(jié)和超前滯后環(huán)節(jié)用于對輸入的頻率差值信號進行移相處理。通過調整移相角度實現(xiàn)頻率振蕩阻尼控制。Kfreq為矯正環(huán)節(jié)系數(shù)，即單位頻率偏差下對應電子負荷裝置的功率矯正值。限幅環(huán)節(jié)限定頻率輔助環(huán)節(jié)輸入到主邏輯回路的功率幅值。

在相同的工況下，頻率限定范圍的大小、矯正系數(shù)的大小以及超前滯后的相位調節(jié)都會影響頻率阻尼效果，具體參數(shù)設定應根據(jù)實際系統(tǒng)需求確定。

3 案例分析

廣西某電解鋁企業(yè)為解決生產(chǎn)過程中突然丟負荷而引起的頻率振蕩問題，新建了一套60 MW電子負荷系統(tǒng)。根據(jù)該企業(yè)電網(wǎng)的模型，基于實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simulation system,RTDS)搭建一僅有2臺發(fā)電機的小型孤網(wǎng)系統(tǒng)，分析電子負荷在甩負荷過程中頻率振蕩抑制效果。每臺發(fā)電機的裝機容量為132 MV·A，功率因數(shù)為0.85，配置4組固定負荷，負荷總容量為250 MV·A，其中有約100 MW的不穩(wěn)定負荷。RTDS試驗模型如圖7所示。

圖7 RTDS試驗模型Fig.7 RTDS test model

α為150°，90°，25°時，電子負荷裝置的電流如圖8所示。由圖8可知，α越小，對應的電流越大，相應的運行功率也越大。

圖8 不同α下的iaFig.8 ia at different α

研究不同參數(shù)下，電子負荷系統(tǒng)的頻率抑制對電網(wǎng)頻率的影響，在運行過程中突然切除100 MW負荷，形成電網(wǎng)頻率擾動進行研究。案例1為未投入電子負荷，案例2～案例7具體參數(shù)如表1所示。

表1 電子負荷頻率振蕩抑制功能參數(shù)Table 1 Frequency oscillation suppression function parameter of electronic load

圖9對比了投入電子負荷前后(分別對應案例1、案例2)電網(wǎng)頻率、電子負荷輸出功率的變化情況。由仿真結果可知，未配置電子負荷時，由于電網(wǎng)負荷丟失過大，超出發(fā)電機的調節(jié)能力，導致電網(wǎng)頻率開始振蕩，且振蕩幅度有增大趨勢，最終可能使電網(wǎng)頻率崩潰、電網(wǎng)解列或直接黑網(wǎng)。而投入電子負荷后，電網(wǎng)頻率振蕩得以抑制，并最終將電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在一個新的狀態(tài)，防止了電網(wǎng)頻率崩潰。

圖9 電子負荷投入前后對比Fig.9 Comparison before and after electronic load is input

當電子負荷的補償系數(shù)不同時，對電網(wǎng)頻率振蕩抑制的效果也有所區(qū)別，對比如圖10所示。在頻率振蕩抑制的速度方面，較大的補償系數(shù)可以更快速地抑制頻率波動；在穩(wěn)態(tài)功率方面，補償系數(shù)越大，最終新平衡狀態(tài)電子負荷輸出的穩(wěn)態(tài)功率也越大。由于電子負荷系統(tǒng)以消耗電網(wǎng)功率實現(xiàn)功角穩(wěn)定，較大的補償系數(shù)會對電網(wǎng)帶來較大的能源浪費。在實際工程中，應根據(jù)不穩(wěn)定負荷的大小、頻率振蕩抑制的時間要求等具體確定補償系數(shù)。

圖10 不同補償系數(shù)下頻率振蕩抑制效果對比Fig.10 Comparison of frequency oscillation suppres-sion effect under different compensation coefficients

電網(wǎng)頻率的上、下限值會對電子負荷的效果產(chǎn)生影響，圖11為不同頻率限值條件下電子負荷的動作曲線。

圖11 不同頻率限值下頻率振蕩抑制效果對比Fig.11 Comparison of oscillation suppression effect under different frequency limits

由圖11可知，電網(wǎng)頻率上、下限差值越小，電子負荷的響應越積極。一次調頻實際上是有差調節(jié)，當系統(tǒng)的實際頻率超出范圍后，電子負荷才會以差值為基準進行反向調節(jié)，因此頻率限值越寬，相同頻率波動下頻差越小，電子負荷的響應越慢。對于企業(yè)電網(wǎng)而言，頻率限值的設定只需滿足正常生產(chǎn)要求即可。

4 結語

文中從結構、原理、控制策略及仿真分析方面對電子負荷裝置進行了研究。首先建立了基于晶閘管的電子負荷裝置的數(shù)學模型，分析了采用晶閘管作為控制元件實現(xiàn)功率連續(xù)調節(jié)的可行性；然后給出了電子負荷裝置的控制策略及其在頻率振蕩抑制方面的控制模型；最后根據(jù)實際工程需求，在RTDS 平臺上分析了不同裝置及電網(wǎng)參數(shù)下電子負荷的實際應用效果。文中工作為電子負荷的工程應用奠定了理論基礎。