蘇勛文,裴禹銘,2,安鵬宇,林靜雯,崔含晴
(1.黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.南瑞集團(tuán)有限公司, 南京 211106; 3. 國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 北京 102211)
電力電子型器件的接入使電網(wǎng)復(fù)雜程度不斷提高,引發(fā)的威脅系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行(Sub-synchronous oscillation,SSO)問題成為了研究熱點(diǎn),例如風(fēng)電場(chǎng)外送引起的SSO問題[1-3]。目前,國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)學(xué)者對(duì)風(fēng)電外送引起系統(tǒng)SSO的起振機(jī)理展開了研究,提出了相應(yīng)的抑制策略[4-6]。風(fēng)電場(chǎng)SSO問題目前有兩種抑制策略:一種是通過附加控制進(jìn)行相位校正,另一種則是通過加入FACTS元件為系統(tǒng)提供正阻尼,實(shí)現(xiàn)振蕩抑制作用。
目前,通常選用SVC、SVG及STATCOM這類并聯(lián)型FACTS元件作為SSO抑制元件[7-8]。而對(duì)UPFC的研究方向主要集中在潮流控制,將作為一種潮流控制手段,將其作為一種SSO抑制手段的研究相對(duì)較少[9-11]。游廣增等[12]驗(yàn)證了UPFC能有效提高風(fēng)電外送能力,但文中并未對(duì)UPFC還能提高風(fēng)電機(jī)組故障穿越能力,以及抑制系統(tǒng)SSO等優(yōu)勢(shì)展開深入研究。朱鑫要等[13]利用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)研究含串補(bǔ)的UPFC系統(tǒng)SSO,得出UPFC投運(yùn)工況對(duì)系統(tǒng)SSO具有重要影響。劉俊磊等[14]針對(duì)VSC-HVDC交-直混聯(lián)系統(tǒng)引起的小干擾低頻振蕩問題,基于UPFC和DC-SDC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定特性,給出了該控制系統(tǒng)參數(shù)確定的優(yōu)化算法。
筆者利用復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的思想,針對(duì)UPFC抑制風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)電容補(bǔ)償引發(fā)SSO問題進(jìn)行機(jī)理研究,建立系統(tǒng)小信號(hào)模型,推導(dǎo)轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化量,系統(tǒng)阻尼特性,對(duì)UPFC投入工況下系統(tǒng)特性分析UPFC對(duì)系統(tǒng)SSO特性的影響。
風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)統(tǒng)一潮流控制器(Unified power flow controller, UPFC)并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)中主要包含四個(gè)部分,分別是雙饋風(fēng)電場(chǎng)、交流電網(wǎng)、UPFC和RLC電容補(bǔ)償支路。
UPFC系統(tǒng)一端經(jīng)并聯(lián)變壓器接入系統(tǒng),另一端通過串聯(lián)變壓器耦合于系統(tǒng)中,具有靈活的潮流控制特性,UPFC等值電路如圖2所示。換流器采用間接電流控制策略,即通過控制相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的電壓幅值和相角實(shí)現(xiàn)對(duì)UPFC的運(yùn)行方式進(jìn)行控制。
圖1 風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)UPFC并網(wǎng)系統(tǒng)Fig. 1 Wind farm connected system with UPFC
圖2 UPFC等效電路Fig. 2 Equivalent circuit of UPFC
圖1和2中,風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓為U1、相角為θ1,RLC電容補(bǔ)償支路電壓為U2、相角為θ2,UPFC并聯(lián)側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓為Ue、相角為θe,串聯(lián)側(cè)節(jié)點(diǎn)電壓為Ub、相角為θb。若未明確指定含義,對(duì)后續(xù)推導(dǎo)過程中出現(xiàn)的變量定義,若變量下標(biāo)為“1”,表示該變量為風(fēng)電場(chǎng)側(cè)變量,若變量下標(biāo)為“2”,表示該變量為RLC串補(bǔ)支路側(cè)變量,若變量下標(biāo)為“e”,表示該變量為UPFC并聯(lián)側(cè)變量,若變量下標(biāo)為“b”,表示該變量為UPFC串聯(lián)側(cè)變量。
系統(tǒng)小信號(hào)模型如圖3所示,風(fēng)電場(chǎng)及RLC串補(bǔ)支路小信號(hào)模型推導(dǎo)文獻(xiàn)[15]已給出,文中不再贅述,故文中僅對(duì)UPFC小信號(hào)模型進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)。為了在推導(dǎo)過程中區(qū)別穩(wěn)態(tài)值和小信號(hào)分量,定義含有“Δ”的分量為小信號(hào)分量,而下標(biāo)中含有“0”的分量定義為對(duì)應(yīng)小信號(hào)分量的穩(wěn)態(tài)值。
UPFC并聯(lián)側(cè)采用定交流電圧控制策略,串聯(lián)側(cè)采用定無功功率控制策略。將系統(tǒng)各分量變換到dq坐標(biāo)系下,假定q軸超前d軸90°。
圖3 系統(tǒng)小信號(hào)模型Fig. 3 Small signal model of system
令θ2=0,串聯(lián)側(cè)小信號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓方程為
(1)
式中:Udc0——UPFC直流電壓穩(wěn)態(tài)值;
kQ——并聯(lián)側(cè)采用定無功功率控制比例-積分參數(shù)。
并聯(lián)側(cè)小信號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓方程為
(2)
式中,kv——串聯(lián)側(cè)采用定交流電圧控制比例-積分參數(shù)。
基于復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的思想,通過分析電磁轉(zhuǎn)矩增量與轉(zhuǎn)速增量之間的關(guān)系,得到系統(tǒng)阻尼特性,利用所得到的阻尼特性來分析系統(tǒng)元件間的交互作用[16]。系統(tǒng)阻尼特性如式(3)所示,包含轉(zhuǎn)子側(cè)阻尼特性Hir(s)和電網(wǎng)側(cè)阻尼特性His(s)兩部分。
(3)
式中:np——發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù);
Lm——發(fā)電機(jī)互感。
由于UPFC的接入僅對(duì)電網(wǎng)側(cè)阻尼特性產(chǎn)生影響,故文中僅推導(dǎo)UPFC接入后系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)阻尼特性Hisd(s)和Hisq(s),轉(zhuǎn)子側(cè)阻尼特性Hird(s)和Hirq(s)詳見文獻(xiàn)[15]并不作贅述。風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)側(cè)電氣特性如式(4)和(5)所示。
(4)
式中:Δes——發(fā)電機(jī)定子端電壓小信號(hào)分量;
Δωr——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小信號(hào)分量;
hisd(s)——發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速變化特性d軸分量;
hisq(s)——發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)速變化特性q軸分量。
(5)
式中,g11、g22——電網(wǎng)側(cè)換流器GSC等值自阻抗。
由圖3可見,UPFC串聯(lián)側(cè)和并聯(lián)側(cè)節(jié)點(diǎn)與支路關(guān)系,可列些出對(duì)應(yīng)電流方程和電壓方程分別為
Δi1=Δis+Δig=Δie+Δib,
(6)
(7)
(8)
聯(lián)立式(1)(7)可得,風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)與UPFC并聯(lián)側(cè)支路電流關(guān)系為
(9)
式中:h11、h22——UPFC并聯(lián)側(cè)等值自阻抗;
h12、h21——UPFC并聯(lián)側(cè)等值互阻抗。
RLC電容補(bǔ)償支路電流與RLC節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系為
(10)
式中:p11——RLC電容補(bǔ)償支路自阻抗;
p12——RLC電容補(bǔ)償支路互阻抗。
聯(lián)立式(2)(8)(10)可得,風(fēng)電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)與UPFC串聯(lián)側(cè)支路電流關(guān)系為
(11)
式中:r11、r22——UPFC串聯(lián)側(cè)等值自阻抗;
r12、r21——UPFC串聯(lián)側(cè)等值互阻抗。
聯(lián)立式(4)~(6)、(9)和(11),推得定子電流增量Δis與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增量Δωr之間的關(guān)系為
(12)
整理可得,系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)阻尼特性Hisd(s)和Hisq(s),如式(13)所示。
(13)
將式(13)代入式(3)即可得,整個(gè)系統(tǒng)的阻尼特性,根據(jù)所推導(dǎo)的阻尼特性,發(fā)現(xiàn)UPFC參數(shù)Zsh和Zser會(huì)對(duì)電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)阻尼特性產(chǎn)生影響,也驗(yàn)證了UPFC的投入會(huì)對(duì)系統(tǒng)SSO特性產(chǎn)生影響。
為探究UPFC的投入對(duì)系統(tǒng)SSO特性的影響,筆者基于改進(jìn)IEEE第一標(biāo)準(zhǔn)模型搭建圖1所示仿真系統(tǒng),系統(tǒng)在1.5 s時(shí)已進(jìn)入穩(wěn)態(tài),在1.6 s時(shí)投入電容補(bǔ)償。系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示,所有參數(shù)均已折算,基準(zhǔn)電壓選取平均電壓等級(jí),基準(zhǔn)功率SB=100 MVA。
表1 系統(tǒng)參數(shù)
圖4~6分別為UPFC投入前后發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩M、發(fā)電機(jī)定子電流Is和RLC電容補(bǔ)償支路電壓Up曲線。
由圖4UPFC投入前后發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩特性可知,當(dāng)UPFC未投入系統(tǒng)時(shí),電容補(bǔ)償投入后經(jīng)過0.2~0.4 s電磁轉(zhuǎn)矩開始出現(xiàn)放大趨勢(shì),隨著時(shí)間推移逐漸增大;而UPFC投入系統(tǒng)后,電容補(bǔ)償?shù)耐度胧瓜到y(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生小幅擾動(dòng),經(jīng)過0.1 s后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。
圖4 UPFC投入對(duì)系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩特性影響Fig. 4 Impacts to electromagnetic torque characteristics for UPFC input
由圖5UPFC投入前后系統(tǒng)定子電流特性可知,當(dāng)UPFC未投入系統(tǒng)時(shí),電容補(bǔ)償投入后定子電流會(huì)出現(xiàn)明顯放大趨勢(shì);而UPFC投入系統(tǒng)后,電容補(bǔ)償?shù)耐度雰H在初期產(chǎn)生影響并短時(shí)間內(nèi)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。
圖5 UPFC投入對(duì)定子電流特性影響Fig. 5 Impacts to electromagnetic torque characteristics for UPFC input
圖6為UPFC投入前后系統(tǒng)RLC支路的電壓特性,當(dāng)UPFC未投入系統(tǒng)時(shí),電容補(bǔ)償?shù)耐度胧沟弥冯妷撼尸F(xiàn)出明顯的振蕩特性;而UPFC投入系統(tǒng)后,電容補(bǔ)償?shù)耐度胧沟弥冯妷簶?biāo)幺值突增至1.34,隨后呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)最終維持在1.26電壓水平下。
圖6 UPFC投入對(duì)RLC支路電壓特性影響Fig. 6 Impacts to RLC branch voltage characteristics for UPFC input
利用FFT分析法對(duì)圖4~6所示時(shí)域仿真曲線進(jìn)行分析,可得各電氣量的頻率特性如圖7~10所示。
圖7 電磁轉(zhuǎn)矩FFT分析Fig. 7 FFT analysis of electromagnetic torque
圖8 定子電流FFT分析Fig. 8 FFT analysis graph of stator current
圖7~9為UPFC投入前后發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩M、定子電流IA以及RLC電容補(bǔ)償支路電壓Up的FFT頻譜特性。根據(jù)頻譜特性可得:UPFC未投入U(xiǎn)PFC時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩在52~54 Hz存在明顯峰值,而定子電流和RLC電容補(bǔ)償支路電壓在對(duì)應(yīng)互補(bǔ)頻率范圍6~8 Hz間存在峰值;而UPFC投入后,系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩僅在低頻區(qū)域存在小幅波動(dòng),定子電流和RLC電容補(bǔ)償支路電壓在工頻下占據(jù)主導(dǎo)地位,不存在明顯的諧波特性峰值。
圖9 RLC支路電壓FFT分析Fig. 9 FFT analysis graph of RLC branch voltage
由圖10可知,系統(tǒng)未投入U(xiǎn)PFC時(shí),在52~54 Hz頻率范圍內(nèi)存在明顯負(fù)阻尼尖點(diǎn),而投入U(xiǎn)PFC后系統(tǒng)阻尼特性曲線趨于平滑,且負(fù)阻尼尖點(diǎn)明顯削弱,即系統(tǒng)不穩(wěn)定特征得到抑制。
圖10 系統(tǒng)電氣阻尼特性Fig. 10 System electrical damping characteristics
圖11為系統(tǒng)阻抗特性曲線,ZR1和ZX1分別為系統(tǒng)未投入U(xiǎn)PFC時(shí)的電阻特性和電抗特性,ZR2和ZX2分別為系統(tǒng)未投入U(xiǎn)PFC時(shí)的電阻特性和電抗特性。由圖11可見,ZR1和ZR2曲線在次同步頻率區(qū)間內(nèi)均為正值,故系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)發(fā)電機(jī)效應(yīng)(Induction generator effect,IGE)。ZX1曲線在7~9 Hz區(qū)間內(nèi)存在穿越頻率使得系統(tǒng)阻抗為0,即在此頻率下系統(tǒng)容易誘發(fā)SSO,由于所在頻率遠(yuǎn)離低頻區(qū),故系統(tǒng)發(fā)生SSO機(jī)理為控制交互引起的SSO問題,即SSCI(Sub-synchronous control interaction,SSCI)。而ZX2曲線隨著頻率的增大呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢(shì),即此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)不存在振蕩點(diǎn),系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。
圖11 系統(tǒng)阻抗特性Fig. 11 System impedance characteristics
綜上所述,UPFC的投入為系統(tǒng)提供了感性電抗,削弱了系統(tǒng)的電容補(bǔ)償度,避開諧振點(diǎn),達(dá)到抑制SSO的目的。
基于復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法的思想,利用傳遞函數(shù)推導(dǎo)了轉(zhuǎn)速變化對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化量,根據(jù)獲得的阻尼特性揭示了UPFC的投入對(duì)系統(tǒng)SSO特性影響。
(1)UPFC參數(shù)Ze和Zb會(huì)影響系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)阻尼特性,即通過投入U(xiǎn)PFC可以有效改變系統(tǒng)SSO特性。
(2)UPFC的投入可以有效抑制風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)電容補(bǔ)償引起的SSO現(xiàn)象,抑制機(jī)理是通過為系統(tǒng)提供削弱電容補(bǔ)償?shù)母行噪娍?,從而避開諧振點(diǎn)。
(3)UPFC投入后系統(tǒng)負(fù)阻尼特性尖峰幅值僅為未投入U(xiǎn)PFC時(shí)負(fù)阻尼尖峰的7%,系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定。