孫 潔，何麗娟，賀興安，袁 昊

（國(guó)網(wǎng)銀川供電公司，寧夏銀川 750000）

因多電壓等級(jí)直流輸電具有高度可控性與快速控制性能，其在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)整流與逆變電流的控制，能夠保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了提高直流電網(wǎng)運(yùn)行控制能力，實(shí)現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的內(nèi)部調(diào)節(jié)以及與所連交流系統(tǒng)的外部調(diào)節(jié)，需要設(shè)計(jì)一種新的區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)。

對(duì)此，一些學(xué)者進(jìn)行了有關(guān)區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)運(yùn)行控制策略的研究。文獻(xiàn)[1]提出了包含集成電力的多直流電壓等級(jí)互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行控制技術(shù)與直流故障隔離對(duì)策，利用柔性直流輸電技術(shù)建立包含新能源的多直流電壓等級(jí)互聯(lián)電網(wǎng)，以此設(shè)計(jì)基于DCCB 技術(shù)的故障隔離對(duì)策，完成電網(wǎng)運(yùn)行控制的設(shè)計(jì)。但該方法在控制穩(wěn)定性方面略有不足，運(yùn)行過程時(shí)常產(chǎn)生崩潰等問題。文獻(xiàn)[2]提出多電壓等級(jí)直流配電網(wǎng)的去中心化雙向壓力支撐管理策略，利用分散型歸一化電流進(jìn)行平方差控制，通過儲(chǔ)能型自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的下垂管理，使各個(gè)線路母接通壓力差在歸一化角度下相同，完成對(duì)各個(gè)電壓等級(jí)直流電網(wǎng)的統(tǒng)一調(diào)度管理，此方法在控制過程中運(yùn)算量巨大，控制能力不足。

為了使控制結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，提高電網(wǎng)運(yùn)行控制能力，設(shè)計(jì)了區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)。

1 電網(wǎng)接線方式

為了消除地中電流所引起的電腐蝕問題，該文分別針對(duì)單極直流電與雙極直流電接線方式，通過區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)接線操作實(shí)現(xiàn)運(yùn)行控制[3-4]。

1.1 單極接線

單極直流輸電接線方式為負(fù)極型，利用兩條引線組成直流雙極性輸出電路，因此該文采用金屬回線方式進(jìn)行接線，過程如式（1）所示：

其中，D表示換流變壓器數(shù)值；f1表示直流輸電線路總量；ei表示第i條直流輸電線路的平波電抗器電阻。單級(jí)金屬回線連接方式如圖1 所示。

圖1 單級(jí)金屬回線連接方式

由圖1 可知，用一條金屬回線取代在單極回線線路上的位置導(dǎo)線，當(dāng)直流供電系統(tǒng)正常工作時(shí)，由于地中并無電流通過，能夠避免因地輸出電流而引起的電化學(xué)傳感器腐蝕和直流變壓器磁飽和的問題[5]。

1.2 雙極接線

雙極直流輸電通過兩端中性點(diǎn)接地的正負(fù)兩極線路，與兩端換流站之間的正負(fù)兩極關(guān)系相連接，形成直流的閉環(huán)電路[6-7]。接線原理如式（2）所示：

其中，M表示雙極換流變壓器數(shù)值；m表示雙極直流輸電線路數(shù)量；cj表示第j條雙極直流輸電線的線路電阻；aj表示第j條雙極直流輸電線的換流器電阻[8]。連接方式如圖2 所示。

圖2 雙級(jí)金屬回線連接方式

在正常工作時(shí)，直流電流的主要路徑是正負(fù)兩個(gè)極線，正負(fù)兩極關(guān)系與地轉(zhuǎn)換電源中的電流相反，地轉(zhuǎn)換電源輸出是正負(fù)兩極的輸出電壓之差[9-10]。因此雙極中每個(gè)極都形成一個(gè)單獨(dú)工作的雙單極交流輸電系統(tǒng)，而雙極的電壓和輸出并不相同。當(dāng)雙極壓力和電流都相同時(shí)，由于無電流通過，因此避免地中額定電流所造成的電氣腐蝕問題出現(xiàn)[11]。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 換流器設(shè)計(jì)

該文采用IAK-128 型換流器，其功能是實(shí)現(xiàn)交流和直流的相互轉(zhuǎn)換。換流器是區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 換流器結(jié)構(gòu)

該文使用的換流器回路為三相橋式回路，由六條橋臂構(gòu)成。每一條橋臂由一百個(gè)并聯(lián)的晶閘管模塊構(gòu)成，橋臂之間能從陽(yáng)極向陰極單方向?qū)?。三相換流機(jī)上的六根閥臂均按時(shí)間順序編號(hào)，閥1、閥3 和閥5 構(gòu)成上半橋，閥2、閥4 和閥6 構(gòu)成下半橋。其中，閥1 和閥4、閥3 和閥6、閥2 和閥5，依次組成了三個(gè)閥對(duì)。閥對(duì)的中央端子為橋的交換端子，并各自相應(yīng)地接通到換流變壓器的三相，完成交流與直流的轉(zhuǎn)換[12-13]。

2.2 逆變器設(shè)計(jì)

該文選用JKI-1092 系列逆變器，其主要功能是將加在閥上的交流工作電壓在負(fù)半周時(shí)將閥導(dǎo)通，并分析電流逆變狀態(tài)。當(dāng)控制系統(tǒng)工作時(shí)，直流平均電壓為負(fù)。逆變器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 逆變器結(jié)構(gòu)

當(dāng)電流經(jīng)過負(fù)半周導(dǎo)致晶閘管關(guān)斷后，如果再次施加正向電壓并且提供足夠的正向電流，晶閘管會(huì)重新導(dǎo)通[14-15]。

3 直流電網(wǎng)運(yùn)行控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 功率調(diào)制功能

調(diào)制直流輸電線路中所輸入的功率，能夠有效提升該系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。該系統(tǒng)利用直流功率調(diào)制對(duì)兩端系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻，以調(diào)節(jié)兩個(gè)地區(qū)間的交流功率變化，如式（3）所示：

其中，r表示系統(tǒng)總功率；r1表示正極端功率；r2表示負(fù)極端功率。

當(dāng)直流一側(cè)的交流區(qū)域出現(xiàn)擾動(dòng)后，功率調(diào)制可以協(xié)助其迅速進(jìn)行頻譜恢復(fù)，過程如式（4）所示：

其中，W表示交流系統(tǒng)負(fù)荷；R表示交流電纜電阻；E表示應(yīng)急頻率。當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)喪失發(fā)電功能、整流側(cè)交流系統(tǒng)甩負(fù)荷或交直流并行輸電系統(tǒng)的交流電纜出現(xiàn)問題時(shí)，應(yīng)急頻率提高；而當(dāng)整流側(cè)交流系統(tǒng)喪失發(fā)電功能或逆變側(cè)交流系統(tǒng)甩負(fù)荷時(shí)，應(yīng)急頻率回降。

3.2 定電流控制功能

在定電流控制功能中主要控制定電流，定電流控制器還能夠控制直流發(fā)輸電的工作電壓，并控制直流輸入功率和直流功率調(diào)節(jié)，以提高控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。其中定電流控制的原理如式（5）所示：

其中，K表示輸出電流；L表示直流輸入功率；I表示直流電流。

對(duì)比直流電流互感器所測(cè)量的直流電流額定值與整定值，將偏差放大，放大后的輸出功率經(jīng)過調(diào)整相位控制電路，改變整流器的觸發(fā)角度，將偏差降低，保證額定值小于或接近整定值。系統(tǒng)直流電流傳感器正常工作后，若系統(tǒng)輸出的真實(shí)數(shù)值偏低，則定電流控制器可將接觸角向5°角度偏移；若直流電流過高，則控制器就會(huì)改變接觸角度并向160°角度偏移。具體過程如式（6）所示：

其中，P表示傳感器輸出數(shù)值；A表示系統(tǒng)實(shí)際電流。

在整流側(cè)，定電流傳感器的數(shù)據(jù)為電流密度整定值和與實(shí)際電流的誤差，誤差驅(qū)動(dòng)控制器所獲得的數(shù)據(jù)為接觸角度的相關(guān)信息，控制器的數(shù)據(jù)為觸發(fā)延遲角的指示值[16]。

3.3 定電壓控制功能

定電壓控制器的基本構(gòu)造與定電流控制器相似。定電壓控制器在工作中自動(dòng)改變換流器的接觸角，保持直流線路送端或受端的電流在規(guī)定范圍內(nèi)。直流電壓調(diào)節(jié)器通過一個(gè)動(dòng)態(tài)電流限值調(diào)節(jié)。直流切換電源開路時(shí)會(huì)產(chǎn)生過高的直流電壓，整流環(huán)節(jié)內(nèi)側(cè)電流調(diào)整裝置參與調(diào)整，利用調(diào)節(jié)設(shè)備所產(chǎn)生的控制信號(hào)提高觸發(fā)角，以達(dá)到控制定電壓的目的。具體過程如式（7）所示：

其中，V表示控制電壓；U表示整流環(huán)節(jié)內(nèi)側(cè)電流。

定電壓輸出系統(tǒng)更有助于受端交流系統(tǒng)的穩(wěn)定[17]。當(dāng)受端交換裝置遭受干擾，接入電流下降，直流系統(tǒng)電壓降低，直流電流增加，逆變器相角加大。由于換相角加大，逆變器的功率因數(shù)減少，所耗費(fèi)的無功功率也加大，導(dǎo)致逆變站接入電流減少。具體過程如式（8）所示：

在執(zhí)行定電壓控制功能時(shí)，當(dāng)受端電網(wǎng)的交換壓力降低而引起直流線路壓力下降時(shí)，為保持直流壓力恒定不變，電流調(diào)制器將降低逆變器相角，使逆變器的功率因數(shù)增加，消耗的無功功率控制減少，有助于接通后電流的恢復(fù)以及阻尼器電流的振蕩控制。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選用的換流站共有兩組，分成A、B 兩組。其中，A 組換流站的母線電壓為550 V，與系統(tǒng)產(chǎn)生的交換無功為-220 MVAr；B 組的母線電壓為520 V，與系統(tǒng)產(chǎn)生的交換無功為-100 MVAr。當(dāng)換流站工作時(shí)，產(chǎn)生的直流電壓為800 V，直流電流為400 A，功率為500 MW，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生切機(jī)負(fù)荷，工作頻率在45～55 Hz 之間，實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

以傳統(tǒng)的基于綜合能源分析的控制系統(tǒng)、直流配電網(wǎng)的分散式控制系統(tǒng)為對(duì)照進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別在低壓（36～220 V）、高壓（10～220 kV）、超高壓（330～750 kV）三個(gè)等級(jí)進(jìn)行控制，分析不同控制系統(tǒng)的控制能力。

觀察圖6 可知，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在低壓控制過程中存在較大的局限性，該文提出的控制系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)要求基本吻合，控制吻合度達(dá)95%。

圖6 低壓控制結(jié)果

由圖7 可知，在高壓狀態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)電壓的要求較小，但是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)受到高壓的沖擊，出現(xiàn)極大的波動(dòng)，無法保證系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性。而該文提出的控制系統(tǒng)的控制吻合度可達(dá)97%。

圖7 高壓控制結(jié)果

根據(jù)圖8 可知，超高壓狀態(tài)下，電網(wǎng)的運(yùn)行情況較差，傳統(tǒng)系統(tǒng)控制下的電壓波動(dòng)范圍較大，電網(wǎng)運(yùn)行過程容易出現(xiàn)安全事故。而該文提出的控制方法與標(biāo)準(zhǔn)要求吻合度為98%，具有很強(qiáng)的控制能力。

圖8 超高壓控制結(jié)果

5 結(jié)束語

控制系統(tǒng)在多電壓直流輸電系統(tǒng)中具有非常關(guān)鍵的地位，決定了整個(gè)直流控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，該文設(shè)計(jì)了一種區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)，提出在單極和雙極狀況下的接線方法為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，硬件部分選擇了IAK-128 型換流器和JKI-1092 系列逆變器，而軟件部分包括了三個(gè)基本控制功能，分別是功率調(diào)節(jié)功能、定電流控制功能和定電壓控制功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，電壓控制吻合度更高，滿足標(biāo)準(zhǔn)電壓要求，說明該系統(tǒng)的區(qū)域互聯(lián)多電壓等級(jí)直流電網(wǎng)運(yùn)行控制能力較強(qiáng)。