UHVDC多信號直流調制提高系統暫態穩定性的研究

嚴棟，蔣平，劉建坤，趙靜波

(1.東南大學電氣工程學院，江蘇南京210096；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

我國能源和負荷的地理分布不均，決定了我國要解決電力供應的問題，就必須充分發揮電網的互補調劑及區域負荷錯峰作用[1]。特高壓直流輸電（UHVDC）是±500kV高壓直流（HVDC）之上采用更高一級電壓等級（±800kV）的直流輸電技術。其電壓等級更高、傳輸功率更大，能更大地降低線路損耗。但UHVDC的性能極大地依賴于控制系統[2]。制定一個可行、可靠的控制策略十分重要而且必要。綜合目前交直流互聯系統的暫態穩定控制策略，UHVDC的直流調制得到了極大關注。文獻[3]研究了交直流混聯系統的直流快速調制對暫態穩定的貢獻。文獻[4]提出了一種HVDC暫態穩定控制策略參與交直流并聯系統的功率調節。文獻[5]研究了交直流互聯電網直流功率調制相關問題，包括直流功率調制信號的選擇、直流調制控制器的設計及其參數協調優化等。文獻[6]采用雙側頻率調制改善送端交直流系統的暫態穩定性。文獻[7]研究了直流系統在一定的控制方式下，調制增益的變化對系統暫態穩定裕度及直流系統的影響。然而，傳統的直流調制一般僅采用單個控制信號進行調制，網絡規模較大時，調制效果可能不能令人滿意。文中在UHVDC基本控制功能的基礎上，制定附加控制策略，設計了多信號直流調制控制器并采用極點配置法整定控制器參數。通過在PSCAD/EMTDC仿真軟件中建立電磁暫態仿真模型，驗證了UHVDC提高交流系統暫態穩定性的效果。

1 直流調制基本原理

直流功率調制[8]的原理是在已有的直流輸電控制系統中加入附加的直流調制器，從交流系統中提取反映系統異常的信號，調節直流輸電線路傳輸功率，使之快速吸收或補償其所連交流系統中的功率過剩或缺額，起到緊急支援和阻尼振蕩的作用。

UHVDC的直流調制提高系統穩定性的作用可用圖1所示的等面積法則說明。

未采用直流調制的交流系統功角特性如圖1（a）所示，直流功率在故障后僅恢復故障前水平，交流系統獲得的減速能量無明顯增加，系統有可能失穩。而采用直流功率調制后的交流系統功角特性如圖1（b）所示，直流功率在故障后通過調制功能提升了傳輸的直流功率，使交流系統獲得的減速能量增加，交流系統保持穩定的可能性大大增加。

好的調制效果要求所選取的調制信號中必須包含系統的被控模態。在某些情況下，為獲得好的調制效果，所選取的調制信號應由反映系統實時狀態的信號組成，而不應只局限于某一個信號。直流功率調制可選用下列參數作為輸入信號。

（1）發電機角頻率調制。研究表明，直流功率的變化可由某臺發電機的角速度變化量Δω決定。

（2）雙側頻率功率調制。頻率是表征系統有功功率是否平衡的一個關鍵量[6]。當系統發生故障（如短路、斷線）后，有功功率將無法保持平衡，從而引起系統頻率的變化。

（3）交流線功率信號調制。正常運行時，系統的潮流一般不會發生明顯變化；而當發生故障時，系統潮流會發生重新分配，交流線路上傳輸的功率會有劇烈變化。

以上各單信號調制各有優缺點。為充分發揮各信號的優勢，取得更好的控制效果，采用多信號直流控制器，將上述單信號進行加權綜合。

2 直流調制控制器設計

2.1 單信號控制器設計及參數整定

對采用不同調制信號的直流調制控制器進行設計和參數整定時，采用極點配置的方法。在交直流系統中，以直流電流整定值增量ΔI作為控制變量，附加控制的調制信號為被控變量ΔX（即直流調制的調制信號）。則ΔI到ΔX的開環傳遞函數G（s）框圖如圖2（a）所示。引入ΔX作為反饋變量，系統閉環傳遞函數Gc（s）框圖如圖2（b）所示。

圖2 系統傳遞函數框圖

系統的閉環傳遞函數為：

其中：G（s）=G1（s）G2（s）。

由上式可知，閉環系統的特征方程為：

假設加入反饋補償環節后閉環系統的期望主導極點為sd，則有：

因此H（s）在s=sd處的幅值和相角可通過系統開環傳遞函數G（s）在s=sd處的幅值和相角求得。根據該結果可求出相應于期望主導節點的直流調制器的補償幅值與相位，整定調制器參數。

系統開環傳遞函數可利用測試信號法[9]來擬合。首先在電流附加控制環節上施加一系列小信號振蕩電流。對系統進行機電暫態仿真直至達到穩態，提取公共周期內的數據ΔItest和ΔX。進行傅里葉分解，得到不同頻率下的相量ΔI˙test（kω0）和ΔX˙（kω0）。對所有的kω0計算在此頻率下的傳遞函數：

最后通過擬合得出G（s）的解析表達式。

在求得系統開環傳遞函數表達式后，即可求出系統區域間振蕩模式的頻率和阻尼比,選擇期望的主導極點。從而求出直流調制器的補償幅值和相位，整定控制器參數。

設計的功率調制器如圖3所示。包含隔直環節、比例放大環節、1～3階的超前-滯后環節、限幅環節。

圖3 功率調制器控制框圖

隔直環節中，Tw通常取10s，目的是將輸入信號中的直流成分濾除。比例放大環節和超前-滯后環節的參數根據前述的測試信號法進行整定，限幅環節一般取-50%～50%。

2.2 多信號控制器的設計

多信號控制器采用加權綜合的方法。權值分配通過每組單信號控制增益調節實現。控制框圖如圖4所示。其中，各通道的參數可通過上節中的測試信號法進行整定，K1～K3聯合運行參數的選取可通過多次仿真確定最佳參數配置。

圖4 多信號控制器框圖

發電機的角頻率信號對于發電機功角擺動具有良好的模態可觀性和可靠性，因此與另2種調制信號相比，引入發電機的角頻率信號對減弱功角搖擺以及防止轉子失步具有更好的效果。但該調制方法僅反映局部的運行狀態，具有一定的局限性。

引入換流站兩側的頻差信號在提高交流穩定性和阻尼振蕩也能夠收到較好的效果，且能即時反映整個網絡的頻率狀況，對整個網絡有較好的監測與控制作用。不過母線頻率信號需要通過鎖相環間接測量，其測量過程中會產生一定的誤差，并可能會受到諧波以及電網其他擾動的影響，且測量器件的參數對調制效果也有一定的影響。

引入交流線上傳輸功率信號在提高交流穩定方面的作用并不如上述2種信號明顯，但功率信號的測量簡單，成本較低，在規模不大的網絡中引入重要交流聯絡線的功率作為調制信號也有一定意義。

事實上，在廣域測量系統中，發電機角速度信號可以取多臺重要發電機的角速度，交流線功率變化量信號可以取多條重要聯絡線的功率變化。在發生故障時，通過系統電氣量變化估算故障的距離，動態調節多信號權值，改變UHVDC的電流指令，給予系統功率支援，提高系統暫態穩定性。

3 直流調制控制器的仿真

錦屏—蘇南特高壓直流工程[10]預計將在2012年建成投運。屆時將有7200MW電能從四川水電基地送至江蘇電網，對江蘇電網的運行方式和穩定性將帶來重大影響。為驗證直流調制控制器在實際電網中的作用，通過PSCAD/EMTDC軟件建立含直流調制控制器的UHVDC仿真模型及江蘇電網等值模型，進行仿真研究。

3.1 模型建立

在PSCAD/EMTDC環境中建立一個雙12脈動閥組串聯接線的7200MW特高壓直流輸電模型。送電端采用交流電源模型，即為一無窮大電網；受電端采用江蘇交流網等值模型，如圖5所示。

基本控制系統采用CIGRE標準測試系統[11]，整流側由定電流控制和最小觸發角限制組成；逆變側配有定電流控制和定關斷角控制，但無定電壓控制。此外，整流側和逆變側都配有低壓限流環節（VDCOL），可以減小換相失敗的可能性，并降低直流功率同時減小對交流系統無功的需求，逆變側還配有電流偏差控制（CEC）。

該仿真系統中，附加阻尼控制系統采用三通道信號調制，分別為諫壁電廠發電機角頻率信號、UHVDC兩側交流系統頻率差信號和過江斷面功率變化信號作為直流調制的控制信號。

3.2 仿真結果分析

在江蘇電網晉陵節點設置一個時長0.1s的金屬性瞬時三相短路的大擾動，對UHVDC的直流調制進行仿真比較。故障后諫壁電廠發電機功角（取對沙洲電廠發電機的相對功角）搖擺曲線圖6所示。

可見，加入直流功率調制后，諫壁電廠的發電機功角搖擺衰減速度均有不同程度的提高。UHVDC的直流功率調制對江蘇電網暫態穩定性的提高有一定作用。

3種調制信號各有優缺點。將3種調制信號進行加權綜合輸出的調制信號，既能反映全網的運行狀況，也反映重要發電機的功角變化，具有更好的調制效果。

采用3種信號加權綜合調制后（K1=1.6，K2=0.5，K3=0.2），調制效果如圖7所示，諫壁電廠的發電機功角第一擺有了更明顯的下降，達到穩態的時間也有縮短，提高了交流系統的暫態穩定性。

4 結束語

文中主要研究了直流調制器的設計與基于極點配置法的控制器參數整定，提出了多信號綜合調制的直流調制方法。通過PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件，對錦屏-蘇南特高壓直流輸電工程接入江蘇交流網進行了仿真。仿真結果表明，文中設計的直流調制控制器能夠有效地提高交直流互聯系統中交流系統的暫態穩定性，減弱故障后發電機功角搖擺。采用多種信號綜合調制的控制方法能夠發揮各種信號的優勢，具有更好的調制效果。

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