HVDC輸電系統(tǒng)控制方式對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響

黨 克，翟旭京，畢曉龍

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

在HVDC輸電系統(tǒng)中，換流站消耗的無功功率約為直流輸送有功功率的一半左右。無功功率大量缺額導(dǎo)致了電力系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定，因此減少換流站的無功消耗對(duì)提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性至關(guān)重要。HVDC輸電系統(tǒng)內(nèi)換流器的控制方式和無功消耗有直接關(guān)系，所以根據(jù)負(fù)荷的變化以及電力系統(tǒng)狀態(tài)選擇合適的換流器控制方式，可以達(dá)到減小換流器無功損耗和提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性的目的。本文采用定無功非線性變結(jié)構(gòu)控制，在很大程度上提高了電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

1 HVDC輸電系統(tǒng)基本控制方式

在交直流混合系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)行方式，換流器要采用不同的控制方式，換流器通常使用的控制方式如表1所示。由于電壓和有功弱耦合，與無功強(qiáng)耦合，因此確定了直流系統(tǒng)換流器控制方式對(duì)逆變側(cè)消耗無功功率的影響，也就確定了換流器控制方式對(duì)受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響。

表1 換流器的控制方式Tab.1 converter control method

逆變側(cè)采用定電壓控制時(shí)，為了維持電壓恒定，需要提供大量的無功支持和投入大量的無功補(bǔ)償設(shè)備，雖然能保證電壓穩(wěn)定，但是大大增加了無功補(bǔ)償設(shè)備投資費(fèi)用［1］。當(dāng)逆變側(cè)換流器采用定熄弧角控制時(shí)，則有:

式中:γs為熄弧角;Id為直流電流;Xc為直流系統(tǒng)的等值電抗;Ei為逆變側(cè)電壓;β為觸發(fā)越前角。

式中:φ為功率因數(shù)角;γ為熄弧角。由式(1)可得

當(dāng)負(fù)荷容量增加使交流母線電壓Ei下降時(shí)，由式(2)可知，逆變側(cè)的功率因數(shù)降低，逆變側(cè)消耗的無功功率增加，形成惡性循環(huán)將導(dǎo)致交流母線電壓的進(jìn)一步跌落，此種控制方式不利于受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。

在傳統(tǒng)的HVDC輸電系統(tǒng)中，整流側(cè)的基本控制量是直流電流，整流側(cè)換流器通常采用定有功功率控制和定燃弧角控制;逆變側(cè)的基本控制量是直流電壓，整流側(cè)換流器通常采用定熄弧角控制和定直流電壓控制。若逆變側(cè)采用定熄弧角控制，當(dāng)系統(tǒng)狀況惡化時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器換相失敗，從而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓崩潰;當(dāng)逆變側(cè)采用定電壓控制時(shí)，為了維持電壓恒定［2］，需要消耗較多的無功功率，換流器的利用率較低，經(jīng)濟(jì)性不高。

2 在逆變側(cè)采用非線性變結(jié)構(gòu)控制器的定無功電流控制

傳統(tǒng)的逆變側(cè)控制方式是定熄弧角控制和定電壓控制，控制器的設(shè)計(jì)都是在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行偏微分近似線性化，然后據(jù)此設(shè)計(jì)比例－積分(PI)控制器或比例－積分－微分(PID)控制器。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生較大變化時(shí)，這種控制器很難對(duì)系統(tǒng)起到有效的控制作用［3］。本文采用定無功電流非線性變結(jié)構(gòu)控制，當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生較大變化時(shí)，能夠在較大范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)的電壓起到調(diào)節(jié)作用。

由系統(tǒng)的線性化模型，可以采用成熟的變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計(jì)切換函數(shù)，實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)控制，從而求得控制變量v1、v2。對(duì)多輸入的線性系統(tǒng)z·1=Az+BzV，可以簡化為

取線性切換函數(shù)為

切換函數(shù)表示為

且有

把向量分解可以得到變結(jié)構(gòu)的控制規(guī)律為:

在原有控制方式的基礎(chǔ)上，整流側(cè)仍采用原有的定電流控制方式，逆變側(cè)改用定無功電流控制，提取無功電流作為反饋信號(hào)，能在很大程度上提高電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，將非線性變結(jié)構(gòu)控制器應(yīng)用在換流器控制上，同時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的控制律進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，并與傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行比較，以證明該控制器能更好地保持電壓穩(wěn)定。

4 仿真試驗(yàn)

在MATLAB中建立如圖1所示的仿真模型，該系統(tǒng)中有兩個(gè)等效的交流系統(tǒng)S1和S2通過變壓器接于交直流混合系統(tǒng)，AC line1、AC line2為500 kV交流輸電線路，AC line3為330 kV交流輸電線路，DC line為直流輸電線路，L為動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型。

圖1MATLAB的仿真模型框圖Fig.1 MATLAB simulation model

考察線路AC line2靠近T250 km的F1處發(fā)生三相短路故障，逆變側(cè)交流電壓下降的過程中，當(dāng)逆變側(cè)換流器采用定熄弧角控制時(shí)，逆變站換流器吸收無功功率的情況如圖2所示;當(dāng)逆變側(cè)換流器采用定無功電流控制時(shí)，逆變側(cè)換流器吸收無功功率的情況如圖3所示。

由圖2、圖3可知，在逆變側(cè)采用定熄弧角控制下，由于某種原因?qū)е履孀儌?cè)交流電壓降低時(shí)，逆變側(cè)吸取的無功功率反而增大，兩者變化趨勢(shì)相反，由電壓穩(wěn)定理論可知，這將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致電壓崩潰;在逆變側(cè)采用定無功電流控制方式下，由于某種原因?qū)е履孀儌?cè)交流電壓下降時(shí)，逆變站吸取的無功功率相應(yīng)減少，顯然這會(huì)促進(jìn)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定［4］。由此得出在逆變側(cè)換流器采用定無功電流控制能有效地促進(jìn)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定［5］。

圖2 逆變側(cè)定熄弧角控制下無功功率的變化情況Fig.2 Situation changes of reactive power under constant extinction angle control in inverter side

圖3 逆變側(cè)定無功電流控制下無功功率的變化情況Fig.3 Situation changes of reactive power under constant reactive current control in inverter side

考察整流側(cè)在線路AC line2靠近T250 km的F1處發(fā)生三相短路故障，逆變側(cè)交流電壓下降的過程中，當(dāng)逆變側(cè)換流器采用定熄弧角控制和定無功電流控制時(shí)，整流側(cè)及逆變側(cè)電壓電的變化過程如圖4、圖5所示。

考察整流側(cè)在線路AC line3靠近T250 km的F2處發(fā)生三相短路故障，逆變側(cè)交流電壓下降的過程中，當(dāng)逆變側(cè)換流器采用定熄弧角控制和定無功電流控制時(shí)，整流側(cè)及逆變側(cè)電壓電的變化過程如圖6、圖7所示。

圖4 故障1時(shí)整流側(cè)交流電壓Fig.4 Fault 1 AC voltage in rectifier side

圖5 故障1時(shí)逆變側(cè)電壓Fig.5 Fault 1 voltage in inverter side

圖6 故障2時(shí)整流側(cè)電壓Fig.6 Fault 2 voltage in rectifier side

圖7 故障2時(shí)逆變側(cè)電壓Fig.7 Fault 2 voltage in inverter side

由仿真結(jié)果可以看出，不管是在整流側(cè)發(fā)生故障還是在逆變側(cè)發(fā)生故障，逆變側(cè)交流電壓波動(dòng)都比較嚴(yán)重。在逆變側(cè)采用定無功電流控制后，改善了整流側(cè)和逆變側(cè)的交流電壓。而且采用非線性變結(jié)構(gòu)控制能較傳統(tǒng)的PI控制使系統(tǒng)更快地在干擾后恢復(fù)穩(wěn)定，使電壓的波動(dòng)幅度減小［6］，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

采用非線性變結(jié)構(gòu)控制器的定無功控制方式能夠減小系統(tǒng)電壓波動(dòng)，縮短電力系統(tǒng)電壓的恢復(fù)時(shí)間，改善電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性能。

［1］ 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制［M］.北京:科學(xué)出版社，1998.LI Xingyuan.Operation and control of HVDC transmission system［M］.Beijing:Science Press，1998.

［2］ 于汀，胡林獻(xiàn)，姜志勇.多端直流系統(tǒng)接線和控制方式對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(2):87 －91.YU Ting，HU Linxian，JIANG Zhiyong.Impacts of connection and control modes of multi－terminal DC power transmission system on transient stability［J］.Power System Technology，2010，34(2):87－91.

［3］ 陳海榮，徐政.適用于 VSC－MTDC系統(tǒng)的直流電壓控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(19):28 －33.CHEN Hairong，XU Zheng.DC voltage control strategy for VSC －MTDC system［J］.Automation of Electric Power Systems，2006，30(19):28－33.

［4］ 阮思燁，李國杰，孫元章.多端電壓源型直流輸電系統(tǒng)的控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(12):57 －60.RUAN Siye，LI Guojie，SUN Yuanzhang.A control strategy for multi－terminal VSC －HVDCsystme［J］.Automation of Electric Power Systems，2009，33(12):57 －60.

［5］ 劉曉明，慈文斌，劉玉田.直流控制方對(duì)受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性影響［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(4):69－73.LIU Xiaoming，CI Wenbin，LIU Yutian.Influence of DC system control mode on voltage stability of receiving－end power grid ［J］.Electric Power Automation Equipment，2011，31(4):69－73.

［6］ 王鵬.HVDC系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析［D］.成都:四川大學(xué)，2003.WANG Peng.Voltage stability analysis of HVDC systems［D］.Chengdu:Sichuan University，2003.