應用于電磁環網的柔性直流輸電系統與穩定控制措施的協調控制

林成，馬覃峰，瞿艷霞，時伯年，歐陽可鳳，康鵬，孫斌，趙維興

(1. 貴州電網有限責任公司電力調度控制中心，貴陽市 550002；2. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京市100085)

應用于電磁環網的柔性直流輸電系統與穩定控制措施的協調控制

林成1，馬覃峰1，瞿艷霞2，時伯年2，歐陽可鳳1，康鵬1，孫斌1，趙維興1

(1. 貴州電網有限責任公司電力調度控制中心，貴陽市 550002；2. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京市100085)

首先分析了電磁環網存在的安全穩定問題及柔性直流輸電系統(簡稱“柔直”)的特性，之后分析了柔直接入電磁環網后柔直與穩定控制措施(簡稱“穩控”)協調控制的必要性，并給出了柔直與穩控協調控制的方法及措施量的計算原則和針對暫態穩定的協調控制措施量的計算方法。基于等面積法則計算協調控制措施量的過程中，考慮了柔直、穩控的控制動作延時及系統電抗的影響因素，使計算結果更加精確，可最大程度利用柔直容量對暫態過程中的系統進行有功及無功功率支撐。利用BPA仿真工具建立柔直接入電磁環網的機電仿真模型。仿真結果表明：應用于電磁環網的柔直與穩控協調控制，減少了傳統穩控措施的切機總量，并改善了交流系統電壓穩定性，具有良好的工程實用價值。

電磁環網；柔性直流(VSC-HVDC)；暫態穩定；穩控措施；協調控制

0 引 言

在高電壓等級網架建設過程中會形成若干電磁環網?？紤]到供電可靠性、輸電能力等因素,有些電磁環網不具備解環條件,從而給系統安全穩定運行帶來一定風險。文獻[1]表明，電磁環網合環運行時，當高壓線路因故障斷開，潮流會突然轉移到低壓側，通常存在如下穩定性相關問題。

(1)暫態穩定問題。電磁環網低壓側輸電線路靜態穩定極限功率遠小于高壓線路的，同時系統間聯絡阻抗的增加，導致極限功率更低。另一方面，高壓側輸電線路上的潮流向低壓線路轉移，低壓線路上的有功功率很可能超過靜態穩定極限，引起兩側系統間的功率振蕩，影響穩定運行。

(2)熱穩定問題。低壓側線路可能過載運行。

(3)電壓穩定問題。線路電感上的無功消耗與電流的平方成正比。潮流轉移使得低壓線路上電流增大而消耗過多的無功功率時，線路上的壓降可能會導致電壓穩定問題。

目前，電磁環網存在的穩定性問題主要依靠穩定控制措施(簡稱“穩控”)協解決。傳統的電磁環網缺乏可控性和靈活性，事故后由穩控措施切除整個負荷和機組，導致執行措施量不連續，易引起欠切或過切，代價較大。柔性直流輸電系統(簡稱“柔直”)采用了全控型電力電子器件，具有快速潮流控制、動態無功支撐、多端口協調運行、防止故障范圍擴大等多方面優勢。文獻[2-3]指出，柔直在舟山電網投運后，柔直的動態有功及無功支撐使得系統擾動時舟山電廠功角擺動幅度有所減小。本文主要研究柔直與電磁環網并聯連接區域電網與主網的場景下，存在的穩定性問題及柔直與穩控的協調控制方案，并給出柔直與穩控協調控制的措施量的計算原則。仿真結果表明，柔直與電磁環網并聯運行方案可較大提升該地區輸送能力，且本文所提出的柔直與穩控措施的協調控制方案具備可行性和有效性。

1 柔直與穩控的協調控制

1.1 柔直的控制特性及接入電磁環網的接線方式

柔直換流站在交流電網側相當于一個幅值和相角可控的交流電壓源，可同時對有功和無功類電氣量進行解耦控制。柔直可以瞬時地在PQ平面的4個象限內實現有功功率、無功功率的獨立控制[4]。

正常運行時，為了維持系統有功功率和直流電壓的穩定，當兩端柔直的一端采用定有功功率和定交流電壓(或定無功功率)的控制方式時，另一端則采用定直流電壓和定交流電壓(或定無功功率)的控制方式。采用定交流電壓的控制方式時，柔直控制器可跟蹤母線電壓參考值動態調節換流器與交流系統交換的無功功率，以實現將交流系統電壓幅值保持在規定范圍內的控制目標。

柔直具備的上述特性，使得其可被視為無轉動慣量的發電機或電動機，起到了靜止無功補償器的作用。柔直的有功與無功功率輸出響應時間通常在ms級。其快速響應能力使得柔直裝置能夠在故障后的第一擺時間內提供功率支撐，有利于增強第一擺的穩定，延緩發電機加速過程、提升電網暫穩功角穩定性。利用動態無功補償快速響應的特點，可有效緩解枯水期大方式下局部地區無功不足的問題。特別地，可以在故障狀態下提供充裕的無功支撐，維持電網在高電壓水平運行，提升暫態電壓穩定能力，增強抵御電網大事故的能力。

柔直接入電磁環網的2種接線方式，即柔直與電磁環網低壓側串聯接入和柔直與電磁環網低壓側并聯接入，如圖1所示。工程應用中，柔直較高的建設成本和設備成本，導致短期內計及經濟性時，其可選容量遠低于電磁環網低壓側線路輸送的極限容量。若采用柔直與低壓側線路串聯方式，相當于利用柔直將電磁環網低壓側解環，使故障后兩側電網隔離，也解決了母線短路電流較大、保護難于整定等問題。但是，由于柔直裝置沒有過負荷能力，孤網一側的功率或電源缺額較大，依據功率平衡原則計算得到的穩控措施可能比傳統電磁環網更嚴重，即更多機組或負荷要被切除。因此，對于電磁環網高壓側線路地處山火、泥石流等自然災害頻發區域的情況，不建議采用柔直串聯接入。在某些沒有上述短路電流等問題，且柔直容量選擇受資金、土地等條件約束、穩定問題突出及負荷重要性級別較高的地區，通常采用柔直并聯接入電磁環網方式。本文主要針對柔直與低壓側并聯方式，研究在保留電磁環網完整性前提下，如何最大限度利用柔直為系統提供有功及無功支撐，即重點研究高壓側在故障后斷開時柔直與穩控的協調控制。

圖1 電磁環網中柔直接入的2種接線方式

1.2 柔直與穩控的協調控制方案

柔直通過并聯方式接入電磁環網時，當高壓側雙回線路發生N-2故障后，通過合理利用柔性控制器的有功控制能力，使柔直分擔交流線路的一部分功率，可減少穩控措施所要求的切機或切負荷的措施量，有利于緩解潮流轉移導致的過載及暫穩問題。針對潮流轉移中出現的低電壓或其他遠端故障中出現的電壓問題，通過柔性環網控制器的控制，起到無功補償與電壓支撐的作用。本文主要研究基于廣域數據的協調控制方法，即通過廣域數據實時計算分配柔直與穩控的措施量。基于廣域數據的協調控制方法有助于優化穩控措施，增加系統可控性，提高系統電能質量，提升輸送容量。

2 柔直與穩控協調控制的量化分析

在通常情況下，電壓穩定性和功角穩定性很難從機理上完全分開，暫態電壓穩定與暫態功角穩定有聯系，而變化過程緩慢的電壓穩定則與小干擾功角穩定有關。當然，在許多情況下是某種失穩形式占主導地位，IEEE報告中給出了2種極端情況[5]，如圖2所示：(1)遠方的一臺同步發電機通過輸電線路接入無窮大系統(純功角穩定問題)；(2)一個無窮大系統通過輸電線路連接負荷(純電壓穩定問題)。

圖2 表示穩定問題極端情況的簡單系統

電壓穩定本質上屬于負荷穩定問題，而功角穩定本質上為發電機穩定問題。在電磁環網中的大量仿真表明，如果是大電源通過電磁環網連接主網，主要的穩定性問題為功角穩定問題；如果是系統經電磁環網向大負荷輸送功率，主要問題為電壓穩定問題。因此針對電源、電磁環網和主網的不同連接形式，穩控措施量的計算分配存在不同的特點。

2.1 熱穩定問題的協調控制量化分析

若電磁環網高壓側雙回線發生N-2故障后，系統存在熱穩定問題，此時可以先取消柔直無功調節限幅，使柔直控制器跟蹤交流母線電壓給出無功參考值。柔直無功調節的動作時間為ms級，交流系統電壓可以快速恢復。柔直的剩余容量可以全部向系統提供有功支撐。此時的有功最大調節能力已知，穩控動作措施量可由總措施量直接扣除掉柔直當前可調最大有功功率得到。

2.2 電壓穩定問題的協調控制量化分析

系統通過電磁環網向重負荷區輸送功率的情況下，當電磁環網高壓側雙回線發生N-2故障后，導致負荷側電壓降低時，電壓穩定問題占主導，優先考慮通過柔直提供快速交流電壓支撐，柔直剩余容量全部用來提供有功支撐。因此電壓及過載穩定問題協調措施原則相同,當判斷出系統存在電壓或過載穩定問題時，先快速解決電壓問題，電壓恢復后，柔直的剩余容量全部參與到與穩控的協調控制量分配中。

2.3 暫態穩定問題的協調控制量化分析

電源通過電磁環網向系統輸送功率，高電壓等級線路和低電壓等級線路通過變壓器連接實現并聯運行。為便于研究，將其等效為單機無窮大系統。機組與系統的等值角度差為δ。正常運行時，系統輸送斷面的功率特性為

(1)

式中：E為電源電動勢，V；U為機端電壓，V；X∑為系統阻抗，Ω。

正常運行時，系統總阻抗表示為X∑I；高壓側故障過程中，系統總阻抗表示為X∑II；高壓側雙回線發生N-2 故障后，系統總阻抗表示為X∑III。3種情況下的功率特性曲線如圖3所示，PI、PII和PIII分別為短路故障前、故障過程中和故障切除后的功率特性曲線。

圖3 功率特性示意圖

一般情況下，X∑I

圖3中，δ0點，系統發生大擾動；δk點，大擾動切除(即高壓側雙回線發生N-2故障斷開)；δt1點，柔直采取提升直流輸電功率的措施；δt2點，安全穩定控制采取切機措施；δcr點為無措施情況下的臨界角；δdp1點為柔直措施臨界角；δdp2點為穩控措施的臨界角；P0為故障前初始運行點；ΔP1為柔直措施量；ΔP2為穩控措施量。實際控制過程中需考慮動作時間延遲對控制效果的影響。一般地，按照工程經驗，柔直控制器響應時間在20～50 ms。保守計算，本文中設定故障切除到柔直動作的時間間隔為50 ms。電網安全穩定控制系統技術規范規定：穩控系統整組動作時間≤100 ms，因此設定故障切除到穩控措施實施完成時間為 100 ms。即δk點系統發生大擾動，50 ms后δt1點處柔直采取提升直流措施，再過50 ms后δt2點處安全穩定控制采取切機措施。若當前系統的P已知，則根據圖3中近似運行曲線，利用功角特性可求得相應相角值：

(2)

圖3中，S1為加速面積，S2為無措施減速面積，S3為柔直措施減速面積，S4為穩控措施減速面積。根據文獻[6]所述方法，基于相對動能原理及曲線擬合，并利用廣域數據得到故障加速面積S1與減速面積S2的差：

(3)

式中：ω0為額定頻率下的角速度，rad/s;Δω為 500 kV線路斷開時，220 kV輸電線路兩端連接的電力系統的角速度差，rad/s，可以通過廣域數據實時求得。

根據等面積準則，即當加速面積小于等于減速面積時，系統可恢復穩定運行。于是，有如下結論：

(1) 當S1-S2≤0時，柔直及穩控均不采取控制措施，系統也可以保持暫態穩定；

(2) 當0

(3) 當S3

事實上，在穩控切機措施執行后，不僅減少了輸送功率，還改變了系統電抗。由于正弦函數只是真實的功率特性曲線在一定程度上的近似，因此利用矩形面積計算S3和S4雖然偏于保守，但也符合穩定策略制定的要求[7]。計算S3和S4僅考慮矩形部分面積：

S3=ΔP1(δcr-δt1)

(4)

S4=ΔP2(δdp1-δt2)

(5)

穩控和柔直協調動作時，系統臨界穩定條件為

S1-S2=S3+S4

(6)

穩控臨界措施量等面積調整原則如圖4所示。由于柔直IGBT器件的過載能力較差，柔直措施量應不超過額定值，避免因控制原因使換流器過載及其導致的柔性裝置的器件失效。計算柔直措施量時應以柔直系統在不過載的情況下盡量多發揮有功功率的傳輸、電壓的緊急支撐為原則。此種情況下以功角失穩占主導，因此，首先假定柔直措施量ΔP1為當前柔直最大有功調節量Pmaxrz。Pmaxrz這個值可以由柔直控制系統實時給出。假定ΔP1=Pmaxrz，由公式(3)—(6)可得到穩控最小臨界切機措施量：

(7)

在切機量求解過程當中，通常將切機量ΔP2作為連續變量處理。實際上，在切機措施實施時通常是將整臺發電機切除，因此實際的切機量是一個離散變量。工程實際應用中，安全穩定控制裝置可以實時將系統中具備切機敏感性的可切機組進行組合排序，得到一組離散的切機數組[8]。根據ΔP2選擇滿足最小過切原則的一組機組切機。因此必然存在一個過切量x0，使得實際選定的機組組合切機量最接近ΔP2，ΔP2+x0即為穩控實際切機量Ps。將x0產生的減速面積的一部分(相當于圖4中的C與D的面積之一)折算到由柔直調控產生(相當于圖4的A與B的面積之和)。過切量x0對應的等效柔直調控量為PXZ。于是，穩控的起始運行點上移PXZ。如圖4所示，B=D，因此A=C。計算穩控過切產生的減速面積占用同等減速面積的修正量PXZ：

(8)

圖4中，S3、S4表示不進行面積修正時，采用柔直措施和穩控措施所對應的減速面積。其面積與圖3中S3、S4所表征的面積等同，調整后柔直與穩控的減速總面積為

SSUM>S3-PXZ(δt2-δt1)+S4+

(x0-PXZ)(δdp1-δt2)

(9)

即SSUM>S3-A+S4+C。由于A=C,因此調整后的總減速面積相比調整前圖3中的總減速面積并沒有減少。另外，在換流器額定容量一定的情況下，有功功率限幅減小，則可增大無功功率限幅，意味著將增強柔直對交流系統電壓的調節能力。柔直的交流電壓調節時間跟控制器參數及系統參數有關。實測工程中，電壓與無功調節耗時一般在100 ms內。100 ms完成電壓調節后，若實際無功功率消耗小于事先設定的無功功率限幅，則可降低無功功率限幅。與此同時，有功功率限幅可以升高。由圖4可知，增大的有功調節能力PRZ2將進一步增大減速面積。

圖4 穩控臨界措施量等面積調整

整個過程盡可能利用柔直容量增加減速面積，又參與電壓調節，最大限度地在柔直不過載的情況下發揮其穩定控制作用。

3 仿真驗證

3.1 算例說明

為了驗證本文所提出的柔直控制器與安全穩定控制措施協調控制的可行性和有效性，利用電力系統分析軟件工具(PSD-BPA)對柔直進行仿真建模。仿真所采用的系統參數為某工程實際參數，柔直系統額定直流電壓為±204 kV,換流器采用基于模塊化多電平換流器技術，換流器額定容量為300 MV·A，正常運行時設定柔直分擔電磁環網的有功功率100 MW,且不與系統交換無功功率。柔直可采用與電磁環網的220 kV側線路并聯接線方式，如圖5所示。

圖5 柔直并聯接入電磁環網簡化圖

3.2 算例分析

3.2.1 電壓及過載穩定問題的協調控制方案(情形1)

調整圖5所示電網運行方式，使得A側區域電網為重負荷區域。系統通過電磁環網向其輸送功率，500 kV和220 kV的2個電壓等級的并聯線路重載運行。當電磁環網高壓側線路雙回線發生N-2故障之后，不采取柔直及穩控措施情況下，500 kV線路潮流轉移到220 kV會導致過載問題，同時突然增大的線路無功損耗會導致A側區域電網電壓降低。

按以下3種設定條件進行仿真：(1)故障后不采取任何措施；(2)故障后僅通過穩控措施切除A側區域電網300 MW負荷；(3)故障后柔直首先追蹤參考電壓1.0 pu，系統電壓調整到參考值附近后，剩余有功功率裕量為214 MW，將柔直有功功率提升 200 MW，并利用穩控切除系統100 MW負荷。3種設定條件下的系統電壓、功率曲線如圖6所示。

圖6 情形1的3種情況電氣量對比曲線

如圖6所示，相比柔直或穩控的單獨作用，通過柔直與穩控措施的協調控制，使得系統電壓恢復更快，穩態電壓水平更高，消除過載的效果更明顯。

3.2.2 暫穩問題的協調控制方案(情形2)

調整圖5所示電網運行方式，使得A側區域電網為大電源區域，通過電磁環網向系統輸送功率，500 kV和220 kV 2個電壓等級的并聯線路重載運行。當電磁環網高壓側線路雙回線發生N-2故障之后，不采取柔直及穩控措施情況下，500 kV線路潮流轉移到220 kV會導致系統暫態失穩。

對以下3種情況進行仿真：(1)故障后不采取任何措施；(2)故障后僅通過穩控切除A側區域電網3臺300 MW機組；(3)故障后柔直在50 ms時輸出的有功功率增加100 MW，穩控在100 ms時切除2臺 280 MW機組，210 ms時再將有功功率提升100 MW。3種情況下電壓及功角曲線對比如圖7所示。

圖7 情形2的3種情況電氣量對比曲線

從圖7可以看出，通過柔直與穩控措施協調控制方法，可以有效減少穩控措施量，同時可提升系統電壓穩定性。隨著大功率電力電子器件的發展，換流器件成本降低[9-10],柔直技術在柔直與穩控措施協調控制中將發揮更大的作用。

4 結 論

柔性直流輸電技術作為一種新型輸電技術，通過其多目標快速控制的能力，可實現正常運行時潮流的優化調節和緊急狀態時交流系統之間的快速緊急支援。應用于電磁環網后，與目前用于解決電磁環網穩定問題的穩控系統協調控制，可減少穩控切機、切負荷措施量以及提高系統電壓水平，保證系統穩定，提高系統控制靈活性，實現電網可靠供電。柔直容量越大，其動態調節能力越高，對減少穩控措施量作用越明顯。目前在工程應用中雖然建設成本和設備成本較高，但隨著大功率電力電子器件經濟性的提升，柔性直流輸電技術在電磁環網中的應用會日益增多。

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(實習編輯 郭文瑞)

VSC-HVDC Coordination and Stability Control Applied in Electromagnetic Loop Network

LIN Cheng1,MA Qinfeng1, QU Yanxia2, SHI Bonian2,OUYANG Kefeng1, KANG Peng1, SUN Bin1, ZHAO Weixin1

(1. Power Dispatching Control Center of Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China; 2. Beijing Sifang Automation Co., Ltd., Beijing 100085, China)

This paper first analyzes the stability problems of electromagnetic loop network and the characteristics of VSC-HVDC system. Then, this paper puts forward the necessity of coordinated control of VSC-HVDC and stability control system when VSC-HVDC applied in electromagnetic loop network, and presents the coordinated control method of VSC-HVDC and stability control system, the calculation principle of measure quantity, as well as the alculation method of the coordinated control measures for transient stability. The numerical calculation of coordinated control measures based on equal area criterion considers the influences of action time delay and the reactance of the system, which can make the calculation results more accurate and the maximum use of the capacity of VSC power support for the power system in transient process. Finally, this paper adopts BPA simulation tool to establish the mechanical and electrical simulation model of VSC-HVDC applied in electromagnetic loop network. The simulation results show that the coordination control of VSC-HVDC and stability control systemwill reduce total number of the generator cutting compared to traditional stability control, and improve the voltage stability of AC system, which has a good engineering and practical value.

electromagnetic loop network; VSC-HVDC; transient stability; stability control strategy; coordinated control

南方電網公司重大科技專項(GZKJ00000101)

TM 712

A

1000-7229(2016)10-0080-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.10.011

2016-06-06

林成(1975)，男，高級工程師，從事電力系統分析、運行與控制工作；

馬覃峰(1982)，男，碩士，高級工程師，從事電力系統分析、運行與控制工作；

瞿艷霞(1981)，女，碩士，中級工程師，研究方向為電力系統安全穩定控制;

時伯年(1976)，男，博士，高級工程師，從事同步相量測量及廣域監測、保護與控制應用研究工作；

歐陽可鳳(1987)，女，工程師，從事電力系統分析工作；

康鵬(1964)，男，高級工程師，從事電力系統分析、運行與控制工作；

孫斌(1965)，男，高級工程師，從事電力系統分析、運行與控制工作；

趙維興(1979)，男，高級工程師，從事電力系統分析、運行與控制工作。