柔性勵(lì)磁提升受端電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定特性研究

王龍飛，張建承，王博文，卓谷穎，華 文，熊鴻韜

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310007；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100089）

0 引言

近些年來(lái)，我國(guó)各區(qū)域新能源裝機(jī)規(guī)模逐漸增加，特別是國(guó)家提出“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”目標(biāo)后，傳統(tǒng)火電能源發(fā)展進(jìn)一步放緩，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)由以同步發(fā)電機(jī)為主體向以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)過(guò)渡［1］。隨著多年特高壓交直流建設(shè)，以華東電網(wǎng)為例的受端電網(wǎng)形成了多條大功率直流饋入、1 000 kV 特高壓交流省際環(huán)網(wǎng)和500 kV 省級(jí)電網(wǎng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［2］。由于新能源和大規(guī)模直流的擠占，裝機(jī)規(guī)模中同步機(jī)比例逐年降低，電網(wǎng)慣性隨之下降，局部區(qū)域面臨著故障后同步機(jī)發(fā)生暫態(tài)功角失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［3］認(rèn)為暫態(tài)功角穩(wěn)定的本質(zhì)是各旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)子內(nèi)電勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定的問(wèn)題。同步機(jī)作為電力系統(tǒng)主體旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其暫態(tài)內(nèi)電勢(shì)的穩(wěn)定控制是解決電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的根本方法［4］。文獻(xiàn)［5-6］指出提升同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)暫態(tài)強(qiáng)勵(lì)能力可增大故障清除后同步機(jī)同步轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用，減小功角失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

但目前應(yīng)用于同步機(jī)的傳統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)受晶閘管元件關(guān)斷角特性限制，直流側(cè)與交流系統(tǒng)不能雙向交換能量，有功、無(wú)功無(wú)法解耦控制，暫態(tài)期間強(qiáng)勵(lì)能力有限。隨著全控型開(kāi)關(guān)器件技術(shù)的不斷成熟，學(xué)界和工業(yè)界提出了基于全控開(kāi)關(guān)的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)。由于柔性勵(lì)磁系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功解耦控制，與交流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向交換功率，同時(shí)能夠快速切換且響應(yīng)相關(guān)指令，可極大提升暫態(tài)頂值強(qiáng)勵(lì)響應(yīng)時(shí)間及故障期間頂值強(qiáng)勵(lì)維持能力［7-10］。

目前基于柔性勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用以提升同步機(jī)暫態(tài)功角穩(wěn)定能力的研究多集中于勵(lì)磁系統(tǒng)控制拓?fù)鋭?chuàng)新，仿真驗(yàn)證也更局限在單機(jī)-無(wú)窮大的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，對(duì)于通過(guò)柔性勵(lì)磁提升大電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定特性的研究不夠深入。

本文依據(jù)柔性勵(lì)磁具有的暫態(tài)頂值強(qiáng)勵(lì)特性，提出通過(guò)篩選有限的關(guān)鍵機(jī)組應(yīng)用柔性勵(lì)磁系統(tǒng)可提升電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，并基于某受端實(shí)際電網(wǎng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及同步機(jī)功角失穩(wěn)機(jī)理

1.1 柔性勵(lì)磁結(jié)構(gòu)及控制拓?fù)?/h3>

圖1 為基于VSC（電壓源型變換器）的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：與發(fā)電機(jī)機(jī)端直連的是三相電壓源型整流器，負(fù)責(zé)從交流系統(tǒng)獲取能量并維持直流電壓穩(wěn)定；斬波變換器為同步發(fā)電機(jī)提供直流勵(lì)磁電流。

圖1 基于電壓源型變換器的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為基于電壓源型變換器的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖2 左半部分為電壓源型整流器，Ua、Ub、Uc為交流側(cè)三相電壓，通過(guò)勵(lì)磁變壓器取自同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。整流器采用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）與晶閘管等半開(kāi)斷開(kāi)關(guān)不同，IGBT 可通過(guò)觸發(fā)信號(hào)自主開(kāi)斷，因此VSC 整流器可實(shí)現(xiàn)雙向能量交換。同時(shí)IGBT 開(kāi)關(guān)頻率較高，VSC整流器產(chǎn)生的諧波頻次較高，目標(biāo)電壓、電流波形畸變率較低［11］。圖2 右半側(cè)為斬波變換器，可通過(guò)開(kāi)關(guān)的占空比調(diào)節(jié)控制目標(biāo)的勵(lì)磁電壓，若占空比確定，勵(lì)磁電壓大小正比于直流母線電壓Udc幅值。

圖2 基于電壓源型變換器的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

柔性勵(lì)磁系統(tǒng)中VSC整流器通常采用d、q解耦的雙環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。通過(guò)直流電壓外環(huán)的控制產(chǎn)生d軸電流指令，通過(guò)無(wú)功外環(huán)或疊加附加控制等產(chǎn)生q軸電流指令，d、q軸電流內(nèi)環(huán)解耦控制產(chǎn)生整流器內(nèi)電勢(shì)。通過(guò)有功/無(wú)功的解耦控制，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)內(nèi)電勢(shì)幅值/相位的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

圖3 VSC整流器的控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 同步機(jī)功角失穩(wěn)機(jī)理

對(duì)于圖4所示單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，同步發(fā)電機(jī)的電磁功率可描述為：

圖4 單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

式中：Pe為發(fā)電機(jī)輸出電磁功率；Eq為發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)；VG為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；Xd∑為發(fā)電機(jī)等值電抗；δ為發(fā)電機(jī)功角。

式（1）可用圖5 中的功率特性曲線描述，忽略發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻特性即認(rèn)為其機(jī)械功率恒定。圖5中電磁功率曲線PeI與機(jī)械功率曲線PT交點(diǎn)a為發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。若交流系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)電機(jī)端電壓幅值瞬時(shí)下降，而考慮勵(lì)磁動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)電勢(shì)幅值可近似認(rèn)為不變，考慮發(fā)電機(jī)機(jī)械慣性功角可近似認(rèn)為不變，受制于工藝發(fā)電機(jī)等值電抗不變，因此故障發(fā)生后發(fā)電機(jī)電磁功率曲線變?yōu)镻eII，發(fā)電機(jī)電磁功率小于機(jī)械功率，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加速運(yùn)行，轉(zhuǎn)子角增大。故障清除后，電磁功率曲線變?yōu)镻eIII，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速，越過(guò)s點(diǎn)后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)始減速。根據(jù)等面積法則，暫態(tài)過(guò)程中，若機(jī)械功率曲線PT與電磁功率曲線組成的加速區(qū)域面積小于減速區(qū)域面積，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子搖擺最終趨于穩(wěn)定。

圖5 等面積法則示意圖

由以上分析可知，故障期間增加發(fā)電機(jī)電磁功率，可減少發(fā)電機(jī)加速面積。故障清除后，增加電磁功率可增大減速面積，進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性。因此，在故障期間及故障清除后發(fā)電機(jī)應(yīng)保持一定強(qiáng)勵(lì)能力。

因此，從暫態(tài)功角穩(wěn)定機(jī)理層面，提升區(qū)域電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性都要求區(qū)域內(nèi)關(guān)鍵機(jī)組暫態(tài)期間能夠產(chǎn)生較大的內(nèi)電勢(shì)。

發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)正比于勵(lì)磁電流，提升勵(lì)磁電流的前提是保證勵(lì)磁電壓定值輸出。而柔性勵(lì)磁系統(tǒng)中勵(lì)磁電壓由直流母線電壓通過(guò)斬波變換器產(chǎn)生，則可認(rèn)為發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)正比于直流母線電壓。因此，為提升區(qū)域電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定能力，需控制關(guān)鍵機(jī)組柔性勵(lì)磁系統(tǒng)直流母線電壓在故障期間維持一定的幅值。

2 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)控制目標(biāo)

2.1 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)暫態(tài)控制目標(biāo)

如圖6所示，基于晶閘管的傳統(tǒng)自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)直流母線電壓與發(fā)電機(jī)端電壓的關(guān)系接近線性比例關(guān)系。若交流系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓幅值下降，勵(lì)磁系統(tǒng)中直流母線電壓隨之下降，勵(lì)磁電壓下降，發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢(shì)幅值下降，發(fā)電機(jī)無(wú)法維持頂值強(qiáng)勵(lì)能力。而故障清除后，系統(tǒng)電壓會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，傳統(tǒng)勵(lì)磁特性會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)勵(lì)磁加劇。

圖6 常規(guī)勵(lì)磁與柔性勵(lì)磁強(qiáng)勵(lì)特性曲線

基于IGBT的柔性勵(lì)磁系統(tǒng)直流電壓通過(guò)控制可在機(jī)端電壓大范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)維持恒定。故障發(fā)生后，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓跌落，柔性勵(lì)磁系統(tǒng)維持直流母線電壓幅值，即可維持一定強(qiáng)勵(lì)能力。機(jī)端電壓跌落幅值較深時(shí)，考慮IGBT等期間耐流能力的安全要求，直流母線電壓幅值可隨之變化，但仍高于傳統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)。為防止勵(lì)磁系統(tǒng)導(dǎo)致或加劇交流系統(tǒng)過(guò)電壓穩(wěn)定，機(jī)端電壓升高后仍將維持直流母線電壓作為控制目標(biāo)［12］。

本文所采用柔性勵(lì)磁控制方案為：發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓未跌至0.5 p.u.，可通過(guò)維持直流母線電壓在2.5 p.u.，保證柔性勵(lì)磁具有2倍暫態(tài)強(qiáng)勵(lì)能力。若發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓跌至0.5 p.u.以下，直流母線電壓不再維持恒定。

2.2 柔性勵(lì)磁系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)特性

在PSD-BPA仿真軟件中搭建如圖4所示單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)，并設(shè)置線路0 s發(fā)生三相永久金屬性對(duì)地短路故障，0.1 s 后該線路切除。同步發(fā)電機(jī)分別采取傳統(tǒng)勵(lì)磁和柔性勵(lì)磁系統(tǒng)，故障發(fā)生后同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和無(wú)功動(dòng)態(tài)曲線如圖7所示。

圖7 常規(guī)勵(lì)磁與柔性勵(lì)磁暫態(tài)功角及勵(lì)磁響應(yīng)曲線

由仿真結(jié)果對(duì)比可知，0 s 故障發(fā)生后，轉(zhuǎn)子加速，發(fā)電機(jī)功角增大。故障期間，柔性勵(lì)磁提供的勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流明顯高于傳統(tǒng)勵(lì)磁，強(qiáng)勵(lì)能力約為常規(guī)勵(lì)磁的2倍。故障清除后，轉(zhuǎn)子功角繼續(xù)增至極大值，在此期間柔性勵(lì)磁系統(tǒng)依舊保持強(qiáng)勵(lì)，提供較大的同步轉(zhuǎn)矩，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子第一擺失步。綜上，柔性勵(lì)磁對(duì)比傳統(tǒng)勵(lì)磁能夠更好提升發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定能力。

3 柔性勵(lì)磁應(yīng)用效果分析

3.1 局部電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定特性分析

沿海某受端電網(wǎng)局部區(qū)域500 kV 主網(wǎng)拓?fù)淙鐖D8所示。該區(qū)域位于該省電網(wǎng)的末端，僅通過(guò)兩個(gè)供電通道與主網(wǎng)相連，結(jié)構(gòu)較為薄弱。該區(qū)域負(fù)荷水平較高，接有多個(gè)煤電發(fā)電廠。其中發(fā)電廠Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ機(jī)組通過(guò)升壓變直接接入500 kV 主網(wǎng)，發(fā)電廠Ⅳ、Ⅴ機(jī)組分別接入變電站B、C下級(jí)電網(wǎng)的220 kV廠站，各發(fā)電廠裝機(jī)規(guī)模見(jiàn)表1。

圖8 某受端電網(wǎng)局部區(qū)域網(wǎng)架拓?fù)?/p>

表1 各發(fā)電廠裝機(jī)規(guī)模

高峰方式下，主網(wǎng)通過(guò)A-B 通道向該局部電網(wǎng)輸送功率，并結(jié)合本地機(jī)組出力通過(guò)各500 kV變電站向低電壓等級(jí)電網(wǎng)疏散。

在PSD-BPA 仿真平臺(tái)中搭建該區(qū)域220 kV及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)仿真模型，對(duì)該區(qū)域內(nèi)線路通道2 進(jìn)行三永N-1、同桿異名N-2 故障掃描，發(fā)現(xiàn)A-B 通道線路發(fā)生三相永久故障后，該區(qū)域內(nèi)發(fā)電廠Ⅰ機(jī)組率先失穩(wěn)，然后是發(fā)電廠Ⅱ、發(fā)電廠Ⅳ、發(fā)電廠Ⅴ機(jī)組，而發(fā)電廠Ⅲ機(jī)組保持穩(wěn)定，仿真結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)暫態(tài)功角曲線

經(jīng)理論分析，高峰方式下500 kV通道A-B雙線潮流重載，單線故障后潮流大范圍向通道另一回線路轉(zhuǎn)移。根據(jù)文獻(xiàn)［13-15］，隨著發(fā)電機(jī)相對(duì)功角擺開(kāi)，電網(wǎng)電壓下降，靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置例如電容器、SVC（靜止無(wú)功補(bǔ)償器）所提供的無(wú)功減少，而負(fù)荷中感應(yīng)發(fā)電機(jī)部分無(wú)功需求增大，整個(gè)區(qū)域處于無(wú)功不平衡狀態(tài)。考慮負(fù)荷規(guī)模，可知變電站B、C 供區(qū)負(fù)荷較重，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的220 kV機(jī)組提出了較高的暫態(tài)支撐需求。

對(duì)于500 kV 機(jī)組，距離故障點(diǎn)的電氣距離決定了發(fā)電廠Ⅰ機(jī)組的暫態(tài)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)相較與發(fā)電廠Ⅱ、Ⅲ更高，故障后發(fā)電廠Ⅰ機(jī)組率先失穩(wěn)。

3.2 應(yīng)用效果

理論上通過(guò)對(duì)該區(qū)域內(nèi)所有機(jī)組應(yīng)用柔性勵(lì)磁系統(tǒng)可以極大地提高暫態(tài)穩(wěn)定水平，但這會(huì)耗費(fèi)大量財(cái)力、物力并涉及多個(gè)發(fā)電廠機(jī)組輪停問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)性方面難以接受。合理的實(shí)施方案為根據(jù)穩(wěn)定分析結(jié)果，確定區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵機(jī)組并進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，依次進(jìn)行柔性勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)用，直至滿足電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定需求。

由上文分析可知，發(fā)電廠Ⅰ、發(fā)電廠Ⅱ、發(fā)電廠Ⅳ和發(fā)電廠Ⅴ機(jī)組為該區(qū)域線路故障后失穩(wěn)機(jī)組，則該區(qū)域電網(wǎng)關(guān)鍵機(jī)組從其中選定，而發(fā)電廠Ⅲ距故障點(diǎn)電氣距離較遠(yuǎn)，可不考慮。其中，由于故障后發(fā)電廠Ⅰ率先失穩(wěn)，關(guān)鍵機(jī)組中優(yōu)先級(jí)別較高。因此優(yōu)先對(duì)發(fā)電廠Ⅰ機(jī)組應(yīng)用柔性勵(lì)磁（柔性勵(lì)磁暫態(tài)響應(yīng)曲線按2.1 章節(jié)進(jìn)行整定），但關(guān)鍵線路故障后，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域部分機(jī)組仍然失穩(wěn)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 關(guān)鍵機(jī)組Ⅰ應(yīng)用柔性勵(lì)磁后同步機(jī)功角曲線

由圖10 可知，在發(fā)電廠Ⅰ機(jī)組應(yīng)用柔性勵(lì)磁后，500 kV 機(jī)組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ均能保持穩(wěn)定，但是220 kV 機(jī)組Ⅳ、Ⅴ卻繼續(xù)失穩(wěn)，且Ⅳ較Ⅴ更先失穩(wěn)。因此繼續(xù)對(duì)發(fā)電廠Ⅳ應(yīng)用柔性勵(lì)磁，故障掃描后，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)所有機(jī)組可保持暫態(tài)穩(wěn)定，仿真結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 關(guān)鍵機(jī)組Ⅰ、機(jī)組Ⅳ應(yīng)用柔性勵(lì)磁后同步機(jī)功角曲線

圖12為5個(gè)發(fā)電廠機(jī)組的勵(lì)磁電壓響應(yīng)曲線。由圖12 可知應(yīng)用柔性勵(lì)磁的發(fā)電廠Ⅰ、Ⅳ機(jī)組故障期間頂值強(qiáng)勵(lì)，且在故障清除后一段時(shí)間保持強(qiáng)勵(lì)。而未應(yīng)用柔性勵(lì)磁的機(jī)組故障期間勵(lì)磁電壓未能保持頂值，無(wú)法持續(xù)提供強(qiáng)勵(lì)能力。

圖12 關(guān)鍵機(jī)組Ⅰ、機(jī)組Ⅳ應(yīng)用柔性勵(lì)磁后同步機(jī)勵(lì)磁電壓曲線

由以上仿真結(jié)果可知，應(yīng)用柔性勵(lì)磁的機(jī)組故障期間暫態(tài)支撐能力有效增強(qiáng)，而有限的關(guān)鍵機(jī)組（本例中應(yīng)用柔性勵(lì)磁機(jī)組規(guī)模占總裝機(jī)規(guī)模41%）應(yīng)用柔性勵(lì)磁可有效提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性。

4 結(jié)論

本文分析了同步機(jī)組應(yīng)用柔性勵(lì)磁系統(tǒng)后電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性，得出結(jié)論如下：

1）通過(guò)直流母線電壓的控制，柔性勵(lì)磁系統(tǒng)暫態(tài)期間可維持較大暫態(tài)強(qiáng)勵(lì)能力，進(jìn)而增大同步機(jī)組暫態(tài)同步轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)機(jī)組暫態(tài)穩(wěn)定特性。

2）對(duì)于存在暫態(tài)功角失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的電網(wǎng)，選取有限的關(guān)鍵機(jī)組應(yīng)用柔性勵(lì)磁系統(tǒng)可有效提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定特性。