MGST新型潮流控制裝置及其控制策略

2022-11-26 01:56:02華淵杰許其品

電機與控制應用 2022年11期

華淵杰,許其品,2,楊玲,2

[1.南瑞集團公司(國網電力科學研究院)，江蘇南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106]

0 引言

現代電力系統正逐步顯現出高比例可再生能源和高比例電力電子設備接入的“雙高”特征[1-3]。隨著大量分布式新能源與大量新增負荷的產生，現存的系統存在電壓穩定性問題[4-7]，并且將近1/4的線路出現輸電能力受限問題，而大規模架設多條線路則缺乏足夠空間,征地困難,投資成本過高，潮流控制裝置應運而生。目前使用的潮流控制裝置多為柔性交流輸電系統(FACTS)裝置，FACTS憑借其快速的響應能力和靈活、精確的控制能力在交流輸電中能夠起到較好的潮流控制效果。然而FACTS基于電力電子器件構成，一般不具有慣性，不具備慣量支撐能力。大量電力電子設備的接入導致整個電力系統慣性較低，對經典穩定性產生重大影響，而且還會引發諸如諧振或寬頻振蕩等新型穩定性問題。

目前，在實際工程應用中，統一潮流控制器(UPFC)被公認為先進且通用的潮流控制器[8-11]。該潮流控制器能夠同時控制影響電力線路輸送功率的三個參數，即線路參數、節點電壓幅值、節點電壓相角，從而靈活改變線路的傳輸能力，發展潛力較大，國內在上海、南京、蘇州皆有工程應用[12-15]。

電機-發電機串聯變壓器(MGST)潮流控制裝置與FACTS不同，是一種基于同步電機的具有慣性的新型潮流控制裝置，一般安裝于變電站節點[16-17]。

本文闡述了MGST裝置的結構與原理，并提出了該裝置能夠提高電網慣性的理論依據。在此基礎上搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，分別采用MGST裝置與UPFC裝置實現統一潮流控制目標并分析使用效果。經過仿真試驗，驗證MGST裝置在控制潮流、穩定電壓方面的效果。

1 MGST潮流控制裝置主要結構介紹

MGST裝置由兩臺同步電機和一臺串聯變壓器組成，兩臺磁場繞組相差90°電角度的同步電機同軸剛性連接，一臺為電機G，另一臺為電機M。電機M并聯接入電網，以下稱電機M側為MGST裝置并聯側。同步電機G端口與串聯變壓器ST低壓側相連，串聯變壓器高壓側與線路串聯，且在串聯變壓器高壓側配置一臺旁路開關，以下稱同步電機G側為MGST裝置串聯側。該裝置結構圖如圖1所示。

圖1 MGST潮流控制裝置結構圖

該潮流控制裝置一般安裝在變電站，圖1中電源S一般指變電站節點，串聯變壓器安裝于線路送端。兩級電機均采用隱極同步電機，其中同步電機G的勵磁系統在正常運行時采用雙向勵磁控制，其勵磁電流調節速度為秒級至分鐘級；同步電機M的勵磁系統采用常規勵磁控制，勵磁電流調節速度為毫秒級。

2 MGST潮流控制裝置基本原理

2.1 MGST潮流控制裝置串聯側原理

MGST裝置的串聯側工作原理是通過同步電機G輸出一幅值可控、相角與線路送端節點電壓的相角相差90°左右且方向可變的電壓，將此電壓串入線路來替代電抗或電容串入線路中，通過調節勵磁電流的大小和方向改變線路等效阻抗，從而調節線路傳輸的潮流。具體等效電路如圖2所示。

圖2 同步電機G等效原理圖

可將同步電機G等效為可控電壓源Vgs，通過串聯變壓器將此電壓源串入線路。XS為同步電機自阻抗。MGST潮流控制回路的等效電路圖如圖3所示。

圖3 MGST串聯補償等效原理圖

XL表示線路電抗，V1∠θ1，V2∠θ2，V3∠θ3分別為圖3中3個節點的電壓相量，同時與圖1中的節點1、2、3也分別對應。可控電壓源幅值變化范圍是[0，Vgsmax]，其相角θgs變化范圍是超前于送端節點電壓約90°或滯后于送端節點電壓約90°。電壓源補償后的電壓相量變化如圖4所示。

圖4 MGST串聯側電壓相量圖

當MGST裝置閉鎖時，相當于節點1、2重合，即V1=V2。當起動MGST裝置進行補償時，設2為線路送電端，3為受電端，以節點1的電壓相量V1為參考電壓作相量圖，補償電壓相量為Vgs，補償前的線路送端電壓相量為V2，補償后的線路送端電壓相量為V′2，由于補償前后受端電壓相量變化不大，近似認為線路受端電壓相量為V3保持不變。

當MGST裝置閉鎖時，裝置所在線路流過潮流節點2的潮流P2、Q2如下所示：

(1)

(2)

由于MGST裝置的補償作用，疊加補償電壓后的送端實際電壓相量變為V′2=V1+Vgs，MGST裝置借助可調的電壓幅值Vgs和可調相角θgs與傳輸線產生有功功率和無功功率的交換。因此,通過調整合適的Vgs和θgs可以達到控制線路傳輸的有功功率和無功功率的目的，這是MGST串聯補償的基本工作原理。補償后線路的傳輸功率如下：

(3)

(4)

對比式(1)與式(2)可見,控制Vgs和θgs可以達到調節線路潮流的目的。

2.2 MGST潮流控制裝置并聯側原理

并聯側同步電機M通過改變勵磁電流改變電機電動勢的大小，從而調節吸收或發出無功功率的大小以維持與同步電機M端口電壓的穩定。穩態情況下，可以接受電網自動電壓控制(AVC)指令實現無功功率閉環控制。同步電機M的電氣相量圖如圖5所示。

圖5 MGST并聯側同步電機電氣相量圖

其中，U為機端電壓，I為電樞電流，EQ為q軸虛擬電動勢，Eq為電機電動勢。正常運行時，并聯側同步電機從電網吸收的有功功率用于驅動MGST串聯側電機旋轉以及克服各種機械摩擦轉矩和定轉子損耗，由此在額定運行時存在一個功角δ。正常運行時Ud=Usinδ，Uq=Ucosδ，一般認為電樞電阻極小可忽略，則id=I,iq=0。本裝置采用隱極同步電機，認為dq軸電抗大致相等Xd≈Xq，由此可得無功功率公式為

(5)

2.3 同步電機組的慣性分析

同步電機的慣性可以用轉動慣量J或慣性時間常數T表示。本文需要對比MGST與UPFC的慣性大小而UPFC不存在轉動慣量，因此使用慣性時間常數T來描述潮流控制裝置的慣性[18]。

對于同步電機，其慣性時間常數TG可以表示為

(6)

式中：WG為轉子動能；SNG為同步電機的額定容量[19]。

對于電力電子設備，慣性來源于直流側電容儲存的能量，如UPFC這樣的電力電子設備其慣性時間常數TC可以表示為

(7)

式中：WC為直流電容C中儲存的能量；SNU為逆變器額定容量；C為直流電容；Vdc為背靠背換流器的直流電容電壓[20-21]。

假設WC的大小為1/4工頻周期內，串聯換流器釋放有功功率最大值。由于UPFC的串聯換流器有功功率最大值即串聯換流器容量的值，TC的值約為0.25 s。

一般隱極式同步電機的慣性時間常數為2.5～6.0 s，而同步電機組運行時其慣性約為一般同等容量電機的65%，由此可知MGST裝置慣性時間常數約為1.625～3.900 s[22]，遠大于UPFC。因此，與UPFC相比，使用MGST潮流控制裝置能給電網提供更大的慣性，從而提高電網穩定性。

3 MGST潮流控制裝置環網仿真

3.1 仿真模型構建

根據圖1結構搭建主網電壓220 kV的環網模型，Z1和Z2為功率因數cosφ=0.9的阻感性負荷，負荷Z2有功功率大小設置為500 MW，負荷Z1有功功率大小設置為5 MW，遠小于負荷Z2。可根據變電站需要補償的無功功率確定同步電機M容量，同步電機G容量根據工程實際需要調節的線路有功功率確定，串聯變壓器ST容量一般略大于同步電機G的容量。

設置仿真模型中同步電機M容量為100 MW，同步電機G容量為50 MW，在被控線路傳輸潮流為235 MVA的基礎下，該線路潮流能夠調節的范圍是±60 MVA；文中引以對比的UPFC參數配置參考了220 kV上海蘊藻浜UPFC裝置采用的運行參數，串、并聯變流器容量皆設置為50 MVA，其最大調節范圍一般不超過±50 MVA。

3.2 MGST裝置控制策略

3.2.1 MGST裝置串聯側控制策略

有功潮流控制環如圖6所示。

圖6 MGST潮流控制裝置串聯側控制框圖

其中Pref為有功潮流參考值，一般來自于調度指令；由于電機的勵磁需要控制在一個安全范圍內進行調節，增加一個限幅環節，PID控制器和勵磁限幅環節控制勵磁電壓組成勵磁控制環節；G(s)為同步電機環節，該環節輸出一個補償電壓對電力系統進行串聯補償；通過線路有功功率測量環節進行負反饋調節。

當潮流控制設備并入電網但未接受調度指令時，電網潮流應保持不變。當潮流控制設備接受調度指令時，MGST裝置串聯側電機將根據調度指令通過控制電機G的勵磁來進行線路補償，從而調節線路有功潮流直至調度指令給出的參考值為止。

3.2.2 MGST裝置并聯側控制策略

與串聯側不同的，并聯側主要的功能是穩定機端電壓，必要時進行AVC控制。內環采用以電機M端口電壓為參考變量的閉環控制，另外添加了無功外環用以在系統正常運行時通過外環的調節改變電機的電壓參考值，從而根據調度指令對電機發出的無功進行定量的調節[23-25]。控制環如圖7所示。

圖7 MGST潮流控制裝置并聯側控制框圖

其中Vref為電機M端口電壓參考值，Qref為電機發出的無功功率參考值。PID控制器和勵磁限幅環節控制勵磁電壓組成同步電機勵磁控制環節；M(s)為同步電機環節，最終調節與反饋的變量為同步電機M的機端電壓。其中內環控制為主要的控制策略，其以電機端電壓為反饋量，當給定機端電壓參考值時，勵磁電流控制模塊進行較為快速的自動調節來改變機端電壓，調節電機端電壓至參考值為止，是為應對暫態情況下電壓突變進行的一種快速響應控制方案。外環控制是一種慢速調節，作用在穩態條件下，其反饋量是電機輸出的無功功率，控制目的為通過改變端電壓參考值，從而能夠使電機在穩態下發出定量的無功功率，一般根據調度部門提供的給定值進行定量的無功功率補償，當未收到指令時，無功外環無參考值不參與電壓控制。

3.3 仿真驗證

本仿真針對模型中的線路潮流和變電站S端口電壓的變化進行了測量與分析，被測線路L23為圖1中節點2、3之間的傳輸線路，被測電壓為變電站節點電壓，亦即電機M端口電壓。

3.3.1 MGST裝置串聯側控制仿真驗證

MGST裝置閉鎖時，閉合串聯變壓器高壓側旁路開關，使串聯變壓器旁路。此時測得的線路L23上傳輸的自然有功功率為230 MW，無功功率為52 MVar。

當模擬第40 s接受到來自調度的增加線路L23的有功潮流至280 MW的指令時，通過控制MGST裝置串聯側電機的勵磁電流，逐步增加被控線路傳輸的有功功率至280 MW并維持不變，線路上的具體潮流變化情況如圖8(a)所示，調節時間約為30 s，調節過程平穩。如圖8(b)所示為同等條件下使用UPFC進行潮流控制的效果圖。

圖8 控制線路L23有功潮流增加波形圖

通過調節UPFC串聯側變流器的PI參數，UPFC 裝置從響應調度指令開始平穩控制潮流，0.5 s即達到指令要求。

控制線路L23傳輸的有功功率從230 MW提高至280 MW，大大提高了送、受兩端之間輸電斷面的潮流輸送能力。以本文采用的環網結構為例，若MGST裝置閉鎖狀態下斷面內雙回線路皆未超出額定輸送能力，則通過潮流控制此斷面輸送能力可提高100 MW以上。

當模擬第40 s時負荷Z2突然增加，調度指令要求線路輸送的有功功率限值不超過280 MW時，由于被測線路傳輸潮流越限，通過控制MGST裝置串聯側電機的勵磁電流，逐漸減小線路L23有功功率傳輸直至限值并維持恒定，具體潮流變化情況如圖9(a)所示，調節時間約為20 s。圖9(b)所示為同等條件下使用UPFC進行潮流控制的效果圖，在0.1 s左右即能迅速將潮流控制到限定值。

圖9 控制線路L23有功潮流減小波形圖

圖9所示的負荷突增情況，送端和受端發生短時的有功功率不平衡狀態，線路L23短時間內電流突增，導致串聯側電機G負荷增加，機械轉矩增加；電機M在線路L23送端，由于負荷突增，電壓下降，從而引起電磁轉矩下降，短時間內兩臺電機轉矩不平衡可能導致轉速產生波動，由于電機組阻尼較大，轉速波動幅度較小，此時電機G勵磁快速下降以減小機械轉矩，電機M勵磁增加以提高電磁轉矩，能夠迅速消除轉矩不平衡情況，使轉速恢復。圖9所示的情景表明，MGST裝置可以控制線路傳輸功率不越限，提高了線路的熱穩定性。

本文設計的MGST裝置用以對線路潮流進行分鐘級的平穩慢速調節，對潮流突變狀況下的響應較慢，仿真中的調節速度可以達到預期效果。

3.3.2 MGST裝置并聯側仿真驗證

當模擬變電站節點處投入感性負荷時，并聯側電機端口電壓降低，快速控制并聯側電機的勵磁系統增加勵磁電流，增發感性無功功率，從而提高電機端電壓，使得電機M端電壓穩定在參考值。具體電機端電壓幅值變化波形如圖10(a)所示，1.5 s左右穩定電壓，響應較為迅速。圖10(b)所示為同等條件下使用UPFC進行電壓控制的效果圖。

圖10 無功補償情景下電機端電壓波形圖

給定潮流控制器的電壓參考值，本文設電壓參考值為1 p.u.，通過調節UPFC裝置并聯側PID參數可以控制UPFC響應速度，當變電站節點電壓降低了2%，迅速發出感性無功功率進行補償，1 s內使變電站節點電壓達到參考值。MGST裝置的并聯側電機慣性較大，電壓降低后調節勵磁電流到發出感性無功進行補償需要一定的響應時間，因此調節同樣大小的電壓需要的時間比UPFC略長。

當變電站節點由于無功功率過剩發生過電壓情況，并聯側電機端口電壓過高，快速控制勵磁系統減小勵磁電流，吸收系統中過剩的容性無功，使得電機M端電壓穩定在參考值，電機M端電壓幅值波形如圖11(a)所示，1.5 s左右穩定電壓。圖11(b)所示為同等條件下使用UPFC進行電壓控制的效果圖。