基于PMU 的特高壓直流輸電系統孤島運行控制方法

郭 星

（國網山西省電力公司，山西 太原 030021）

0 引 言

特高壓（Ultra-High Voltage，UHV）直流輸電系統孤島運行具有很多問題。首先是電壓穩定性差，在孤島運行時，由于電源的隔離，系統電壓會下降，甚至可能導致電壓崩潰。其次是具體的頻率波動相對較大，這是由于孤島內的發電機組在負荷變化的作用下，會出現相應的波動[1-2]。最后是難以控制負荷，最直接的表現就是一些重要負荷可能無法得到有效控制。這些運行問題導致特高壓直流輸電系統孤島運行存在較大的安全隱患[3-4]。針對這一問題，以通信系統為基礎的安全保障措施成為特高壓直流輸電系統孤島運行階段較為主要的輔助，但是也對其產生了較強的依賴性。為有效控制孤島運行，需要建立一個獨立、高效的通信系統[5]。結合上述分析結果，在控制特高壓直流輸電系統孤島運行時，必須嚴格控制輸入功率和輸出功率，以確保系統的穩定性，同時要保證自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）和自動電壓控制（Automatic Voltage Control，AVC）的正常運行，以維持孤島穩定[6]。在此基礎上，文章提出基于電源管理單元（Power Management Unit，PMU）的特高壓直流輸電系統孤島運行控制方法，并設計對比測試環境，分析驗證所設計控制方法的有效性。

1 特高壓直流輸電系統孤島運行控制方法設計

1.1 特高壓直流輸電系統孤島運行有功-相角下垂控制

對于處于孤島運行狀態的特高壓直流輸電系統而言，相角差決定了分布式發電裝置（Distributed Generation，DG）的有功出力情況，結合這一特征，文章設置相角作為下垂量，以此實現更加直接的控制。特高壓直流輸電系統孤島運行的有功-相角下垂控制設計過程中，保持系統頻率始終穩定在額定值的方式是將逆變器輸出電壓的相角作為下垂量，考慮輸出電壓的角度會受電壓源換流器（Voltage Sourced Converters，VSC）的影響發生瞬時改變，借助文章提出的有功-相角下垂控制，為最終的控制效果提供保障。文章設計的具體特高壓直流輸電系統的孤島運行有功-相角下垂關聯公式可以表示為

式中：δre表示DG 的相角參考值；Ure表示DG 的電壓參考值；δ0表示DG 處于空載狀態下的相角參考值；U0表示DG 處于空載狀態下的電壓參考值；mi表示DG 的有功下垂系數；ni表示DG 的無功下垂系數；pi表示DG 輸出的有功功率參數；qi表示DG 輸出的無功功率參數。

逆變器通過微型PMU 的同步信號，確定派克變換的參考坐標系。將特高壓直流輸電系統孤島運行階段的目標維持頻率作為控制基準，即可得到對應的電壓在派克變換參考坐標系中的控制參數，其可以表示為

式中：Udre和Uqre分別表示電壓在派克變換參考坐標系中不同維度上的控制參數。

1.2 特高壓直流輸電系統孤島運行有功補償控制

從有功補償的角度對處于孤島運行狀態的特高壓直流輸電系統的特性進行分析，實現精確分配有功的前提是調整特高壓直流輸電系統中所有DG 的相角參考值處于一致狀態。文章設計的有功補償控制方法可以表示為

式中：δ're表示PI 控制器輸出的實際相角參數；Kp表示特高壓直流輸電系統中DG 的PI 控制器比例系數；Ki表示特高壓直流輸電系統中DG 的比例、積分（Proportion Integral，PI）控制器系數；δL表示微型PMU 測得的公共母線電壓相角參數。在此基礎上，當DG 輸出的有功功率超出期望輸出有功功率時，結合式（1）可判定此時DG 的相角參考值處于偏小的狀態，對應PI 控制器輸出的實際相角參數δ're也隨之減小，以保障DG 輸出的功率相應減小。同理，當DG 輸出的有功功率低于期望輸出有功功率時，結合式（1）可判定此時DG 的相角參考值處于偏大的狀態，對應PI 控制器輸出的實際相角參數δ're也隨之增大，以保障DG 輸出的功率相應增大。

2 應用測試

2.1 測試環境構建

為驗證文章設計的基于PMU 的特高壓直流輸電系統孤島運行控制方法的應用效果，文章在仿真環境中構建了一個特高壓直流輸電系統。在具體的構成上，其主要包括以下幾個主要組成部分。

一是輸電線路，使用具有高電壓等級的輸電線路，具體為±1 100 kV 等級，以此滿足較遠距離的高效電力傳輸需求。

二是換流站，將交流電轉換為直流電或將直流電轉換為交流電。在文章設計的特高壓直流輸電系統中，換流站的主要設備包括換流閥、換流變壓器、濾波器。

三是控制系統，作為特高壓直流輸電系統的核心部分，利用控制系統負責整個系統的調度、控制和監測。文章設計控制系統包括能量管理系統、數據采集與監視控制系統、安全控制系統。

四是通信系統，為實現控制和監視，文章設計了一個通信系統，并覆蓋整個輸電線路和換流站，以便實現數據的采集和傳輸。

在進行具體的孤島運行控制性能分析時，為了能夠更加客觀地對文章設計方法的控制效果進行分析，分別設置文獻[3]提出的以混合儲能為基礎的直流微電網孤島運行控制方法、文獻[4]提出的以多智能體協同為基礎的孤島運行控制方法作為測試的對照組，與文章設計方法進行對比分析。

2.2 測試結果與分析

在分析3 種方法的控制效果時，文章將測試特高壓直流輸電系統孤島運行階段的環流作為具體的評價指標，得到的具體測試結果如圖1 所示。

圖1 不同方法的控制效果對比

結合圖1 所示的測試結果，對3 種不同控制方法的應用效果進行分析。其中，在混合儲能直流微電網孤島運行控制方法下，測試特高壓直流輸電系統孤島運行階段的環流在達到0 值后，分別在其上下出現了2 次躍遷，對應的幅度相對較小，最終環流穩定在0 狀態的時間為1.0 s。在多智能體協同直流微電網孤島運行的控制方法下，測試特高壓直流輸電系統孤島運行階段的環流達到0 值后，出現了一次較大幅度的躍遷和一次較小幅度的躍遷，具體分別為320.0 VA和75.0 VA，最終達到穩態的時間與混合儲能直流微電網孤島運行控制方法基本一致。相比之下，在文章設計方法的測試結果中，測試特高壓直流輸電系統孤島運行階段的環流達到0值后出現了小幅度偏離情況，但是具體的偏離程度穩定在10.0 VA 以內，并在測試后的0.8 s 內達到0 穩態。由此可知，文章設計的基于PMU 的特高壓直流輸電系統孤島運行控制方法可以實現對直流輸電系統孤島運行穩態的有效控制，具有良好的實際應用價值。

3 結 論

文章提出基于PMU 的特高壓直流輸電系統孤島運行控制方法研究，在充分考慮了特高壓直流輸電系統孤島運行特性的基礎上，從控制要點的角度入手，利用PMU 在實時監測發電機的功角、負荷電壓的幅值以及相角方面的優越性，切實實現了對特高壓直流輸電系統孤島運行的有效控制，大大提高了系統運行的穩定性。借助文章對于特高壓直流輸電系統孤島運行控制的研究與設計，希望能夠為實際的輸電系統孤島運行管理工作提供有價值的參考。