張武其，呂 洋

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向弱電網(wǎng)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)的模擬慣量控制策略研究

張武其，呂 洋

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局, 廣西 柳州 545006)

針對采用VSC-HVDC向弱電網(wǎng)供電時，受端弱電網(wǎng)慣量不足而出現(xiàn)擾動下暫態(tài)頻率偏移較大的問題，提出了一種模擬慣量控制策略，以增大受端弱電網(wǎng)的慣量，從而提高系統(tǒng)的頻率質(zhì)量。為此，在對比換流站直流側(cè)電容和同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子儲能特性的基礎(chǔ)上，建立了直流電壓與系統(tǒng)頻率的映射關(guān)系，從而得出了換流站所模擬慣量的具體計算等式。利用PSCAD/EMTDC就三種擾動下對VSC-HVDC逆變側(cè)換流站分別采用傳統(tǒng)控制和所提模擬慣量控制時進(jìn)行了仿真比較。仿真結(jié)果表明，所提模擬慣量控制策略能夠減小擾動下受端弱電網(wǎng)暫態(tài)頻率偏移，提高受端弱電網(wǎng)的頻率質(zhì)量。

VSC-HVDC；頻率響應(yīng)；模擬慣量；故障穿越；弱電網(wǎng)

0 引言

基于電壓源型換流器 (Voltage source converter, VSC)的高壓直流輸電(High voltage direct current, HVDC)采用可關(guān)斷型功率開關(guān)器件與脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation, PWM)技術(shù)。VSC-HVDC系統(tǒng)可以實現(xiàn)有功功率和無功功率解耦控制；同時其換流站無需交流系統(tǒng)提供換相容量，使得它在向無源或弱電網(wǎng)系統(tǒng)供電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。然而，在受端系統(tǒng)為無源或弱電網(wǎng)系統(tǒng)時，其系統(tǒng)慣性較小[5]。因此，擾動下受端電網(wǎng)頻率在動態(tài)響應(yīng)過程中易產(chǎn)生較大的暫態(tài)頻率偏移，從而易引起低頻減載裝置誤動作[6]。

為減少風(fēng)電在電力系統(tǒng)中滲透率的不斷增大而帶來對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的不利影響，文獻(xiàn)[7]提出了一種針對DFIG風(fēng)電機組的虛擬慣性控制策略，仿真驗證了不同工況下所提控制策略對電網(wǎng)頻率的支撐作用。文獻(xiàn)[8]基于模糊邏輯控制提出了一種利用儲能裝置補償風(fēng)電場慣量的控制方法，有效改善了風(fēng)電場響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的速度。為提高風(fēng)電場故障穿越能力，文獻(xiàn)[9]根據(jù)VSC-HVDC直流側(cè)電壓波動率，提出了一種基于風(fēng)電機組慣性支持的故障穿越方法。在微電網(wǎng)中，采用逆變器接口的微電網(wǎng)電源因不含機械轉(zhuǎn)子而缺少慣量[10]。為此，文獻(xiàn)[11]提出了采用虛擬同步發(fā)電機思想的微電網(wǎng)逆變電源控制策略，有效提高了微電網(wǎng)供電電能質(zhì)量，但未討論該控制方法對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[12]提出了基于虛擬慣性頻率控制的微電源控制策略，并就該控制策略可能引發(fā)的微電源間的功率振蕩問題進(jìn)行了分析。為實現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機有功、無功的跟蹤控制，文獻(xiàn)[13]提出了完整的虛擬同步發(fā)電機有功、無功調(diào)節(jié)控制器，并給出了慣性和阻尼參數(shù)的整定方法。此外，為提高VSC-HVDC受端弱電網(wǎng)的慣性，文獻(xiàn)[14]提出了一種功率同步控制策略，有效提高了系統(tǒng)故障穿越能力。

基于以上分析，為提高VSC-HVDC系統(tǒng)受端弱電網(wǎng)系統(tǒng)的慣量，本文提出了一種借助VSC- HVDC系統(tǒng)直流側(cè)電容儲能特性的模擬慣量控制策略。該方法有效提高了擾動下VSC-HVDC受端弱電網(wǎng)系統(tǒng)供電的頻率質(zhì)量，且只需相對較小的直流電容就能實現(xiàn)模擬較大范圍變化的慣性時間常數(shù)，并給出了模擬慣量時間常數(shù)計算等式。此外，不同于文獻(xiàn)[15]，所提模擬慣量控制不依賴于dd的測量。最后，借助PSCAD/EMTDC就受端弱電網(wǎng)系統(tǒng)不同擾動下進(jìn)行仿真驗證與分析。仿真結(jié)果表明，所提模擬慣量策略能有效減少受端弱電網(wǎng)系統(tǒng)擾動下的暫態(tài)頻率偏移，提高VSC-HVDC供電系統(tǒng)的故障穿越能力。

1 ?VSC-HVDC系統(tǒng)建模與控制

1.1 VSC-HVDC系統(tǒng)描述

圖1給出了向弱電網(wǎng)供電的VSC-HVDC系統(tǒng)單相結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中，阻抗+j表示公共耦合點(Point of common coupling，PCC)與換流站間的等值阻抗(包括換流變壓器和相阻抗器)；交流濾波器和相阻抗器用于濾除換流站開關(guān)產(chǎn)生的高頻分量；直流電容則用于維持直流電壓恒定以及為換流站提供能量平衡。弱受端電網(wǎng)包括異步電機IM1和IM2，本地同步發(fā)電機SG和固定線性負(fù)載Load1以及可變負(fù)載Load2。

圖1 VSC-HVDC系統(tǒng)單相結(jié)構(gòu)圖

1.2 內(nèi)環(huán)電流控制

圖2給出了一端VSC連接交流電網(wǎng)系統(tǒng)的等值模型。圖中sabc,dc,cabc,sabc分別為VSC交流側(cè)電流、VSC直流電壓、VSC交流側(cè)端口電壓和交流電網(wǎng)電壓。在abc三相靜止坐標(biāo)系中，VSC交流側(cè)動態(tài)數(shù)學(xué)方程為[16]

由坐標(biāo)變換，則式(1)又可寫為

(2)

式中，p和i為PI控制參數(shù)。

圖2 VSC三相等值模型

Fig. 2 Three-phase VSC equivalent model

1.3 外環(huán)控制

VSC-HVDC控制系統(tǒng)常采用級聯(lián)控制方式，由外環(huán)控制器和內(nèi)環(huán)電流控制器組成。其中，外環(huán)控制器主要是為內(nèi)環(huán)電流控制提供合適的電流參考值，包括有功功率控制、無功功率控制、直流電壓控制以及交流電壓控制[17]。此外，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須保證內(nèi)環(huán)控制器的速度大于外環(huán)控制器的速度。

綜上所述，圖3給出了VSC-HVDC傳統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖。

圖3 VSC-HVDC傳統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖

2 ?模擬慣量控制

2.1 機械慣性時間常數(shù)與電容時間常數(shù)

同步發(fā)電機角速度隨輸入功率變化的響應(yīng)速度，取決于其慣性時間常數(shù)，可寫為[18-19]

式中：為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量；k為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動能；m為同步發(fā)電機額定容量。

VSC-HVDC系統(tǒng)中直流側(cè)電容用于維持直流電壓恒定以及為換流站提供能量平衡，其大小取決于時間常數(shù)[20]。

式中：VSC為換流站額定容量；E為電容器靜電能量；為單個電容器電容值；為直流側(cè)電容器個數(shù)。

對比式(4)和式(5)可知，VSC-HVDC直流電壓dc類似于同步發(fā)電機SG角速度。因此，可將VSC-HVDC系統(tǒng)直流側(cè)電容電壓等效為發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度。

2.2 模擬慣量控制

根據(jù)牛頓第二定律，發(fā)電機轉(zhuǎn)子運行方程為[18]

式中：0為系統(tǒng)額定頻率；M和E分別為機械功率和電磁功率標(biāo)幺值。

由式(4)和式(5)可知，VSC-HVDC系統(tǒng)中直流側(cè)電容儲能特性和發(fā)電機轉(zhuǎn)子儲能特性相似。因而，可利用直流側(cè)電壓映射出電網(wǎng)系統(tǒng)頻率，從而使換流站具有同步發(fā)電機特性。VSC-HVDC直流側(cè)電容器動態(tài)方程為

式中：in為直流側(cè)電容輸入功率標(biāo)幺值；out為換流器輸出功率標(biāo)幺值。

為使VSC-HVDC系統(tǒng)換流站模擬同步發(fā)電機慣量，令直流電容功率變化量D1等于同步發(fā)電機功率變化量D2，結(jié)合式(6)和式(7)可得

同時對式(8)兩邊積分，可得

(9)

式中：dc0為VSC-HVDC系統(tǒng)額定直流電壓；VSC為換流站模擬的慣量時間常數(shù)。通過進(jìn)一步處理，式(9)又可寫為式(10)。

由式(10)可知，若VSC-HVDC系統(tǒng)換流站所模擬的慣量越大，則其直流電壓的變化率也相對會較大，而擾動下系統(tǒng)頻率可靠性越高。因此，要在滿足系統(tǒng)設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，選取合適大小的模擬慣量。

因此，基于VSC-HVDC模擬慣量控制的數(shù)學(xué)模型為

此外，所提模擬慣量控制策略同樣適合于VSC-MTDC系統(tǒng)。但是針對兩端VSC-HVDC系統(tǒng)，不宜在兩端換流站同時都采用模擬慣量控制策略，其會惡化直流電壓的穩(wěn)定性和直流線路功率控制。

綜上所述，包含模擬慣量控制的VSC-HVDC控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于模擬慣量控制的VSC-HVDC控制系統(tǒng)框圖

3 ?仿真分析

本文借助PSCAD/EMTDC建立了如圖1所示的基于VSC-HVDC向弱電網(wǎng)供電的仿真系統(tǒng)。其中，VSC-HVDC系統(tǒng)參數(shù)與受端電網(wǎng)參數(shù)分別如表1和表2所示；固定線性負(fù)載為12.526?MW；可變負(fù)載為6?MW。整流站采用定有功功率控制和定無功功率控制；而逆變站采用本文所提的控制策略如圖4所示。為了驗證所提模擬慣量控制的有效，及其對受端弱交流系統(tǒng)頻率的支持能力，仿真比較了受端電網(wǎng)相同擾動下，不同大小模擬慣量時間常數(shù)VSC對受端電網(wǎng)的影響。

表1 VSC-HVDC系統(tǒng)參數(shù)

表2 受端電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

3.1 負(fù)荷突變仿真分析

圖5給出了4?s時刻負(fù)荷增加6?MW時直流電壓、受端換流站輸出功率、本地發(fā)電機輸出功率及系統(tǒng)頻率的仿真波形。由圖5可知，負(fù)荷增加時，基于傳統(tǒng)控制策略下，系統(tǒng)頻率迅速跌至49.3?Hz，之后又恢復(fù)到49.47?Hz；而采用模擬慣量控制時，等效增加了受端電網(wǎng)轉(zhuǎn)動慣量，系統(tǒng)頻率從50?Hz緩慢降至49.47?Hz，從而可有效減小電網(wǎng)的暫態(tài)頻率偏移。此外，由直流電壓波形圖可知，換流站所模擬的慣量越大，則在負(fù)荷增加瞬間其直流電壓變化量越大，且換流站瞬間輸出功率也越大。因此，模擬慣量時間常數(shù)并非越大越好。

圖5 基于模擬慣量控制下負(fù)荷增加6 MW時仿真波形圖

圖6給出了4 s時刻負(fù)荷減少6?MW時直流電壓、受端換流站輸出功率、本地發(fā)電機輸出功率及系統(tǒng)頻率的仿真波形。由圖6可知，負(fù)荷減少時，基于傳統(tǒng)控制策略下，系統(tǒng)頻率迅速升至50.62 Hz，然后慢慢回落至50.49 Hz左右；而在模擬慣量控制作用下，系統(tǒng)頻率從50 Hz緩慢且無超調(diào)增至50.49 Hz左右。由此可知，本文所提模擬慣量控制能有效提高VSC-HVDC向弱電網(wǎng)系統(tǒng)供電的頻率質(zhì)量。同理，若受端換流站模擬慣量越大，則負(fù)荷減少瞬間直流電壓變化越大。

圖6 基于模擬慣量控制下負(fù)荷減少6?MW時仿真波形圖

3.2 受端電網(wǎng)三相短路故障仿真分析

圖7給出了4?s時刻受端電網(wǎng)PCC2母線處發(fā)生三相接地故障且持續(xù)時間為0.05 s時系統(tǒng)直流電壓、受端換流站輸出功率、本地發(fā)電機輸出功率、及系統(tǒng)頻率的仿真波形。從圖7可知，基于傳統(tǒng)控制策略下，由于采用定直流電壓控制，導(dǎo)致故障瞬間系統(tǒng)頻率大幅波動，而直流電壓波動較?。欢谀M慣量控制作用下，故障瞬間系統(tǒng)頻率基本能維持在50 Hz左右。同時，由于系統(tǒng)阻尼較足，本地同步發(fā)電機受短路故障影響相對較小，而系統(tǒng)直流電壓波動較大。總之，模擬慣量控制能有效提高VSC-HVDC向弱電網(wǎng)絡(luò)的供電的頻率質(zhì)量和受端弱電網(wǎng)系統(tǒng)的抗擾動能力。

圖7 基于模擬慣量控制下三相短路故障時仿真波形圖

4 ?結(jié)論

本文研究了向弱電網(wǎng)系統(tǒng)供電的VSC-HVDC模擬慣量控制策略，得到如下結(jié)論：

(1)?弱交流電網(wǎng)本身慣量小，因此擾動下受端電網(wǎng)暫態(tài)頻率偏移較大，易引起低頻減載保護誤動作；

(2)?由VSC-HVDC系統(tǒng)直流側(cè)電容儲能特性和發(fā)電機轉(zhuǎn)子儲能特性，建立了直流電壓與系統(tǒng)頻率的映射關(guān)系，從而得出了換流站所模擬慣量關(guān)于直流電壓和系統(tǒng)頻率的數(shù)學(xué)函數(shù)；

(3)?所模擬慣量并非越大越好，模擬慣量越大，擾動下直流電壓波動越大；

(4)?所提模擬慣量時間常數(shù)可依據(jù)系統(tǒng)所允許的直流電壓波動范圍，求出其具體的取值范圍；

(5)?相比于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，模擬慣量控制明顯減小了擾動下受端弱電網(wǎng)暫態(tài)頻率偏移，提高了受端電網(wǎng)頻率質(zhì)量。

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(編輯 姜新麗)

Emulation inertia control strategy for VSC-HVDC supplying weak network

ZHANG Wuqi, Lü Yang

(Liuzhou Bureau, China Southern Power Grid EHV Power Transmission Company, Liuzhou 545006, China)

When the VSC-HVDC transmission system is employed to the weak grid, which is comparatively lower or no inertia, hence the large transient frequency deviation problem is always happened under the disturbances. In order to increase the inertia of the receiving grid, this paper proposes a emulation inertia control strategy, which significantly improves the system frequency quality. Based on the comparisons between the DC capacitance of the converter and the energy storage features of synchronous generator rotor, the relationship between DC voltage and system frequency is built. And then the specified formula for the emulation inertia calculation is given. The inverter station of the VSC-HVDC system with conventional control strategy and the proposed emulation inertia control strategy respectively is tested under different disturbances using PSCAD/EMTDC. Simulation results show that the proposed emulation inertia control strategy can better suppress the fluctuation frequency under the disturbances and improve the system frequency quality.

VSC-HVDC; frequency response; emulation inertia; fault ride-through; weak grid

10.7667/PSPC150845

2015-07-19；

2016-01-15

張武其(1990-)，男，碩士，研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；E-mail:wuqi_zhang@126.com 呂 洋(1989-)，男，碩士，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。E-mail: 54lvyang@163.com