多回直流緊急功率支援與電壓穩(wěn)定控制

1、第27卷第1期2010年2月現(xiàn) 代 電 力ModernElectricPowerVol 27 No 1Feb 2010文章編號(hào):1007 2322(2010)01 0030 05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 中圖分類號(hào):TM721 1多回直流緊急功率支援與電壓穩(wěn)定控制龍錦壯,韓民曉,郭小江,劉崇茹,陳修宇2(1 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206;2 中國電力科學(xué)研究院,北京 100192)StrategyofEmergencyPowerSupportandVoltageStabilityControlwithHVDCsLongJinzhuang,HanMinxiao,GuoXiaojia

2、ng,LiuChongru,ChenXiuyu2 ChinaEelectricPowerResearchInstitute,Beijing 100192,China)2(1 SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing 102206,China;摘 要:復(fù)雜交直流并聯(lián)輸電系統(tǒng)中,由線路故障導(dǎo)致的大規(guī)模功率轉(zhuǎn)移可能引發(fā)系統(tǒng)波動(dòng),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。針對(duì)上述問題,提出當(dāng)多回直流輸電系統(tǒng)中的一回直流因故障停運(yùn)時(shí),可以在其他直流緊急功率支援的同時(shí),通過電氣距離較近的換流站的無功協(xié)調(diào)

3、控制來提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性,并給出了相應(yīng)的控制策略。在EMTDC/PSCAD仿真軟件中搭建了三直一交混合輸電系統(tǒng)模型并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明該控制策略對(duì)維持系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定均有明顯效果,對(duì)實(shí)際系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞:高壓直流;緊急閉鎖;緊急功率支援;無功協(xié)調(diào)控制;電壓穩(wěn)定Abstract:Alinefaultofacomplexpowergridwithmulti lineDCandACtransmissioninparallelcancausethemassshiftoftheactivepower,whichmayleadtothesystemfluc tuatio

4、nandgriddisruption Areasonablesolutionisgivenaf tertheanalysisoftherelationshipbetweentheEDCPSandreactivepowercontrol WhenafaultoccurrsinoneoftheDClinesinparallel,thevoltagestabilityisimprovedbythereactivepowercoordinationcontrolsystemofthenearlyconvertorstation,aswellastheemergencyDCpowersup portof

5、otherDClines AhybridpowersystemwithoneACandthreeDClinesinparalleliscreatedinPSCAD/EMT DC Simulationresultsshowthatthisstrategycansignifi cantlyimprovethefrequencyandvoltagestability,anditisavailabletotheactualsystemKeywords:HVDC;emergencylock;emergencyDCpowersupport;reactivepowercooperationcontrol;v

6、oltagestabil ity交直流混合輸電系統(tǒng)1。直流容量在整個(gè)電力系統(tǒng)輸送容量中的比例將進(jìn)一步提高,開展多回直流相關(guān)的控制策略的研究顯得尤為迫切。直流系統(tǒng)緊急停運(yùn),將會(huì)造成功率大規(guī)模轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致系統(tǒng)電壓大幅波動(dòng)2,影響其他直流正常運(yùn)行,進(jìn)而對(duì)交流系統(tǒng)產(chǎn)生更大的沖擊,如何合理地轉(zhuǎn)移不平衡功率以及有效地控制系統(tǒng)電壓是多回直流面臨的重要問題3。目前,多回直流之間的電壓與無功協(xié)調(diào)控制策略尚不多見。在單回直流系統(tǒng)中,直流系統(tǒng)緊急停運(yùn)時(shí),一般立即切除相應(yīng)換流站的無功補(bǔ)償設(shè)備,以防止交流電壓的升高。本文提出在多回直流系統(tǒng)中一回直流緊急停運(yùn)時(shí),采取緊急功率支援手段的同時(shí)利用停運(yùn)的直流換流站的無功補(bǔ)償支援與

7、其電氣距離較近的直流換流站所需要的無功,以維持其電壓穩(wěn)定,并提出了相應(yīng)的控制策略,并通過仿真驗(yàn)證了此方法的可行性和有效性。1 緊急功率支援原理與結(jié)構(gòu)目前我國已建的HVDC都是按定功率來運(yùn)行的,定功率控制在隔離兩側(cè)交流系統(tǒng)相互影響方面有一定的優(yōu)越性。同時(shí),定功率控制也犧牲了故障時(shí)兩側(cè)交流系統(tǒng)的緊急支援能力。EDCPS就是利用直流系統(tǒng)輸送功率快速可控的特點(diǎn),通過迅速提升其注入到交流系統(tǒng)的功率,達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種緊急控制措施。隨著特高壓直流系統(tǒng)的建設(shè),國家電力通信中心提出在目前的條件下直流控制應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)功能4: 必須保證在兩側(cè)交流系統(tǒng)正常運(yùn)行或故障清除時(shí),HVDC應(yīng)按送點(diǎn)計(jì)劃定功率運(yùn)行

8、;0 引 言按照我國特高壓直流輸電工程的規(guī)劃,西南第1期龍錦壯等:多回直流緊急功率支援與電壓穩(wěn)定控制31時(shí),該回線路的功率應(yīng)能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)移到其他尚有裕度的直流線路上;在某一側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生事故導(dǎo)致頻率異常變化時(shí),HVDC系統(tǒng)應(yīng)具備響應(yīng)兩側(cè)頻率變化而改變輸送功率的能力,進(jìn)行頻率控制。圖2 緊急功率控制結(jié)構(gòu)圖圖1 功率控制及其附加控制結(jié)構(gòu)圖率支援電流指令。其中,分配器是依據(jù)其他直流線路的額定功率水平按比例分配差額功率的。然而,實(shí)際系統(tǒng)中直流功率的緊急提升是受到各種因素限制的,包括換流閥的過負(fù)荷能力、冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)、送端和受端系統(tǒng)的無功補(bǔ)償能力和電網(wǎng)強(qiáng)度等。當(dāng)交流系統(tǒng)所能供給的無功無法滿足要求時(shí),控

9、制系統(tǒng)將限制直流功率的提升。圖1給出了定功率控制及其附加控制的結(jié)構(gòu)框圖。HVDC通常在整流側(cè)采用定電流或者定功率控制,在逆變側(cè)采用定熄弧角控制。若采用定功率控制,則將功率指令值除以直流電壓,得到電流指令進(jìn)行控制。Pord是正常運(yùn)行時(shí)的功率指令值; P是直流功率調(diào)制指令信號(hào),其作用主要由其反饋的交直流狀態(tài)變量決定,選擇合適的狀態(tài)變量可以實(shí)現(xiàn)包括輔助頻率控制、輔助電壓控制、抑制并聯(lián)交流線路功率振蕩等5。 I是緊急功率支援指令信號(hào),在故障情況下緊急提升直流電流指令值。相比于功率控制,電流控制具有快速性,故將緊急功率支援信號(hào)作用于電流控制中。同時(shí),為了防止由于直流的頻率控制致使的直流功率正常波動(dòng)導(dǎo)致緊

10、急功率支援誤動(dòng)作,此模塊在 I信號(hào)后加入了比較和限幅環(huán)節(jié),當(dāng) I大于一定值時(shí)才使緊急功率支援動(dòng)作。由于直流系統(tǒng)響應(yīng)速度很快,在研究交直流穩(wěn)定控制的時(shí)候,可以忽略其動(dòng)態(tài)特性,近似認(rèn)為通過控制可以立即改變直流電流:Id=Iord+ I(1)2 無功協(xié)調(diào)控制策略直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),換流站需要消耗大量的無功功率,無功功率不足或過剩都會(huì)導(dǎo)致交流電壓的波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性6 8。無功控制對(duì)保證換流器安全穩(wěn)定運(yùn)行、維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性有重要意義。多回直流輸電系統(tǒng)中在某直流事故情況下,有功潮流的大規(guī)模轉(zhuǎn)移以及緊急支援情況下?lián)Q流站無功需求的快速變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓的大幅波動(dòng),致使其他直流換向失敗

11、,甚至出現(xiàn)電壓崩潰和系統(tǒng)失穩(wěn),因此多回直流輸電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和無功支援問題顯得尤為重要。在不同的運(yùn)行方式下,換流器所消耗的無功功率是不同的。換流器消耗的無功功率的計(jì)算公式為9Qdc=Pdctan式中:!-sin!cos(2+!)tan =sin!sin(2+!)!=arccoscos-cd-E11(3)(4)(2)直流故障判據(jù):當(dāng)直流緊急閉鎖時(shí),直流功率驟降。故可定義直流故障判據(jù)為:dp/dt<C1并且在一段時(shí)間內(nèi)Pord-P>C2(Pord為直流功率指令值,P為功率實(shí)測值,dp/dt為實(shí)測有功隨時(shí)間的變化率,C1、C2為常數(shù),大量仿真結(jié)果表明C1=-3-0 5pu/s、C2=0

12、20 4pu為合理取值范圍)。n回直流輸電系統(tǒng),第m回緊急功率支援信號(hào) I的確定如圖2所示。圖2中式中:Pdc為換流器直流側(cè)功率(MW);Qdc為換流器消耗的無功功率(MVar);Xc為每相的換相電抗(#);!為換相角(%);Id為直流運(yùn)行電流(kA);E11為換流閥側(cè)空載電壓有效值(kV);為整流側(cè)觸發(fā)角(%)。#Pord=P1ord+P2ord+Pnord。Ki(i=1,2n)為直流故障信號(hào),當(dāng)判定第i回直流閉鎖時(shí),將Ki由0置1,將此直流回路的功率32現(xiàn) 代 電 力 2010年電容器組提供。交流濾波器在濾除由高壓直流換流器產(chǎn)生的諧波的同時(shí)還提供大量無功給換流器。無功控制就是在各種運(yùn)行情況

13、下合理控制交流濾波器和并聯(lián)電容器的投切,以滿足換流器的無功需求并保證系統(tǒng)電壓維持恒定。濾波器和并聯(lián)電容器的投切受到以下控制功能的限制10:絕對(duì)最少濾波器:根據(jù)濾波器的額定值應(yīng)該投入的最少濾波器組數(shù),少于這一組數(shù)將導(dǎo)致濾波器過負(fù)荷;!最大交流電壓:監(jiān)視交流母線穩(wěn)態(tài)電壓,使其不超過規(guī)定的最大值;最大無功功率:通過限制濾波器組向交流系統(tǒng)注入的無功功率來防止交流母線電壓的快速升高;&最少濾波器:為了滿足濾波效果,要求投入的最少濾波器;無功功率控制/交流電壓控制:將與交流系統(tǒng)交換的無功功率控制在適當(dāng)范圍/將交流母線電壓控制在合理范圍。這5條原則優(yōu)先級(jí)依次降低。在某一投切操作只有在不會(huì)與更高優(yōu)先級(jí)

14、沖突時(shí),才允許其動(dòng)作。以上5條若不能滿足,無功功率控制將發(fā)出警告信號(hào)或者直接限制直流有功功率的最大值,使直流系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中,無功功率控制與交流電壓控制不能同時(shí)使用,由運(yùn)行人員選擇,工程中一般采用無功功率控制。依據(jù)上述原則,當(dāng)某直流系統(tǒng)因故障緊急停運(yùn)時(shí),無功控制系統(tǒng)將切除幾乎所有的無功補(bǔ)償設(shè)備。此控制適用于單回直流系統(tǒng)或者換流站之間電氣距離較遠(yuǎn)的多回直流系統(tǒng)。對(duì)于換流站之間電氣距離較近的多回直流輸電系統(tǒng)采用此控制方法是不合理的。在含多回直流的復(fù)雜交直流輸電系統(tǒng)中存在某些電氣距離很近的換流站,當(dāng)一回直流緊急停運(yùn)時(shí),為了維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定,減少流經(jīng)并聯(lián)交流系統(tǒng)的不平衡功率,應(yīng)緊急提升其他并聯(lián)的

15、直流線路的輸送功率。因功率提升增加的換流器的無功消耗,可能超出其本換流站備用無功容量。若因直流線路故障或換流閥故障而導(dǎo)致停運(yùn)的直流系統(tǒng)的換流站尚有大量的可用無功。此時(shí)考慮利用停運(yùn)的直流換流站的無功容量補(bǔ)充差額無功,或可提高交流回直流換流站與交流系統(tǒng)交換的總無功功率控制在合理范圍。圖3 無功協(xié)調(diào)控制原理框圖圖3為無功協(xié)調(diào)控制的控制原理框圖。#Qchange為各換流器從交流系統(tǒng)吸收的總的無功功率。當(dāng)#Qchange一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)大于某一正值C1,計(jì)數(shù)器加1并使交流濾波器投切開關(guān)K動(dòng)作,投入一組濾波器。反之,當(dāng)#Qchange一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)小于某一負(fù)值C2,計(jì)數(shù)器減1并使交流濾波器投切開關(guān)K動(dòng)作,切

16、除一組濾波器。3 仿真算例仿真算例采用了三直一交并聯(lián)系統(tǒng)。G1為平衡節(jié)點(diǎn),G2,G3為PV節(jié)點(diǎn)。負(fù)荷主要集中在東南區(qū)域,西北地區(qū)是主要的資源分布區(qū),線路的功率流向是從西部流向東部。直流輸電控制系統(tǒng)采用Cigre_Benchmark標(biāo)準(zhǔn)測試模型,整流側(cè)定功率控制,逆變側(cè)定控制。交流線路采用集中參數(shù)模型。負(fù)荷采用恒阻抗模型,并考慮1 5倍的調(diào)差系數(shù)。圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)額定參數(shù)如下:G1(平衡機(jī)):SN=5900MVA,UN=21kV;G2:SN=1000MVA,UN=21kV,TM=6s;G3:SN=2500MVA,UN=21 4kV,TM=10s;k第1期龍錦壯等:多回直流緊急功率支援與電壓穩(wěn)

17、定控制33T2:k=20kV/500kV,Uk%=0 08;T3:k=20kV/500kV,Uk%=0 15;AC1:R=5#,L=0 16H,C=15 28!F;AC2:R=15#,L=0 48H,C=10 1!F;AC3:R=3 75#,L=0 08H,C=5 1!F;AC4、AC5、AC6:L=0 024H;DC1、DC2、DC3:P=1440MW,=15%,=18%;L1:3584+j242MVA;L2:2042+j511MVA;L3:3357+j679MVA;提升,并維持在500kV以上,基本沒有波動(dòng)。單純緊急提升DC2功率時(shí),換流站所多消耗的無功功率全部來自交流系統(tǒng),導(dǎo)致交流系統(tǒng)電

18、壓進(jìn)一步下降,控制效果并不理想。不采取控制手段時(shí),交流系統(tǒng)電壓大幅波動(dòng),系統(tǒng)穩(wěn)定性差。相比節(jié)點(diǎn)A,節(jié)點(diǎn)B的電壓降落更加嚴(yán)重。其原因也并不難理解,直流DC1故障后,潮流大規(guī)模轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的長距離交流線路,增大了線路無功消耗,而B節(jié)點(diǎn)處又沒有足夠的無功備用,無功功率的缺額勢必導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)電壓下降。若系統(tǒng)電壓進(jìn)一步下降,DC3將可能換向失敗,導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。從圖6中看出,緊急功率支援對(duì)節(jié)點(diǎn)B的電壓穩(wěn)定效果是明顯的。UB1之所以沒有恢復(fù)到額定值,是因?yàn)镈C3只支援了30%的差額功率,其他70%仍然轉(zhuǎn)移到并聯(lián)交流線路上。4 仿真結(jié)果及分析直流系統(tǒng)暫時(shí)過負(fù)荷持續(xù)時(shí)間一般為310s,過負(fù)荷能力可達(dá)額定電流的1 3

19、1 5倍11。本文考慮所研究的直流系統(tǒng)有10s的1 3倍的暫時(shí)過負(fù)荷能力。DC1和DC3換流站電氣距離很近,當(dāng)其中一回發(fā)生故障時(shí)可以通過緊急提升另一回的功率來維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定,并且利用停運(yùn)直流的換流站無功協(xié)調(diào)控制提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。DC2受端換流站與DC1和DC3距離較遠(yuǎn),無法參與無功的協(xié)調(diào)控制,附近又沒有大量的無功備用,因此不能參與故障時(shí)的緊急功率支援。分別仿真了直流系統(tǒng)DC1在10s時(shí)雙極閉鎖的情況下,緊急提升DC3功率并配合DC1換流站的無功協(xié)調(diào)控制(對(duì)應(yīng)圖中下標(biāo)為1的變量)、不采取措施(對(duì)應(yīng)圖中下標(biāo)為2的變量)和單純提升DC3功率(對(duì)應(yīng)圖中下標(biāo)為3的變量)3種情況。仿真結(jié)果見圖5、圖6和圖

20、7。圖6 節(jié)點(diǎn)B電壓波形從圖7中可以看出,緊急功率支援對(duì)避免系統(tǒng)首擺失穩(wěn)效果明顯,若配合無功的協(xié)調(diào)控制可以使交流系統(tǒng)頻率在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定。圖7 節(jié)點(diǎn)A處系統(tǒng)頻率波形另外,仿真中發(fā)現(xiàn)直流控制系統(tǒng)中VDCOL參圖5 節(jié)點(diǎn)A電壓波形數(shù)對(duì)EDCPS影響很大。設(shè)置低壓限流的目的,最初是作為換流閥換向失敗的一種保護(hù)措施,后來被用于許多現(xiàn)代高壓直流輸電工程,用于改善故障后直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性。但是當(dāng)系統(tǒng)由于有功潮流的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致電壓下降時(shí),若電壓降落到VDCOL控制從圖5中可以看出緊急功率支援配合無功協(xié)調(diào)控制的控制效果(UA1)明顯優(yōu)于其他兩種情況。A節(jié)點(diǎn)電壓故障時(shí)陡然降低。通過緊急功率支援配34現(xiàn) 代 電 力

21、 2010年功率,致使有功潮流更多地轉(zhuǎn)移至交流線路,致使交流電壓進(jìn)一步下降。當(dāng)因有功潮流轉(zhuǎn)移導(dǎo)致系統(tǒng)電壓下降時(shí),為盡快平衡系統(tǒng)有功,暫時(shí)提升VD COL電流限值,將有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。此問題亦有待于進(jìn)一步研究。5 張振,李興源.多饋入直流輸電系統(tǒng)的輔助頻率控制J.現(xiàn)代電力,2009,26(1):45 48.6 韓民曉,文俊,徐永海.高壓直流輸電原理與運(yùn)行M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.7 HanMinxiao,DingHu,ChenQing.CoordinatedControlStrategiesofChina RussiaBTB HVDCandSVCA.PowerandEnergyEngineeringConfer ence,2009C.Wuhan,2009.8 Aik,DLH.MethodsforvoltageandpowerstabilityanalysisofemergingHVDCsystemconfigurationsJ.414.9 殷威揚(yáng),楊志棟.特高壓直流工程