提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的風電直流協(xié)調(diào)控制策略

姜惠蘭，肖 瑞，周照清，李 政

（天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072）

我國新能源豐富地區(qū)與負荷用電中心區(qū)整體呈逆向分布，風火打捆通過交直流通道向外輸送是一種常見的電網(wǎng)架構(gòu)，這種輸電模式將風電與火電發(fā)出功率并在一起通過交直流線路送出，降低了功率的波動性同時也提高了傳輸線路利用率[1]。作為一種新型的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，風火打捆交直流混聯(lián)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定問題也引起了廣泛關(guān)注。

隨著風電滲透率的提高，在風電的運行特征和對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的方面已開展了研究[2-5]。DFIG（doubly-fed induction generator）依靠雙變流器結(jié)構(gòu)與矢量控制實現(xiàn)機電解耦，與系統(tǒng)的柔性連接使其注入系統(tǒng)的功率改變了同步機輸出、進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[4]。文獻[5]將DFIG的輸出功率等效為負阻抗，通過節(jié)點導納矩陣的收縮處理，分析了風電場對系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響。

柔性直流輸電線路通過換流器接入電網(wǎng)，借助電力電子設(shè)備，直流輸電可以靈活調(diào)節(jié)其傳輸?shù)墓β?。因此電力系統(tǒng)受到擾動后可以通過直流功率附加控制快速調(diào)節(jié)輸送功率改變區(qū)域間不平衡功率，來達到提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的目的。文獻[6]通過控制直流傳輸?shù)墓β?，讓直流線路承擔交流線路上的隨機功率波動，減小了交流線路上的功率波動。文獻[7]提出一種針對直流輸電線路的無功附加控制策略，通過控制變流器的無功輸出提高所并入電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。文獻[8]將直流有功功率附加控制應用在云南電網(wǎng)中的楚穗交直流系統(tǒng)中，通過仿真表明該措施有效地提高了系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性。文獻[9]研究了非線性附加有功控制的直流輸電對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的影響，結(jié)果表明通過檢測電網(wǎng)頻率變化進行相應的功率調(diào)節(jié)提升了電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性。文獻[10]通過直流有功功率附加控制，增大了區(qū)域間的振蕩阻尼，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻[11]則將滑?？刂朴糜跁簯B(tài)期間的直流功率附加控制當中，改善了直流系統(tǒng)的功率響應特性。

文獻[12]在包含風電及直流的三區(qū)域系統(tǒng)中應用擴展等面積定則，認為直流輸電對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響機理與風電類似，并分析了直流輸電的附加控制策略對系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的影響。文獻[13]基于“哈密”風火打捆系統(tǒng)，設(shè)計了應用于風電和直流控制的附加控制策略，以減少系統(tǒng)的不平衡功率，取得了較好的效果。文獻[14]基于甘肅省河西風火打捆外送系統(tǒng)，分別分析了交流線路故障、不同風電比例及不同直流輸送容量情況下系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。文獻[15]的研究表明，在風火打捆交直流外送系統(tǒng)中，直流輸電線路由于具有快速功率調(diào)節(jié)特性，能夠增大系統(tǒng)功角振蕩阻尼，有利于系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性。文獻[16]提出一種線性參數(shù)變化的魯棒反饋控制策略，充分利用直流通道的短時過載能力，有效提升系統(tǒng)的抗擾能力和響應性能。文獻[17]利用直流功率的快速可調(diào)性，提出火電、風電及直流的協(xié)調(diào)控制策略，改善系統(tǒng)的電壓、功角穩(wěn)定性。

DFIG和VSC-HVDC在多機系統(tǒng)中的接入情況和故障時的輸出特性不同，對同步機的電磁功率會產(chǎn)生不同影響。對單機無窮大系統(tǒng)或?qū)嶋H多機系統(tǒng)的時域仿真和定性分析結(jié)果可以對特定電網(wǎng)提供指導，卻難以對影響系統(tǒng)功角穩(wěn)定的作用機理給出解釋，因此需從理論上來分析風電直流接入對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。本文綜合考慮DFIG和VSC-HVDC有功無功輸出特性和接入位置，并基于擴展等面積定則，從理論上分析DFIG和VSCHVDC對多機系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的影響。通過分析系統(tǒng)在故障發(fā)生后的暫態(tài)過程對有功和無功的不同需求，推導出DFIG和VSC-HVDC的有功、無功功率特性、并網(wǎng)位置與系統(tǒng)等值機械功率改變量的關(guān)系，進一步提出一種提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的DFIG和VSC-HVDC的功率控制策略，通過改變系統(tǒng)在暫態(tài)過程中的加速或減速能量，進而增大系統(tǒng)等值功角振蕩阻尼來提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。

1 受擾多機系統(tǒng)轉(zhuǎn)子運動方程

由EEAC理論可知，受擾多機系統(tǒng)中的同步機可分為領(lǐng)先群S和余下群A兩個互補機群，多機電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)子運動問題通過互補群慣量中心變換等效為兩機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子相對運動問題，再由相對運動變換等值為一個單機-無窮大系統(tǒng)，進而依據(jù)等面積定則反映系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性[18]。多機系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)子運動方程為

式中：MSA、δSA分別為多機系統(tǒng)等值轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)子角；MS、MA分別為S機群和A機群的等效轉(zhuǎn)動慣量；Pm,SA、Pc、Pmax分別為機械功率、偏移功率、極限功率；γ為轉(zhuǎn)子偏移角；m為系統(tǒng)中同步機的總臺數(shù)；p為S機群同步機臺數(shù)；i、j屬于S機群內(nèi)節(jié)點編號；k、l屬于A機群內(nèi)節(jié)點編號；E為同步機內(nèi)電勢，G、B為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點導納矩陣的元素。

2 風電直流對等值系統(tǒng)電磁功率影響

2.1 DFIG和VSC-HVDC輸出特性的等效模型

風電和直流是通過改變與電網(wǎng)交換功率的大小來改變同步機的輸出，進而影響系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的，所以獲取等值系統(tǒng)電磁功率變化量是分析風電和直流影響系統(tǒng)功角穩(wěn)定性的關(guān)鍵。DFIG和VSCHVDC的功率外特性可分別用等效接地導納來表示。對于風火打捆交直流混聯(lián)系統(tǒng)，考慮到風電場和直流輸電共同連接至同一母線的情況，可以對兩條等效導納支路進行并聯(lián)合并處理，如圖1所示。

圖1 DFIG和VSC-HVDC的等效模型Fig.1 Equivalent model of DFIG and VSC-HVDC

DFIG和VSC-HVDC等效接地電導和電納表示為

式中：U為DFIG和VSC-HVDC并網(wǎng)母線電壓；Pdfig和Qdfig分別為DFIG的有功、無功功率；ydfig、gdfig和bdfig分別為DFIG的等效導納、電導和電納；Phvdc和Qhvdc分別為VSC-HVDC整流站傳輸?shù)挠泄蜔o功功率，yhvdc、ghvdc和bhvdc分別為VSC-HVDC等效導納、等效電導和電納。

可見，等效接地導納體現(xiàn)了DFIG和VSCHVDC在并網(wǎng)點的實時輸出功率和電壓信息。合并后的等效電導和電納為

式中，yeq、gE和bE分別為合并等效導納、電導和電納。

2.2 風電和直流接入對系統(tǒng)功率和穩(wěn)定的影響

將系統(tǒng)中的節(jié)點分為同步機內(nèi)電勢節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中負荷節(jié)點R，以及風電場和直流共同連接母線節(jié)點E。通過收縮處理消去負荷節(jié)點R，把負荷節(jié)點歸入S節(jié)點、A節(jié)點與E節(jié)點的電氣聯(lián)系中，得到如下方程

風電和直流接入引起的系統(tǒng)等值機械功率變化量ΔPe，將改變系統(tǒng)等值功角的加速或減速能量，從而影響系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。相當于構(gòu)建了風電和直流的等效導納與系統(tǒng)暫態(tài)功角之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為提出改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的風電直流阻尼控制策略提供了理論基礎(chǔ)。

3 提升系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的風電直流協(xié)調(diào)控制策略

由前面分析可知，風電和直流輸電主要通過輸出功率影響系統(tǒng)中同步機出力，進而參與系統(tǒng)中同步機之間的機電暫態(tài)過程?？紤]到DFIG和直流都具有對有功、無功獨立調(diào)節(jié)的能力，可以進一步尋找DFIG和直流的有功無功改變與ΔPe之間的關(guān)系，并據(jù)此提出一種風電直流協(xié)調(diào)阻尼控制策略以提升系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性。其核心思想是充分利用DFIG和直流的功率調(diào)節(jié)能力，通過控制二者在故障暫態(tài)期間的有功無功輸出，使ΔPe的變化有利于減小系統(tǒng)等值功角擺動幅度，相當于起到了增大系統(tǒng)阻尼的效果。

3.1 風電直流有功無功對等值機械功率的影響關(guān)系

當同步機勵磁能力較強，可取同步機暫態(tài)內(nèi)電勢E=1。因此，可定義參數(shù)T為

3.2 DFIG與VSC-HVDC的阻尼控制策略

對于VSC-HVDC輸電系統(tǒng)，在風電場并網(wǎng)側(cè)采用定交流電壓控制。當并網(wǎng)側(cè)交流電壓跌落超出閾值時，此時會優(yōu)先維持電壓穩(wěn)定，使VSC-HVDC向交流電網(wǎng)提供無功支撐。當并網(wǎng)側(cè)交流電壓未超出閾值時，此時優(yōu)先考慮系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定，對于DFIG和VSC-HVDC，由于采用恒功率因數(shù)控制和定有功功率控制，其有功功率傳輸遠大于無功功率傳輸，體現(xiàn)在式（5）中即，對于式（13）可化簡為

可知，ΔPe與等效導納的關(guān)系還包含由E、S節(jié)點間互導納計算得到的參數(shù)TP，所以先確定TP的正負，據(jù)此制定出有利于系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的功率控制策略：

（1）當TP>0時，ΔPe與gE同向變化，在系統(tǒng)等值功角正擺的情況下，應控制風電機組增大有功輸出、控制VSC-HVDC吸收更少有功；在系統(tǒng)等值功角反擺的情況下，應控制風電機組減少有功輸出、控制VSC-HVDC吸收更多有功。這樣可以使得ΔPe增大，系統(tǒng)加速面積減小、減速面積增大。

（2）當TP<0時，ΔPe與gE反向變化，在系統(tǒng)等值功角正擺的情況下，應控制風電機組減少有功輸出、控制VSC-HVDC吸收更多有功；在系統(tǒng)等值功角反擺的情況下，應控制風電機組增大有功輸出、控制VSC-HVDC吸收更少有功。這樣可以使得ΔPe增大，系統(tǒng)加速面積減小、減速面積增大。

4 算例分析

為驗證所提控制策略的有效性，對圖2所示風火打捆交直流非并聯(lián)外送系統(tǒng)進行了仿真分析。設(shè)定風火打捆電源總出力200 MW，其中同步機總發(fā)電功率100 MW，雙饋風電場總發(fā)電功率為100 MW。DFIG為恒功率因數(shù)控制，低電壓穿越時采用定子串聯(lián)電抗穿越措施。VSC-HVDC在送端整流站采用定有功功率和定交流電壓控制，其緊急功率支援的有功調(diào)制量取額定容量的30%[19]。故障設(shè)定為0.1 s時交流線路靠近母線1處發(fā)生三相短路接地故障，持續(xù)時間為0.6 s。

圖2 含DFIG與VSC-HVDC的交直流非并聯(lián)系統(tǒng)Fig.2 AC/DC non-parallel system with DFIG and VSC-HVDC

針對所搭建的系統(tǒng)，列寫出系統(tǒng)原始的節(jié)點電壓方程，并將矩陣收縮至只含有發(fā)電機內(nèi)電勢節(jié)點，得到DFIG和VSC-HVDC接入對系統(tǒng)節(jié)點導納矩陣的修正量，據(jù)此可以計算出參數(shù)TP=Re(T)=414.29，因而在系統(tǒng)功角增大時應控制風電直流增大有功注入，在功角減小時減小有功注入。

故障期間送端母線1電壓的變化如圖3所示。在0.1 s故障發(fā)生時刻，母線電壓跌落低于閾值，但隨后有所回升，這是因為DFIG和VSC-HVDC在此期間向交流側(cè)注入了無功功率。

圖3 并網(wǎng)母線節(jié)點交流電壓Fig.3 AC voltage at grid-connected bus node

風電場在故障期間的低電壓穿越時輸出的有功和無功功率如圖4所示，按照風電機組低電壓穿越規(guī)程，故障穿越時功率特性以無功功率為主。

圖4 DFIG在低電壓穿越期間的輸出功率Fig.4 DFIG output power during LVRT

VSC-HVDC送端整流站的有功、無功功率如圖5所示。在0.1 s時刻由于故障導致送端母線電壓跌落低于閾值。此時VSC-HVDC應滿足定交流電壓的目標，將變流器容量主要分配于q軸電流控制，因此在故障期間VSC-HVDC有功吸收較低，主要向風火打捆基地提供無功支持。

圖5 VSC-HVDC送端的有功無功功率Fig.5 Active and reactive power at the sending end of VSC-HVDC

采用文中所提控制策略和未采用控制策略兩種情況下系統(tǒng)等值功角曲線的對比如圖6所示。圖6（a）對應的故障跌落80%情況，未采取改進控制的系統(tǒng)功角將失穩(wěn)，而采用本文控制策略后系統(tǒng)功角是穩(wěn)定的；圖6（b）對應故障跌落較淺的情況可見，采用本文控制策略后的同步機功角擺幅有所減小，且恢復穩(wěn)定的速度更快。

圖6 風火打捆同步機功角曲線Fig.6 Power angle curve of synchronous machine for wind-thermal bundled system

對應于80%跌落情況時VSC-HVDC在系統(tǒng)等值功角變化期間的有功功率指令和有功功率輸出如圖7所示。在0.1～0.7 s故障期間，VSC-HVDC以無功支撐為主要目標，傳輸有功功率較少。當故障切除后交流電壓在閾值范圍內(nèi)時，因Tp>0，在功角正擺階段，按照所提控制策略VSC-HVDC減少了吸收的有功功率；在功角反擺階段，VSC-HVDC增加了吸收的有功功率，使得系統(tǒng)等值機械功率按照減小加速面積、增大減速面積的方向調(diào)節(jié)，減少同步機轉(zhuǎn)子所受不平衡能量，達到提升系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定的效果。

圖7 VSC-HVDC有功指令和有功功率Fig.7 Active command and active power of VSC-HVDC

5 結(jié)論

（1）依據(jù)擴展等面積定則，對表征系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的風火打捆交直流混聯(lián)系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)子運動方程進行了推導，得到了風電和直流的功率特性對系統(tǒng)加速面積、減速面積的影響規(guī)律。

（2）基于所給出的適用于風火打捆系統(tǒng)暫態(tài)過程的功率控制規(guī)律，充分利用DFIG和VSC-HVDC功率調(diào)節(jié)能力來補償并網(wǎng)點的功率，達到維持并網(wǎng)點電壓和提高系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定性的目的。