直流整流站最小α限制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

金子開，滕予非

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110000；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

pd1=Ud1Id

PⅠ

PⅡ

xⅠ

直流整流站最小α限制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

金子開1，滕予非2

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110000；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

特高壓直流輸電系統(tǒng)(ultra high voltage direct current，UHVDC)是一個(gè)將直流和交流互相轉(zhuǎn)化進(jìn)行長(zhǎng)距離、高電壓、大容量傳輸?shù)南到y(tǒng)。UHVDC輸電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性主要取決于電壓受控電流指令限制器(voltage dependent current order limiter,VDCOL)和電流控制放大器(current control amplifier,CCA)。當(dāng)整流站發(fā)生交流故障，α角快速降低到允許的最小值；但當(dāng)故障消失，交流電壓恢復(fù)后，如果α太小直流電流會(huì)很大。為防止這種情況的發(fā)生，引入整流站最小α角限制器功能(rectifier alpha min limiter,RAML)。RAML的存在會(huì)對(duì)送端交流系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。對(duì)RAML的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行說明，分別用戴維南等值系統(tǒng)或者單機(jī)無窮大系統(tǒng)和一個(gè)發(fā)電機(jī)組代替交流系統(tǒng)，分析RAML的存在對(duì)于直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的影響并用等面積法則進(jìn)行解釋說明。最后，用IEEE 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)模型模擬實(shí)際的交流系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了RAML對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

特高壓直流；整流站；整流站最小α角限制器；電壓穩(wěn)定

直流輸電是一種很有吸引力的輸電方式。

直流輸電具有送電容量大、交直流耦合作用強(qiáng)、換流器無功消耗多等特點(diǎn)，交直流混聯(lián)電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析變得更加復(fù)雜[4]。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)分析了直流控制系統(tǒng)的配置要求、分層結(jié)構(gòu)、基本控制原理和基本控制方式及其之間聯(lián)系方式。文獻(xiàn)[6]提出了用于高壓直流系統(tǒng)控制研究的標(biāo)準(zhǔn)模型(CIGRE),涵蓋了結(jié)構(gòu)和參數(shù)。文獻(xiàn)[7]基于實(shí)際直流工程軟件Hidraw，研究了ABB直流控制保護(hù)系統(tǒng)中的換流閥觸發(fā)控制環(huán)節(jié)(converter firing control,CFC)，提出了兩種提高控制系統(tǒng)中鎖相環(huán)精度的方法。文獻(xiàn)[8]研究了鎖相環(huán)(phase-locked loop,PLL)對(duì)HVDC系統(tǒng)啟動(dòng)過程的影響。

文獻(xiàn)[9]分析整流站交流側(cè)母線電壓大幅擾動(dòng)過程中整流器和整流站的動(dòng)態(tài)無功特性，并分析了動(dòng)態(tài)無功特性的影響因素為低壓限流啟動(dòng)點(diǎn)、直流控制方式和定功率控制電壓測(cè)量時(shí)間常數(shù)。文獻(xiàn)[10-11] 分析了在逆變側(cè)交流母線電壓大幅波動(dòng)過程中，逆變站的綜合動(dòng)態(tài)功率特性，分析了逆變站無功特性的影響因素、直流受端系統(tǒng)電壓失穩(wěn)機(jī)理、直流逆變站對(duì)系統(tǒng)振蕩阻尼特性影響。文獻(xiàn)[12-14]從影響因素、 分析方法、 穩(wěn)定判據(jù)、應(yīng)對(duì)措施等方面，較為系統(tǒng)地闡述了直流饋入電網(wǎng)，尤其是多直流饋入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定問題。

這里首先分析最小α角限制器(rectifier alpha min limiter，RAML)在UHVDC中起到的作用，并對(duì)其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行解釋說明。用戴維南等值系統(tǒng)等效代替交流系統(tǒng)，分析RAML的存在對(duì)直流系統(tǒng)的影響，再用單機(jī)無窮大系統(tǒng)配1個(gè)發(fā)電機(jī)組等效代替交流系統(tǒng)，分析RAML對(duì)直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)的影響并用等面積法則進(jìn)行解釋說明。最后，用IEEE 10機(jī)39節(jié)點(diǎn)模型模擬實(shí)際的交流系統(tǒng)，仿真驗(yàn)證RAML對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 直流輸電穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算常用公式

整流站極對(duì)地直流電壓Ud1為

(1)

逆變站極對(duì)地直流電壓Ud2為

(2)

(3)

直流電流Id為

(4)

直流功率pd為

pd1=Ud1Id

(5)

式中：N1、N2為整流站和逆變站每極中的6脈動(dòng)換流器數(shù)，通常為2，最多為4；U1、U2為整流站和逆變站換流變壓器閥側(cè)空載線電壓有效值，kV；Xr1、Xr2為整流站和逆變站每相的換相電抗，Ω；α、β分別為整流器和逆變器的觸發(fā)角，°；γ為逆變器的關(guān)斷角，°；Id為直流電流平均值，A。

2 RAML的結(jié)構(gòu)和功能

當(dāng)整流站發(fā)生交流故障，α角快速降低到允許的最小值，但當(dāng)故障消失，交流電壓恢復(fù)后，如果α太小直流電流會(huì)很大。為了防止這種情況的發(fā)生，引入整流站最小α角限制器功能(RAML)。此功能檢測(cè)到較低的交流電壓，就將α角限制在設(shè)置的最小α角值左右。

圖1 RAML功能框圖

在實(shí)際的直流控保系統(tǒng)中，常利用交流電壓包絡(luò)線對(duì)交流系統(tǒng)電壓進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng)的上包絡(luò)線為UAC_MAX_HOLD，實(shí)際系統(tǒng)的下包絡(luò)線為UAC_MIN_HOLD，實(shí)際的直流控制保護(hù)系統(tǒng)則利用UAC_MAX_HOLD與UAC_MIN_HOLD來判斷交流系統(tǒng)的電壓降落。

此功能包括兩個(gè)并列部分，一個(gè)檢測(cè)單相故障，把UAC_MIN_HOLD和0.9倍的正常電壓相比較。另一個(gè)檢測(cè)三相故障，把UAC_MAX_HOLD和0.8倍的正常電壓相比較。

3 RAML環(huán)節(jié)對(duì)直流系統(tǒng)的影響

系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，整流側(cè)觸發(fā)角一般會(huì)達(dá)到最小值(5°)；過低的觸發(fā)角會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓恢復(fù)時(shí)直流電流迅速增大，為防止這一現(xiàn)象發(fā)生，引入RAML功能。該功能一旦檢測(cè)到較低的交流電壓，就會(huì)將α角最小值限制在30°左右，而在交流故障消除后RAML輸出的α角最小值限制會(huì)以0.4°/2 ms的速度降低至0。下面研究有、無RAML對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.1 仿真測(cè)試系統(tǒng)

圖2 RMAL的存在對(duì)于直流系統(tǒng)影響的測(cè)試系統(tǒng)

建立如圖2所示的額定直流電壓為±800 kV,額定電流為5 kA,額定送電功率為8 000 MW的特高壓直流輸電系統(tǒng)。Uc∠0為無窮大系統(tǒng)，用此仿真系統(tǒng)來分析RAML的有、無對(duì)于直流系統(tǒng)的直流電壓、直流電流和整流側(cè)觸發(fā)角的影響。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

特高壓直流輸電工程雙極±800 kV運(yùn)行，傳輸功率8 000 MW。設(shè)置t=2 s時(shí)，特高壓直流系統(tǒng)整流側(cè)交流母線出現(xiàn)金屬性三相短路故障，可以得到直流工程相關(guān)物理量的仿真結(jié)果如圖3所示。圖3中“1”代表有RAML元件，“2”表示無RAML元件。

圖3 RAML對(duì)直流系統(tǒng)影響的仿真結(jié)果

由圖3可知，整流側(cè)交流母線電壓恢復(fù)時(shí)，由于有RAML元件時(shí)整流側(cè)的觸發(fā)角從30°減小，其值大于無RAML元件的系統(tǒng)的整流側(cè)觸發(fā)角，有RAML元件的系統(tǒng)整流側(cè)直流電壓小，直流電流小。由于無RAML元件的系統(tǒng)直流電流上升過快，其值迅速超過額定值，通過系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)最終達(dá)到額定值，其達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)間較長(zhǎng)。

4 RAML環(huán)節(jié)對(duì)交流系統(tǒng)的影響

4.1 機(jī)理分析

正常運(yùn)行時(shí)(Ⅰ)發(fā)電機(jī)的電磁功率可表達(dá)為

(6)

(7)

電抗有如下關(guān)系：

xⅠ

(8)

如圖4所示為發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行(Ⅰ)、故障(Ⅱ)兩種狀態(tài)下的功率特性曲線。

圖4 仿真系統(tǒng)的正常運(yùn)行和故障的功率特性曲線

1)正常運(yùn)行方式。如果發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸送的功率為P0,則原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率PT等于P0(假設(shè)擾動(dòng)后PT保持不變)，圖4中a為正常運(yùn)行發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)，此時(shí)的功角為δ。

2)故障階段。當(dāng)整流側(cè)交流母線發(fā)生三相短路故障時(shí)，功率特性曲線由PⅠ立即降到PⅡ,但由于轉(zhuǎn)子的慣性作用，轉(zhuǎn)子角度不會(huì)立即變化。因此，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由a突然降至b，輸出功率顯著減少，而PT保持不變，故產(chǎn)生較大的過剩功率。在過剩轉(zhuǎn)矩的作用下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將加速，其相對(duì)速度和相對(duì)角度δ逐漸增大，使運(yùn)行點(diǎn)由b到c1移動(dòng)；由于含有RAML的控制系統(tǒng)中觸發(fā)角較大，其輸出的直流電壓和直流電流相比于無RAML的控制系統(tǒng)小，傳輸?shù)闹绷鞴β室残。虼撕蠷AML的控制系統(tǒng)的加速面積要大一些，這在圖4中表現(xiàn)為故障切除的時(shí)間相對(duì)于無RAML的控制系統(tǒng)要晚一些。圖4中，Sabc1m1為不含有RAML控制系統(tǒng)的加速面積；Sabc2m2為含有RAML控制系統(tǒng)的加速面積。

3)故障切除。含有RAML的控制系統(tǒng)在δ2c切除故障，無RAML的控制系統(tǒng)在δ1c切除故障。在故障切除后，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從c1突然變至d1，此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出功率比原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率大，使轉(zhuǎn)子受到制動(dòng)，轉(zhuǎn)子速度逐漸減慢。由于有RAML的控制系統(tǒng)加速面積要大一些，并且切除時(shí)間和切除時(shí)的角度也更大一些，要達(dá)到e2,因此其減速面積Sd2e2n2m2更大一些，而無RAML的控制系統(tǒng)只達(dá)到e1，其減速面積為Sd1e1n1m1。振蕩過程中總有能量損耗，因而振蕩是逐漸衰減的，最后都能穩(wěn)定運(yùn)行到a。而無RAML的控制系統(tǒng)的振蕩時(shí)間短，振蕩幅度更小。

4.2 RAML環(huán)節(jié)對(duì)交流系統(tǒng)的影響仿真分析

4.2.1 仿真測(cè)試系統(tǒng)

圖5 RMAL的存在對(duì)于交流系統(tǒng)影響的測(cè)試系統(tǒng)

建立如圖5所示的額定直流電壓為±800 kV,額定電流為5 kA,額定送電功率為8 000 MW的特高壓直流輸電系統(tǒng)。Uc∠0為無窮大系統(tǒng)，Et∠δ為一臺(tái)發(fā)電機(jī)，Pd為傳輸?shù)挠泄β省Ｓ么朔抡嫦到y(tǒng)來分析RAML的有無對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及交流母線電壓的影響。

4.2.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

特高壓直流輸電工程雙極±800 kV運(yùn)行，傳輸功率8 000 MW。設(shè)置t=2 s時(shí)，特高壓直流系統(tǒng)整流側(cè)交流母線出現(xiàn)金屬性三相短路故障，可以得到直流工程相關(guān)物理量的仿真結(jié)果如圖6所示。圖6中“1”代表有RAML元件，“2”表示無RAML元件。

(a) 轉(zhuǎn)速

(b) 整流側(cè)交流母線電壓

(c) 整流側(cè)直流電壓

(d) 直流電流

(e) 傳輸功率

(f) 發(fā)電機(jī)輸出功率

(g) 整流側(cè)觸發(fā)角圖6 RAML對(duì)交流系統(tǒng)影響的仿真結(jié)果

由圖6可知，由于RAML環(huán)節(jié)限制了故障整流側(cè)觸發(fā)角的恢復(fù)，減緩了直流系統(tǒng)功率恢復(fù)，因此導(dǎo)致交流側(cè)穩(wěn)定性能降低，與機(jī)理分析結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

引入RAML的目的就是在整流側(cè)交流故障消失，交流母線電壓恢復(fù)正常時(shí)，能夠防止直流系統(tǒng)中電流、電壓上升過快，通過仿真證明這個(gè)目的能夠達(dá)到，但效果不是很明顯。RAML的存在對(duì)交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生更大的影響，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)的極端電壓和發(fā)電機(jī)輸出的有功功率變化更大，這些導(dǎo)致交流系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。

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The ultra high voltage direct current (UHVDC), which is responsible for the transformation between DC and AC, can deliver long-range, high-voltage and large-capacity power. The voltage dependent current order limiter (VDCOL) and the current control amplifier (CCA) are the key factors for the dynamic characteristic. The firing angle will be quickly reduced to the allowed minimum value when faults occur at the AC side of rectifier station. With the AC faults disappearing and the AC voltage recovering, the direct current will increase quickly if the firing angle is too small. The module of rectifier alpha min limiter (RAML) is adopted to prevent that situation. RAML will affect the voltage stability of the sending end system. The structure and functions of RAML are described. The influence of RAML on DC and AC systems is analyzed using Thevenin equivalent system or single machine infinite bus power system with a generator set respectively, and is described by equal area rule. Finally, the influence of RAML on voltage stability is verified through the results of IEEE 10-machine 39-bus system.

ultra high voltage direct current (UHVDC); rectifier station; rectifier alpha min limiter; voltage stability

TM85

A

1003-6954(2017)01-0037-05

0 引 言

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015M582543)

2016-10-08)

由于中國(guó)能源分布不均勻，西多東少，而負(fù)荷分布恰好相反，為了解決能源配置和用電問題，交流輸電作為傳統(tǒng)輸電方式在長(zhǎng)距離輸電情況下經(jīng)濟(jì)效益顯著下降；而直流輸電是電力系統(tǒng)中迅速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大容量輸電、電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等方面，所以直流輸電受到了重視，在中國(guó)加大了科研投入和直流工程建設(shè)[1-3]。由于工程造價(jià)低，線路有功損耗小、不受系統(tǒng)穩(wěn)定極限的限制以及輸送功率的大小和方向可以快速控制和調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，

金子開(1990)，碩士，研究方向?yàn)樘馗邏褐绷鬏旊姷倪\(yùn)行與控制。