晶閘管電子負(fù)荷在孤網(wǎng)頻率振蕩抑制中的應(yīng)用

陳輝，韓連山，李成博，劉偉航

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)

0 引言

電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)中的發(fā)電功率與用電功率相等，電網(wǎng)的頻率保持穩(wěn)定[1]。發(fā)電機(jī)具備一定的調(diào)節(jié)能力，當(dāng)負(fù)荷功率發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)可以通過調(diào)速系統(tǒng)調(diào)整發(fā)電功率，維持功率平衡，保持頻率穩(wěn)定[2]。然而，處于孤島運(yùn)行的電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)裝機(jī)規(guī)模有限、旋轉(zhuǎn)備用較小[3]，其調(diào)節(jié)能力有限[4]。當(dāng)因故障跳閘、大型沖擊性負(fù)荷退出等導(dǎo)致大功率負(fù)荷突然消失，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)能力不足時(shí)，電網(wǎng)頻率快速升高，發(fā)電機(jī)超速保護(hù)、高周切機(jī)、低頻減載交替動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐珊诰W(wǎng)事件[5]。這種現(xiàn)象在2～4臺(tái)機(jī)組的孤網(wǎng)系統(tǒng)中尤為突出，孤網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和負(fù)荷的數(shù)量少，功率調(diào)節(jié)性手段也相對較少，因此出現(xiàn)甩負(fù)荷時(shí)更容易引起事故擴(kuò)大[6]。

為應(yīng)對電力系統(tǒng)突然甩負(fù)荷造成的頻率異常，解決方案有改造發(fā)電機(jī)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)、配置穩(wěn)定控制系統(tǒng)、配置高周切機(jī)、增加低頻減載保護(hù)以及采用蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等。其中，機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)需要對原發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造，提高發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)能力，但仍需發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行期間留有一定的旋轉(zhuǎn)備用[7]。穩(wěn)定控制系統(tǒng)、高周切機(jī)以及低頻減載系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行三道防線的概念[8]。這些策略通過切除部分發(fā)電機(jī)、部分負(fù)荷甚至部分電網(wǎng)的方式維持系統(tǒng)功率平衡，但在孤網(wǎng)系統(tǒng)以及微電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于發(fā)電機(jī)、負(fù)荷顆粒度加大，難以通過二、三道防線匹配發(fā)電-負(fù)荷功率，電網(wǎng)仍面臨一定失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為新興的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段在資源配置優(yōu)化和系統(tǒng)穩(wěn)定方面具有一定的效果，但蓄電池造價(jià)昂貴、壽命短、充放電次數(shù)有限、維護(hù)工作量大，因此儲(chǔ)能在孤網(wǎng)中作為調(diào)節(jié)性電源應(yīng)用時(shí)具有一定局限性[9]。電子負(fù)荷裝置可應(yīng)用于廠礦企業(yè)電網(wǎng)，在優(yōu)化大型負(fù)荷投退策略、補(bǔ)償功率缺額、平衡三相有功以及配合機(jī)組黑啟動(dòng)等方面具有顯著成效[10—11]。

文中提出采用基于晶閘管控制的電子負(fù)荷裝置解決電力系統(tǒng)由于甩負(fù)荷而造成的失穩(wěn)問題。介紹了電子負(fù)荷的基本原理和控制策略，并針對企業(yè)電網(wǎng)頻率振蕩的問題，進(jìn)行了針對性分析。結(jié)果表明，電子負(fù)荷能夠快速平滑地調(diào)節(jié)功率，在電網(wǎng)一次調(diào)頻、頻率阻尼抑制方面效果顯著。

1 電子負(fù)荷結(jié)構(gòu)與原理

常規(guī)電子負(fù)荷系統(tǒng)采用機(jī)械開關(guān)分組投切的方式實(shí)現(xiàn)，如圖1(a)所示。其中，ui，ia分別為電子負(fù)荷電壓、電流，R為電阻。常規(guī)電子負(fù)荷雖然價(jià)格相對低廉，但存在機(jī)械開關(guān)響應(yīng)速度慢、分合閘操作周期長、開關(guān)故障率高等缺點(diǎn)。文中采用反并聯(lián)的晶閘管閥組替代傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)，通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)負(fù)荷功率調(diào)整。

在大功率電力電子產(chǎn)品中，應(yīng)用最多、最成熟的電力電子器件是晶閘管和絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。其中晶閘管的典型應(yīng)用是高壓直流輸電換流閥以及靜止無功補(bǔ)償器等，而IGBT的典型應(yīng)用是柔性直流輸電換流閥以及直流斷路器等。相比而言，IGBT造價(jià)昂貴、控制復(fù)雜且故障率高。電子負(fù)荷采用晶閘管控制，在性能和工程應(yīng)用上更具性價(jià)比[12]。

在工程實(shí)際應(yīng)用中，為了減小晶閘管導(dǎo)通時(shí)的電流變化率、限制晶閘管端短路引起的短路電流，需要在回路中串聯(lián)電感L，如圖1(b)所示。

圖1 電子負(fù)荷裝置原理Fig.1 Principle of the electronic load device

晶閘管閥組的設(shè)計(jì)借鑒了靜止無功補(bǔ)償器中晶閘管及其阻尼回路的設(shè)計(jì)[13—14]，晶閘管觸發(fā)和監(jiān)視電路采用高壓自取能方式。電子負(fù)荷工作時(shí)的電壓和電流關(guān)系如圖2所示。其中，α為晶閘管觸發(fā)角；θ為晶閘管導(dǎo)通角；ug1，ug2分別為VT1，VT2的觸發(fā)脈沖。電子負(fù)荷根據(jù)系統(tǒng)控制需求生成功率指令，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)α滿足控制需求。

圖2 電子負(fù)荷晶閘管控制邏輯Fig.2 Thyristor control logic of electronic load

假設(shè)系統(tǒng)電壓有效值為U，則觸發(fā)角為α?xí)r，裝置電壓、電流為[9]：

(1)

(2)

其中：

(3)

φ=arctan(ωL/R)

(4)

則裝置電流有效值為：

(5)

其中，α，φ，θ滿足：

(6)

可見，隨著α的變化，電子負(fù)荷的電流不同，其運(yùn)行功率也隨之改變。運(yùn)行功率為：

(7)

不同α下的運(yùn)行功率點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 α與功率運(yùn)行點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Correspondence between α and power operating point

用晶閘管代替常規(guī)的機(jī)械式開關(guān)，可以將負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間從數(shù)秒級減少至數(shù)十毫秒級，控制精度從數(shù)兆瓦提升2～3個(gè)數(shù)量級至千瓦級。因此采用電子負(fù)荷可以實(shí)現(xiàn)諸多常規(guī)負(fù)荷無法實(shí)現(xiàn)的功能。需要說明的是，電子負(fù)荷作為一種調(diào)節(jié)性負(fù)荷或緊急備用負(fù)荷，在正常情況下不運(yùn)行，因此一般不承擔(dān)生產(chǎn)任務(wù)。

電子負(fù)荷由于采用晶閘管相控的工作原理，工作時(shí)其電流呈斷續(xù)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波和感性無功，可通過配置一定數(shù)量的濾波器實(shí)現(xiàn)諧波濾除和寄生感性無功補(bǔ)償。

2 電子負(fù)荷控制策略

2.1 整體控制策略

電子負(fù)荷裝置的主要控制手段是控制α，最終通過改變功率運(yùn)行點(diǎn)實(shí)現(xiàn)沖擊負(fù)荷補(bǔ)償、頻率振蕩抑制等高級功能[10]。電子負(fù)荷裝置的整體控制如圖4所示，包含5級模塊，分別為功率差額、比例積分(proportional integral,PI)、限幅、α換算及閥控模塊。

圖4 整體控制策略Fig.4 Overall control strategy

其中，核心控制部分采用經(jīng)典的PI控制，該環(huán)節(jié)把輸入的功率差值Δp經(jīng)過PI運(yùn)算，輸出給限幅環(huán)節(jié)。α換算的作用是把輸入的功率指令折算為晶閘管的α。由圖3可知，對于每個(gè)確定的p有且僅對應(yīng)一個(gè)α。然而p和α呈非線性關(guān)系，無法采用解析法得到指定p下的α，因此采用多項(xiàng)式數(shù)值擬合的方式代替，即：

α=a0+a1p+a2p2+a3p3+a4p4+a5p5

(8)

多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)越多，擬合的曲線越精確，多項(xiàng)式的系數(shù)a0～a5取決于整體功率的大小。閥控部分的功能是把計(jì)算出來的α通過光電轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)最終作用在閥組上，該環(huán)節(jié)實(shí)際上是一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)，用于模擬實(shí)際硬件設(shè)備的信號延遲。

2.2 功率差額環(huán)節(jié)

圖4中功率輸入指令Pref，負(fù)荷平衡系統(tǒng)的實(shí)際有功功率Pact以及頻率阻尼輔助控制輸入指令Pfreq構(gòu)成了功率差額環(huán)節(jié)。不同應(yīng)用場景下，電子負(fù)荷系統(tǒng)有不同的控制模式，不同控制模式下Pref的選擇如圖5所示。手動(dòng)功率模式時(shí)，Pref由運(yùn)行人員通過人機(jī)界面直接給定；功率跟蹤模式時(shí)，Pref為功率跟蹤點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的平均功率;穩(wěn)控協(xié)調(diào)模式時(shí)，Pref通過與穩(wěn)控通信獲取。需要注意的是，模式切換時(shí)，Pref的切換緩慢平滑，避免給系統(tǒng)帶來沖擊。

圖5 不同控制模式下Pref的選擇Fig.5 The choice of Pref in different control modes

2.3 頻率阻尼抑制環(huán)節(jié)

頻率阻尼控制一般作為控制器的輔助功能,通過在主控制回路上疊加一個(gè)控制信號實(shí)現(xiàn)阻尼抑制[15—16]。圖4中Pfreq的生成方式見圖6。

圖6 頻率阻尼抑制框圖Fig.6 Block diagram of frequency damping suppression

圖6共由6級環(huán)節(jié)組成，分別為頻率差值、低通濾波、2級超前滯后、矯正以及最終的限幅。其中，頻率差值環(huán)節(jié)根據(jù)輸入的頻率值fact，設(shè)定的頻率上限fmax和設(shè)定的頻率下限fmin得到，表達(dá)式為[17]：

(9)

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，允許頻率在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)自身的調(diào)節(jié)能力可以滿足穩(wěn)定調(diào)節(jié)的要求，因此在此期間電子負(fù)荷系統(tǒng)不參與調(diào)節(jié)；當(dāng)頻率越過限定范圍時(shí)，電子負(fù)荷系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)。

濾波環(huán)節(jié)和超前滯后環(huán)節(jié)用于對輸入的頻率差值信號進(jìn)行移相處理。通過調(diào)整移相角度實(shí)現(xiàn)頻率振蕩阻尼控制。Kfreq為矯正環(huán)節(jié)系數(shù)，即單位頻率偏差下對應(yīng)電子負(fù)荷裝置的功率矯正值。限幅環(huán)節(jié)限定頻率輔助環(huán)節(jié)輸入到主邏輯回路的功率幅值。

在相同的工況下，頻率限定范圍的大小、矯正系數(shù)的大小以及超前滯后的相位調(diào)節(jié)都會(huì)影響頻率阻尼效果，具體參數(shù)設(shè)定應(yīng)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需求確定。

3 案例分析

廣西某電解鋁企業(yè)為解決生產(chǎn)過程中突然丟負(fù)荷而引起的頻率振蕩問題，新建了一套60 MW電子負(fù)荷系統(tǒng)。根據(jù)該企業(yè)電網(wǎng)的模型，基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simulation system,RTDS)搭建一僅有2臺(tái)發(fā)電機(jī)的小型孤網(wǎng)系統(tǒng)，分析電子負(fù)荷在甩負(fù)荷過程中頻率振蕩抑制效果。每臺(tái)發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量為132 MV·A，功率因數(shù)為0.85，配置4組固定負(fù)荷，負(fù)荷總?cè)萘繛?50 MV·A，其中有約100 MW的不穩(wěn)定負(fù)荷。RTDS試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。

圖7 RTDS試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.7 RTDS test model

α為150°，90°，25°時(shí)，電子負(fù)荷裝置的電流如圖8所示。由圖8可知，α越小，對應(yīng)的電流越大，相應(yīng)的運(yùn)行功率也越大。

圖8 不同α下的iaFig.8 ia at different α

研究不同參數(shù)下，電子負(fù)荷系統(tǒng)的頻率抑制對電網(wǎng)頻率的影響，在運(yùn)行過程中突然切除100 MW負(fù)荷，形成電網(wǎng)頻率擾動(dòng)進(jìn)行研究。案例1為未投入電子負(fù)荷，案例2～案例7具體參數(shù)如表1所示。

表1 電子負(fù)荷頻率振蕩抑制功能參數(shù)Table 1 Frequency oscillation suppression function parameter of electronic load

圖9對比了投入電子負(fù)荷前后(分別對應(yīng)案例1、案例2)電網(wǎng)頻率、電子負(fù)荷輸出功率的變化情況。由仿真結(jié)果可知，未配置電子負(fù)荷時(shí)，由于電網(wǎng)負(fù)荷丟失過大，超出發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率開始振蕩，且振蕩幅度有增大趨勢，最終可能使電網(wǎng)頻率崩潰、電網(wǎng)解列或直接黑網(wǎng)。而投入電子負(fù)荷后，電網(wǎng)頻率振蕩得以抑制，并最終將電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在一個(gè)新的狀態(tài)，防止了電網(wǎng)頻率崩潰。

圖9 電子負(fù)荷投入前后對比Fig.9 Comparison before and after electronic load is input

當(dāng)電子負(fù)荷的補(bǔ)償系數(shù)不同時(shí)，對電網(wǎng)頻率振蕩抑制的效果也有所區(qū)別，對比如圖10所示。在頻率振蕩抑制的速度方面，較大的補(bǔ)償系數(shù)可以更快速地抑制頻率波動(dòng)；在穩(wěn)態(tài)功率方面，補(bǔ)償系數(shù)越大，最終新平衡狀態(tài)電子負(fù)荷輸出的穩(wěn)態(tài)功率也越大。由于電子負(fù)荷系統(tǒng)以消耗電網(wǎng)功率實(shí)現(xiàn)功角穩(wěn)定，較大的補(bǔ)償系數(shù)會(huì)對電網(wǎng)帶來較大的能源浪費(fèi)。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)不穩(wěn)定負(fù)荷的大小、頻率振蕩抑制的時(shí)間要求等具體確定補(bǔ)償系數(shù)。

圖10 不同補(bǔ)償系數(shù)下頻率振蕩抑制效果對比Fig.10 Comparison of frequency oscillation suppres-sion effect under different compensation coefficients

電網(wǎng)頻率的上、下限值會(huì)對電子負(fù)荷的效果產(chǎn)生影響，圖11為不同頻率限值條件下電子負(fù)荷的動(dòng)作曲線。

圖11 不同頻率限值下頻率振蕩抑制效果對比Fig.11 Comparison of oscillation suppression effect under different frequency limits

由圖11可知，電網(wǎng)頻率上、下限差值越小，電子負(fù)荷的響應(yīng)越積極。一次調(diào)頻實(shí)際上是有差調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際頻率超出范圍后，電子負(fù)荷才會(huì)以差值為基準(zhǔn)進(jìn)行反向調(diào)節(jié)，因此頻率限值越寬，相同頻率波動(dòng)下頻差越小，電子負(fù)荷的響應(yīng)越慢。對于企業(yè)電網(wǎng)而言，頻率限值的設(shè)定只需滿足正常生產(chǎn)要求即可。

4 結(jié)語

文中從結(jié)構(gòu)、原理、控制策略及仿真分析方面對電子負(fù)荷裝置進(jìn)行了研究。首先建立了基于晶閘管的電子負(fù)荷裝置的數(shù)學(xué)模型，分析了采用晶閘管作為控制元件實(shí)現(xiàn)功率連續(xù)調(diào)節(jié)的可行性；然后給出了電子負(fù)荷裝置的控制策略及其在頻率振蕩抑制方面的控制模型；最后根據(jù)實(shí)際工程需求，在RTDS 平臺(tái)上分析了不同裝置及電網(wǎng)參數(shù)下電子負(fù)荷的實(shí)際應(yīng)用效果。文中工作為電子負(fù)荷的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。