基于儲能微分控制的AC /DC系統聯絡線慣性補償策略

趙熙臨，張大恒，明 航

(1.湖北工業大學 電氣與電子工程學院，武漢 430068；2.國家電投集團 湖北宜昌新能源有限公司，武漢 430068)

近年來，基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(VSC-HVDC)以其線路造價低、能夠減小功率及電壓波動對電網的沖擊，提高復雜電網運行的安全性，且能夠實現對電力系統有功及無功功率的獨立控制的獨特優勢，在大容量、遠距離輸電系統中得到廣泛應用[1-2]。但是由于電力電子器件本身的高頻特性，導致直流輸電系統的慣性水平降低，會對系統負荷頻率控制(load frequency control，LFC)產生不利影響，因此系統直流聯絡線進行慣性補償對HVDC系統的穩定運行具有現實意義。

在HVDC的應用過程中，通常通過控制變流器從而實現系統兩端的交直流轉換[3-4]。一般來說，為了實現電力系統有功及無功功率的解耦，對于系統兩端變流器的控制策略主要分為兩種：一種是利用PI等控制器形式控制轉換器交流側電流的輸出從而實現對功率傳輸的間接電流控制；另外一種是在同步旋轉坐標系下實現對整流側功率控制和逆變側交流電壓的直接控制策略[5-6]。通過對變換器的控制雖然能夠一定程度抑制電力系統的直流電壓波動，但是當電網外部擾動較大時，由于電力電子器件本身的高頻特性，系統慣性時間常數及慣性水平降低，會導致系統的調頻能力下降，暫態過程中會出現較大的直流電壓和頻率波動[7]。

為了調高系統的慣性水平，在交直流混聯輸電系統中通常通過控制儲能裝置的充放電為系統直流聯絡線進行慣性補償。文獻[8]在VSC-HVDC系統中設計了一種雙向功率調制控制器，通過對系統頻率偏差及交流聯絡線的功率偏差進行控制，從而控制直流聯絡線功率的變化，證明了將高壓直流輸電線路與交流輸電線路并行連接可以提高系統的穩定性。文獻[9]在海上風電場系統中開發了基于慣性仿真的控制策略(interia emulation based control strategy，INEC)，當系統出現負荷擾動時，INEC通過控制DC聯絡線的電容存儲能量為系統提供慣性。文獻[10]提出了引入系統頻率偏差的微分作為反饋信號調整HVDC鏈路傳輸功率的風電場協調控制策略，證明了微分控制的合理性。但是當系統出現較大負荷擾動時，由于電容儲能能力的局限性，對系統調頻能力的作用減弱，且不易于控制實施。但是通過對儲能控制模塊分析可知，儲能充放電需要一定時間完成，且慣性補償時間過長或過短都會對系統聯絡線功率及LFC效果產生負面影響[11-14]，因此對儲能系統的充放電進行控制以提高慣性補償與系統需求之間的匹配度有重要意義[15-16]。通過利用頻率偏差的微分作為反饋信號控制儲能設備的功率提取，可以改善系統聯絡線的功率傳輸能力，提高系統的慣性時間常數，有效改善系統出現故障時或負荷發生擾動時本身的靈活性和可控性，提高系統的慣性水平。

根據上述分析，本文提出了一種基于儲能微分控制的交直流混聯電力系統聯絡線慣性補償響應策略，在AGC系統中通過引入系統頻率偏差的微分作為反饋信號的方法控制儲能設備的有功功率的提取，通過直流聯絡線傳輸功率的調整，補償系統所需的慣性。

1 系統模型構建

不失一般性，本文以兩區域交直流混聯電力系統為例進行系統描述，系統的結構模型主要包括：直流聯絡線模型，區域AGC模型。

1.1 直流聯絡線模型

基本的AC/DC輸電系統主要由AC鏈路、AC/DC和DC/AC轉換器、以及DC鏈路4部分組成。一般而言，交直流混聯電力系統的物理模型如圖1所示，其中直流聯絡線包括整流器VSC1及逆變器VSC2，一般通過控制VSC1及VSC2的觸發角來控制直流聯絡線的功率傳輸。通過VSC1控制其電壓以及無功功率，VSC2控制系統的有功和無功功率。

圖1 交直流混聯電力系統物理模型Fig.1 Physical model of AC/DC hybrid power system

由圖1分析可知，DC聯絡線類似于沒有慣性的同步發電機，可以獨立產生和消耗無功功率，因此可以將DC鏈路可看作是與相電抗器阻抗串聯連接的兩個帶有各自相角的可控電壓源E1及E2，整流側及逆變側的相電抗器的阻抗分別用jXt1及jXt2表示，因此交直流混聯電力系統的等效模型如圖2所示。

圖2 交直流混聯電力系統的等效模型Fig.2 Equivalent model of AC/DC hybrid power system

由圖2分析可知，由區域1輸入到DC聯絡線的有功功率一般由式(1)和式(2)所示：

(1)

ΔPtie12,DC=T12,DC(Δδ1-Δγ1) .

(2)

式中：T12,DC代表整流器側的慣性時間常數，同理可以得到區域2傳輸到聯絡線的功率，由于在系統擾動時，線路的功率損耗可以忽略不計，根據能量守恒定律可得：

T12,DC(Δδ1-Δγ1)=-T21,DC(Δδ2-Δγ2) .

(3)

當系統通過DC聯絡線進行功率傳輸時，必須使DC鏈路兩側的轉換器保持同步(即整流器的相角變化必須與逆變器的相角變化保持一致)，所以Δγ1=Δγ2=Δγ，由此可知：

(4)

將式(4)帶入式(2)可知：

(5)

由上式可得DC鏈路的等效慣性時間常數為：

Teq=T12,DCT21,DC/(T12,DC+T21,DC) .

(6)

由上述分析可知，系統直流聯絡線的精確模型如圖3所示。

圖3 DC聯絡線精確模型Fig.3 Accurate model of DC tie line model

由圖3可知，系統發生擾動時，根據負荷擾動偏差等級，通過調節系統直流聯絡線兩端的變換器時間常數T12,DC及T21,DC可以改變其聯絡線過載率，從而控制DC聯絡線的功率傳輸，改善其慣性水平，根據過載率不同改變變換器時間常數的具體計算過程參見文獻[7].

1.2 AGC模型構建

在交直流混聯電力系統中，區域之間通過交流聯絡線以及與之并行連接的直流聯絡線進行功率交換，如圖4所示為考慮慣性補償的兩區域交直流混聯電力系統AGC結構圖，AGC模型的調速器單元、再熱單元、汽輪機單元的數學描述參見文獻[17-18].

如圖4分析可知，兩區域交直流混聯電力系統未進行慣性補償之前區域之間的聯絡線功率交換如式(7)所示：

圖4 區域AGC模型Fig.4 Regional AGC model

ΔPtie，ij=ΔPtie，ij,DC+ΔPtie，ij,AC.

(7)

式中：ΔPtie，ij,DC代表系統直流聯絡線的功率偏差，ΔPtie，ij,AC為系統交流聯絡線的功率偏差，當電網頻率及聯絡線功率發生偏離時，根據測得的頻率信息及頻率控制系數，計算區域控制誤差，如式(8)所示：

EAC,i=BiΔfi+ΔPtie,ij.

(8)

其中，EAC，i(area control error)表示區域i的區域控制偏差，Bi為第i區域的聯絡線偏置參數，AGC系統通過對所得的ACE進行分析并發出相關的控制指令調整發電機組的輸出功率，實現發電功率和負荷功率的平衡，使系統頻率恢復至基準值，從而提高系統的穩定性。

2 儲能微分控制的慣性補償策略

系統發生負載擾動時，一般的虛擬慣性補償控制是通過控制DC鏈路的直流電壓與電網頻率成比例的控制DC鏈路電容器的儲能值，DC鏈路的電容釋放能量為聯絡線提供慣性補償并參與系統調頻；但是在當電容值過小時，系統的電壓波動增大；電容過大時，系統的調頻能力下降[8]；且直流電壓與AC鏈路頻率兩者之間的變化是非線性的，控制方式比較復雜。通過引入頻率偏差的微分作為反饋信號，控制轉換器增益從而改變儲能設備的有功功率來提供慣性的控制方法稱為儲能微分控制。儲能微分環節的控制原理如圖5所示。

圖5儲能微分控制原理圖
Fig.5 Differential control schematic diagram of energy storage

其中

J

i

為系統控制器增益，由圖5可知儲能微分控制的傳遞函數如式(9)所示：

(9)

當系統出現負荷擾動造成發電機的機械功率與電力輸出之間的不匹配，系統總體的機械慣性對電網頻率變化速率有著重大影響，兩者之間的關系一般由式(10)所示：

(10)

式中：H為系統慣性時間常數，ΔPM代表等效的機械功率輸出增量，ΔPE為電網電力功率輸出增量，當儲能微分控制為系統提供額外的能量ΔPESS，由圖4及上述分析可知，當系統發生負載擾動時，系統的頻率響應如式(11)所示：

(11)

由式(9)及式(11)可知:

(12)

(13)

由圖4及圖5可知，系統通過添加微分儲能控制策略進行聯絡線功率補償并反饋至電力系統調頻過程中，此時系統DC聯絡線的功率以及系統的頻率分別由式(14)及(15)所示：

ΔPtie，ij,DC=ΔPtie，ij,DC-ΔPESS,i-ΔPESS,j.

(14)

(15)

由上述分析可知，在兩區域交直流混聯電力系統中引入儲能微分控制進行聯絡線慣性補償可以提高電網的慣性時間常數，改善系統聯絡線的慣性水平，減小負載擾動時頻率的偏差量，有利于提高系統的穩定性。

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink環境下搭建了儲能微分控制的交直流混聯電力系統模型，將所提方案與傳統的兩區域無慣性添加的模型及無微分慣性控制的儲能模型比較，并在不同負荷擾動偏差等級情況下通過調節直流聯絡線過載率，對兩者之間的關系進行仿真研究。其中電力系統的變量及AGC系統參數如表1及表2所示。

表1 電力系統參數或變量Table 1 Power system parameters or variables

表2 兩區域AGC系統參數Table 2 Parameter values of AGC system in two regions

參數設置：仿真時間t=100 s，其中區域1和區域2的火電機組的出力總額分別為2 000 MW和1 000 MW，本文采用儲能容量為60 MW的電池組，儲能設備濾波器的時間常數tESS,1=tESS,2=2.4 s，慣性控制器增益J1和J2分別為4.8和3.2，頻率基準值為50 Hz，仿真結果中頻率及相關聯絡線及儲能系統補償功率均為標幺值。

負載擾動：在t=25 s時，分別在區域1和區域2施加ΔP1=0.1，ΔP2=0.08的階躍擾動；在t=50 s時，區域1和區域2的擾動分別為ΔP1=0.1及ΔP2=0.02；在t=75 s時，分別在區域1和區域2施加ΔP1=0.2，ΔP2=0.1的擾動。

3.1 DC鏈路為20%恒定過載率

仿真結果如圖6-9所示，當受到負荷擾動時(以75 s處的擾動為例)，不含慣性控制的系統一區域及二區域最大頻率偏差為-0.017 6及-0.008 5，利用儲能微分慣性控制參與調頻的兩區域最大頻率偏差分別為-0.016 4及-0.007 6.通過仿真對比可知利用儲能微分控制進行慣性補償能夠降低系統頻率偏差，提高DC鏈路功率傳輸能力，但50 s時由于負載擾動偏差等級與聯絡線過載率的不匹配，會降低系統調頻效果。

圖6 20%恒定過載率下區域一頻率偏差及放大圖Fig.6 Frequency deviation and enlargement of area 1 under 20% constant overload rate

圖7 20%恒定過載率下區域二頻率偏差變化Fig.7 Load frequency deviation in area 2 under 20% constant overload rate

圖9 20%恒定過載率下DC鏈路功率圖Fig.9 DC link power diagram under 20% constant overload rate

3.2 DC鏈路為50%恒定過載率

當DC鏈路過載率為50%恒定過載率時，仿真結果如圖10-13所示，以50 s處的擾動為例進行

圖10 50%恒定過載率下區域一頻率偏差及放大圖Fig.10 Frequency deviation and enlargement of area 1 under 50% constant overload rate

圖11 50%恒定過載率下區域二頻率偏差變化Fig.11 Load frequency deviation in area 2 under 50% constant overload rate

圖12 50%恒定過載率下儲能電池輸出功率圖Fig.12 Output power diagram of energy storage battery under 50% constant overload rate

圖13 50%恒定過載率下DC鏈路功率圖Fig.13 DC link power diagram under 50% constant overload rate

分析，該情況下無虛擬慣性控制的系統一區域及二區域最大頻率偏差分別為0.012及0.007，利用儲能微分慣性控制參與調頻的兩區域最大頻率偏差分別為0.011及0.006，同時儲能微分控制對系統的影響更直觀地反映在對系統直流聯絡線功率的調整上，從而降低系統頻率偏差。但在25 s時，負荷擾動偏差等級較小，過載率的高低并不能對系統調頻產生較大影響。

3.3 DC鏈路為動態過載率

由3.1及3.2對比分析可知，根據系統負載擾動偏差等級的不同，通過調節直流聯絡線的過載率不僅有利于提高電力系統的穩定性，同時也能改善系統直流聯絡線的功率傳輸能力及慣性水平。本文在直流聯絡線為動態過載率環境條件下對所提策略進行仿真研究。

通過上述對比，本文在DC鏈路為變化過載率情況下(25 s時為20%過載率，50 s及75 s為50%過載率)實現了對所提模型的仿真驗證。仿真結果如圖14-17所示，當系統兩區域負荷擾動偏差等級較小時，過載率對系統的頻率調節并不明顯，但是系統擾動偏差等級較高時，通過對比可知過載率會對系統的調頻能力、儲能微分控制所提供的功率、DC鏈路功率傳輸能力產生明顯的影響。

圖14 區域一頻率偏差變化Fig.14 Load frequency deviation in area 1

圖15 區域二頻率偏差變化Fig.15 Load frequency deviation in area 2

圖16 儲能電池輸出功率圖Fig.16 Output power diagram of energy storage battery

圖17 DC鏈路功率圖Fig.17 DC link power diagram

4 結論

針對直流輸電系統慣性水平降低的問題，本文在兩區域交直流混聯電力系統中提出了一種基于儲能微分控制的直流聯絡線慣性補償策略，并通過在不同負載擾動偏差與聯絡線過載率環境條件下進行了仿真對比，得出以下結論：

1) 通過儲能微分控制對交直流混聯電力系統進行慣性補償能夠提高系統的慣性時間常數及系統直流聯絡線的慣性水平，降低負載擾動所造成的頻率偏差的超調量，改善負荷頻率控制的效果。

2) 根據負荷擾動偏差等級選擇與其匹配的直流聯絡線過載率可以改善系統頻率調節的效果，提高儲能所能提供的功率補償值及直流聯絡線的傳輸功率，使系統具備更好的動態性能。