基于AGC控制的HVDC線路線性化模型優化研究

姚雪飛,李光明

(中國廣核新能源控股有限公司,北京 100070)

電力控制區互聯內容的增加提升電力系統結構的復雜性,在多區域互聯狀態下任何控制產生的擾動都會對電力系統的基準造成影響,其中系統頻率和聯絡線功率的變化還會影響到電力系統的同步性。因此,頻率和聯絡線功率交換應保持在其額定值內,以防止對系統造成破壞性影響。考慮到現有研究中已將矢量控制用于高壓直流(HVDC)鏈路的電壓源轉換器(VSC)中,且研究學者在也HVDC控制方案中驗證了該控制方法的優勢性[1]。現有研究也對使用電工委員會(IEC)方案的HVDC系統頻率支持能力進行了分析。該領域研究成果已經對HVDC聯絡線中的一些缺點問題,但并未對其數學傳遞函數模型機進行深入研究與檢驗[2]。鑒于此,本文將對模型的準確性與適用性進行檢驗,為了驗證該模型的準確性,研究過程中將其與現有的HVDC模型進行分析比較,并通過仿真結果揭示了交直流并聯兩區域熱力系統IEC方案的發展前景。

1 AGC系統的HVDC線路的線性化模型

1.1 傳統HVDC的線性化模型

兩區域電力系統簡易化單線圖如圖1(a)所示。

(a)單線圖;(b)等效電路圖1 帶有AC-DC線的2區互連電力系統

由圖1可知,相應的開關方案控制了系統中2區區域變流器-逆變器部分的工作。系統中交流和直流聯絡線的功率偏差分別用ΔPtie-AC和ΔPtie-DC表示[3]。結合此線路圖模型,直流線可以用一階傳遞函數給出:

(1)

式中:TDC表示在多區域互聯電力系統中由于負載擾動;HVDC設置直流電流所需的時間;KDC表示HVDC模型的增益。

1.2 HVDC的線性化模型

根據圖1(a),HVDC線路可以被視為無慣性的同步機器,具有產生和吸收有功和無功功率的能力。上述概念產生的HVDC模型是2個串聯的電壓源型(VSC)及其電抗器的電感,具體如圖1(b)所示。VSC及其相應的相位角可以用E1、E2、γ1和γ2表示[4-6]。變換器的電感和逆變器的電感可以分別用Xt1和Xt2表示。從1號母線輸送到HVDC的功率:

ΔPtie12,DC=(V1E1/Xt1)·sin(δ1-γ1)

(2)

線性化后得到:

(3)

ΔPtie12,DC=T12,DC(Δδ1-Δγ1)

(4)

ΔPtie12,DC=T21,DC(Δδ2-Δγ2)

(5)

ΔPtie21,DC=-ΔPtie12,DC

(6)

相應的可以得出:

T12,DC(Δδ1-Δγ1)=-T21,DC(Δδ2-Δγ2)

(7)

為了通過HVDC連接線交換電力,兩邊的換流器必須是同步的,必須保證換流器(Δγ1)和逆變器(Δγ2)的相位角變化是相等的,這樣才能在相互連接的地區之間傳輸所需的功率。因此,可以提出以下公式:

(8)

將上述公式帶入到式(4)中,整理得到:

(9)

如前所述,HVDC線路的同步系數與交流線路相同,HVDC聯絡線功率取決于換流器和逆變器相位電抗器的同步系數,其分別表示為:T12,DC和T21,DC。

除了在HVD系統中運行的線路耦合轉換器(LCC)和VSC技術外,一個簡單的一階傳遞函數尚未在AGC系統中實現[7]。本次研究中HVDC線路已被準確地建模為VSC結構。這些結構的顯著區別:在采用LCC結構的前提下,有功功率和無功功率都得到了相對的控制,通過應用VSC結構,有功和無功功率都被獨立控制[8]。因此,有功功率和無功功率可以不耦合,基于此本文構建了一個VSC-HVDC聯絡線的等效模型。

完成上述模型構建后,需要對同步系數進行計算。交流線路和HVDC聯絡線的同步系數計算流程:

(1)計算AC線路同步系數,其最大可轉移功率:

ΔPmax,AC=V1E1/XL=200 MW

(10)

本次研究中設定的區域1的額定功率Pr1=2 000 MW;AC線路負載比例為50%。因此,可以得出AC線路同步系數:

(11)

(2)計算DC線路同步系數,其最大可轉移功率:

ΔPmax,DC=V1E1/Xt1=600 MW

(12)

研究中設定區域1的額定功率為Pr1=2 000 MW,Pr2=1 000 MW;HVDC聯絡線的負載比例為50%。因此,可以得出轉換器同步系數和逆變器同步系數分別為:

(13)

(14)

(3)確定HVDC聯絡線的等效同步系數為:

(15)

交流和HVDC線路的同步系數是在50%負載的情況下計算的,在不同的負載條件下,可以通過相同的計算流程獲得同步系數。關于AC和HVDC系統的相關數據,以及它們在小負荷、額定負荷和重負荷情況下的同步系數值分別如表1～表3所示。本研究中,0.9、0.5和0.2被考慮用于IDC,符合聯絡線負載條件[9]。

表1 VSC-HVDC聯絡線的相關物理數據Tab.1 Relevant physical data of VSC-HVDC tie line

表2 AC線路物理數據Tab.2 Physical data of AC line

表3 不同負載條件的HVDC線路的同步系數Tab.3 Synchronization factors of HVDC lines considering different load conditions

2 AGC系統中的慣性仿真控制器

HVDC輸電線路傳統上是用DC電容器來模擬的,其中運用直流電容器存儲靜電能量,在AGC系統運行過程中,能量能夠被有效運用,以支持主要的有功功率。根據本次研究所提出的方案,對HVDC線路電容器的充電能量進行了頻率調整。該控制技術綜合仿真模擬了HVDC輸電的慣性,稱為慣性仿真控制或IEC技術[10-14]。圖2給出了接收區域頻率信號的兩區域電力系統的通用IEC控制方案。基于區域頻率偏差,IEC方案提供了HVDC輸電系統的基本電壓水平,以便通過電力系統交換直流鏈電容中的帶電能量。

圖2 AGC系統運行的IEC方案

圖3 HVDC輸電線路VSC的矢量控制策略

為了調節HVDC聯絡線功率,實現了矢量控制策略[15]。其中交流和直流輸電線路的輸電量相同為100 km。其中變流器/逆變器的開關角度是根據傳遞給矢量控制器的電壓控制信號來設定的[16]。通過以下方式對AGC系統的IEC方案進行了數學建模。

電容器中的帶電靜電能典型的類似于同步電機中儲存的機械能。同步電機的共同運動方程可以通過以下方式表示:

(16)

式中:H表示慣性系數;f0表示額定頻率;ΔPmec、ΔPelet分別表示機械功率和電氣功率的增量偏差。

直流電壓的變化改變了DC電容器中積累的能量,在負載擾動期間可以通過控制HVDC系統的電壓向交流系統充電或放電。因此電容器方程表示為:

(17)

對上述公式進行線性化處理后得到:

(18)

最后通過轉換得到:

(19)

從上述公式可以看出,HVDC的電壓偏差(ΔVDC)和系統頻率偏差(Δf)都有直接關系。HVDC聯絡線的DC電壓變化實際上必須限制在額定直流電壓的±15%到±30%的上下限之間。精確的約束上下限與高壓直流輸電系統的額定電流和絕緣有關。值得注意的是,DC電流的值是基于HVDC負載條件確定的。

3 仿真結果分析

對于DC和AC線路均考慮了50%的負載條件與其額定容量的關系。計算結果表明,直流線路和交流線路在此負載條件下的同步系數分別為0.129和0.086 5,區域1同時考慮了1%的階躍載荷變化。研究中電力系統的動態結果是在2種情況下實現的,其中第1種情況是考慮3%/min的GRC來限制治療區域的輸出功率;第2種情況不考慮GRCs。從這些方案中提取的動態結果分別如圖4和圖5所示。

圖4 考慮到GRC的電力系統響應

圖5 不考慮GRC的電力系統響應

由圖4、圖5可知,典型的交流電路模型在不考慮GRC情況下能夠提高動態性能,而且與交流電路平行。與HVDC傳統結構相比,本次提出的HVDC連接線模型更能提高動態穩定性。當HVDC線路與AC線路并聯安裝時無論是否考慮交流聯絡線,它都可以適當地提高AGC系統的動態性能,而不是使系統在2種情況下都處于更為滿意的狀態。

此外,在考慮到HVDC系統不同的負載條件下,評估AGC的動態性能。HVDC系統的同步系數(Teqv)分別為20%、50%和90%時,直流輸電系統的同步系數為0.065 4到0.146 0,變化結果如表3所示。本次研究同樣考慮了2種不同的情況:第1種方案為考慮區域1中1% 的階躍負載變化情況;第2種方案為考慮區域2中1% 的階躍負載變化,這些場景的動態結果分別在圖6和圖7中給出。

圖6 考慮到區域1中1%的階梯式負載變化的電力系統響應

圖7 考慮到區域2中1%的階梯式負載變化的電力系統響應

從圖6、圖7動態結果可以看出,HVDC同步系數的增加,嚴重影響了系統的動態性能。結果表明,本次研究中提出的HVDC傳遞函數決定了其參數與聯絡線負載條件的依賴關系,聯絡線負載條件影響直流輸電線路的動態穩定性。

4 結語

本文對高壓直流輸電線路的傳遞函數進行了數學建模。研究表明,HVDC聯絡線與交流線路并聯通常不能提高系統的動態性能,而系統的動態穩定性與HVDC聯絡線的負載情況有關。HVDC系統負荷工況的減小會導致直流輸電系統同步系數的增大,使系統動態穩定性進一步惡化。本研究提出的HVDC輸電線路模型表明,HVDC輸電線路與交流輸電線路一樣,有其自身的同步系數,即HVDC輸電線路的輸電功率依賴于HVDC輸電線路。在同時考慮交直流聯絡線等負荷條件下,由于聯絡線的低轉矩同步系數直流聯絡線與交流聯絡線相比動態性能一直較好。此外,在AGC系統中采用了IEC控制策略來控制高壓直流系統的帶電能量,使AGC系統能夠正常運行。對2區域互聯電力系統的自動發電控制系統在不同擾動下的性能進行了研究,所有情況都顯示了優越的動力條件。