基于VSC的DCIPC阻尼系统功率振荡及限制短路电流研究

2015-09-19严宇昕

电力自动化设备 2015年5期

李娟，严宇昕，聂鹏

（东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012）

0 引言

伴随社会的进步与经济的发展，电力已经成为社会生活中各个领域不可或缺的重要能源之一。随着科技和社会生产的迅猛发展，用户对电能质量的要求也越来越高。在电力工业不断发展壮大的趋势下，电力系统已经进入大系统、超高压远距离输电、跨区域联网的新阶段。全国联网后，由于地理环境等因素的限制难以建设新的输电线路，区域电网间仅仅通过500 kV交流线路弱互联，使得互联系统对于区域间出现的振荡能够起到的作用很小［1］。面对互联系统中出现的稳定性易遭到破坏的问题，一般习惯用二次设备（柔性交流输电系统（FACTS）控制器等）将弱互联转变为较强的互联［2］。

相间功率控制器IPC（Interphase Power Controller）是FACTS家族中的新成员。IPC最早是由加拿大魁北克输电技术革新中心提出的，它是一种可对有功和无功功率进行控制的组合型FACTS控制器［3］。IPC具有潮流控制的鲁棒性和限制事故电流、消除事故波及的优良特性［4-5］。国外对IPC的研究已经发展到研制出实际装置并将其应用于电网的阶段［6］。国内对于IPC的研究较晚，仅在理论方面取得了一些成果［7］。

IPC基本结构是由电感和电容支路组成，传统IPC的移相环节多由移相变压器构成或是通过相与相之间的穿越连接而成，特定类型的IPC移相控制角都是确定的，因此不能够灵活地控制［8-9］。IPC连接的两电网联络线受端发生短路故障时，系统发生扰动，若不采取措施进行有效的控制，可能引起系统功率振荡，将不利于系统的稳定运行。

本文详细分析电压源型变换器（VSC）的基本工作原理、控制模型，通过控制VSC能灵活地控制联络线路的传输功率以达到阻尼系统功率振荡、提高系统稳定性的目的，并且调节晶闸管控制电抗器TCR（Thyristor Controlled Reactor）支路感抗和晶闸管控制串联电容器TCSC（Thyristor Controlled Series Capacitor）支路容抗来限制短路电流。最后通过仿真验证其有效性和适用性。

1 IPC的基本结构原理

IPC被视为一种能创新出不同结构和实现更多功能的潮流控制器，而不是一种具有固定结构的FACTS控制器。IPC的通用结构如图1所示，每相包括并联的容性和感性支路，分别由容性和感性阻抗与独立的移相单元串联构成，包括2个阻抗和2个相移环节共 4 个可控单元［10-11］。

图1 IPC通用结构Fig.1 General structure of IPC

图1中US、Ur分别为IPC入口和出口的电压幅值，φ1、φ2分别为电感和电容支路的移相角，δ为IPC两侧电压相位差，XL、XC分别为IPC电感、电容支路的感抗和容抗。由图1可得IPC出口输送功率为［12］：

2 基于VSC的动态可控相间功率控制器基本原理

2.1 基于VSC的动态可控相间功率控制器移相功能

由于VSC具有灵活的移相功能，可以将其应用到IPC的移相环节，电感支路通过控制晶闸管触发角等效改变电感参数［13］，电容支路利用类似TCSC原理可以连续调节电容参数，这样可以将传统的静态IPC进行电力电子式改进，形成基于VSC的移相环节、电感参数、电容参数连续动态可控的IPC。经带动态可控相间功率控制器（DCIPC）交流弱联系的两互联电网结构模型如图2所示。

图2 基于VSC的DCIPC的结构模型图Fig.2 Structure of DCIPC based on VSC

在图2中，通过控制VSC中GTO的触发角可调节Upq1和Upq2。Upq1和Upq2均是接近正弦的补偿电压，VSC基本电压Uout由电容器组构成的直流储能元件提供，因此除本身损耗外，一般与系统之间不存在有功功率的交换，所以VSC装置产生的补偿电压与线路电流正交，即Upq1和Upq2分别正交于电感和电容支路的电流IL和IC。由式（1）可见，电感和电容支路分别以相反的移相角进行控制，由此对有功功率产生较大的调节作用。当以相反的移相角φ1和φ2实现移相功能时，各支路的补偿电压与两端电压及支路电流的相量关系如图3所示。

图3 中IPC入口电压与TCR和TCSC支路电流夹角均为θ，δ为IPC入口和出口电压的相位差和为移相后电压。由移相角φ1和φ2相等反向可推导注入电压Upq1和Upq2存在如下关系：

图3 电感、电容支路注入电压和电流相量关系图Fig.3 Phasor diagram of injecting voltage and current of inductor or capacitor branch

由式（3）可知，电感、电容支路的移相注入电压有相互制约的关系，调节控制Upq1和Upq2应同时进行，并且要满足式（3）的约束，才能实现正常的移相功能。

由于VSC注入电压对两端电压的幅值和相位的调节与移相器的主要原理相吻合，所以VSC具有与静止移相器相同的功能。然而相对于传统移相器，VSC在控制方面更加灵活，其响应速度可达到几毫秒，可以实现快速动态的控制。

2.2 基于VSC的DCIPC功率控制机理

联络线传输的有功功率与电压相位角有关，电感和电容支路的注入电压Upq会使DCIPC两端的电压产生相位移动，从而对两侧交流系统的有功功率交换起到一定的调节控制作用。

根据图2可得出，由DCIPC出口经联络线流出的电流Ir为：

假设为调谐型IPC，令XL=XC=XIPC，则有：

IPC出口电压Um为：

联络线潮流为：

由式（5）—（7）可知，通过控制VSC的补偿电压Upq1和Upq2可调节联络线的传输功率。当系统发生短路故障时，若能提高两互联电网之间联络线的传输功率，对阻尼系统的功率振荡能起到一定作用。

2.3 基于VSC的DCIPC限制短路电流机理

在电力系统发生短路故障期间，增大电源点与短路点之间的等值阻抗，可以起到限制短路电流的作用。DCIPC的TCR支路等效电感参数和TCSC支路的等效电容参数均可以通过调节晶闸管触发角进行控制。

以图2联络线末端N点发生三相短路为例，有：

由式（8）可知，当联络线末端发生三相短路故障时，短路电流的大小与移相电压、电感和电容的等效电抗有关。在IPC移相角度一定的条件下，增大电感、电容等效的电抗，可以减小短路电流值。但如果是调谐型的IPC，应注意当联络线发生断线故障时，IPC电感和电容上可能会出现过电压，由文献［14］可知，当联络线发生断线故障时，应将电感、电容支路的移相电压的相角分别控制为kπ和-kπ（k=1，2），这样电感和电容上不会出现过电压。

3 DCIPC阻尼系统功率振荡的控制

由以上分析可见，通过控制DCIPC的移相环节能够灵活地调节联络线传输的有功功率，本节以图2中N点发生三相短路为例对DCIPC进行控制，以此进行阻尼系统功率振荡的研究。

当N点发生三相短路故障，将引起发电机的功率不平衡，功率差额量越大，发电机的转速变化越大，因此以发电机角速度作为反馈控制信号产生VSC的输出电压，可以适应减小故障期间功率差额的要求，提高送端发电机输出的电磁功率，进而阻尼功率振荡。控制VSC注入电压的表达式为：

其中，Δω为发电机角速度变化率；K为控制器的增益，其大小由VSC本身的补偿能力决定。

基于VSC的DCIPC的电感和电容支路分别通过VSC的注入电压实现移相功能，而电感和电容支路的移相功能应满足式（3）的约束，因此电感和电容支路的移相控制环节应同时协调控制，控制系统简化图如图4所示。

图中，VSC控制环节采用既控制输出电压又控制直流侧电容电压的内环控制方式实现注入电压的调节，控制系统简化图如图5所示，图中ABS表示求取模值。当系统发生短路故障时，发电机转子角速度发生变化，式（9）表达的是VSC装置输出的参考电压与发电机转子角速度的映射关系，而将VSC装置输出的实际电压与参考电压进行比较，其误差经过比例积分环节得到控制角。

图4 DCIPC系统简化图Fig.4 Simplified diagram of DCIPC system

为了避免直流侧电压产生大的波动，应使VSC装置输出的电压与相应支路电流相差90°，因此需要利用锁相环测量线路电流的相角从而得到VSC装置输出电压的基准相角σ。将控制角与基准角相加得到VSC装置输出电压的相角，利用该相角可以生成VSC装置的驱动脉冲，控制VSC装置使其输出电压跟踪参考电压。为了控制直流侧电容电压，以电流相位为基准将VSC装置的输出电压分解为电压的无功分量与有功分量（即与电流同相的电压分量为有功分量，与电流相差90°的电压分量为无功分量），通过VSC装置输出电压的无功分量来控制其输出电压的大小，而通过VSC装置输出电压的有功分量来控制其直流侧电容的电压。由于VSC装置损耗小，因此VSC装置输出电压中的有功分量很小，其输出电压主要由电压的无功分量决定。

图5 中将参考电压分为有功分量UpqP，ref和无功分量UpqQ，ref，实线表示无功分量决定输出电压的大小，虚线表示有功分量对输出电压的影响较小，但直接作用于直流侧电容电压ud。这种输出电压的无功分量控制其输出电压，有功分量控制其直流侧电容电压的方法，实现VSC装置输出电压的控制与直流侧电容电压的控制之间的静态解耦，从而提高控制的响应速度并缩短过渡过程的时间。

4 DCIPC限制短路电流的控制

本文采用控制TCR支路和TCSC支路晶闸管导通角的方式来限制短路电流。

图5 VSC系统简化图Fig.5 Simplified diagram of VSC system

根据短路电流的限制程度来确定TCR支路阻抗参考值XLref，当短路发生后根据TCR两端电压和线路电流计算当前的阻抗XL，再根据感抗值与触发角之间满足式（10）的关系预测出晶闸管触发延迟角α0。

求取阻抗参考值XLref与实际值XL之差ΔX，ΔX经过PI控制生成触发延迟角的修正量Δα，将Δα与预测值α0求和并经过限幅后得到实际的控制角α，控制原理图如图6所示。

图6 控制系统简化图Fig.6 Simplified diagram of control system

将电流作为晶闸管触发控制的同步信号，主要是因为线电流几乎是正弦信号，这样可以避免电压作为同步信号会含有大量的谐波和虚假的噪声信号。最后根据控制器输出的晶闸管触发延迟角α产生所需的晶闸管触发脉冲，驱动主电路工作。

由于本文所使用TCSC的单相结构是由电容器与TCR并联组成，因此TCSC控制方法与TCR基本相似。由上文分析可知，等效电容参数与电感参数越接近，限制短路电流的控制效果越理想，如此确定TCSC阻抗参考值XCref，再根据图6所示的控制原理确定TCSC支路的晶闸管触发延迟角，以此驱动主电路工作。

5 仿真分析

本文以图7所示互联电力系统线路2上的B2点发生三相短路故障为例进行仿真分析，验证DCIPC阻尼系统功率振荡及限制短路电流的效果。

图7 仿真系统简化图Fig.7 Simplified diagram of simulation system

该电力系统由S侧容量为2100 MV·A的发电机组、R侧容量为1 400 MV·A的发电机组和1个2 200 MV·A的动态负载组成；输电线路1上设置DCIPC控制器，DCIPC电感支路感抗和电容支路容抗初始值为0.09 p.u.，DCIPC移相环节的VSC的 PI控制器参数Kp=0.03、Ki=1.5。

5.1 系统正常运行时仿真分析

由上文可知，电感、电容支路的移相电压应协调控制且满足式（3）的关系。仿真分析针对其中电感支路移相电压进行设置，电容支路移相电压由式（3）计算得到，因此下文所述的电压均为电感支路电压。

在0～2 s时参考电压 Uq，ref设置为 0，在2～4 s 时参考电压分别设为-0.07p.u.和0.07p.u.（即注入电压分别为感性和容性），有功功率变化曲线如图8所示。

图8 系统正常运行时有功功率变化曲线Fig.8 Active power curve in normal operation

5.2 阻尼系统振荡仿真分析

以注入电压为感性为例，在0.5 s时于输电线路2的B2母线处发生三相短路故障，0.6 s时切除故障，故障时间为0.1 s。仿真结果中有功功率变化曲线如图9所示。

经联络线互联电力系统，装设DCIPC前后对比得到如下结论。

a.振荡曲线幅值变化：未装设时，有功功率曲线振荡幅值为650 MW。装设DCIPC但未调节时，有功功率曲线振荡幅值与未装设时基本接近，但由于有电感的加入切除故障后毛刺较多；装设DCIPC调节后有功功率曲线振荡幅值功率最高达590 MW，切除故障后平缓过渡，而且适当调节注入电压和支路感抗会改善有功功率曲线毛刺较多的问题。

b.振荡时间变化：未装设时，有功功率曲线在3.5 s后基本恢复平稳；装设DCIPC未调节时，有功功率曲线由于有电感的加入在3.5 s后呈稳定规律变化，但振荡幅度较大；为了使功率振荡幅度减小，尽快恢复平稳，将DCIPC移相角度进行调节，有功功率变化曲线如图9（c）所示，有功功率曲线在3 s后基本恢复平稳，时间缩短。

图9 DCIPC阻尼系统功率振荡仿真波形图Fig.9 Simulative curves of power oscillation damping by DCIPC

因此，仿真结果表明，利用DCIPC可以有效阻尼系统功率振荡，使系统在受到扰动后可以快速平稳地恢复正常运行状态，增强系统稳定性。

5.3 限制短路电流仿真分析

在输电线路2的B2母线发生三相短路故障，在0.5 s时发生故障，0.6 s时切除故障，故障时间为0.1 s。短路前后电流变化如图10所示。

经联络线互联电力系统，装设DCIPC前后短路电流和冲击电流的变化如下。

a.冲击电流变化：短路故障时冲击电流对系统的危害较大。未装设DCIPC时，短路瞬间冲击电流为正常电流值的1.7～1.9倍，并且切除故障瞬间，冲击电流高达2.15倍；装有DCIPC未调节时，短路和切除故障瞬间，冲击电流均有一定幅度的减小；装有DCIPC调节后，短路瞬间冲击电流基本与正常电流相等，切除故障瞬间冲击电流降至1.8倍。

b.短路电流变化：未装设DCIPC时，短路电流为正常电流的1.2倍；装设DCIPC调节后短路电流基本与正常电流大小相等。