提高系统暂态稳定性的风电直流协调控制策略

2021-10-28姜惠兰周照清

电力系统及其自动化学报 2021年10期

姜惠兰，肖瑞，周照清，李政

（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

我国新能源丰富地区与负荷用电中心区整体呈逆向分布，风火打捆通过交直流通道向外输送是一种常见的电网架构，这种输电模式将风电与火电发出功率并在一起通过交直流线路送出，降低了功率的波动性同时也提高了传输线路利用率[1]。作为一种新型的电网结构，风火打捆交直流混联系统的暂态稳定问题也引起了广泛关注。

随着风电渗透率的提高，在风电的运行特征和对系统稳定性影响的方面已开展了研究[2-5]。DFIG（doubly-fed induction generator）依靠双变流器结构与矢量控制实现机电解耦，与系统的柔性连接使其注入系统的功率改变了同步机输出、进而影响系统的稳定运行[4]。文献[5]将DFIG的输出功率等效为负阻抗，通过节点导纳矩阵的收缩处理，分析了风电场对系统暂态功角稳定性的影响。

柔性直流输电线路通过换流器接入电网，借助电力电子设备，直流输电可以灵活调节其传输的功率。因此电力系统受到扰动后可以通过直流功率附加控制快速调节输送功率改变区域间不平衡功率，来达到提高系统暂态稳定性的目的。文献[6]通过控制直流传输的功率，让直流线路承担交流线路上的随机功率波动，减小了交流线路上的功率波动。文献[7]提出一种针对直流输电线路的无功附加控制策略，通过控制变流器的无功输出提高所并入电网的暂态稳定性。文献[8]将直流有功功率附加控制应用在云南电网中的楚穗交直流系统中，通过仿真表明该措施有效地提高了系统的暂态功角稳定性。文献[9]研究了非线性附加有功控制的直流输电对系统频率稳定的影响，结果表明通过检测电网频率变化进行相应的功率调节提升了电网频率稳定性。文献[10]通过直流有功功率附加控制，增大了区域间的振荡阻尼，提高系统稳定性。文献[11]则将滑模控制用于暂态期间的直流功率附加控制当中，改善了直流系统的功率响应特性。

文献[12]在包含风电及直流的三区域系统中应用扩展等面积定则，认为直流输电对系统暂态稳定性的影响机理与风电类似，并分析了直流输电的附加控制策略对系统功角稳定性的影响。文献[13]基于“哈密”风火打捆系统，设计了应用于风电和直流控制的附加控制策略，以减少系统的不平衡功率，取得了较好的效果。文献[14]基于甘肃省河西风火打捆外送系统，分别分析了交流线路故障、不同风电比例及不同直流输送容量情况下系统的暂态稳定。文献[15]的研究表明，在风火打捆交直流外送系统中，直流输电线路由于具有快速功率调节特性，能够增大系统功角振荡阻尼，有利于系统的暂态功角稳定性。文献[16]提出一种线性参数变化的鲁棒反馈控制策略，充分利用直流通道的短时过载能力，有效提升系统的抗扰能力和响应性能。文献[17]利用直流功率的快速可调性，提出火电、风电及直流的协调控制策略，改善系统的电压、功角稳定性。

DFIG和VSC-HVDC在多机系统中的接入情况和故障时的输出特性不同，对同步机的电磁功率会产生不同影响。对单机无穷大系统或实际多机系统的时域仿真和定性分析结果可以对特定电网提供指导，却难以对影响系统功角稳定的作用机理给出解释，因此需从理论上来分析风电直流接入对系统暂态稳定性的影响。本文综合考虑DFIG和VSC-HVDC有功无功输出特性和接入位置，并基于扩展等面积定则，从理论上分析DFIG和VSCHVDC对多机系统暂态功角稳定性的影响。通过分析系统在故障发生后的暂态过程对有功和无功的不同需求，推导出DFIG和VSC-HVDC的有功、无功功率特性、并网位置与系统等值机械功率改变量的关系，进一步提出一种提高系统暂态稳定性的DFIG和VSC-HVDC的功率控制策略，通过改变系统在暂态过程中的加速或减速能量，进而增大系统等值功角振荡阻尼来提高系统暂态稳定性。

1 受扰多机系统转子运动方程

由EEAC理论可知，受扰多机系统中的同步机可分为领先群S和余下群A两个互补机群，多机电力系统转子运动问题通过互补群惯量中心变换等效为两机系统的转子相对运动问题，再由相对运动变换等值为一个单机-无穷大系统，进而依据等面积定则反映系统的暂态稳定性[18]。多机系统等效转子运动方程为

式中：MSA、δSA分别为多机系统等值转动惯量、转子角；MS、MA分别为S机群和A机群的等效转动惯量；Pm,SA、Pc、Pmax分别为机械功率、偏移功率、极限功率；γ为转子偏移角；m为系统中同步机的总台数；p为S机群同步机台数；i、j属于S机群内节点编号；k、l属于A机群内节点编号；E为同步机内电势，G、B为网络节点导纳矩阵的元素。

2 风电直流对等值系统电磁功率影响

2.1 DFIG和VSC-HVDC输出特性的等效模型

风电和直流是通过改变与电网交换功率的大小来改变同步机的输出，进而影响系统暂态稳定的，所以获取等值系统电磁功率变化量是分析风电和直流影响系统功角稳定性的关键。DFIG和VSCHVDC的功率外特性可分别用等效接地导纳来表示。对于风火打捆交直流混联系统，考虑到风电场和直流输电共同连接至同一母线的情况，可以对两条等效导纳支路进行并联合并处理，如图1所示。

图1 DFIG和VSC-HVDC的等效模型Fig.1 Equivalent model of DFIG and VSC-HVDC

DFIG和VSC-HVDC等效接地电导和电纳表示为

式中：U为DFIG和VSC-HVDC并网母线电压；Pdfig和Qdfig分别为DFIG的有功、无功功率；ydfig、gdfig和bdfig分别为DFIG的等效导纳、电导和电纳；Phvdc和Qhvdc分别为VSC-HVDC整流站传输的有功和无功功率，yhvdc、ghvdc和bhvdc分别为VSC-HVDC等效导纳、等效电导和电纳。

可见，等效接地导纳体现了DFIG和VSCHVDC在并网点的实时输出功率和电压信息。合并后的等效电导和电纳为

式中，yeq、gE和bE分别为合并等效导纳、电导和电纳。

2.2 风电和直流接入对系统功率和稳定的影响

将系统中的节点分为同步机内电势节点，网络中负荷节点R，以及风电场和直流共同连接母线节点E。通过收缩处理消去负荷节点R，把负荷节点归入S节点、A节点与E节点的电气联系中，得到如下方程

风电和直流接入引起的系统等值机械功率变化量ΔPe，将改变系统等值功角的加速或减速能量，从而影响系统暂态稳定性。相当于构建了风电和直流的等效导纳与系统暂态功角之间的关联关系，为提出改善系统稳定性的风电直流阻尼控制策略提供了理论基础。

3 提升系统暂态稳定性的风电直流协调控制策略

由前面分析可知，风电和直流输电主要通过输出功率影响系统中同步机出力，进而参与系统中同步机之间的机电暂态过程。考虑到DFIG和直流都具有对有功、无功独立调节的能力，可以进一步寻找DFIG和直流的有功无功改变与ΔPe之间的关系，并据此提出一种风电直流协调阻尼控制策略以提升系统暂态功角稳定性。其核心思想是充分利用DFIG和直流的功率调节能力，通过控制二者在故障暂态期间的有功无功输出，使ΔPe的变化有利于减小系统等值功角摆动幅度，相当于起到了增大系统阻尼的效果。

3.1 风电直流有功无功对等值机械功率的影响关系

当同步机励磁能力较强，可取同步机暂态内电势E=1。因此，可定义参数T为

3.2 DFIG与VSC-HVDC的阻尼控制策略

对于VSC-HVDC输电系统，在风电场并网侧采用定交流电压控制。当并网侧交流电压跌落超出阈值时，此时会优先维持电压稳定，使VSC-HVDC向交流电网提供无功支撑。当并网侧交流电压未超出阈值时，此时优先考虑系统暂态功角稳定，对于DFIG和VSC-HVDC，由于采用恒功率因数控制和定有功功率控制，其有功功率传输远大于无功功率传输，体现在式（5）中即，对于式（13）可化简为

可知，ΔPe与等效导纳的关系还包含由E、S节点间互导纳计算得到的参数TP，所以先确定TP的正负，据此制定出有利于系统暂态功角稳定的功率控制策略：

（1）当TP>0时，ΔPe与gE同向变化，在系统等值功角正摆的情况下，应控制风电机组增大有功输出、控制VSC-HVDC吸收更少有功；在系统等值功角反摆的情况下，应控制风电机组减少有功输出、控制VSC-HVDC吸收更多有功。这样可以使得ΔPe增大，系统加速面积减小、减速面积增大。

（2）当TP<0时，ΔPe与gE反向变化，在系统等值功角正摆的情况下，应控制风电机组减少有功输出、控制VSC-HVDC吸收更多有功；在系统等值功角反摆的情况下，应控制风电机组增大有功输出、控制VSC-HVDC吸收更少有功。这样可以使得ΔPe增大，系统加速面积减小、减速面积增大。

4 算例分析

为验证所提控制策略的有效性，对图2所示风火打捆交直流非并联外送系统进行了仿真分析。设定风火打捆电源总出力200 MW，其中同步机总发电功率100 MW，双馈风电场总发电功率为100 MW。DFIG为恒功率因数控制，低电压穿越时采用定子串联电抗穿越措施。VSC-HVDC在送端整流站采用定有功功率和定交流电压控制，其紧急功率支援的有功调制量取额定容量的30%[19]。故障设定为0.1 s时交流线路靠近母线1处发生三相短路接地故障，持续时间为0.6 s。

图2 含DFIG与VSC-HVDC的交直流非并联系统Fig.2 AC/DC non-parallel system with DFIG and VSC-HVDC

针对所搭建的系统，列写出系统原始的节点电压方程，并将矩阵收缩至只含有发电机内电势节点，得到DFIG和VSC-HVDC接入对系统节点导纳矩阵的修正量，据此可以计算出参数TP=Re(T)=414.29，因而在系统功角增大时应控制风电直流增大有功注入，在功角减小时减小有功注入。

故障期间送端母线1电压的变化如图3所示。在0.1 s故障发生时刻，母线电压跌落低于阈值，但随后有所回升，这是因为DFIG和VSC-HVDC在此期间向交流侧注入了无功功率。

图3 并网母线节点交流电压Fig.3 AC voltage at grid-connected bus node

风电场在故障期间的低电压穿越时输出的有功和无功功率如图4所示，按照风电机组低电压穿越规程，故障穿越时功率特性以无功功率为主。

图4 DFIG在低电压穿越期间的输出功率Fig.4 DFIG output power during LVRT

VSC-HVDC送端整流站的有功、无功功率如图5所示。在0.1 s时刻由于故障导致送端母线电压跌落低于阈值。此时VSC-HVDC应满足定交流电压的目标，将变流器容量主要分配于q轴电流控制，因此在故障期间VSC-HVDC有功吸收较低，主要向风火打捆基地提供无功支持。

图5 VSC-HVDC送端的有功无功功率Fig.5 Active and reactive power at the sending end of VSC-HVDC

采用文中所提控制策略和未采用控制策略两种情况下系统等值功角曲线的对比如图6所示。图6（a）对应的故障跌落80%情况，未采取改进控制的系统功角将失稳，而采用本文控制策略后系统功角是稳定的；图6（b）对应故障跌落较浅的情况可见，采用本文控制策略后的同步机功角摆幅有所减小，且恢复稳定的速度更快。

图6 风火打捆同步机功角曲线Fig.6 Power angle curve of synchronous machine for wind-thermal bundled system

对应于80%跌落情况时VSC-HVDC在系统等值功角变化期间的有功功率指令和有功功率输出如图7所示。在0.1～0.7 s故障期间，VSC-HVDC以无功支撑为主要目标，传输有功功率较少。当故障切除后交流电压在阈值范围内时，因Tp>0，在功角正摆阶段，按照所提控制策略VSC-HVDC减少了吸收的有功功率；在功角反摆阶段，VSC-HVDC增加了吸收的有功功率，使得系统等值机械功率按照减小加速面积、增大减速面积的方向调节，减少同步机转子所受不平衡能量，达到提升系统暂态功角稳定的效果。