基于VSC的DCIPC阻尼系統(tǒng)功率振蕩及限制短路電流研究

李 娟，嚴宇昕，聶 鵬

（東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012）

0 引言

伴隨社會的進步與經(jīng)濟的發(fā)展，電力已經(jīng)成為社會生活中各個領(lǐng)域不可或缺的重要能源之一。隨著科技和社會生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高。在電力工業(yè)不斷發(fā)展壯大的趨勢下，電力系統(tǒng)已經(jīng)進入大系統(tǒng)、超高壓遠距離輸電、跨區(qū)域聯(lián)網(wǎng)的新階段。全國聯(lián)網(wǎng)后，由于地理環(huán)境等因素的限制難以建設(shè)新的輸電線路，區(qū)域電網(wǎng)間僅僅通過500 kV交流線路弱互聯(lián)，使得互聯(lián)系統(tǒng)對于區(qū)域間出現(xiàn)的振蕩能夠起到的作用很?。?］。面對互聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)的穩(wěn)定性易遭到破壞的問題，一般習慣用二次設(shè)備（柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）控制器等）將弱互聯(lián)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^強的互聯(lián)［2］。

相間功率控制器IPC（Interphase Power Controller）是FACTS家族中的新成員。IPC最早是由加拿大魁北克輸電技術(shù)革新中心提出的，它是一種可對有功和無功功率進行控制的組合型FACTS控制器［3］。IPC具有潮流控制的魯棒性和限制事故電流、消除事故波及的優(yōu)良特性［4-5］。國外對IPC的研究已經(jīng)發(fā)展到研制出實際裝置并將其應(yīng)用于電網(wǎng)的階段［6］。國內(nèi)對于IPC的研究較晚，僅在理論方面取得了一些成 果［7］。

IPC基本結(jié)構(gòu)是由電感和電容支路組成，傳統(tǒng)IPC的移相環(huán)節(jié)多由移相變壓器構(gòu)成或是通過相與相之間的穿越連接而成，特定類型的IPC移相控制角都是確定的，因此不能夠靈活地控制［8-9］。IPC連接的兩電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線受端發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)發(fā)生擾動，若不采取措施進行有效的控制，可能引起系統(tǒng)功率振蕩，將不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

本文詳細分析電壓源型變換器（VSC）的基本工作原理、控制模型，通過控制VSC能靈活地控制聯(lián)絡(luò)線路的傳輸功率以達到阻尼系統(tǒng)功率振蕩、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的，并且調(diào)節(jié)晶閘管控制電抗器TCR（Thyristor Controlled Reactor）支路感抗和晶閘管控制串聯(lián)電容器TCSC（Thyristor Controlled Series Capacitor）支路容抗來限制短路電流。最后通過仿真驗證其有效性和適用性。

1 IPC的基本結(jié)構(gòu)原理

IPC被視為一種能創(chuàng)新出不同結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)更多功能的潮流控制器，而不是一種具有固定結(jié)構(gòu)的FACTS控制器。IPC的通用結(jié)構(gòu)如圖1所示，每相包括并聯(lián)的容性和感性支路，分別由容性和感性阻抗與獨立的移相單元串聯(lián)構(gòu)成，包括2個阻抗和2個相移環(huán)節(jié)共 4 個可控單元［10-11］。

圖1 IPC通用結(jié)構(gòu)Fig.1 General structure of IPC

圖1中US、Ur分別為IPC入口和出口的電壓幅值，φ1、φ2分別為電感和電容支路的移相角，δ為IPC兩側(cè)電壓相位差，XL、XC分別為IPC電感、電容支路的感抗和容抗。由圖1可得IPC出口輸送功率為［12］：

2 基于VSC的動態(tài)可控相間功率控制器基本原理

2.1 基于VSC的動態(tài)可控相間功率控制器移相功能

由于VSC具有靈活的移相功能，可以將其應(yīng)用到IPC的移相環(huán)節(jié)，電感支路通過控制晶閘管觸發(fā)角等效改變電感參數(shù)［13］，電容支路利用類似TCSC原理可以連續(xù)調(diào)節(jié)電容參數(shù)，這樣可以將傳統(tǒng)的靜態(tài)IPC進行電力電子式改進，形成基于VSC的移相環(huán)節(jié)、電感參數(shù)、電容參數(shù)連續(xù)動態(tài)可控的IPC。經(jīng)帶動態(tài)可控相間功率控制器（DCIPC）交流弱聯(lián)系的兩互聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 基于VSC的DCIPC的結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Structure of DCIPC based on VSC

在圖2中，通過控制VSC中GTO的觸發(fā)角可調(diào)節(jié)Upq1和Upq2。Upq1和Upq2均是接近正弦的補償電壓，VSC基本電壓Uout由電容器組構(gòu)成的直流儲能元件提供，因此除本身損耗外，一般與系統(tǒng)之間不存在有功功率的交換，所以VSC裝置產(chǎn)生的補償電壓與線路電流正交，即Upq1和Upq2分別正交于電感和電容支路的電流IL和IC。由式（1）可見，電感和電容支路分別以相反的移相角進行控制，由此對有功功率產(chǎn)生較大的調(diào)節(jié)作用。當以相反的移相角φ1和φ2實現(xiàn)移相功能時，各支路的補償電壓與兩端電壓及支路電流的相量關(guān)系如圖3所示。

圖3 中IPC入口電壓與TCR和TCSC支路電流夾角均為θ，δ為IPC入口和出口電壓的相位差和為移相后電壓。由移相角φ1和φ2相等反向可推導(dǎo)注入電壓Upq1和Upq2存在如下關(guān)系：

圖3 電感、電容支路注入電壓和電流相量關(guān)系圖Fig.3 Phasor diagram of injecting voltage and current of inductor or capacitor branch

由式（3）可知，電感、電容支路的移相注入電壓有相互制約的關(guān)系，調(diào)節(jié)控制Upq1和Upq2應(yīng)同時進行，并且要滿足式（3）的約束，才能實現(xiàn)正常的移相功能。

由于VSC注入電壓對兩端電壓的幅值和相位的調(diào)節(jié)與移相器的主要原理相吻合，所以VSC具有與靜止移相器相同的功能。然而相對于傳統(tǒng)移相器，VSC在控制方面更加靈活，其響應(yīng)速度可達到幾毫秒，可以實現(xiàn)快速動態(tài)的控制。

2.2 基于VSC的DCIPC功率控制機理

聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)挠泄β逝c電壓相位角有關(guān)，電感和電容支路的注入電壓Upq會使DCIPC兩端的電壓產(chǎn)生相位移動，從而對兩側(cè)交流系統(tǒng)的有功功率交換起到一定的調(diào)節(jié)控制作用。

根據(jù)圖2可得出，由DCIPC出口經(jīng)聯(lián)絡(luò)線流出的電流Ir為：

假設(shè)為調(diào)諧型IPC，令XL=XC=XIPC，則有：

IPC出口電壓Um為：

聯(lián)絡(luò)線潮流為：

由式（5）—（7）可知，通過控制VSC的補償電壓Upq1和Upq2可調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率。當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，若能提高兩互聯(lián)電網(wǎng)之間聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率，對阻尼系統(tǒng)的功率振蕩能起到一定作用。

2.3 基于VSC的DCIPC限制短路電流機理

在電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障期間，增大電源點與短路點之間的等值阻抗，可以起到限制短路電流的作用。DCIPC的TCR支路等效電感參數(shù)和TCSC支路的等效電容參數(shù)均可以通過調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角進行控制。

以圖2聯(lián)絡(luò)線末端N點發(fā)生三相短路為例，有：

由式（8）可知，當聯(lián)絡(luò)線末端發(fā)生三相短路故障時，短路電流的大小與移相電壓、電感和電容的等效電抗有關(guān)。在IPC移相角度一定的條件下，增大電感、電容等效的電抗，可以減小短路電流值。但如果是調(diào)諧型的IPC，應(yīng)注意當聯(lián)絡(luò)線發(fā)生斷線故障時，IPC電感和電容上可能會出現(xiàn)過電壓，由文獻［14］可知，當聯(lián)絡(luò)線發(fā)生斷線故障時，應(yīng)將電感、電容支路的移相電壓的相角分別控制為kπ和-kπ（k=1，2），這樣電感和電容上不會出現(xiàn)過電壓。

3 DCIPC阻尼系統(tǒng)功率振蕩的控制

由以上分析可見，通過控制DCIPC的移相環(huán)節(jié)能夠靈活地調(diào)節(jié)聯(lián)絡(luò)線傳輸?shù)挠泄β剩竟?jié)以圖2中N點發(fā)生三相短路為例對DCIPC進行控制，以此進行阻尼系統(tǒng)功率振蕩的研究。

當N點發(fā)生三相短路故障，將引起發(fā)電機的功率不平衡，功率差額量越大，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化越大，因此以發(fā)電機角速度作為反饋控制信號產(chǎn)生VSC的輸出電壓，可以適應(yīng)減小故障期間功率差額的要求，提高送端發(fā)電機輸出的電磁功率，進而阻尼功率振蕩?？刂芕SC注入電壓的表達式為：

其中，Δω為發(fā)電機角速度變化率；K為控制器的增益，其大小由VSC本身的補償能力決定。

基于VSC的DCIPC的電感和電容支路分別通過VSC的注入電壓實現(xiàn)移相功能，而電感和電容支路的移相功能應(yīng)滿足式（3）的約束，因此電感和電容支路的移相控制環(huán)節(jié)應(yīng)同時協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)簡化圖如圖4所示。

圖中，VSC控制環(huán)節(jié)采用既控制輸出電壓又控制直流側(cè)電容電壓的內(nèi)環(huán)控制方式實現(xiàn)注入電壓的調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)簡化圖如圖5所示，圖中ABS表示求取模值。當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度發(fā)生變化，式（9）表達的是VSC裝置輸出的參考電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度的映射關(guān)系，而將VSC裝置輸出的實際電壓與參考電壓進行比較，其誤差經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)得到控制角。

圖4 DCIPC系統(tǒng)簡化圖Fig.4 Simplified diagram of DCIPC system

為了避免直流側(cè)電壓產(chǎn)生大的波動，應(yīng)使VSC裝置輸出的電壓與相應(yīng)支路電流相差90°，因此需要利用鎖相環(huán)測量線路電流的相角從而得到VSC裝置輸出電壓的基準相角σ。將控制角與基準角相加得到VSC裝置輸出電壓的相角，利用該相角可以生成VSC裝置的驅(qū)動脈沖，控制VSC裝置使其輸出電壓跟蹤參考電壓。為了控制直流側(cè)電容電壓，以電流相位為基準將VSC裝置的輸出電壓分解為電壓的無功分量與有功分量（即與電流同相的電壓分量為有功分量，與電流相差90°的電壓分量為無功分量），通過VSC裝置輸出電壓的無功分量來控制其輸出電壓的大小，而通過VSC裝置輸出電壓的有功分量來控制其直流側(cè)電容的電壓。由于VSC裝置損耗小，因此VSC裝置輸出電壓中的有功分量很小，其輸出電壓主要由電壓的無功分量決定。

圖5 中將參考電壓分為有功分量UpqP，ref和無功分量UpqQ，ref，實線表示無功分量決定輸出電壓的大小，虛線表示有功分量對輸出電壓的影響較小，但直接作用于直流側(cè)電容電壓ud。這種輸出電壓的無功分量控制其輸出電壓，有功分量控制其直流側(cè)電容電壓的方法，實現(xiàn)VSC裝置輸出電壓的控制與直流側(cè)電容電壓的控制之間的靜態(tài)解耦，從而提高控制的響應(yīng)速度并縮短過渡過程的時間。

4 DCIPC限制短路電流的控制

本文采用控制TCR支路和TCSC支路晶閘管導(dǎo)通角的方式來限制短路電流。

圖5 VSC系統(tǒng)簡化圖Fig.5 Simplified diagram of VSC system

根據(jù)短路電流的限制程度來確定TCR支路阻抗參考值XLref，當短路發(fā)生后根據(jù)TCR兩端電壓和線路電流計算當前的阻抗XL，再根據(jù)感抗值與觸發(fā)角之間滿足式（10）的關(guān)系預(yù)測出晶閘管觸發(fā)延遲角α0。

求取阻抗參考值XLref與實際值XL之差ΔX，ΔX經(jīng)過PI控制生成觸發(fā)延遲角的修正量Δα，將Δα與預(yù)測值α0求和并經(jīng)過限幅后得到實際的控制角α，控制原理圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)簡化圖Fig.6 Simplified diagram of control system

將電流作為晶閘管觸發(fā)控制的同步信號，主要是因為線電流幾乎是正弦信號，這樣可以避免電壓作為同步信號會含有大量的諧波和虛假的噪聲信號。最后根據(jù)控制器輸出的晶閘管觸發(fā)延遲角α產(chǎn)生所需的晶閘管觸發(fā)脈沖，驅(qū)動主電路工作。

由于本文所使用TCSC的單相結(jié)構(gòu)是由電容器與TCR并聯(lián)組成，因此TCSC控制方法與TCR基本相似。由上文分析可知，等效電容參數(shù)與電感參數(shù)越接近，限制短路電流的控制效果越理想，如此確定TCSC阻抗參考值XCref，再根據(jù)圖6所示的控制原理確定TCSC支路的晶閘管觸發(fā)延遲角，以此驅(qū)動主電路工作。

5 仿真分析

本文以圖7所示互聯(lián)電力系統(tǒng)線路2上的B2點發(fā)生三相短路故障為例進行仿真分析，驗證DCIPC阻尼系統(tǒng)功率振蕩及限制短路電流的效果。

圖7 仿真系統(tǒng)簡化圖Fig.7 Simplified diagram of simulation system

該電力系統(tǒng)由S側(cè)容量為2100 MV·A的發(fā)電機組、R側(cè)容量為1 400 MV·A的發(fā)電機組和1個2 200 MV·A的動態(tài)負載組成；輸電線路1上設(shè)置DCIPC控制器，DCIPC電感支路感抗和電容支路容抗初始值為0.09 p.u.，DCIPC移相環(huán)節(jié)的VSC的 PI控制器參數(shù)Kp=0.03、Ki=1.5。

5.1 系統(tǒng)正常運行時仿真分析

由上文可知，電感、電容支路的移相電壓應(yīng)協(xié)調(diào)控制且滿足式（3）的關(guān)系。仿真分析針對其中電感支路移相電壓進行設(shè)置，電容支路移相電壓由式（3）計算得到，因此下文所述的電壓均為電感支路電壓。

在0～2 s時參考電壓 Uq，ref設(shè)置為 0，在2～4 s 時參考電壓分別設(shè)為-0.07p.u.和0.07p.u.（即注入電壓分別為感性和容性），有功功率變化曲線如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)正常運行時有功功率變化曲線Fig.8 Active power curve in normal operation

5.2 阻尼系統(tǒng)振蕩仿真分析

以注入電壓為感性為例，在0.5 s時于輸電線路2的B2母線處發(fā)生三相短路故障，0.6 s時切除故障，故障時間為0.1 s。仿真結(jié)果中有功功率變化曲線如圖9所示。

經(jīng)聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)電力系統(tǒng)，裝設(shè)DCIPC前后對比得到如下結(jié)論。

a.振蕩曲線幅值變化：未裝設(shè)時，有功功率曲線振蕩幅值為650 MW。裝設(shè)DCIPC但未調(diào)節(jié)時，有功功率曲線振蕩幅值與未裝設(shè)時基本接近，但由于有電感的加入切除故障后毛刺較多；裝設(shè)DCIPC調(diào)節(jié)后有功功率曲線振蕩幅值功率最高達590 MW，切除故障后平緩過渡，而且適當調(diào)節(jié)注入電壓和支路感抗會改善有功功率曲線毛刺較多的問題。

b.振蕩時間變化：未裝設(shè)時，有功功率曲線在3.5 s后基本恢復(fù)平穩(wěn)；裝設(shè)DCIPC未調(diào)節(jié)時，有功功率曲線由于有電感的加入在3.5 s后呈穩(wěn)定規(guī)律變化，但振蕩幅度較大；為了使功率振蕩幅度減小，盡快恢復(fù)平穩(wěn)，將DCIPC移相角度進行調(diào)節(jié)，有功功率變化曲線如圖9（c）所示，有功功率曲線在3 s后基本恢復(fù)平穩(wěn)，時間縮短。

圖9 DCIPC阻尼系統(tǒng)功率振蕩仿真波形圖Fig.9 Simulative curves of power oscillation damping by DCIPC

因此，仿真結(jié)果表明，利用DCIPC可以有效阻尼系統(tǒng)功率振蕩，使系統(tǒng)在受到擾動后可以快速平穩(wěn)地恢復(fù)正常運行狀態(tài)，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5.3 限制短路電流仿真分析

在輸電線路2的B2母線發(fā)生三相短路故障，在0.5 s時發(fā)生故障，0.6 s時切除故障，故障時間為0.1 s。短路前后電流變化如圖10所示。

經(jīng)聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)電力系統(tǒng)，裝設(shè)DCIPC前后短路電流和沖擊電流的變化如下。

a.沖擊電流變化：短路故障時沖擊電流對系統(tǒng)的危害較大。未裝設(shè)DCIPC時，短路瞬間沖擊電流為正常電流值的1.7～1.9倍，并且切除故障瞬間，沖擊電流高達2.15倍；裝有DCIPC未調(diào)節(jié)時，短路和切除故障瞬間，沖擊電流均有一定幅度的減??；裝有DCIPC調(diào)節(jié)后，短路瞬間沖擊電流基本與正常電流相等，切除故障瞬間沖擊電流降至1.8倍。

b.短路電流變化：未裝設(shè)DCIPC時，短路電流為正常電流的1.2倍；裝設(shè)DCIPC調(diào)節(jié)后短路電流基本與正常電流大小相等。

圖10 DCIPC限制短路電流仿真波形圖Fig.10 Simulative curves of short circuit current limiting by DCIPC

由上述分析可知，DCIPC可以有效地限制短路電流和瞬間沖擊電流以確保電力系統(tǒng)設(shè)備安全運行。

6 結(jié)論

本文將VSC應(yīng)用到常規(guī)的IPC中，以VSC來代替常規(guī)IPC中的移相器構(gòu)成DCIPC。理論分析和仿真分析結(jié)果表明，該方案是合理可行的，并具有以下優(yōu)點：

a.與常規(guī)IPC中的移相器相比，DCIPC可以連續(xù)、快速、靈活地改變電感、電容支路移相角，且損耗較??；

b.可以通過控制移相電壓的注入阻尼系統(tǒng)功率振蕩，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；

c.當系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，利用晶閘管觸發(fā)角對電感、電容支路協(xié)調(diào)控制可以起到限制短路電流的作用。