柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象分析與控制方法

李露瓊

摘 要：柔性直流輸電系統(tǒng)基于電壓源變流器，在運行的過程中，會受到電力電子等設備的影響，進而造成控制系統(tǒng)的效率不高，甚至會出現多變的功率震蕩。而近些年社會之中關于電力運輸柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象的報道也是屢見不鮮，文章中筆者將結合自身的實踐工作經驗，對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象做出分析，并提出相關控制方法，希望能夠保障柔性直流輸電系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性。

關鍵詞：柔性直流輸電系統(tǒng)；振蕩現象；控制方法

中圖分類號：TM721.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0148-02

Abstract： Flexible direct current transmission system based on voltage source converter， in the process of operation， will be affected by power electronics and other equipment， resulting in low efficiency of the control system， and even variable power shocks. In recent years， the oscillation phenomenon of flexible direct current transmission system in power transportation is also reported frequently. The author analyzes the oscillation phenomenon of flexible direct current transmission system from practical work experience， and in order to ensure the security and stability of flexible direct current transmission system， some control methods are put forward.

Keywords： flexible direct current transmission system； oscillation phenomenon； control method

前言

柔性直流輸電系統(tǒng)由于具有結構功能強、輸出諧波小等特點，因此現下被廣泛的應用到遠距離、大容量的電力運輸之中，但在柔性直流輸電系統(tǒng)運行過程中，由于易受電力電子設備快速控制影響，在系統(tǒng)斜波頻率附近呈現容性阻抗和負阻抗，從而造成系統(tǒng)諧波電流的發(fā)散，引發(fā)柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象，這會對電力運輸造成影響，因此必須對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象做出有效的控制。

1 柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象概述

1.1 次同步頻率范圍震蕩

柔性直流輸電系統(tǒng)呈現容性阻抗和負阻抗，并與其它設備呈現震蕩電路，從而造成電流發(fā)散是引發(fā)柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象的重要原因，而根據發(fā)生機理的不同，產生的震蕩現象也有所差異，其中次同步頻率范圍震蕩是比較常見的一種震蕩。具體而言，在次同步頻率范圍震蕩發(fā)生過程中，其系統(tǒng)運行中的直流電壓和交流電壓的波形在變化上并沒有太大的變化，而除此之外，兩者電壓還有有著一定差別的，如，電壓波形的變化不太大，而且在直流電流和交流電流方面所呈現的震蕩現象也有著很多的不同之處，并且這兩種不同形式的震蕩頻率是表現互補關系的。而導致次同步頻率范圍震蕩的原因有很多，例如，在雙饋風力發(fā)電機運行的過程中可能受到電網強度、運行點、轉子參數等多項因素的影響，使得運行模式的效率也會有所變化，而在此過程中同頻率范圍內也出現震蕩的現象[1]。同時這種震蕩會隨著震蕩風流流入到變流器之中，若是此時變流器的震蕩頻率處能夠提供足夠的阻尼，那么柔性直流輸電系統(tǒng)還可以正常的運轉，但若是變流器本身設計就存在一定的問題，當震蕩風流流入到變流器時，震蕩頻率產生的阻尼不足，這時就會轉變?yōu)橹绷鱾入娏髡鹗?，而這會對柔性直流輸電系統(tǒng)造成很大的影響，引起電流電壓波動，從而發(fā)生震蕩風險。在以往的文獻的報道之中，上海南匯、廣東南澳、福建廈門的電力工程之中，都曾發(fā)生過這種次同步頻率范圍震蕩。

1.2 中高頻率范圍震蕩

中高頻率范圍震蕩也是柔性直流輸電系統(tǒng)中比較常見的一種震蕩現象：（1）中頻震蕩，以往在系統(tǒng)運行的過程中，需要進行直流電纜建模，則需要π型等值模型，而在這種方法實施的過程中，往往會忽視直流電纜頻率變化的組抗性，會在一定程度上對直流輸電系統(tǒng)產生一定的影響，另外，也存在忽略了變流器和關鍵設備對震蕩的影響，這是導致中頻震蕩現象發(fā)生的重要原因。在以往的文獻報道之中，德國北海海上風電場在運行的過程中發(fā)生中頻震蕩，震蕩頻率大約達到了250～350Hz，而震蕩的單流則達到了基波電流的40%以上[2]。（2）高頻震蕩，國內電力企業(yè)發(fā)生高頻震蕩的問題屢見不鮮，如舟山五端直流震蕩，從而導致高頻分量跳閘。在或者魯西直流工程震蕩，震蕩頻率高達1.2kHz，直接造成系統(tǒng)停運。而導致柔性直流輸電系統(tǒng)高頻震蕩的直接原因，就是MMC變流站接入弱點站時，中高頻率的阻抗特性，如電流電壓控制等，在運行的過程中會對MMC變流站產生一定的影響，如產生震蕩等現象，面對這種運行問題，則需要及時根據實際運行情況，分析不同狀態(tài)下系統(tǒng)運行的各個參數，并根據這些參數消除高頻震蕩問題。

2 柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩分析方法

通過上述的分析了解到，在柔性直流輸電系統(tǒng)運行的過程中，由于受到多種因素的影響，會產生不同程度的震蕩問題，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。而下文則主要對柔性直流輸電系統(tǒng)的振動進行分析，提出幾種震蕩分析方法，具體分析如下。

2.1阻抗模型搭建法

風電作為一種新能源建設方式，風機自身的結構比較復雜，通過阻抗模型搭建法可以更好的對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩做出分析和控制，從而為風能輸電安全作出保障。具體而言，影響柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩的關鍵因素就是，機側/電網控制參數、鎖相環(huán)延時、直流側VSC控器參數以及濾波器等。在MMC的直柔系統(tǒng)應用范圍不斷加大的過程中，對阻抗模型搭建法的研究也不斷朝著MMC等效模型搭建過渡，而在這個過程中，又逐漸的衍生出了傳統(tǒng)詳細模型、詳細等效模型和快速模型三種形式，在這三種模型之中，傳統(tǒng)詳細模型的整體精準度是最高的，但是計算的難度比較大。而詳細等效模型仿真速度適中，因此比較適用于分析柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩特性。最后快速模型堅固了仿真度和速度，因此現下應用范圍較廣。

2.2 穩(wěn)定性分析方法

柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法，可大致分為特征值分析方法、頻率掃描分析方法、時域仿真法、阻抗分析法等，不同的穩(wěn)定性分析方法適用的范圍和對象各有不同。首先特征值分析方法基于小擾動線性模型，在這個過程中主要通過求解系統(tǒng)中的特征向量、矩陣特征根來判斷系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。其次，可以通過頻率掃描的方式了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并通過輸入不同頻率的信號擾動結合檢測變電流器進一步評論信號，達到識別目標系統(tǒng)和設備阻抗模型[3]。再次時域仿真法，時域仿真法需要建立每個設備的微分模型，通過逐步積分的方式，獲取系統(tǒng)整體的運動曲線。最后阻抗分析法通過奈奎斯特推廣的奈奎斯特判斷依據為基礎，此種分析方法對震動點的觀測比較清晰。

3 柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象控制方法

3.1 優(yōu)化控制器參數

以往常常在柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩發(fā)生時，通過切除風機電阻、改變漿距角等方式，從而讓系統(tǒng)避開震蕩區(qū)間，這種方式雖然可以控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩，但是付出的經濟代價比較高，因此不適合作為控制手段，而優(yōu)化控制器參數可以從機理上實現對震蕩的控制，這是因為柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩發(fā)生的本質原因就是系統(tǒng)在震動頻率出的阻尼不足，從而產生的阻抗特性，因此若是能夠優(yōu)化控制器的參數，勢必可以改變變流器與設備之間的互動行為，提高震動頻率處的阻抗特性，從而對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象做出有效的控制，減少震蕩風險[4]。如對于采用MMC柔直系統(tǒng)需要考慮橋臂電感與子模塊電容之間的諧振現象，通過改變橋臂諧振電流和變流器之間的參數，從而減少橋臂環(huán)流問題發(fā)生，并增加系統(tǒng)穩(wěn)定性子模塊電容和橋臂電感之間的選擇，這無疑是可以控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩的。而在一些復雜的多柔端直系統(tǒng)之中，優(yōu)化控制器參數的同時，還必須要考慮多變流器之間的耦合作用，要保證每個電流器都等得到最大優(yōu)化，這樣才能實現更好的柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩控制效果。

3.2 附加阻尼控制器

在控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩的過程中，除優(yōu)化控制器參數這種方法，我們還可以通過附加阻尼控制器的方法，從而實現對震蕩現象的控制。附加阻尼控制器主要是應用于系統(tǒng)變流器眾多，控制器參數優(yōu)化效益比較低的情況下，通過添加額外的阻尼，從而實現對震蕩的控制。但由于附加阻尼控制器這種方式，對系統(tǒng)設計要求比較高，因此往往難以適應柔性直流輸電系統(tǒng)多變的運行狀態(tài)和擾動情況。而近些年隨著科學技術的迅速發(fā)展，有學者提出通過使用虛擬斜波電阻控制器，從而提升附加阻尼控制器與柔性直流輸電系統(tǒng)之間其他設備相互作用。此外還應該通過研發(fā)一種新型阻尼控制器，重塑變流器的阻抗特性，進而從整體上改善變流器系統(tǒng)的整體性和互動性，為從機理上降低柔性直流輸電系統(tǒng)與其他設備互相震動風險提供保障。由此可以看出，在柔性直流輸電系統(tǒng)之中附加阻尼控制器雖然是一種可行的方式， 但是現下的研究并不成熟，今后還需進一步對此作出更加深入的研究。

3.3 附加濾波裝置

結合電力工程之中柔性直流輸電系統(tǒng)的工作原理，還可以通過附加濾波裝置的方式，來對柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩做出控制，由于串聯阻塞濾波器本身的占地面積比較大，因此產生的經濟效益就會相對低一些，為此現下常將串聯阻塞濾波器作為短期震蕩控制方法，在控制柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩發(fā)生過程中，可以通過設置多個斜震點的方式，將震蕩最大限度的做出消除[5]。但與串聯阻塞濾波器和相同，旁路濾波器也是一種占地面積比較大，經濟效益比較低的裝置，因此也只能作為一種短期控制方法，所以附加濾波裝置這種柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩控制方法還存在一定的限制。

4 結束語

電力運輸作為城市建設的發(fā)展動力，而柔性直流輸電為今后大容量、大規(guī)模、多端輸電工程建設發(fā)展提供了保障，而顯然在柔性直流輸電系統(tǒng)應用過程中，震蕩問題是控制電力企業(yè)必須要攻克的難關，但目前的震蕩控制技術局限于單機系統(tǒng)、小擾動和變流器的一側。

參考文獻：

[1]尹聰琦，謝小榮，劉輝，等.柔性直流輸電系統(tǒng)振蕩現象分析與控制方法綜述[J].電網技術，2018，42（04）：1117-1123.

[2]苑賓.聯接弱交流電網的柔性直流輸電系統(tǒng)小信號穩(wěn)定性研究[D].華北電力大學（北京），2017.

[3]李洋.基于VSC-HVDC附加阻尼控制抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩的研究[D].東北電力大學，2016.

[4]林晨.含VSC_HVDC的交直流混合系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[D].南京理工大學，2016.

[5]劉紅超.交/直流互聯電力系統(tǒng)的非線性模態(tài)分析和柔性協(xié)調控制[D].四川大學，2016.