基于儲能微分控制的AC /DC系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線慣性補償策略

趙熙臨，張大恒，明 航

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068；2.國家電投集團 湖北宜昌新能源有限公司，武漢 430068)

近年來，基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)(VSC-HVDC)以其線路造價低、能夠減小功率及電壓波動對電網(wǎng)的沖擊，提高復(fù)雜電網(wǎng)運行的安全性，且能夠?qū)崿F(xiàn)對電力系統(tǒng)有功及無功功率的獨立控制的獨特優(yōu)勢，在大容量、遠距離輸電系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但是由于電力電子器件本身的高頻特性，導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)的慣性水平降低，會對系統(tǒng)負荷頻率控制(load frequency control，LFC)產(chǎn)生不利影響，因此系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線進行慣性補償對HVDC系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有現(xiàn)實意義。

在HVDC的應(yīng)用過程中，通常通過控制變流器從而實現(xiàn)系統(tǒng)兩端的交直流轉(zhuǎn)換[3-4]。一般來說，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)有功及無功功率的解耦，對于系統(tǒng)兩端變流器的控制策略主要分為兩種：一種是利用PI等控制器形式控制轉(zhuǎn)換器交流側(cè)電流的輸出從而實現(xiàn)對功率傳輸?shù)拈g接電流控制；另外一種是在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下實現(xiàn)對整流側(cè)功率控制和逆變側(cè)交流電壓的直接控制策略[5-6]。通過對變換器的控制雖然能夠一定程度抑制電力系統(tǒng)的直流電壓波動，但是當(dāng)電網(wǎng)外部擾動較大時，由于電力電子器件本身的高頻特性，系統(tǒng)慣性時間常數(shù)及慣性水平降低，會導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)頻能力下降，暫態(tài)過程中會出現(xiàn)較大的直流電壓和頻率波動[7]。

為了調(diào)高系統(tǒng)的慣性水平，在交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)中通常通過控制儲能裝置的充放電為系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線進行慣性補償。文獻[8]在VSC-HVDC系統(tǒng)中設(shè)計了一種雙向功率調(diào)制控制器，通過對系統(tǒng)頻率偏差及交流聯(lián)絡(luò)線的功率偏差進行控制，從而控制直流聯(lián)絡(luò)線功率的變化，證明了將高壓直流輸電線路與交流輸電線路并行連接可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻[9]在海上風(fēng)電場系統(tǒng)中開發(fā)了基于慣性仿真的控制策略(interia emulation based control strategy，INEC)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負荷擾動時，INEC通過控制DC聯(lián)絡(luò)線的電容存儲能量為系統(tǒng)提供慣性。文獻[10]提出了引入系統(tǒng)頻率偏差的微分作為反饋信號調(diào)整HVDC鏈路傳輸功率的風(fēng)電場協(xié)調(diào)控制策略，證明了微分控制的合理性。但是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)較大負荷擾動時，由于電容儲能能力的局限性，對系統(tǒng)調(diào)頻能力的作用減弱，且不易于控制實施。但是通過對儲能控制模塊分析可知，儲能充放電需要一定時間完成，且慣性補償時間過長或過短都會對系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線功率及LFC效果產(chǎn)生負面影響[11-14]，因此對儲能系統(tǒng)的充放電進行控制以提高慣性補償與系統(tǒng)需求之間的匹配度有重要意義[15-16]。通過利用頻率偏差的微分作為反饋信號控制儲能設(shè)備的功率提取，可以改善系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的功率傳輸能力，提高系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，有效改善系統(tǒng)出現(xiàn)故障時或負荷發(fā)生擾動時本身的靈活性和可控性，提高系統(tǒng)的慣性水平。

根據(jù)上述分析，本文提出了一種基于儲能微分控制的交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線慣性補償響應(yīng)策略，在AGC系統(tǒng)中通過引入系統(tǒng)頻率偏差的微分作為反饋信號的方法控制儲能設(shè)備的有功功率的提取，通過直流聯(lián)絡(luò)線傳輸功率的調(diào)整，補償系統(tǒng)所需的慣性。

1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

不失一般性，本文以兩區(qū)域交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)為例進行系統(tǒng)描述，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型主要包括：直流聯(lián)絡(luò)線模型，區(qū)域AGC模型。

1.1 直流聯(lián)絡(luò)線模型

基本的AC/DC輸電系統(tǒng)主要由AC鏈路、AC/DC和DC/AC轉(zhuǎn)換器、以及DC鏈路4部分組成。一般而言，交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)的物理模型如圖1所示，其中直流聯(lián)絡(luò)線包括整流器VSC1及逆變器VSC2，一般通過控制VSC1及VSC2的觸發(fā)角來控制直流聯(lián)絡(luò)線的功率傳輸。通過VSC1控制其電壓以及無功功率，VSC2控制系統(tǒng)的有功和無功功率。

圖1 交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)物理模型Fig.1 Physical model of AC/DC hybrid power system

由圖1分析可知，DC聯(lián)絡(luò)線類似于沒有慣性的同步發(fā)電機，可以獨立產(chǎn)生和消耗無功功率，因此可以將DC鏈路可看作是與相電抗器阻抗串聯(lián)連接的兩個帶有各自相角的可控電壓源E1及E2，整流側(cè)及逆變側(cè)的相電抗器的阻抗分別用jXt1及jXt2表示，因此交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)的等效模型如圖2所示。

圖2 交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)的等效模型Fig.2 Equivalent model of AC/DC hybrid power system

由圖2分析可知，由區(qū)域1輸入到DC聯(lián)絡(luò)線的有功功率一般由式(1)和式(2)所示：

(1)

ΔPtie12,DC=T12,DC(Δδ1-Δγ1) .

(2)

式中：T12,DC代表整流器側(cè)的慣性時間常數(shù)，同理可以得到區(qū)域2傳輸?shù)铰?lián)絡(luò)線的功率，由于在系統(tǒng)擾動時，線路的功率損耗可以忽略不計，根據(jù)能量守恒定律可得：

T12,DC(Δδ1-Δγ1)=-T21,DC(Δδ2-Δγ2) .

(3)

當(dāng)系統(tǒng)通過DC聯(lián)絡(luò)線進行功率傳輸時，必須使DC鏈路兩側(cè)的轉(zhuǎn)換器保持同步(即整流器的相角變化必須與逆變器的相角變化保持一致)，所以Δγ1=Δγ2=Δγ，由此可知：

(4)

將式(4)帶入式(2)可知：

(5)

由上式可得DC鏈路的等效慣性時間常數(shù)為：

Teq=T12,DCT21,DC/(T12,DC+T21,DC) .

(6)

由上述分析可知，系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線的精確模型如圖3所示。

圖3 DC聯(lián)絡(luò)線精確模型Fig.3 Accurate model of DC tie line model

由圖3可知，系統(tǒng)發(fā)生擾動時，根據(jù)負荷擾動偏差等級，通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線兩端的變換器時間常數(shù)T12,DC及T21,DC可以改變其聯(lián)絡(luò)線過載率，從而控制DC聯(lián)絡(luò)線的功率傳輸，改善其慣性水平，根據(jù)過載率不同改變變換器時間常數(shù)的具體計算過程參見文獻[7].

1.2 AGC模型構(gòu)建

在交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)中，區(qū)域之間通過交流聯(lián)絡(luò)線以及與之并行連接的直流聯(lián)絡(luò)線進行功率交換，如圖4所示為考慮慣性補償?shù)膬蓞^(qū)域交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)AGC結(jié)構(gòu)圖，AGC模型的調(diào)速器單元、再熱單元、汽輪機單元的數(shù)學(xué)描述參見文獻[17-18].

如圖4分析可知，兩區(qū)域交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)未進行慣性補償之前區(qū)域之間的聯(lián)絡(luò)線功率交換如式(7)所示：

圖4 區(qū)域AGC模型Fig.4 Regional AGC model

ΔPtie，ij=ΔPtie，ij,DC+ΔPtie，ij,AC.

(7)

式中：ΔPtie，ij,DC代表系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線的功率偏差，ΔPtie，ij,AC為系統(tǒng)交流聯(lián)絡(luò)線的功率偏差，當(dāng)電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線功率發(fā)生偏離時，根據(jù)測得的頻率信息及頻率控制系數(shù)，計算區(qū)域控制誤差，如式(8)所示：

EAC,i=BiΔfi+ΔPtie,ij.

(8)

其中，EAC，i(area control error)表示區(qū)域i的區(qū)域控制偏差，Bi為第i區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線偏置參數(shù)，AGC系統(tǒng)通過對所得的ACE進行分析并發(fā)出相關(guān)的控制指令調(diào)整發(fā)電機組的輸出功率，實現(xiàn)發(fā)電功率和負荷功率的平衡，使系統(tǒng)頻率恢復(fù)至基準值，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 儲能微分控制的慣性補償策略

系統(tǒng)發(fā)生負載擾動時，一般的虛擬慣性補償控制是通過控制DC鏈路的直流電壓與電網(wǎng)頻率成比例的控制DC鏈路電容器的儲能值，DC鏈路的電容釋放能量為聯(lián)絡(luò)線提供慣性補償并參與系統(tǒng)調(diào)頻；但是在當(dāng)電容值過小時，系統(tǒng)的電壓波動增大；電容過大時，系統(tǒng)的調(diào)頻能力下降[8]；且直流電壓與AC鏈路頻率兩者之間的變化是非線性的，控制方式比較復(fù)雜。通過引入頻率偏差的微分作為反饋信號，控制轉(zhuǎn)換器增益從而改變儲能設(shè)備的有功功率來提供慣性的控制方法稱為儲能微分控制。儲能微分環(huán)節(jié)的控制原理如圖5所示。

圖5儲能微分控制原理圖
Fig.5 Differential control schematic diagram of energy storage

其中

J

i

為系統(tǒng)控制器增益，由圖5可知儲能微分控制的傳遞函數(shù)如式(9)所示：

(9)

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)負荷擾動造成發(fā)電機的機械功率與電力輸出之間的不匹配，系統(tǒng)總體的機械慣性對電網(wǎng)頻率變化速率有著重大影響，兩者之間的關(guān)系一般由式(10)所示：

(10)

式中：H為系統(tǒng)慣性時間常數(shù)，ΔPM代表等效的機械功率輸出增量，ΔPE為電網(wǎng)電力功率輸出增量，當(dāng)儲能微分控制為系統(tǒng)提供額外的能量ΔPESS，由圖4及上述分析可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生負載擾動時，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)如式(11)所示：

(11)

由式(9)及式(11)可知:

(12)

(13)

由圖4及圖5可知，系統(tǒng)通過添加微分儲能控制策略進行聯(lián)絡(luò)線功率補償并反饋至電力系統(tǒng)調(diào)頻過程中，此時系統(tǒng)DC聯(lián)絡(luò)線的功率以及系統(tǒng)的頻率分別由式(14)及(15)所示：

ΔPtie，ij,DC=ΔPtie，ij,DC-ΔPESS,i-ΔPESS,j.

(14)

(15)

由上述分析可知，在兩區(qū)域交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)中引入儲能微分控制進行聯(lián)絡(luò)線慣性補償可以提高電網(wǎng)的慣性時間常數(shù)，改善系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的慣性水平，減小負載擾動時頻率的偏差量，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了儲能微分控制的交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)模型，將所提方案與傳統(tǒng)的兩區(qū)域無慣性添加的模型及無微分慣性控制的儲能模型比較，并在不同負荷擾動偏差等級情況下通過調(diào)節(jié)直流聯(lián)絡(luò)線過載率，對兩者之間的關(guān)系進行仿真研究。其中電力系統(tǒng)的變量及AGC系統(tǒng)參數(shù)如表1及表2所示。

表1 電力系統(tǒng)參數(shù)或變量Table 1 Power system parameters or variables

表2 兩區(qū)域AGC系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameter values of AGC system in two regions

參數(shù)設(shè)置：仿真時間t=100 s，其中區(qū)域1和區(qū)域2的火電機組的出力總額分別為2 000 MW和1 000 MW，本文采用儲能容量為60 MW的電池組，儲能設(shè)備濾波器的時間常數(shù)tESS,1=tESS,2=2.4 s，慣性控制器增益J1和J2分別為4.8和3.2，頻率基準值為50 Hz，仿真結(jié)果中頻率及相關(guān)聯(lián)絡(luò)線及儲能系統(tǒng)補償功率均為標幺值。

負載擾動：在t=25 s時，分別在區(qū)域1和區(qū)域2施加ΔP1=0.1，ΔP2=0.08的階躍擾動；在t=50 s時，區(qū)域1和區(qū)域2的擾動分別為ΔP1=0.1及ΔP2=0.02；在t=75 s時，分別在區(qū)域1和區(qū)域2施加ΔP1=0.2，ΔP2=0.1的擾動。

3.1 DC鏈路為20%恒定過載率

仿真結(jié)果如圖6-9所示，當(dāng)受到負荷擾動時(以75 s處的擾動為例)，不含慣性控制的系統(tǒng)一區(qū)域及二區(qū)域最大頻率偏差為-0.017 6及-0.008 5，利用儲能微分慣性控制參與調(diào)頻的兩區(qū)域最大頻率偏差分別為-0.016 4及-0.007 6.通過仿真對比可知利用儲能微分控制進行慣性補償能夠降低系統(tǒng)頻率偏差，提高DC鏈路功率傳輸能力，但50 s時由于負載擾動偏差等級與聯(lián)絡(luò)線過載率的不匹配，會降低系統(tǒng)調(diào)頻效果。

圖6 20%恒定過載率下區(qū)域一頻率偏差及放大圖Fig.6 Frequency deviation and enlargement of area 1 under 20% constant overload rate

圖7 20%恒定過載率下區(qū)域二頻率偏差變化Fig.7 Load frequency deviation in area 2 under 20% constant overload rate

圖9 20%恒定過載率下DC鏈路功率圖Fig.9 DC link power diagram under 20% constant overload rate

3.2 DC鏈路為50%恒定過載率

當(dāng)DC鏈路過載率為50%恒定過載率時，仿真結(jié)果如圖10-13所示，以50 s處的擾動為例進行

圖10 50%恒定過載率下區(qū)域一頻率偏差及放大圖Fig.10 Frequency deviation and enlargement of area 1 under 50% constant overload rate

圖11 50%恒定過載率下區(qū)域二頻率偏差變化Fig.11 Load frequency deviation in area 2 under 50% constant overload rate

圖12 50%恒定過載率下儲能電池輸出功率圖Fig.12 Output power diagram of energy storage battery under 50% constant overload rate

圖13 50%恒定過載率下DC鏈路功率圖Fig.13 DC link power diagram under 50% constant overload rate

分析，該情況下無虛擬慣性控制的系統(tǒng)一區(qū)域及二區(qū)域最大頻率偏差分別為0.012及0.007，利用儲能微分慣性控制參與調(diào)頻的兩區(qū)域最大頻率偏差分別為0.011及0.006，同時儲能微分控制對系統(tǒng)的影響更直觀地反映在對系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)整上，從而降低系統(tǒng)頻率偏差。但在25 s時，負荷擾動偏差等級較小，過載率的高低并不能對系統(tǒng)調(diào)頻產(chǎn)生較大影響。

3.3 DC鏈路為動態(tài)過載率

由3.1及3.2對比分析可知，根據(jù)系統(tǒng)負載擾動偏差等級的不同，通過調(diào)節(jié)直流聯(lián)絡(luò)線的過載率不僅有利于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也能改善系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線的功率傳輸能力及慣性水平。本文在直流聯(lián)絡(luò)線為動態(tài)過載率環(huán)境條件下對所提策略進行仿真研究。

通過上述對比，本文在DC鏈路為變化過載率情況下(25 s時為20%過載率，50 s及75 s為50%過載率)實現(xiàn)了對所提模型的仿真驗證。仿真結(jié)果如圖14-17所示，當(dāng)系統(tǒng)兩區(qū)域負荷擾動偏差等級較小時，過載率對系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)并不明顯，但是系統(tǒng)擾動偏差等級較高時，通過對比可知過載率會對系統(tǒng)的調(diào)頻能力、儲能微分控制所提供的功率、DC鏈路功率傳輸能力產(chǎn)生明顯的影響。

圖14 區(qū)域一頻率偏差變化Fig.14 Load frequency deviation in area 1

圖15 區(qū)域二頻率偏差變化Fig.15 Load frequency deviation in area 2

圖16 儲能電池輸出功率圖Fig.16 Output power diagram of energy storage battery

圖17 DC鏈路功率圖Fig.17 DC link power diagram

4 結(jié)論

針對直流輸電系統(tǒng)慣性水平降低的問題，本文在兩區(qū)域交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)中提出了一種基于儲能微分控制的直流聯(lián)絡(luò)線慣性補償策略，并通過在不同負載擾動偏差與聯(lián)絡(luò)線過載率環(huán)境條件下進行了仿真對比，得出以下結(jié)論：

1) 通過儲能微分控制對交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)進行慣性補償能夠提高系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)及系統(tǒng)直流聯(lián)絡(luò)線的慣性水平，降低負載擾動所造成的頻率偏差的超調(diào)量，改善負荷頻率控制的效果。

2) 根據(jù)負荷擾動偏差等級選擇與其匹配的直流聯(lián)絡(luò)線過載率可以改善系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的效果，提高儲能所能提供的功率補償值及直流聯(lián)絡(luò)線的傳輸功率，使系統(tǒng)具備更好的動態(tài)性能。