多回直流紧急功率支援与电压稳定控制

1、第27卷第1期2010年2月现 代 电 力ModernElectricPowerVol 27 No 1Feb 2010文章编号:1007 2322(2010)01 0030 05 文献标识码:A 中图分类号:TM721 1多回直流紧急功率支援与电压稳定控制龙锦壮,韩民晓,郭小江,刘崇茹,陈修宇2(1 华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206;2 中国电力科学研究院,北京 100192)StrategyofEmergencyPowerSupportandVoltageStabilityControlwithHVDCsLongJinzhuang,HanMinxiao,GuoXiaojia

2、ng,LiuChongru,ChenXiuyu2 ChinaEelectricPowerResearchInstitute,Beijing 100192,China)2(1 SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing 102206,China;摘 要:复杂交直流并联输电系统中,由线路故障导致的大规模功率转移可能引发系统波动,甚至导致系统崩溃。针对上述问题,提出当多回直流输电系统中的一回直流因故障停运时,可以在其他直流紧急功率支援的同时,通过电气距离较近的换流站的无功协调

3、控制来提高系统的电压稳定性,并给出了相应的控制策略。在EMTDC/PSCAD仿真软件中搭建了三直一交混合输电系统模型并对其进行了仿真分析。仿真结果表明该控制策略对维持系统的频率稳定和电压稳定均有明显效果,对实际系统有一定的参考价值。关键词:高压直流;紧急闭锁;紧急功率支援;无功协调控制;电压稳定Abstract:Alinefaultofacomplexpowergridwithmulti lineDCandACtransmissioninparallelcancausethemassshiftoftheactivepower,whichmayleadtothesystemfluc tuatio

4、nandgriddisruption Areasonablesolutionisgivenaf tertheanalysisoftherelationshipbetweentheEDCPSandreactivepowercontrol WhenafaultoccurrsinoneoftheDClinesinparallel,thevoltagestabilityisimprovedbythereactivepowercoordinationcontrolsystemofthenearlyconvertorstation,aswellastheemergencyDCpowersup portof

5、otherDClines AhybridpowersystemwithoneACandthreeDClinesinparalleliscreatedinPSCAD/EMT DC Simulationresultsshowthatthisstrategycansignifi cantlyimprovethefrequencyandvoltagestability,anditisavailabletotheactualsystemKeywords:HVDC;emergencylock;emergencyDCpowersupport;reactivepowercooperationcontrol;v

6、oltagestabil ity交直流混合输电系统1。直流容量在整个电力系统输送容量中的比例将进一步提高,开展多回直流相关的控制策略的研究显得尤为迫切。直流系统紧急停运,将会造成功率大规模转移,导致系统电压大幅波动2,影响其他直流正常运行,进而对交流系统产生更大的冲击,如何合理地转移不平衡功率以及有效地控制系统电压是多回直流面临的重要问题3。目前,多回直流之间的电压与无功协调控制策略尚不多见。在单回直流系统中,直流系统紧急停运时,一般立即切除相应换流站的无功补偿设备,以防止交流电压的升高。本文提出在多回直流系统中一回直流紧急停运时,采取紧急功率支援手段的同时利用停运的直流换流站的无功补偿支援与

7、其电气距离较近的直流换流站所需要的无功,以维持其电压稳定,并提出了相应的控制策略,并通过仿真验证了此方法的可行性和有效性。1 紧急功率支援原理与结构目前我国已建的HVDC都是按定功率来运行的,定功率控制在隔离两侧交流系统相互影响方面有一定的优越性。同时,定功率控制也牺牲了故障时两侧交流系统的紧急支援能力。EDCPS就是利用直流系统输送功率快速可控的特点,通过迅速提升其注入到交流系统的功率,达到提高系统稳定性的一种紧急控制措施。随着特高压直流系统的建设,国家电力通信中心提出在目前的条件下直流控制应尽快实现以下3个功能4: 必须保证在两侧交流系统正常运行或故障清除时,HVDC应按送点计划定功率运行

8、;0 引 言按照我国特高压直流输电工程的规划,西南第1期龙锦壮等:多回直流紧急功率支援与电压稳定控制31时,该回线路的功率应能平稳的转移到其他尚有裕度的直流线路上;在某一侧交流系统发生事故导致频率异常变化时,HVDC系统应具备响应两侧频率变化而改变输送功率的能力,进行频率控制。图2 紧急功率控制结构图图1 功率控制及其附加控制结构图率支援电流指令。其中,分配器是依据其他直流线路的额定功率水平按比例分配差额功率的。然而,实际系统中直流功率的紧急提升是受到各种因素限制的,包括换流阀的过负荷能力、冷却系统的工作状态、送端和受端系统的无功补偿能力和电网强度等。当交流系统所能供给的无功无法满足要求时,控

9、制系统将限制直流功率的提升。图1给出了定功率控制及其附加控制的结构框图。HVDC通常在整流侧采用定电流或者定功率控制,在逆变侧采用定熄弧角控制。若采用定功率控制,则将功率指令值除以直流电压,得到电流指令进行控制。Pord是正常运行时的功率指令值; P是直流功率调制指令信号,其作用主要由其反馈的交直流状态变量决定,选择合适的状态变量可以实现包括辅助频率控制、辅助电压控制、抑制并联交流线路功率振荡等5。 I是紧急功率支援指令信号,在故障情况下紧急提升直流电流指令值。相比于功率控制,电流控制具有快速性,故将紧急功率支援信号作用于电流控制中。同时,为了防止由于直流的频率控制致使的直流功率正常波动导致紧

10、急功率支援误动作,此模块在 I信号后加入了比较和限幅环节,当 I大于一定值时才使紧急功率支援动作。由于直流系统响应速度很快,在研究交直流稳定控制的时候,可以忽略其动态特性,近似认为通过控制可以立即改变直流电流:Id=Iord+ I(1)2 无功协调控制策略直流输电系统运行时,换流站需要消耗大量的无功功率,无功功率不足或过剩都会导致交流电压的波动,严重时会影响整个系统的安全稳定性6 8。无功控制对保证换流器安全稳定运行、维持系统电压稳定性有重要意义。多回直流输电系统中在某直流事故情况下,有功潮流的大规模转移以及紧急支援情况下换流站无功需求的快速变化可能导致系统电压的大幅波动,致使其他直流换向失败

11、,甚至出现电压崩溃和系统失稳,因此多回直流输电系统的电压稳定和无功支援问题显得尤为重要。在不同的运行方式下,换流器所消耗的无功功率是不同的。换流器消耗的无功功率的计算公式为9Qdc=Pdctan式中:!-sin!cos(2+!)tan =sin!sin(2+!)!=arccoscos-cd-E11(3)(4)(2)直流故障判据:当直流紧急闭锁时,直流功率骤降。故可定义直流故障判据为:dp/dt<C1并且在一段时间内Pord-P>C2(Pord为直流功率指令值,P为功率实测值,dp/dt为实测有功随时间的变化率,C1、C2为常数,大量仿真结果表明C1=-3-0 5pu/s、C2=0

12、20 4pu为合理取值范围)。n回直流输电系统,第m回紧急功率支援信号 I的确定如图2所示。图2中式中:Pdc为换流器直流侧功率(MW);Qdc为换流器消耗的无功功率(MVar);Xc为每相的换相电抗(#);!为换相角(%);Id为直流运行电流(kA);E11为换流阀侧空载电压有效值(kV);为整流侧触发角(%)。#Pord=P1ord+P2ord+Pnord。Ki(i=1,2n)为直流故障信号,当判定第i回直流闭锁时,将Ki由0置1,将此直流回路的功率32现 代 电 力 2010年电容器组提供。交流滤波器在滤除由高压直流换流器产生的谐波的同时还提供大量无功给换流器。无功控制就是在各种运行情况

13、下合理控制交流滤波器和并联电容器的投切,以满足换流器的无功需求并保证系统电压维持恒定。滤波器和并联电容器的投切受到以下控制功能的限制10:绝对最少滤波器:根据滤波器的额定值应该投入的最少滤波器组数,少于这一组数将导致滤波器过负荷;!最大交流电压:监视交流母线稳态电压,使其不超过规定的最大值;最大无功功率:通过限制滤波器组向交流系统注入的无功功率来防止交流母线电压的快速升高;&最少滤波器:为了满足滤波效果,要求投入的最少滤波器;无功功率控制/交流电压控制:将与交流系统交换的无功功率控制在适当范围/将交流母线电压控制在合理范围。这5条原则优先级依次降低。在某一投切操作只有在不会与更高优先级

14、冲突时,才允许其动作。以上5条若不能满足,无功功率控制将发出警告信号或者直接限制直流有功功率的最大值,使直流系统安全稳定运行。其中,无功功率控制与交流电压控制不能同时使用,由运行人员选择,工程中一般采用无功功率控制。依据上述原则,当某直流系统因故障紧急停运时,无功控制系统将切除几乎所有的无功补偿设备。此控制适用于单回直流系统或者换流站之间电气距离较远的多回直流系统。对于换流站之间电气距离较近的多回直流输电系统采用此控制方法是不合理的。在含多回直流的复杂交直流输电系统中存在某些电气距离很近的换流站,当一回直流紧急停运时,为了维持系统频率稳定,减少流经并联交流系统的不平衡功率,应紧急提升其他并联的

15、直流线路的输送功率。因功率提升增加的换流器的无功消耗,可能超出其本换流站备用无功容量。若因直流线路故障或换流阀故障而导致停运的直流系统的换流站尚有大量的可用无功。此时考虑利用停运的直流换流站的无功容量补充差额无功,或可提高交流回直流换流站与交流系统交换的总无功功率控制在合理范围。图3 无功协调控制原理框图图3为无功协调控制的控制原理框图。#Qchange为各换流器从交流系统吸收的总的无功功率。当#Qchange一段时间内持续大于某一正值C1,计数器加1并使交流滤波器投切开关K动作,投入一组滤波器。反之,当#Qchange一段时间内持续小于某一负值C2,计数器减1并使交流滤波器投切开关K动作,切

16、除一组滤波器。3 仿真算例仿真算例采用了三直一交并联系统。G1为平衡节点,G2,G3为PV节点。负荷主要集中在东南区域,西北地区是主要的资源分布区,线路的功率流向是从西部流向东部。直流输电控制系统采用Cigre_Benchmark标准测试模型,整流侧定功率控制,逆变侧定控制。交流线路采用集中参数模型。负荷采用恒阻抗模型,并考虑1 5倍的调差系数。图4 系统结构图系统额定参数如下:G1(平衡机):SN=5900MVA,UN=21kV;G2:SN=1000MVA,UN=21kV,TM=6s;G3:SN=2500MVA,UN=21 4kV,TM=10s;k第1期龙锦壮等:多回直流紧急功率支援与电压稳

17、定控制33T2:k=20kV/500kV,Uk%=0 08;T3:k=20kV/500kV,Uk%=0 15;AC1:R=5#,L=0 16H,C=15 28!F;AC2:R=15#,L=0 48H,C=10 1!F;AC3:R=3 75#,L=0 08H,C=5 1!F;AC4、AC5、AC6:L=0 024H;DC1、DC2、DC3:P=1440MW,=15%,=18%;L1:3584+j242MVA;L2:2042+j511MVA;L3:3357+j679MVA;提升,并维持在500kV以上,基本没有波动。单纯紧急提升DC2功率时,换流站所多消耗的无功功率全部来自交流系统,导致交流系统电

18、压进一步下降,控制效果并不理想。不采取控制手段时,交流系统电压大幅波动,系统稳定性差。相比节点A,节点B的电压降落更加严重。其原因也并不难理解,直流DC1故障后,潮流大规模转移到并联的长距离交流线路,增大了线路无功消耗,而B节点处又没有足够的无功备用,无功功率的缺额势必导致该节点电压下降。若系统电压进一步下降,DC3将可能换向失败,导致系统失稳。从图6中看出,紧急功率支援对节点B的电压稳定效果是明显的。UB1之所以没有恢复到额定值,是因为DC3只支援了30%的差额功率,其他70%仍然转移到并联交流线路上。4 仿真结果及分析直流系统暂时过负荷持续时间一般为310s,过负荷能力可达额定电流的1 3

19、1 5倍11。本文考虑所研究的直流系统有10s的1 3倍的暂时过负荷能力。DC1和DC3换流站电气距离很近,当其中一回发生故障时可以通过紧急提升另一回的功率来维持系统频率稳定,并且利用停运直流的换流站无功协调控制提高系统稳定性。DC2受端换流站与DC1和DC3距离较远,无法参与无功的协调控制,附近又没有大量的无功备用,因此不能参与故障时的紧急功率支援。分别仿真了直流系统DC1在10s时双极闭锁的情况下,紧急提升DC3功率并配合DC1换流站的无功协调控制(对应图中下标为1的变量)、不采取措施(对应图中下标为2的变量)和单纯提升DC3功率(对应图中下标为3的变量)3种情况。仿真结果见图5、图6和图

20、7。图6 节点B电压波形从图7中可以看出,紧急功率支援对避免系统首摆失稳效果明显,若配合无功的协调控制可以使交流系统频率在短时间内恢复稳定。图7 节点A处系统频率波形另外,仿真中发现直流控制系统中VDCOL参图5 节点A电压波形数对EDCPS影响很大。设置低压限流的目的,最初是作为换流阀换向失败的一种保护措施,后来被用于许多现代高压直流输电工程,用于改善故障后直流系统的恢复特性。但是当系统由于有功潮流的转移导致电压下降时,若电压降落到VDCOL控制从图5中可以看出紧急功率支援配合无功协调控制的控制效果(UA1)明显优于其他两种情况。A节点电压故障时陡然降低。通过紧急功率支援配34现 代 电 力

21、 2010年功率,致使有功潮流更多地转移至交流线路,致使交流电压进一步下降。当因有功潮流转移导致系统电压下降时,为尽快平衡系统有功,暂时提升VD COL电流限值,将有利于系统稳定。此问题亦有待于进一步研究。5 张振,李兴源.多馈入直流输电系统的辅助频率控制J.现代电力,2009,26(1):45 48.6 韩民晓,文俊,徐永海.高压直流输电原理与运行M.北京:机械工业出版社,2008.7 HanMinxiao,DingHu,ChenQing.CoordinatedControlStrategiesofChina RussiaBTB HVDCandSVCA.PowerandEnergyEngineeringConfer ence,2009C.Wuhan,2009.8 Aik,DLH.MethodsforvoltageandpowerstabilityanalysisofemergingHVDCsystemconfigurationsJ.414.9 殷威扬,杨志栋.特高压直流工程