基于AGC控制的HVDC线路线性化模型优化研究

姚雪飞,李光明

(中国广核新能源控股有限公司,北京 100070)

电力控制区互联内容的增加提升电力系统结构的复杂性,在多区域互联状态下任何控制产生的扰动都会对电力系统的基准造成影响,其中系统频率和联络线功率的变化还会影响到电力系统的同步性。因此,频率和联络线功率交换应保持在其额定值内,以防止对系统造成破坏性影响。考虑到现有研究中已将矢量控制用于高压直流(HVDC)链路的电压源转换器(VSC)中,且研究学者在也HVDC控制方案中验证了该控制方法的优势性[1]。现有研究也对使用电工委员会(IEC)方案的HVDC系统频率支持能力进行了分析。该领域研究成果已经对HVDC联络线中的一些缺点问题,但并未对其数学传递函数模型机进行深入研究与检验[2]。鉴于此,本文将对模型的准确性与适用性进行检验,为了验证该模型的准确性,研究过程中将其与现有的HVDC模型进行分析比较,并通过仿真结果揭示了交直流并联两区域热力系统IEC方案的发展前景。

1 AGC系统的HVDC线路的线性化模型

1.1 传统HVDC的线性化模型

两区域电力系统简易化单线图如图1(a)所示。

(a)单线图;(b)等效电路图1 带有AC-DC线的2区互连电力系统

由图1可知,相应的开关方案控制了系统中2区区域变流器-逆变器部分的工作。系统中交流和直流联络线的功率偏差分别用ΔPtie-AC和ΔPtie-DC表示[3]。结合此线路图模型,直流线可以用一阶传递函数给出:

(1)

式中:TDC表示在多区域互联电力系统中由于负载扰动;HVDC设置直流电流所需的时间;KDC表示HVDC模型的增益。

1.2 HVDC的线性化模型

根据图1(a),HVDC线路可以被视为无惯性的同步机器,具有产生和吸收有功和无功功率的能力。上述概念产生的HVDC模型是2个串联的电压源型(VSC)及其电抗器的电感,具体如图1(b)所示。VSC及其相应的相位角可以用E1、E2、γ1和γ2表示[4-6]。变换器的电感和逆变器的电感可以分别用Xt1和Xt2表示。从1号母线输送到HVDC的功率:

ΔPtie12,DC=(V1E1/Xt1)·sin(δ1-γ1)

(2)

线性化后得到:

(3)

ΔPtie12,DC=T12,DC(Δδ1-Δγ1)

(4)

ΔPtie12,DC=T21,DC(Δδ2-Δγ2)

(5)

ΔPtie21,DC=-ΔPtie12,DC

(6)

相应的可以得出:

T12,DC(Δδ1-Δγ1)=-T21,DC(Δδ2-Δγ2)

(7)

为了通过HVDC连接线交换电力,两边的换流器必须是同步的,必须保证换流器(Δγ1)和逆变器(Δγ2)的相位角变化是相等的,这样才能在相互连接的地区之间传输所需的功率。因此,可以提出以下公式:

(8)

将上述公式带入到式(4)中,整理得到:

(9)

如前所述,HVDC线路的同步系数与交流线路相同,HVDC联络线功率取决于换流器和逆变器相位电抗器的同步系数,其分别表示为:T12,DC和T21,DC。

除了在HVD系统中运行的线路耦合转换器(LCC)和VSC技术外,一个简单的一阶传递函数尚未在AGC系统中实现[7]。本次研究中HVDC线路已被准确地建模为VSC结构。这些结构的显著区别:在采用LCC结构的前提下,有功功率和无功功率都得到了相对的控制,通过应用VSC结构,有功和无功功率都被独立控制[8]。因此,有功功率和无功功率可以不耦合,基于此本文构建了一个VSC-HVDC联络线的等效模型。

完成上述模型构建后,需要对同步系数进行计算。交流线路和HVDC联络线的同步系数计算流程:

(1)计算AC线路同步系数,其最大可转移功率:

ΔPmax,AC=V1E1/XL=200 MW

(10)

本次研究中设定的区域1的额定功率Pr1=2 000 MW;AC线路负载比例为50%。因此,可以得出AC线路同步系数:

(11)

(2)计算DC线路同步系数,其最大可转移功率:

ΔPmax,DC=V1E1/Xt1=600 MW

(12)

研究中设定区域1的额定功率为Pr1=2 000 MW,Pr2=1 000 MW;HVDC联络线的负载比例为50%。因此,可以得出转换器同步系数和逆变器同步系数分别为:

(13)

(14)

(3)确定HVDC联络线的等效同步系数为:

(15)

交流和HVDC线路的同步系数是在50%负载的情况下计算的,在不同的负载条件下,可以通过相同的计算流程获得同步系数。关于AC和HVDC系统的相关数据,以及它们在小负荷、额定负荷和重负荷情况下的同步系数值分别如表1～表3所示。本研究中,0.9、0.5和0.2被考虑用于IDC,符合联络线负载条件[9]。

表1 VSC-HVDC联络线的相关物理数据Tab.1 Relevant physical data of VSC-HVDC tie line

表2 AC线路物理数据Tab.2 Physical data of AC line

表3 不同负载条件的HVDC线路的同步系数Tab.3 Synchronization factors of HVDC lines considering different load conditions

2 AGC系统中的惯性仿真控制器

HVDC输电线路传统上是用DC电容器来模拟的,其中运用直流电容器存储静电能量,在AGC系统运行过程中,能量能够被有效运用,以支持主要的有功功率。根据本次研究所提出的方案,对HVDC线路电容器的充电能量进行了频率调整。该控制技术综合仿真模拟了HVDC输电的惯性,称为惯性仿真控制或IEC技术[10-14]。图2给出了接收区域频率信号的两区域电力系统的通用IEC控制方案。基于区域频率偏差,IEC方案提供了HVDC输电系统的基本电压水平,以便通过电力系统交换直流链电容中的带电能量。

图2 AGC系统运行的IEC方案

图3 HVDC输电线路VSC的矢量控制策略

为了调节HVDC联络线功率,实现了矢量控制策略[15]。其中交流和直流输电线路的输电量相同为100 km。其中变流器/逆变器的开关角度是根据传递给矢量控制器的电压控制信号来设定的[16]。通过以下方式对AGC系统的IEC方案进行了数学建模。

电容器中的带电静电能典型的类似于同步电机中储存的机械能。同步电机的共同运动方程可以通过以下方式表示:

(16)

式中:H表示惯性系数;f0表示额定频率;ΔPmec、ΔPelet分别表示机械功率和电气功率的增量偏差。

直流电压的变化改变了DC电容器中积累的能量,在负载扰动期间可以通过控制HVDC系统的电压向交流系统充电或放电。因此电容器方程表示为:

(17)

对上述公式进行线性化处理后得到:

(18)

最后通过转换得到:

(19)

从上述公式可以看出,HVDC的电压偏差(ΔVDC)和系统频率偏差(Δf)都有直接关系。HVDC联络线的DC电压变化实际上必须限制在额定直流电压的±15%到±30%的上下限之间。精确的约束上下限与高压直流输电系统的额定电流和绝缘有关。值得注意的是,DC电流的值是基于HVDC负载条件确定的。

3 仿真结果分析

对于DC和AC线路均考虑了50%的负载条件与其额定容量的关系。计算结果表明,直流线路和交流线路在此负载条件下的同步系数分别为0.129和0.086 5,区域1同时考虑了1%的阶跃载荷变化。研究中电力系统的动态结果是在2种情况下实现的,其中第1种情况是考虑3%/min的GRC来限制治疗区域的输出功率;第2种情况不考虑GRCs。从这些方案中提取的动态结果分别如图4和图5所示。

图4 考虑到GRC的电力系统响应

图5 不考虑GRC的电力系统响应

由图4、图5可知,典型的交流电路模型在不考虑GRC情况下能够提高动态性能,而且与交流电路平行。与HVDC传统结构相比,本次提出的HVDC连接线模型更能提高动态稳定性。当HVDC线路与AC线路并联安装时无论是否考虑交流联络线,它都可以适当地提高AGC系统的动态性能,而不是使系统在2种情况下都处于更为满意的状态。

此外,在考虑到HVDC系统不同的负载条件下,评估AGC的动态性能。HVDC系统的同步系数(Teqv)分别为20%、50%和90%时,直流输电系统的同步系数为0.065 4到0.146 0,变化结果如表3所示。本次研究同样考虑了2种不同的情况:第1种方案为考虑区域1中1% 的阶跃负载变化情况;第2种方案为考虑区域2中1% 的阶跃负载变化,这些场景的动态结果分别在图6和图7中给出。

图6 考虑到区域1中1%的阶梯式负载变化的电力系统响应

图7 考虑到区域2中1%的阶梯式负载变化的电力系统响应

从图6、图7动态结果可以看出,HVDC同步系数的增加,严重影响了系统的动态性能。结果表明,本次研究中提出的HVDC传递函数决定了其参数与联络线负载条件的依赖关系,联络线负载条件影响直流输电线路的动态稳定性。

4 结语

本文对高压直流输电线路的传递函数进行了数学建模。研究表明,HVDC联络线与交流线路并联通常不能提高系统的动态性能,而系统的动态稳定性与HVDC联络线的负载情况有关。HVDC系统负荷工况的减小会导致直流输电系统同步系数的增大,使系统动态稳定性进一步恶化。本研究提出的HVDC输电线路模型表明,HVDC输电线路与交流输电线路一样,有其自身的同步系数,即HVDC输电线路的输电功率依赖于HVDC输电线路。在同时考虑交直流联络线等负荷条件下,由于联络线的低转矩同步系数直流联络线与交流联络线相比动态性能一直较好。此外,在AGC系统中采用了IEC控制策略来控制高压直流系统的带电能量,使AGC系统能够正常运行。对2区域互联电力系统的自动发电控制系统在不同扰动下的性能进行了研究,所有情况都显示了优越的动力条件。