考虑全功率换流器低电压穿越的潮流解存在性分析_兰洲.pdf

第 42 卷 第 2 期2023 年2 月Zhejiang Electric PowerVol.42，No.02Feb.25.2023考虑全功率换流器低电压穿越的潮流解存在性分析兰洲1，但扬清1，谷纪亭1，娄云天2（1.国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，杭州 310008；2.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027）摘要：针对低电压穿越期间含全功率换流器系统可能失去潮流解的问题，分析了故障期间电网等值参数和潮流特性的变化规律，考虑换流器的控制特性，采用数值计算定性分析了不同系统变量对潮流解存在性的影响规律。基于电网等值参数变化规律和潮流雅克比矩阵行列式实时计算的方法，提出了仅需非故障电网等值参数和并网点实测电压的有功电流限幅自律控制方法。仿真结果表明，所提方法能够保证故障低电压穿越期间潮流解的存在，有利于电力系统的安全稳定运行。关键词：新能源发电并网；全功率换流器；低电压穿越；潮流解存在性；自律控制DOI:10.19585/j.zjdl.202302003 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Existence analysis of power flow solution considering LVRT of a full-power converterLAN Zhou1，DAN Yangqing1，GU Jiting1，LOU Yuntian2（1.State Grid Zhejiang Economic Research Institute，Hangzhou 310008，China；2.College of Electrical Engineering Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）Abstract:Power flow solution of the system with a full-power converter may get lost during low-voltage ride-through（LVRT）.Therefore，the change law of grid equivalent parameters and power flow characteristics during the fault is analyzed，and the law of influence of different system variables on the existence of power flow solution is analyzed qualitatively by numerical calculation considering the control characteristics of the converter.Based on the variation law of the grid equivalent parameters and the real-time calculation of the determinant of the Jacobi matrix of power flow，an active current amplitude limiting and autoregulation method is proposed that only requires the non-fault grid equivalent parameters and the measured voltage at the grid-connected point.The simulation results show that the proposed method can ensure the existence of the power flow solution during LVRT and is conducive to the safe and stable operation of the power system.Keywords:grid-connected new energy power；full-power converter；LVRT；existence of power flow solution；autoregulation0引言新能源发电快速发展，高比例新能源1供给消纳将是我国新型电力系统建设的重要任务之一。2022年我国光伏发电和风电装机总量均突破350 GW，新增和累计装机容量均位居全球第一2-4。“十四五”期间，新能源发电在新型电力系统的占比将继续提高5。出于对功率快速控制的要求，大部分新能源电源通过全功率换流器接入电力系统，如光伏电站和风电场。凭借快速调节的能力，全功率换流器理论上具备提高电力系统安全稳定运行能力的潜力，但首先要保证的是换流器在各种运行工况期间都能保持并网的能力6-8。根据GB/T 19963.12021 风电场接入电力系统技术规定 第1部分：陆上风电 规定，低电压穿越是指当电力系统事故或扰动引起并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，风电场能够保证不脱网连续运行。GB/T 199642012 光伏发电站接入电力系统技术规定 中也提出了低电压穿越及要求。这就要求新能源电源通过全功率换流器在满足一定条件的情况下不脱网运行，并向电网注入无功功率，同时提供一定的有功功率，尽量缓和电压跌落、减少有功缺额9-10。然而，如果低电压穿越控制设计不合理，低电压穿越期间系统存在失去潮流解的风险，此时全功率换流器增基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（5211JY20001U）第 42 卷加电流以提升有功功率的调节作用失效，电流持续增大反而会导致功率和电压持续降低，造成系统失去稳定。文献 11 分析了新能源接入交流系统短路故障期间的小扰动特性，综合评估了电网参数对小扰动稳定性的影响；文献 12 分析了电网短路故障期间新能源并网换流器的暂态行为，并对系统同步稳定性进行分析。文献 13 提出了一种新能源并网变换器自适应控制方法，能够提高故障期间系统收敛到平衡点的能力。然而，多数有关新能源并网的分析，是在系统存在潮流解的前提下进行的。文献 14分析了弱电网远端严重电压跌落时逆变器的并网失稳机理，考虑了部分系统变量，采用相平面法分析，发现弱电网远端故障时电网侧和电源侧运行曲线不匹配，导致潮流解不存在。文献 15 分析了低电压穿越期间全功率换流器接入系统的潮流解存在条件，给出一种基于电网阻感比确定的控制策略，以保证潮流解的存在。然而，上述文献没有综合分析如控制参数、故障特征、电网强度等对低电压穿越期间系统潮流解存在性的影响规律，且所提控制方法与电网相关联。少有文献针对新能源并网全功率换流器，全面分析潮流解的影响因素，且提出只依靠并网点信息的自律控制方法，以保证低电压穿越期间潮流解的存在。本文分析了故障期间电网等值参数和潮流特性的变化规律，结合低电压穿越控制，通过数值计算定性分析了不同系统变量对潮流解存在性的影响规律。基于电网等值参数的变化规律和潮流雅克比矩阵行列式实时计算的方法，提出一种仅需非故障电网等值参数和并网点实测电压的有功电流限幅自律控制策略。MATLAB/Simulink 的仿真结果表明，该方法能够有效保证故障低电压穿越期间系统潮流解的存在。1低电压穿越期间潮流解的存在性分析1.1故障期间电网等值参数和潮流特性的变化规律基于锁相环的定向作用，全功率换流器的有功功率和无功功率（电流）解耦，可以分别独立且快速地进行控制。全功率换流器的控制框图如图1所示，其中：uPCC和iPCC分别为换流器并网点的瞬时电压和电流；PCC为锁相环跟踪的并网点电压相位；Id和Iq分别为以PCC为参考经派克变换后的有功电流和无功电流；Idref和Iqref分别为外环确定的有功电流和无功电流参考值。新能源电源一次侧以直流电压简化代替。交流系统故障包括单相短路、相间短路、三相短路和断线等多种故障类型。由于发生故障的类型、时刻、性质（阻性或者感性）、位置和程度（接地阻抗的大小）不同，系统在故障后的特征也存在很大差异。单相故障的发生概率最大，而三相故障造成的影响最为严重16。另外，由于本文只涉及对潮流解的分析，故障发生时刻不是考虑的因素，因此本节分析三相短路故障发生后电网等值参数和潮流特性的变化规律。设E为电网的等值内电势幅值，V为并网点电压；Z为电网的等值复阻抗。考虑输电系统电压等级，忽略等值电阻，Z=R+jXjX，R为系统等值电阻，X为系统等值电抗。系统的潮流特性由式（1）决定：(V+IqX)2+(IdX)2=E2（1）可知，系统潮流解存在的条件是：EIdX（2）如果要满足运行在潮流解时系统稳定，则式（2）要取EIdX且要保留合理的裕度。本文在分析中系统参数均采用标幺值。一般来说，系统额定运行时，满足E1.0、Id1.0。如果系统强度不太弱，则X远小于1.0。因此额定运行条件下，式（2）基本能够满足。考虑三相（接地）短路的一般情况。设故障发图1 全功率换流器控制框图Fig.1 Block diagram of full-power converter control18 第 2 期兰洲，等：考虑全功率换流器低电压穿越的潮流解存在性分析生位置在距离换流器并网点a处，a相对于等值系统线路全长有0a1.0。当a=0，故障发生在换流器并网点；当a=1.0，故障发生在等值内电势处。故障三相接地复阻抗设为 Z0，Z0=R0+jX0。R0是接地电阻，X0是接地电抗。通过不同a和Z0的配比，可以模拟不同位置、不同性质和不同程度的故障影响下电网等值参数的变化规律。需要说明的是，虽然基于简单等值系统，但a和Z0变化的全组合可以在一定程度上反映实际复杂系统不同地点发生不同性质和不同程度的三相短路故障后电网等值参数的变化。故障发生后，根据戴维宁等值定理，电网等值参数变化如下：Z=()1-a XZ0()1-a X+Z0+aX（3）E=|Z0()1-a X+Z0|E（4）式中：Z*为故障发生后新的电网等值复阻抗，且有Z*=R*+jX*jX*，R*为故障发生后新的等值电阻，X*为故障发生后新的等值电抗；E*为故障发生后系统新的等值内电势幅值。因此，故障后系统的潮流特性应满足式（5）：(V-IdR+IqX)2+(IdX+IqR)2=E2（5）在故障期间，代入新的运行变量，由类似于式（2）的条件可以判断系统潮流解的存在性。故障期间由于电压跌落，换流器进入低电压穿越模式，需考虑换流器输出电流的变化。1.2低电压穿越期间系统变量对潮流解的影响本文分析潮流特性，忽略换流器的动态过程，认为Idref=Id、Iqref=Iq。在传统的低电压穿越控制策略中，当换流器并网点电压低于某限值，原有的外环控制失去作用，无功外环采用交流电压下垂以控制无功电流，有功电流按照无功电流和设备电流限值进行限幅。电流分别由式（6）、式（7）确定：Iq=Iq0-K(Vmin-V)（6）Id=I2max-I2q（7）式中：K为下垂系数；Vmin为低电压穿越启动电压；Imax为系统低电压穿越期间换流器的电流限值，受到工艺、材料和设计等因素的影响，不同换流器低电压穿越期间电流限值也不同；Iq0为系统额定运行时换流器的无功电流，为简化分析，考虑到额定运行时换流器一般采用单位功率因数控制，有Iq00。联立式（5）（7），从数学角度，采用二次函数求根公式的方法可以得到换流器并网点电压解的存在条件，即系统潮流解的存在条件。然而，该联立式包含并网点电压的多次项，以及电压与其他系统变量的和式根号项，难以解析潮流解的存在条件。从式（3）（7）可以看出，决定潮流解的系统变量有K、X、a、Z0和Imax。因此，可以依次改变上述不同的系统变量，定性观察和分析潮流解的存在性和系统变量之间的关系。以下通过算例分别进行说明。1.2.1潮流解与下垂系数的关系设系统等值内电势E=1.0；系统等值电抗X=0.3；故障阻性接地R0=0.01；接地点位于等值线路中点，即a=0.5；电流