基于无源阻尼的柔性直流输电系统高频振荡抑制策略_郝为瀚.pdf

第 42 卷 第 3 期2023 年 3 月电 工 电 能 新 技 术Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyVol.42,No.3Mar.2023收稿日期:2022-04-25基金项目:中国能源建设集团广东省电力设计研究院项目(CG-2021-K-018)作者简介:郝为瀚(1984-),男,广东籍,高级工程师,硕士,研究方向为直流输电技术;杜 雄(1979-),男,重庆籍,教授,博士,研究方向为直流输电系统稳定性(通信作者)。基于无源阻尼的柔性直流输电系统高频振荡抑制策略郝为瀚1,3,谭 威1,黄 阳1,孙仕达1,唐基超2,杜 雄2(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院公司,广东 广州 510663;2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学),重庆 400044;3.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院),湖北 武汉 430074)摘要:柔性直流输电系统的控制链路延时效应使系统阻抗在高频段呈现负阻尼特性,可能导致与交流线路分布电容相互作用产生高频振荡。现有抑制策略中,附加低通滤波器等有源阻尼策略对运行工况和延时时间变化的适应性较差,无源阻尼策略适应性较好但面临功率损耗较大等问题。基于此,本文首先建立考虑完整控制环节和延时效应的模块化多电平换流器交流阻抗模型,通过阻抗分析法分析高频振荡的产生原因,其次提出基于无源阻尼的高频振荡抑制策略及参数设计方法,最后通过抑制效果分析和功率损耗比较证明所提高频振荡抑制策略的有效性。结果表明,所提振荡抑制策略可适应延时时间的变化,实现高频振荡的有效抑制且基波功率损耗低。关键词:柔性直流输电系统;模块化多电平换流器;高频振荡;无源阻尼;振荡抑制策略DOI:10.12067/ATEEE2204055 文章编号:1003-3076(2023)03-0023-09 中图分类号:TM7211 引言 基于模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter,MMC)的柔性直流输电系统具有可控度高、谐波含量低、可扩展性好等特点,在大规模新能源送出、区域异步电网互联等领域获得广泛应用1。近年来,随着国内外投运柔性直流输电工程数量逐渐增加,在调试和切换运行工况过程中产生的高频振荡现象引起国内外学者广泛关注,如渝鄂直流输电工程在空载加压试验中出现的 1 810 Hz/720 Hz 高频谐波2、鲁西直流输电工程中运行工况变化时出现的 1 270 Hz 高频振荡3等。高频振荡的产生不但可能导致控制保护系统动作,甚至可能造成设备损坏、系统停运。现有文献分别基于阻抗分析法2,4和特征值分析法5对振荡机理展开研究,结果表明,电压前馈环节的延时效应使柔性直流换流站阻抗在高频段呈现负阻尼特性,可能导致与交流线路分布电容的相互作用产生高频振荡。然而,控制链路延时是系统的固有属性,不仅受控制算法、硬件装置等内部因素影响6,还受系统运行工况等外部因素影响,因此无法完全规避延时效应的影响,需要采用额外的高频振荡抑制策略。目前针对柔性直流输电系统高频振荡的抑制策略可分为有源阻尼策略和无源阻尼策略两类7。有源阻尼策略通过修改控制器结构及参数来改变系统在高频段的负阻尼特性,如在前馈通道中加入二阶低通滤波器8、二阶带阻滤波器9和非线性滤波器10,11等。文献12,13分别从振荡抑制效果和动态性能影响两个方面对不同有源阻尼策略进行比较,结果表明有源阻尼策略虽然可以一定程度上改善换流站阻抗特性,但无法完全消除负阻尼频段,甚至可能恶化故障穿越特性。事实上,有源阻尼策略虽然能够改善换流站在高频段的负阻尼特性,但是一方面可能恶化中低频段的阻尼特性,造成谐振频率向中低频转移11,影响系统正常运行;另一方面有源阻尼策略的参数设计通常需要预知系统的准确阻抗特性,难以适应运行工况和延时时间的随机变化。无源阻尼策略通过构建新的高频信号阻尼通道来抑制振荡,该类策略无需修改控制24 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期器结构和参数,可以根据系统运行状态进行灵活投切阻尼装置,对运行工况和延时时间变化的适应性更强。文献14,15提出在桥臂电抗上并联无源阻尼支路来抑制高频振荡,但未分析阻尼支路对系统正常工作的影响。文献4提出在公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)并联 A 型滤波器来抑制鲁西直流输电工程中的高频振荡,但未给出参数设计方法且装置成本相对较高。文献6分析了滤波装置外特性需求,提出用于高频振荡抑制的二阶高通滤波器参数设计方法,可以较好地实现中高频段的振荡抑制,但其功率损耗较大,不利于实际工程应用。综上,现有有源阻尼策略无法完全消除换流站的负阻尼频段,难以适应运行工况和延时时间变化,无源阻尼策略虽然可以对运行工况和延时时间变化适应性更强,但是存在功率损耗大、装置成本较高等问题。针对以上问题,本文首先建立了考虑完整控制环节和延时效应的模块化多电平换流器交流阻抗模型,分析了高频振荡的产生原因;其次提出了基于无源阻尼的高频振荡抑制策略及参数设计方法;最后通过案例分析和方案比较证明了所提高频振荡抑制策略的有效性和良好的适应性。2 柔性直流输电系统模型及稳定性分析2.1 柔性直流输电系统模型 基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统拓扑结构如图 1 所示4,其中换流站主电路采用平均值模型等效,控制电路为直流电压-无功功率控制,交流系统由阻感支路和阻容支路构成。图 1 柔性直流输电系统结构示意图Fig.1 Diagram of structure of MMC-HVDC当换流站三相运行条件相同时,可以通过其中一相得到其他相数学模型。以 A 相上桥臂为例,建立其数学表达式为:L0diudt+R0iu=vdc2-va-muvuCeqdvudt=muiu|(1)式中,R0、L0、Ceq分别为桥臂电阻、电感和子模块等效电容;vdc、va分别为直流电压和交流电压;vu、iu、mu分别为上桥臂电压、电流和调制系数。将式(1)转换到频域下并进行小信号线性化,基于多谐波线性化方法16,可以得到频域下的电路关系为:ZL+MuZCMu()iu=v dc2-Vu+MuZCIu()m u-v a(2)式中,ZL、ZC分别为桥臂电感、子模块等效电容的阻抗矩阵;Vu、Iu、Mu分别为上桥臂电压、电流和调制系数的稳态谐波矩阵;v a、iu、v dc、m u分别为上桥臂电压、电流、直流电压和调制系数扰动信号。交流侧输出电流可用桥臂电流表示为:i=(U-K)iu(3)式中,i为交流侧输出电流扰动信号;U 为单位矩阵;K=diag(-1)k+1,k 为谐波次数。控制电路对换流站阻抗特性的影响体现为对调制系数的影响,其表达式为:m u=Wiiu+Wvv a(4)式中,Wi反映上桥臂电流扰动分量对调制系数的影响;Wv反映交流电压扰动分量对调制系数的影响,其表达式为:Wi=0.5Gir(GQVQ-3GvZdc)+2Gi+GicWv=Gpll+0.5GirGQIQ+Gd(5)式中,Gir为控制器前向通道的传递函数;GQ、Gv、Gi分别为无功功率外环、直流电压外环、电流内环的传递函数;VQ、IQ分别为稳态电压、电流谐波矩阵;Zdc为直流侧等效电容阻抗,负号表示参考方向与电流方向相反;Gic为环流抑制环的传递函数;Gpll为锁相环的传递函数。各个控制环节的表达式如文献17所示,限于篇幅不再赘述。值得说明的是,电压前馈通道延时对调制系数的影响 Gd可表示为:Gd=diag|S1(k)|S2(k)|Hd(k)Hd(k)=e-jp+k-S1(k)0Td(6)式中,p为所注入扰动信号的谐波角频率;0为基波角频率;Hd为延时环节传递函数;Td为延时时间,典型值为200600 s4;S1(k)和 S2(k)分别为描述谐波相序及输出属性的辅助函数。结合式(2)郝为瀚,谭 威,黄 阳,等.基于无源阻尼的柔性直流输电系统高频振荡抑制策略J.电工电能新技术,2023,42(3):23-31.25 式(5)可以得到换流站交流导纳矩阵表达式为:Yac=(U-K)A-1iAv(7)式中,Ai反映上桥臂电流扰动分量对交流导纳的影响;Av反映交流电压扰动分量对交流导纳的影响,其表达式为:Ai=ZL+MuZCMu+1.5Zdc+(Vu+MuZCIu)WiAv=U+Wv(Vu+MuZCIu)(8)交流导纳矩阵中心元素的倒数即为换流站的交流阻抗,即:Zac=1Yac(k+1,k+1)(9)图 1 中包含传输线路特性的电网阻抗如下:Zg=(R1+sLg)(R2+1sCg)R1+sLg+R2+1sCg(10)式中,R1、Lg分别为交流系统中阻感支路电阻和电感;R2、Cg分别为阻容支路电阻和电容。2.2 模型验证及稳定性分析 为验证所建立阻抗模型的正确性,在 Matlab/Simulink 仿真软件中搭建如图 1 所示仿真系统模型,仿真参数见表 1。表 1 仿真模型参数Tab.1 Parameters of simulation model参数数值额定交流电压/kV290额定频率/Hz50交流系统阻感支路阻抗/5+j31.4交流系统阻容支路阻抗/200-j/9 650额定直流电压/kV500额定有功功率/MW750额定无功功率/MVar0换流器桥臂电感/mH75换流器桥臂电阻/0.1子模块等效电容/mF15/244直流电压控制器0.5+(0.8/s)无功功率控制器210-7+(10-5/s)电流控制器50+(1 500/s)环流抑制控制器50+(1 500/s)锁相环(0.013+0.14/s)/s通过在仿真模型注入不同频率的电压扰动进行频率扫描可以验证理论模型的正确性。图 2 给出了典型延时时间下的模型验证结果,图 2 中实线为根据数学模型得到的计算结果,空心点为频率扫描结果。理论计算结果与扫描结果吻合较好,所建立模型能较好地反映换流站高频阻抗特性。图 2 不同延时时间下的模型验证Fig.2 Model verification at different delay time从图 2 中可以看出,电压前馈环节的延时效应导致换流站阻抗特性在高频段发生显著变化,形成明显的谐振峰,部分频段相位超过 90,具有负阻尼特性且随着延时时间增大,谐振峰会向更低频段移动,可能引发其他形式的振荡。基于 2.1 节模型可以进一步分析系统产生高频振荡的原因。当换流站以额定功率运行、延时时间为 400 s 时,换流站阻抗与交流系统阻抗如图 3 所示。图 3 柔性直流输电系统稳定性分析Fig.3 Stability analysis of MMC-HVDC26 电 工 电 能 新 技 术第 42 卷 第 3 期从图 3 中可以看出,换流站与交流系统阻抗的幅频特性曲线存在 3 个交点,其中 1 140 Hz 处的相角差为 191.4,其余交点处的相角差均小于 180。根据阻抗分析法18,当换流站阻抗幅值曲线与交流系统阻抗的幅值曲线交点处相位差大于 180时,系统则可能发生振荡。因此根据图 3 所示曲线可知,此时系统可能发生 1 140 Hz 附近的高频振荡。为验证上述理论分析的正确性,将仿真模型参数设置为前述工况,得到 PCC 点处的电压仿真波形如图 4(a)所示,对应傅里叶变换分析结果如图 4(b)所示。图 4 仿真波形及 FFT 分析结果Fig.4 Simulation wave and FFT results从图4(b)可以看出,此时系统产生1 158 Hz 的高频振荡,同时还产生了 1 058 Hz 的频率耦合分量19,可见理论分析和仿真结果基本一致,验证了理论分析的准确性。同时还可以看出,系统产生高频振荡的原因是控制链路延时效应使换流站阻抗高频段阻抗特性呈现负阻尼,进而与交流系统中的容性阻抗发生了相互作用。3 无源阻尼策略分析与参数设计3.1 无源阻尼策略需求分析 2.2 节分析指出,控制链路延时效应是导致系统产生高频振荡的主要原因,然而控制链路延时效应是系统固有属性,无法完全