默蒂亚里-拉合尔工程低频振荡分析_李艳梅.pdf

第 24 卷 第 6 期 2023 年 6 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.6Jun.2023 默蒂亚里-拉合尔工程低频振荡分析 李艳梅 魏 巍 肖 龙 张艳浩 鲁庆华（许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000）摘要 本文对默蒂亚里-拉合尔高压直流输电工程现场交流系统出现的 0.6Hz 低频振荡现象进行分析。通过交流等效网络模拟实际的交流系统振荡，对频率控制和双侧频差调制两种策略进行实时数字仿真和分析发现，当交流系统受到大扰动产生低频振荡时，频率控制功能不能起到很好的阻尼效果，系统振荡幅度越来越大；双侧频差调制可以产生一定正阻尼，进而抑制低频振荡，系统振荡幅度逐渐衰弱。因此，建议在工程中添加双侧频差调制用于抑制低频振荡。关键词：低频振荡；高压直流（HVDC）输电；抑制策略；实时数字仿真（RTDS）Analysis of low frequency oscillation in Matiari-Lahore project LI Yanmei WEI Wei XIAO Long ZHANG Yanhao LU Qinghua(XJ Electric Co.,Ltd,Xuchang,Henan 461000)Abstract This article analyzes the 0.6Hz low frequency oscillation phenomenon in the on-site AC system of the Matiari-Lahore high voltage direct current(HVDC)project.The AC equivalent network is used to simulate the actual oscillation of AC system,and the two strategies of frequency control and bilateral frequency difference control are simulated and analyzed in real time digital simulation(RTDS).It is found that when the AC system is subjected to large disturbance and produces low frequency oscillation,the frequency limiting function can not play a good damping effect and the oscillation amplitude becomes larger and larger.Bilateral frequency difference modulation can produce a certain positive damping,then the low frequency oscillation is restrained,the oscillation amplitude gradually weakens.Therefore,adding bilateral frequency difference control to suppress low frequency oscillation in the project is suggested.Keywords：low frequency oscillation;high voltage direct current(HVDC)transmission;suppre-ssion strategy;real time digital simulation(RTDS)0 引言 随着社会用电需求的不断增加，电力系统规模和结构日趋庞大、复杂，电力系统能否平稳运行面临着巨大的挑战。特别是远距离、大容量输电线路与弱联系电网的并联运行，导致区域间的阻尼特性降低，引发联络线功率振荡1。由于振荡频率一般在 0.12.0Hz 之间，与电网额定频率相比较低，所以称之为低频振荡。低频振荡一旦产生，若不采取相应措施进行抑制，就可能会给电力系统的稳定运行造成极大影响。本文主要针对默蒂亚里-拉合尔直流工程现场交流系统出现的 0.6Hz 低频振荡现象进行研究，分析低频振荡产生的原因，研究相应的抑制策略，并通过实时数字仿真（real time digital simulation,RTDS）系统证明策略的有效性2。1 低频振荡 研究低频振荡问题经常采用特征值分析法，其步骤如下：第一，列出系统的状态方程；第二，对状态方程进行线性化得到特征方程；第三，求解特征根；第四，根据零极点图上特征根的分布区域判断系统的稳定性。当特征根位于左半平面时，系统处于稳定状态；当特征根位于右半平面时，系统处于不稳定状态1-4。本文以单机无穷大系统为例，通过特征值分析38 电 气 技 术 第 24 卷 第 6 期 法来分析引起系统低频振荡的原因和抑制方法。单机无穷大系统如图 1 所示5。图 1 单机无穷大系统 1.1 低频振荡产生的原因 发电机转子的运动方程为 2Jmed2eddddsinTPPDPttEUPX=（1）式中：TJ为发电机惯性时间常数；为机组转子角；Pm为发电机输入机械功率；Pe为发电机输出功率；D 为转子机械阻尼系数；Pd为直流输送功率；E 为发电机励磁电动势；U 为机端电压；X 为发电机同步电抗。将式（1）线性化，如果保持直流输送功率不变，则Pd=0，考虑到发电机输入机械功率保持不变，则Pm=0，因此有 2J2dd0ddcosTDKttEUKX+=（2）则其特征方程为 2J0TDK+=（3）可求得式（3）的根为 2J1,2J4j2DDT KT=（4）式中：为特征根的实部；为特征根的虚部。从式（4）可以看出：无阻尼时，D=0，n=JKT，其中n为自然振荡角频率，两个特征根处于 零极点图的虚轴上，表示系统受到干扰后，振荡幅度保持不变；有阻尼时，0D，n。当系统总阻尼为正时，00D，两个特征根处于零极点图的左半平面，表示系统受到干扰后，振荡幅度逐渐减小，最后仍可回到起始状态，系统是稳定的；当系统总阻尼为负时，00D，两个特征根处于零极点图的右半平面，表示系统受到干扰后，振荡幅度逐渐增加，不能回到起始状态，系统是振荡的。由此可见，系统阻尼特性恶化是引发系统低频振荡的主要因素3,5-9。1.2 低频振荡抑制策略 通过引入直流输电稳定控制后，直流输送功率将发生改变，假设dddPt=，将式（1）线性化后，m0P=，则有 2J2dd()0ddcosTDKttEUKX+=（5）式中，为直流功率波动产生的等效阻尼系数。则其特征方程为 2J()0TDK+=（6）可求得式（6）的根为 2J1,2J()()4j2DDT KT+=如果系统之前是负阻尼系统，当系统引入直流输电稳定控制后，通过选取合适的 参数，可以保证0D+，0，从而使两个特征根1,2位于零极点图的左半平面，就可以将其转化为阻尼为正的系统，振荡也将随时间而逐步减弱，最终会回到初始状态。因此，当交直流系统受到干扰后，可以通过直流输电的稳定控制功能快速调节输入交流系统的直流功率来遏制系统频率的振荡。这种控制方式不仅具有灵活性，还可以显著提升直流输电系统的稳定性。直流输电的稳定控制功能选取交流系统的频率或者频差信号产生的附加功率参考值来快速调整直流功率，以达到增加机电振荡正阻尼、抑制低频振荡的目的。本文主要研究分析直流输电稳定控制的两种抑制策略：频率控制和双侧频差调制3,10-12。1）频率控制 频率控制功能基于一阶惯性环节的控制器实现，通过整流侧或逆变侧交流系统频率变化量（频率实际值 f 减去频率额定值fref）计算出直流功率调制量，维持交流系统频率稳定，频率控制实现如图2 所示。图 2 中，T1R、T1I为一阶滤波环节的时间常数；dead_set 为频率控制的死区；K1、K2为调制功2023 年 6 月 李艳梅等 默蒂亚里-拉合尔工程低频振荡分析 39 率的增益；T2R、T2I为调制功率的时间常数；下标 R和 I 分别表示整流侧和逆变侧。两侧换流站频率控制原理相同，但控制量方向相反。整流侧频差为正时，表示整流侧的有功功率过量，此时需要增加直流输电线路输送的直流功率；整流侧频差为负时，表示整流侧的有功功率不足，此时需要减少直流输电线路输送的直流功率。逆变侧则与之相反。图 2 频率控制实现 2）双侧频差调制 双侧频差调制功能分为功率摇摆阻尼（power swing damping,PSD）和功率摇摆稳定（power swing stable,PSS），差别之处在于 PSD 调制量较小，PSS调制量较大13。实现方式为，通过采集两端换流站交流母线上的频率，以两端系统频差作为调制信号，根据系统频率的微小变化自动调节直流输电功率，直流功率变化产生的正阻尼可以显著增强系统的稳定性，遏制系统频率波动14。双侧频差调制功能主要针对 0.12.0Hz 范围内的低频振荡，双侧频差调制器结构如图 3 所示。图 3 中，*RECf和*INVf分别为整流侧和逆变侧换流站交流母线频率；一阶惯性环节反应信号采集的滞后性；隔直环节滤除采集信号中的低频变化量；PK为调制器增益；refACP为调制器输出的调制功率。双侧频差调制功能只在整流侧有效，逆变侧的频率通过站间通信传输，站间通信故障时功能退出。图 3 双侧频差调制器结构 2 仿真研究 为了证明频率控制和双侧频差调制对低频振荡的阻尼效果，本文搭建交流系统等效网络来模拟实际系统振荡，进而提高仿真的准确性。2.1 低频振荡模拟 本文采用交流等效网络模拟实际的交流系统振荡。交流等效网络如图 4 所示。图 4 中，交流系统 S1为无穷大电源，用于初始化交流系统；GEN 为发电厂，配置 6 台 850MVA 图 4 交流等效网络 发电机；DCLine 使用默蒂亚里-拉合尔工程直流模型参数；交流系统 S2短路容量为 31 682MVA；电源电压交流系统 S3短路容量为 57 039MVA。低频振荡模拟方法如下：40 电 气 技 术 第 24 卷 第 6 期 1）直流系统初始状态闭合Q1，直流系统解锁，升功率至 2 000MW。2）直流系统功率稳定后，t=3s，断开 Q1。ACLine2 输送的功率开始出现振荡，整个系统开始出现 0.6Hz 低频振荡。仿真所得 0.6Hz 低频振荡波形如图 5 所示。图 5 0.6Hz 低频振荡波形 2.2 仿真波形 直流系统初始状态交流母线电压 UacA=530kV，交流母线频率 Freq=50Hz，直流电压 UDLA1=660kV，直流电流 IDLA1=1.515kA；t=3s 系统开始出现 0.6Hz低频振荡。1）频率控制 RTDS 测试 频率控制投入前后波形对比如图 6 所示，其中蓝色波形为频率控制投入前的波形，红色波形为频率控制投入后的波形。从图 6 可以看出，频率控制无法在低频振荡初期发挥足够的阻尼作用，振荡发展后其输出处于饱和状态，无法起到阻尼作用。2）双侧频差调制 RTDS 测试 双侧频差调制投入前后波形对比如图 7 所示，其中蓝色波形为双侧频差调制投入前的波形，红色波形为双侧频差调制投入后的波形。从图 7 可以看出，双侧频差调制能够对低频振荡起到一定的阻尼作用，通过调节控制器参数可以进一步提升阻尼 效果。图 6 频率控制投入前后波形对比 图 7 双侧频差调制投入前后波形对比 3 结论 本文通过模拟交流低频振荡，在默蒂亚里-拉合尔工程 RTDS 模型中对频率控制和双侧频差调制两种策略进行了仿真和分析，发现当交流系统受到大扰动产生低频振荡时，频率控制功能不能起到很好的阻尼效果，系统振荡幅度越来越大；双侧频差调2023 年 6 月 李艳梅等 默蒂亚里-拉合尔工程低频振荡分析 41 制可以产生一定的正阻尼，进而抑制系统低频振荡，使振荡幅度逐渐衰弱。但是，若要进一步提升阻尼效果，还需