基于轨迹灵敏度的交直流受端系统暂态电压两阶段控制_王长江.pdf

第 43 卷 第 7 期2023 年 7 月电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol.43 No.7Jul.2023基于轨迹灵敏度的交直流受端系统暂态电压两阶段控制王长江1，李筱婧2，贾春贺3，王茗萱4，李国庆1（1.东北电力大学 现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室，吉林 吉林 132012；2.国网吉林省电力有限公司，吉林 长春 130021；3.国网吉林省电力有限公司白山供电公司，吉林 白山 134300；4.国网长春供电公司，吉林 长春 130021）摘要：针对交直流受端系统暂态电压调控能力不足的现状，提出一种基于轨迹灵敏度的交直流受端系统暂态电压两阶段控制方法。构建以最优无功补偿容量和紧急控制成本最小为目标函数的两阶段暂态电压控制模型。借助摄动法求取暂态电压稳定裕度对控制量的轨迹灵敏度，将非线性暂态电压控制模型转化为二次规划模型来提高暂态电压控制效率。为避免故障期间交直流受端系统暂态电压的大幅跌落，实施静止同步补偿器和新一代调相机协同的预防控制，充分发挥无功补偿装置在暂态电压不同跌落程度下的动态无功支撑优势。针对实施暂态电压预防控制后恢复阶段的低电压延时恢复问题，实施包含基于电压源换流器的高压直流和传统调压措施的紧急控制来加快暂态电压恢复速度。修改后的IEEE 39节点系统和实际系统算例结果验证了所提暂态电压控制方法的准确性和有效性。关键词：暂态电压控制；基于电压源换流器的高压直流；预防控制；紧急控制；轨迹灵敏度中图分类号：TM712 文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.2022120230 引言暂态电压稳定控制是电力系统安全稳定控制的重要研究内容之一12。由于我国电力系统源-荷分布不均的问题日益突出，大容量电能需经多回直流线路远距离输送到受端系统负荷中心，这使得交直流受端系统的运行工况愈加复杂，易导致暂态电压失稳风险，增加了暂态电压稳定控制的难度34。同时，在交直流受端系统中传统发电机组占比的持续降低，使得受端系统电压调控能力严重不足，难以保证受端系统的安全稳定运行56。因此，充分挖掘受端系统的调压潜力对提高交直流受端系统的暂态电压稳定性具有重要意义7。目前，关于电力系统暂态电压稳定控制的研究主要包括安装无功补偿装置和多种调压措施协调配合两方面。无功补偿装置可增加交直流受端系统的动态无功储备以及提高电压支撑水平，包括静止无功补偿器8、静止同步补偿器（static synchronous compensator，STATCOM）、调相机等。STATCOM 具有连续调节、损耗低、可靠性高和调节速度快的优点。调相机通过强励磁在故障瞬间提供强无功支撑。已有学者将STATCOM和调相机应用于电力系统动态无功补偿912：文献 9 通过 STATCOM 和低压减载控制措施的协调优化，提高了含新能源电力系统的短期电压稳定性；文献 10 将改进的 STATCOM 用于故障后受端系统的动态无功支撑，但在电压大幅跌落时，其无功支撑能力有限，易出现闭锁退出的情况，其快速调节特性更适用于调控电压的小幅动态变化：文献 1112 探究新一代调相机的次暂态、暂态和稳态运行特性，相较于传统调相机，该调相机的次暂态电抗由15.6%减小到11.3%，这使其具有更强的次暂态无功支撑能力，可提高直流多馈入受端系统的电压稳定性。鉴于STATCOM的快速调节特性和新一代调相机的次暂态无功支撑能力，可利用这2种装置为交直流受端系统暂态电压稳定提供无功支撑。多种调压措施协调配合有助于加快交直流受端系统暂态电压的恢复速度。文献 13 利用调相机、低压电容器、发电机等无功资源，在不同时间尺度下实现多目标无功电压的协调控制，提高了暂态电压稳定裕度。文献 14 提出一种计及调相机调节特性的受端系统稳定控制策略，通过提高故障期间的动态无功支撑能力有效避免了因直流连续换相失败而导致的直流闭锁。但文献 1314 需求解复杂的非线性代数微分方程组，这使优化模型的计算效率较低。为此，文献 15 建立基于线路换相换流器的高压直流（line commutate converter based high voltage direct current，LCC-HVDC）闭锁后受端系统暂态稳定裕度与切负荷量间的灵敏度关系，在提高计算效收稿日期：20220501；修回日期：20221021在线出版日期：20221230基金项目：国家自然科学基金委员会-国家电网公司智能电网联合基金资助项目（U2066208）；东北电力大学博士科研启动基金资助项目（BSJXM2022104）Project supported by the Joint Foundation of Smart Grid of the National Natural Science Foundation of ChinaState Grid Corporation of China（U2066208）and the Doctoral Scientific Research Startup Foundation of Northeast Electric Power University（BSJXM2022104）124第 7 期王长江，等：基于轨迹灵敏度的交直流受端系统暂态电压两阶段控制率的前提下实现了受端系统暂态电压的有效控制。文献 16 借助轨迹灵敏度提出一种适用于多直流馈入系统的直流功率、调相机和切负荷协调控制策略，降低了受端系统的电压和频率失稳风险。但文献1516 均忽略了基于电压源换流器的高压直流（voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC）与传统调压措施的协调配合，传统调压措施虽能有效抑制暂态电压失稳，但调压能力有限，需深度挖掘VSC-HVDC等调压措施的调压潜力1718。文献 19 针对VSC-HVDC连接海上风电的场景，提出一种基于模型预测控制的增强型电压控制策略，通过轨迹灵敏度法提高模型预测控制的计算效率，实现了交直流系统电压稳定的快速调节。鉴于VSC-HVDC具有电压调节速度快、有功和无功控制灵活等优势，可将其用于暂态电压稳定紧急控制，充分发挥其暂态电压控制潜力，构建适用于交直流受端系统暂态电压的协调控制策略。针对交直流受端系统暂态电压调控能力不足的难题，本文提出一种基于轨迹灵敏度的交直流受端系统暂态电压两阶段控制方法。首先，构建以最优无功补偿容量和紧急控制成本最小为目标函数的暂态电压控制模型，借助灵敏度法实现暂态电压非线性控制模型的线性转化；然后，在故障发生前进行暂态电压预防控制，若在施加暂态电压预防控制后仍然存在低电压延时恢复的问题，则通过VSC-HVDC与传统调压措施的紧急配合加快电压恢复速度，使低电压持续时间恢复到阈值以内，分析不同场景下无功补偿装置和VSC-HVDC的暂态电压调控能力；最后，通过修改后的IEEE 39节点系统和实际系统算例对所提方法进行仿真分析与验证。1 交直流受端系统调压装置基本原理受扰后交直流受端系统暂态电压的动态过程复杂多变，包括故障期间和电压恢复2个阶段，可通过提高不同阶段暂态电压的无功支撑能力改善受端系统的暂态电压稳定性。暂态电压的常用控制措施有切负荷、快速降低LCC-HVDC功率和安装无功补偿装置。VSC-HVDC具有有功、无功独立控制的优势，而且其传输容量不断提高，具有较大的开发潜力，这些有助于加快暂态电压的恢复速度。本节以无功补偿装置和VSC-HVDC为例，分析其调压原理，为后续暂态电压稳定控制奠定理论基础。为改善故障期间交直流受端系统的电压特性，需在故障期间提供大量的无功功率来避免严重的电压跌落。STATCOM具有恒流源特性，新一代调相机的次暂态电抗为11.3%，这使得STATCOM和新一代调相机在故障期间均具有较强的无功支撑能力12。当系统电压受扰较小时，STATCOM和新一代调相机均可在故障期间提供大量的无功功率，STATCOM凭借其恒流源特性能提供快速电压支撑，加快电压恢复速度，但在接入点母线电压低于 0.3 p.u.后会闭锁20。当系统电压受扰较大时，新一代调相机凭借其次暂态特性可在故障期间提供大量的无功功率，而STATCOM的恒流源特性使其受系统电压变化的影响较大，其无功功率输出量与系统电压成正比，即其无功电流不会随着电压的降低而减小，仅受绝缘栅双极型晶体管电流容量的限制，其无功支撑能力有待进一步提高。因此，需使 STATCOM 和新一代调相机相互配合，发挥各自在暂态电压不同跌落程度时的动态无功支撑优势。本文的VSC-HVDC整流侧为定有功功率控制和定直流电压控制，逆变侧为定有功功率控制和定无功功率控制19。在受端系统故障切除后，根据暂态电压稳定裕度与VSC-HVDC控制量的轨迹灵敏度，紧急控制VSC-HVDC有功、无功功率设定值，实现暂态电压的快速调节。由上述分析知，要提高交直流受端系统暂态电压稳定性，就需协调控制多种调压措施来改善故障期间和恢复阶段的暂态电压特性，这要解决2个问题：在受端系统遭受大扰动后，故障期间存在无功支撑能力弱的问题；在恢复阶段，受LCC-HVDC无功负荷和综合负荷模型中感应电动机负荷慢恢复特性的影响，易出现低电压延时恢复的问题。2 交直流受端系统暂态电压稳定控制故障期间暂态电压大幅跌落易诱发传统直流系统换相失败或连续失败风险，而故障持续时间一般约为100 ms，难以及时采取紧急电压控制来提供无功支撑，为此，在第1阶段受端系统故障期间，本文将STATCOM、新一代调相机的预防控制模型作为恢复阶段紧急控制的下层模型，充分发挥 STATCOM在小幅电压波动时的快速响应能力和新一代调相机在大幅电压波动时的强无功支撑能力，提高故障期间的动态无功支撑能力。为避免在第1阶段暂态电压预防控制满发后仍然出现暂态电压延时失稳的问题，在第2阶段暂态电压恢复过程中，本文采用暂态电压稳定紧急控制，通过协调优化 LCC-HVDC、VSC-HVDC、切负荷紧急控制措施，在故障切除后的短时间内加快交直流受端系统暂态电压的恢复速度，使暂态电压稳定裕度大于1，并通过摄动法求取暂态电压稳定裕度对控制量的灵敏度，建立暂态电压两阶段控制的二次规划模型，以提高控制效率，实现交直流受端系统暂态电压稳定性的全过程控制。2.1暂态电压控制模型针对故障后交直流受端系统暂态电压的变化特性，可从故障期间和电压恢复2个阶段进行暂态电125电 力 自 动 化 设 备第 43 卷压稳定控制，控制框图如图1所示。由于交直流受端系统故障期间的持续时间较短，难以紧急调控无功补偿容量，因此在故障发生前进行受端系统的暂态电压预防控制，通过STATCOM和新一代调相机预防控制提高故障期间受端系统的动态无功支撑能力。在暂态电压恢复阶段，为避免在进行暂态电压预防控制后仍然出现暂态电压延时失稳的问题，实施 LCC-HVDC、VSC-HVDC、切负荷电压调控措施的紧急控制，使低电压持续时间恢复到阈值1 s以内，并使暂态电压稳定裕度大于1，加快受端系统的暂态电压恢复速度。在第1阶段受端系统故障期间，通过STATCOM和新一代调相机的预防控制，确定两者的投入容量和场景，解决 STATCOM 受系统电压波动影响大和电压波动较小时新一代调相机调节速度慢的问题，发挥STATCOM的快速调节特性和新一代调相机的次暂态强无功支撑能力，避免故障期间暂态电压的大幅跌落并提供快速无功支撑。为此，建立以最优无功补偿容量为目标函数的预防控制模型，即：|min F1()up+Fpcs.t.x?()t=f()x()t，y()t，up g()x()t，y()t，up=0 VD()upVD，th up，minupup，max（1）式中：F1(up)、Fpc分别为无功补偿成本和暂态电压跌落惩罚成本，up为预防控制涉及的控制量；f、g分别为交直流系统微分方程和代数方程；x()t为时刻t的交直流系统状态变量向量；y()t为时刻t的交直流系统代数变量向