马秋昕
湖北工业大学 湖北 武汉 430068
摘要：随着社会发展，我国的电力行业发展快速，新能源与负荷侧换流器在短时电压振荡中的恒功率控制将表现出负阻抗特性，削弱直流电网阻尼，容易诱发直流电压持续性振荡。本文首先建立下垂控制下直流配电网的暂态电压稳定模型，阐述直流电压惯量与阻尼的定义，分析影响系统暂态特性的关键因素。其次，提出通过引入直流母线电压变化量，动态调整下垂系数，增强直流电压阻尼的控制策略。针对阻尼控制策略带来的直流压降增大的问题，通过改进直流母线电压外环控制，使其与电压阻尼控制策略结合，提出暂态电压稳定控制策略，不仅可以提高系统阻尼，并在电压振荡抑制后减小阻尼控制引起的电压偏差。最后，通过搭建六端直流仿真系统，验证所提控制策略可以有效抑制系统振荡，并可减小振荡后的电压偏差，显著提高系统暂态电压稳定性。
关键词：恒功率负荷；电压振荡；下垂控制；阻尼控制；电压偏差；暂态电压稳定控制
引言
近年来，直流馈入受端电网的电压稳定问题逐渐成为国内外电力工业界和学术界关注的热点。采用负荷裕度衡量直流馈入受端电网的电压稳定性，采用短路比指标刻画受端电网对直流的电压支撑强度。然而负荷裕度和短路比本质上是表征系统静态电压稳定性的指标，无法反映交直流混联系统的暂态电压特性。在交直流混联系统暂态电压稳定机理研究方面，研究了直流双极闭锁后潮流大量转移至交流通道引起的受端电网暂态电压失稳机理，基于电磁暂态仿真分析了直流控制对受端系统暂态电压稳定性的影响。在提高暂态电压稳定性措施方面，提出通过优化低压限流控制策略来降低逆变器无功功率消耗从而提高受端系统暂态电压稳定性，提出在受端电网加装大容量调相机抬高故障期间母线电压水平以加快电压恢复速度。本文从电网实际运行的角度出发，以祁韶直流馈入湖南电网为背景，构建一种可定量描述受端系统暂态电压稳定水平的指标，提出一种保证直流受端电网暂态电压稳定的运行控制实用方法，并以某电网为算例验证了所提指标和运行控制方法的合理性和有效性。
1直流电压的暂态稳定分析
含光伏、风电、储能及恒功率负荷的直流电网的拓扑如图1所示。其中，蓄电池采用udc-idc下垂控制策略，用于维持多端直流网路中的功率平衡；光伏和风电侧换流器采用最大功率跟踪控制，用于提高可再生能源利用率；负荷侧采取恒功率控制，满足供电需求；该电网在孤岛模式下运行。虽然在直流电网中涉及多节点的电压稳定性分析，但考虑到系统惯性很低，可认为各节点直流电压的动态响应具有一致性。此外，为避免高阶状态方程求解困难，成果局限于特定网络，目前文献研究通常采用两端等值模型，关注关键节点的电压动态特性，从而简化系统暂态稳定性的分析过程。短时振荡期间，风、光电源输出功率不随电压变化且保持恒定，故可将其视为负的恒功率负荷。蓄电池经换流器VSC2接入电网，下垂控制的控制信号反馈到VSC2中，进而调节系统功率。将蓄电池和VSC2等效为受控电压源和电容并联的形式，并将风电、光伏简化为恒功率电源后，直流电网简化等值电路图2所示。其中：C0为换流器出口电容，R为电源、换流器和线路的等效电阻，L为其等效电感，C为稳压电容；us为换流器出口母线电压，受蓄电池侧输出电流is控制，控制方程如式(1)所示；udc为负荷侧直流母线电压，交、直流负荷与新能源用恒功率负荷PL表示，负荷电流为iCPL；RL为阻性负荷。
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图2级联系统等效电路
2直流系统无功动态对暂态电压稳定的影响分析
2.1影响机理分析
暂态电压稳定表示系统在故障后短期内维持所有节点电压的能力，研究表明暂态电压稳定问题与感应电动机行为有密切关系，直流系统无功动态对暂态电压稳定的影响很大程度上取决于直流系统与感应电动机的相互作用．图3是感应电动机等值电路及其等价变换．
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式中，Tj为惯性时间常数，s为滑差，Tm、Te、Pe、Ω1分别为电动机的负载转矩、电磁转矩、电磁功率和同步转速，Vk为电动机端电压，Q为电动机吸收的无功，Ｒ1、X1、Ｒ2、X2、Xm分别为电动机定子电阻、定子电抗、转子电阻、转子电抗和励磁电抗．下面分析两种情况的暂态电压稳定性:①考虑直流影响，即直流系统正常运行;②不考虑直流影响，即直流系统停运，并在换流母线注入一定有功维持初始潮流不变．负荷母线三相短路时，接于该母线的感应电动机在故障期间Te为0，若故障切除时间为tcl，对式(11)中的运动方程两边同时积分，得故障切除瞬间滑差s:
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式中，s0为电动机的初始滑差，由上式可知故障切除时间相同时，故障切除瞬间两种情况下接于故障母线的感应电动机s相同，故障母线的负荷阻抗相等．对于其他负荷母线，分为两种情形:①负荷母线距离故障点较近时，接于该母线的电动机Te近似为0，滑差仍可用式(12)表示，故考虑直流影响和不考虑直流影响两种情况下母线的负荷阻抗相等;②负荷母线距离故障点较远时，受故障影响小，其负荷阻抗近似为恒定阻抗，两种情况下母线的负荷阻抗依然相等．设Z为包含负荷阻抗的节点阻抗矩阵，则故障切除瞬间两种情况的Z相同．
2.2指标有效性验证
为验证所提暂态电压稳定指标的合理性和有效性，以祁韶直流馈入湖南电网为例进行计算分析。某电网通过3回500kV线路联接华中主网，其500kV主网架（不含发电厂）如图4所示。全网共分为六大供电区域。计算用基础数据为某电网2018年夏季大方式，全网负荷为31000MW，负荷模型采用65%感应电动机负荷+35%恒阻抗负荷的综合负荷模型。
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图4湖南电网500kV主网架
根据多年来的电网实际运行经验，选取以下2个严重故障构成预想故障集。故障1：500kV韶鹤一线（韶山站至鹤岭站）鹤岭侧发生金属性三相短路，近故障点侧切除时间为0.09s，远故障点侧切除时间为0.1s。故障2：500kV沙鼎线（沙坪站至鼎功站）沙坪侧发生金属性三相短路，近故障点侧切除时间为0.09s，远故障点侧切除时间为0.1s。此外，选取韶山站500kV母线和鹤岭站500kV母线为关键母线节点，母线权重均设为0.5。在全网开机方式不变的情况下，通过调整湖南电网交流通道受电功率，计算出祁韶直流输送功率分别为2000、4000、6000MW方式下的系统暂态电压稳定指标。
结语
为提高直流配电系统的暂态电压稳定性，本文通过改进udc-idc下垂控制，使换流器具备了阻尼直流电压振荡的能力，并且提出了与阻尼控制相结合的电压补偿控制方法，减小振荡后的电压静态偏差。结合理论分析和仿真验证得出如下结论：1）在传统控制下，直流电网缺乏对电压振荡的抑制能力。换流器目前采用的功率控制在动态过程中会表现出负阻抗特性，减小了直流微网的稳定裕度，甚至可能导致电压振荡失稳。直流电压的阻尼特性与电压下垂控制系数密切相关，因此储能换流器具备改善系统阻尼的控制潜力。2）为增强直流电压阻尼，通过引入直流母线电压变化量，动态调整电压下垂控制系数，可以改变系统的衰减特性，使储能换流器具备新的快速抑制电压振荡的能力。然而，下垂控制系数的改变，会增加振荡后的电压偏差，进而造成系统功率分配发生变化。
参考文献
[1]解大，喻松涛，陈爱康，张延迟，顾承红，赵祖熠，李岩．基于下垂特性调节的直流配电网稳态分析[J]．中国电机工程学报，2018，38(12)：3516-3528+11．
[2]凌卫家，孙维真，叶琳，等．浙江交直流混联受端电网静态稳定分析［J］．电力系统保护与控制，2016，44（15）：164-170．