華淵杰,許其品,2,楊 玲,2

[1.南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106]

0 引 言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)正逐步顯現(xiàn)出高比例可再生能源和高比例電力電子設(shè)備接入的“雙高”特征[1-3]。隨著大量分布式新能源與大量新增負荷的產(chǎn)生，現(xiàn)存的系統(tǒng)存在電壓穩(wěn)定性問題[4-7]，并且將近1/4的線路出現(xiàn)輸電能力受限問題，而大規(guī)模架設(shè)多條線路則缺乏足夠空間,征地困難,投資成本過高，潮流控制裝置應(yīng)運而生。目前使用的潮流控制裝置多為柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)裝置，F(xiàn)ACTS憑借其快速的響應(yīng)能力和靈活、精確的控制能力在交流輸電中能夠起到較好的潮流控制效果。然而FACTS基于電力電子器件構(gòu)成，一般不具有慣性，不具備慣量支撐能力。大量電力電子設(shè)備的接入導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)慣性較低，對經(jīng)典穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，而且還會引發(fā)諸如諧振或?qū)掝l振蕩等新型穩(wěn)定性問題。

目前，在實際工程應(yīng)用中，統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)被公認為先進且通用的潮流控制器[8-11]。該潮流控制器能夠同時控制影響電力線路輸送功率的三個參數(shù)，即線路參數(shù)、節(jié)點電壓幅值、節(jié)點電壓相角，從而靈活改變線路的傳輸能力，發(fā)展?jié)摿^大，國內(nèi)在上海、南京、蘇州皆有工程應(yīng)用[12-15]。

電機-發(fā)電機串聯(lián)變壓器(MGST)潮流控制裝置與FACTS不同，是一種基于同步電機的具有慣性的新型潮流控制裝置，一般安裝于變電站節(jié)點[16-17]。

本文闡述了MGST裝置的結(jié)構(gòu)與原理，并提出了該裝置能夠提高電網(wǎng)慣性的理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，分別采用MGST裝置與UPFC裝置實現(xiàn)統(tǒng)一潮流控制目標并分析使用效果。經(jīng)過仿真試驗，驗證MGST裝置在控制潮流、穩(wěn)定電壓方面的效果。

1 MGST潮流控制裝置主要結(jié)構(gòu)介紹

MGST裝置由兩臺同步電機和一臺串聯(lián)變壓器組成，兩臺磁場繞組相差90°電角度的同步電機同軸剛性連接，一臺為電機G，另一臺為電機M。電機M并聯(lián)接入電網(wǎng)，以下稱電機M側(cè)為MGST裝置并聯(lián)側(cè)。同步電機G端口與串聯(lián)變壓器ST低壓側(cè)相連，串聯(lián)變壓器高壓側(cè)與線路串聯(lián)，且在串聯(lián)變壓器高壓側(cè)配置一臺旁路開關(guān)，以下稱同步電機G側(cè)為MGST裝置串聯(lián)側(cè)。該裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 MGST潮流控制裝置結(jié)構(gòu)圖

該潮流控制裝置一般安裝在變電站，圖1中電源S一般指變電站節(jié)點，串聯(lián)變壓器安裝于線路送端。兩級電機均采用隱極同步電機，其中同步電機G的勵磁系統(tǒng)在正常運行時采用雙向勵磁控制，其勵磁電流調(diào)節(jié)速度為秒級至分鐘級；同步電機M的勵磁系統(tǒng)采用常規(guī)勵磁控制，勵磁電流調(diào)節(jié)速度為毫秒級。

2 MGST潮流控制裝置基本原理

2.1 MGST潮流控制裝置串聯(lián)側(cè)原理

MGST裝置的串聯(lián)側(cè)工作原理是通過同步電機G輸出一幅值可控、相角與線路送端節(jié)點電壓的相角相差90°左右且方向可變的電壓，將此電壓串入線路來替代電抗或電容串入線路中，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小和方向改變線路等效阻抗，從而調(diào)節(jié)線路傳輸?shù)某绷?。具體等效電路如圖2所示。

圖2 同步電機G等效原理圖

可將同步電機G等效為可控電壓源Vgs，通過串聯(lián)變壓器將此電壓源串入線路。XS為同步電機自阻抗。MGST潮流控制回路的等效電路圖如圖3所示。

圖3 MGST串聯(lián)補償?shù)刃г韴D

XL表示線路電抗，V1∠θ1，V2∠θ2，V3∠θ3分別為圖3中3個節(jié)點的電壓相量，同時與圖1中的節(jié)點1、2、3也分別對應(yīng)?？煽仉妷涸捶底兓秶荹0，Vgsmax]，其相角θgs變化范圍是超前于送端節(jié)點電壓約90°或滯后于送端節(jié)點電壓約90°。電壓源補償后的電壓相量變化如圖4所示。

圖4 MGST串聯(lián)側(cè)電壓相量圖

當(dāng)MGST裝置閉鎖時，相當(dāng)于節(jié)點1、2重合，即V1=V2。當(dāng)起動MGST裝置進行補償時，設(shè)2為線路送電端，3為受電端，以節(jié)點1的電壓相量V1為參考電壓作相量圖，補償電壓相量為Vgs，補償前的線路送端電壓相量為V2，補償后的線路送端電壓相量為V′2，由于補償前后受端電壓相量變化不大，近似認為線路受端電壓相量為V3保持不變。

當(dāng)MGST裝置閉鎖時，裝置所在線路流過潮流節(jié)點2的潮流P2、Q2如下所示：

(1)

(2)

由于MGST裝置的補償作用，疊加補償電壓后的送端實際電壓相量變?yōu)閂′2=V1+Vgs，MGST裝置借助可調(diào)的電壓幅值Vgs和可調(diào)相角θgs與傳輸線產(chǎn)生有功功率和無功功率的交換。因此,通過調(diào)整合適的Vgs和θgs可以達到控制線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的目的，這是MGST串聯(lián)補償?shù)幕竟ぷ髟?。補償后線路的傳輸功率如下：

(3)

(4)

對比式(1)與式(2)可見,控制Vgs和θgs可以達到調(diào)節(jié)線路潮流的目的。

2.2 MGST潮流控制裝置并聯(lián)側(cè)原理

并聯(lián)側(cè)同步電機M通過改變勵磁電流改變電機電動勢的大小，從而調(diào)節(jié)吸收或發(fā)出無功功率的大小以維持與同步電機M端口電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)情況下，可以接受電網(wǎng)自動電壓控制(AVC)指令實現(xiàn)無功功率閉環(huán)控制。同步電機M的電氣相量圖如圖5所示。

圖5 MGST并聯(lián)側(cè)同步電機電氣相量圖

其中，U為機端電壓，I為電樞電流，EQ為q軸虛擬電動勢，Eq為電機電動勢。正常運行時，并聯(lián)側(cè)同步電機從電網(wǎng)吸收的有功功率用于驅(qū)動MGST串聯(lián)側(cè)電機旋轉(zhuǎn)以及克服各種機械摩擦轉(zhuǎn)矩和定轉(zhuǎn)子損耗，由此在額定運行時存在一個功角δ。正常運行時Ud=Usinδ，Uq=Ucosδ，一般認為電樞電阻極小可忽略，則id=I,iq=0。本裝置采用隱極同步電機，認為dq軸電抗大致相等Xd≈Xq，由此可得無功功率公式為

(5)

2.3 同步電機組的慣性分析

同步電機的慣性可以用轉(zhuǎn)動慣量J或慣性時間常數(shù)T表示。本文需要對比MGST與UPFC的慣性大小而UPFC不存在轉(zhuǎn)動慣量，因此使用慣性時間常數(shù)T來描述潮流控制裝置的慣性[18]。

對于同步電機，其慣性時間常數(shù)TG可以表示為

(6)

式中：WG為轉(zhuǎn)子動能；SNG為同步電機的額定容量[19]。

對于電力電子設(shè)備，慣性來源于直流側(cè)電容儲存的能量，如UPFC這樣的電力電子設(shè)備其慣性時間常數(shù)TC可以表示為

(7)

式中：WC為直流電容C中儲存的能量；SNU為逆變器額定容量；C為直流電容；Vdc為背靠背換流器的直流電容電壓[20-21]。

假設(shè)WC的大小為1/4工頻周期內(nèi)，串聯(lián)換流器釋放有功功率最大值。由于UPFC的串聯(lián)換流器有功功率最大值即串聯(lián)換流器容量的值，TC的值約為0.25 s。

一般隱極式同步電機的慣性時間常數(shù)為2.5～6.0 s，而同步電機組運行時其慣性約為一般同等容量電機的65%，由此可知MGST裝置慣性時間常數(shù)約為1.625～3.900 s[22]，遠大于UPFC。因此，與UPFC相比，使用MGST潮流控制裝置能給電網(wǎng)提供更大的慣性，從而提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

3 MGST潮流控制裝置環(huán)網(wǎng)仿真

3.1 仿真模型構(gòu)建

根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)搭建主網(wǎng)電壓220 kV的環(huán)網(wǎng)模型，Z1和Z2為功率因數(shù)cosφ=0.9的阻感性負荷，負荷Z2有功功率大小設(shè)置為500 MW，負荷Z1有功功率大小設(shè)置為5 MW，遠小于負荷Z2?？筛鶕?jù)變電站需要補償?shù)臒o功功率確定同步電機M容量，同步電機G容量根據(jù)工程實際需要調(diào)節(jié)的線路有功功率確定，串聯(lián)變壓器ST容量一般略大于同步電機G的容量。

設(shè)置仿真模型中同步電機M容量為100 MW，同步電機G容量為50 MW，在被控線路傳輸潮流為235 MVA的基礎(chǔ)下，該線路潮流能夠調(diào)節(jié)的范圍是±60 MVA；文中引以對比的UPFC參數(shù)配置參考了220 kV上海蘊藻浜UPFC裝置采用的運行參數(shù)，串、并聯(lián)變流器容量皆設(shè)置為50 MVA，其最大調(diào)節(jié)范圍一般不超過±50 MVA。

3.2 MGST裝置控制策略

3.2.1 MGST裝置串聯(lián)側(cè)控制策略

有功潮流控制環(huán)如圖6所示。

圖6 MGST潮流控制裝置串聯(lián)側(cè)控制框圖

其中Pref為有功潮流參考值，一般來自于調(diào)度指令；由于電機的勵磁需要控制在一個安全范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，增加一個限幅環(huán)節(jié)，PID控制器和勵磁限幅環(huán)節(jié)控制勵磁電壓組成勵磁控制環(huán)節(jié)；G(s)為同步電機環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)輸出一個補償電壓對電力系統(tǒng)進行串聯(lián)補償；通過線路有功功率測量環(huán)節(jié)進行負反饋調(diào)節(jié)。

當(dāng)潮流控制設(shè)備并入電網(wǎng)但未接受調(diào)度指令時，電網(wǎng)潮流應(yīng)保持不變。當(dāng)潮流控制設(shè)備接受調(diào)度指令時，MGST裝置串聯(lián)側(cè)電機將根據(jù)調(diào)度指令通過控制電機G的勵磁來進行線路補償，從而調(diào)節(jié)線路有功潮流直至調(diào)度指令給出的參考值為止。

3.2.2 MGST裝置并聯(lián)側(cè)控制策略

與串聯(lián)側(cè)不同的，并聯(lián)側(cè)主要的功能是穩(wěn)定機端電壓，必要時進行AVC控制。內(nèi)環(huán)采用以電機M端口電壓為參考變量的閉環(huán)控制，另外添加了無功外環(huán)用以在系統(tǒng)正常運行時通過外環(huán)的調(diào)節(jié)改變電機的電壓參考值，從而根據(jù)調(diào)度指令對電機發(fā)出的無功進行定量的調(diào)節(jié)[23-25]?？刂骗h(huán)如圖7所示。

圖7 MGST潮流控制裝置并聯(lián)側(cè)控制框圖

其中Vref為電機M端口電壓參考值，Qref為電機發(fā)出的無功功率參考值。PID控制器和勵磁限幅環(huán)節(jié)控制勵磁電壓組成同步電機勵磁控制環(huán)節(jié)；M(s)為同步電機環(huán)節(jié)，最終調(diào)節(jié)與反饋的變量為同步電機M的機端電壓。其中內(nèi)環(huán)控制為主要的控制策略，其以電機端電壓為反饋量，當(dāng)給定機端電壓參考值時，勵磁電流控制模塊進行較為快速的自動調(diào)節(jié)來改變機端電壓，調(diào)節(jié)電機端電壓至參考值為止，是為應(yīng)對暫態(tài)情況下電壓突變進行的一種快速響應(yīng)控制方案。外環(huán)控制是一種慢速調(diào)節(jié)，作用在穩(wěn)態(tài)條件下，其反饋量是電機輸出的無功功率，控制目的為通過改變端電壓參考值，從而能夠使電機在穩(wěn)態(tài)下發(fā)出定量的無功功率，一般根據(jù)調(diào)度部門提供的給定值進行定量的無功功率補償，當(dāng)未收到指令時，無功外環(huán)無參考值不參與電壓控制。

3.3 仿真驗證

本仿真針對模型中的線路潮流和變電站S端口電壓的變化進行了測量與分析，被測線路L23為圖1中節(jié)點2、3之間的傳輸線路，被測電壓為變電站節(jié)點電壓，亦即電機M端口電壓。

3.3.1 MGST裝置串聯(lián)側(cè)控制仿真驗證

MGST裝置閉鎖時，閉合串聯(lián)變壓器高壓側(cè)旁路開關(guān)，使串聯(lián)變壓器旁路。此時測得的線路L23上傳輸?shù)淖匀挥泄β蕿?30 MW，無功功率為52 MVar。

當(dāng)模擬第40 s接受到來自調(diào)度的增加線路L23的有功潮流至280 MW的指令時，通過控制MGST裝置串聯(lián)側(cè)電機的勵磁電流，逐步增加被控線路傳輸?shù)挠泄β手?80 MW并維持不變，線路上的具體潮流變化情況如圖8(a)所示，調(diào)節(jié)時間約為30 s，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)。如圖8(b)所示為同等條件下使用UPFC進行潮流控制的效果圖。

圖8 控制線路L23有功潮流增加波形圖

通過調(diào)節(jié)UPFC串聯(lián)側(cè)變流器的PI參數(shù)，UPFC 裝置從響應(yīng)調(diào)度指令開始平穩(wěn)控制潮流，0.5 s即達到指令要求。

控制線路L23傳輸?shù)挠泄β蕪?30 MW提高至280 MW，大大提高了送、受兩端之間輸電斷面的潮流輸送能力。以本文采用的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為例，若MGST裝置閉鎖狀態(tài)下斷面內(nèi)雙回線路皆未超出額定輸送能力，則通過潮流控制此斷面輸送能力可提高100 MW以上。

當(dāng)模擬第40 s時負荷Z2突然增加，調(diào)度指令要求線路輸送的有功功率限值不超過280 MW時，由于被測線路傳輸潮流越限，通過控制MGST裝置串聯(lián)側(cè)電機的勵磁電流，逐漸減小線路L23有功功率傳輸直至限值并維持恒定，具體潮流變化情況如圖9(a)所示，調(diào)節(jié)時間約為20 s。圖9(b)所示為同等條件下使用UPFC進行潮流控制的效果圖，在0.1 s左右即能迅速將潮流控制到限定值。

圖9 控制線路L23有功潮流減小波形圖

圖9所示的負荷突增情況，送端和受端發(fā)生短時的有功功率不平衡狀態(tài)，線路L23短時間內(nèi)電流突增，導(dǎo)致串聯(lián)側(cè)電機G負荷增加，機械轉(zhuǎn)矩增加；電機M在線路L23送端，由于負荷突增，電壓下降，從而引起電磁轉(zhuǎn)矩下降，短時間內(nèi)兩臺電機轉(zhuǎn)矩不平衡可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動，由于電機組阻尼較大，轉(zhuǎn)速波動幅度較小，此時電機G勵磁快速下降以減小機械轉(zhuǎn)矩，電機M勵磁增加以提高電磁轉(zhuǎn)矩，能夠迅速消除轉(zhuǎn)矩不平衡情況，使轉(zhuǎn)速恢復(fù)。圖9所示的情景表明，MGST裝置可以控制線路傳輸功率不越限，提高了線路的熱穩(wěn)定性。

本文設(shè)計的MGST裝置用以對線路潮流進行分鐘級的平穩(wěn)慢速調(diào)節(jié)，對潮流突變狀況下的響應(yīng)較慢，仿真中的調(diào)節(jié)速度可以達到預(yù)期效果。

3.3.2 MGST裝置并聯(lián)側(cè)仿真驗證

當(dāng)模擬變電站節(jié)點處投入感性負荷時，并聯(lián)側(cè)電機端口電壓降低，快速控制并聯(lián)側(cè)電機的勵磁系統(tǒng)增加勵磁電流，增發(fā)感性無功功率，從而提高電機端電壓，使得電機M端電壓穩(wěn)定在參考值。具體電機端電壓幅值變化波形如圖10(a)所示，1.5 s左右穩(wěn)定電壓，響應(yīng)較為迅速。圖10(b)所示為同等條件下使用UPFC進行電壓控制的效果圖。

圖10 無功補償情景下電機端電壓波形圖

給定潮流控制器的電壓參考值，本文設(shè)電壓參考值為1 p.u.，通過調(diào)節(jié)UPFC裝置并聯(lián)側(cè)PID參數(shù)可以控制UPFC響應(yīng)速度，當(dāng)變電站節(jié)點電壓降低了2%，迅速發(fā)出感性無功功率進行補償，1 s內(nèi)使變電站節(jié)點電壓達到參考值。MGST裝置的并聯(lián)側(cè)電機慣性較大，電壓降低后調(diào)節(jié)勵磁電流到發(fā)出感性無功進行補償需要一定的響應(yīng)時間，因此調(diào)節(jié)同樣大小的電壓需要的時間比UPFC略長。

當(dāng)變電站節(jié)點由于無功功率過剩發(fā)生過電壓情況，并聯(lián)側(cè)電機端口電壓過高，快速控制勵磁系統(tǒng)減小勵磁電流，吸收系統(tǒng)中過剩的容性無功，使得電機M端電壓穩(wěn)定在參考值，電機M端電壓幅值波形如圖11(a)所示，1.5 s左右穩(wěn)定電壓。圖11(b)所示為同等條件下使用UPFC進行電壓控制的效果圖。

圖11 剩余無功消納情景下電機端電壓波形圖

如圖11所示，同樣大小的電壓偏差，UPFC裝置在1 s內(nèi)可以完成調(diào)節(jié)，MGST裝置的調(diào)節(jié)時間與UPFC裝置接近。

4 結(jié) 語

本文詳細地介紹了一種具有慣性的新型潮流控制裝置MGST裝置的結(jié)構(gòu)與原理以及在電網(wǎng)中的安裝位置。同時制定了MGST潮流控制裝置的串聯(lián)側(cè)電機和并聯(lián)側(cè)電機的勵磁電壓控制策略并進行仿真試驗，仿真結(jié)果表明：

(1) 通過控制MGST串聯(lián)側(cè)電機勵磁電流的大小和方向可使被控線路有功潮流調(diào)節(jié)至調(diào)度指定值并維持恒定。MGST潮流控制裝置能夠達到UPFC裝置潮流控制功能。

(2) 通過控制并聯(lián)側(cè)電機勵磁電流的大小，MGST可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，在其能力范圍內(nèi)可以實現(xiàn)進一步的無功補償，進而支持電網(wǎng)電壓在合理的水平。能夠達到UPFC裝置電壓控制功能。