柔性直流输电系统振荡现象分析与控制方法

李露琼

摘 要：柔性直流输电系统基于电压源变流器，在运行的过程中，会受到电力电子等设备的影响，进而造成控制系统的效率不高，甚至会出现多变的功率震荡。而近些年社会之中关于电力运输柔性直流输电系统振荡现象的报道也是屡见不鲜，文章中笔者将结合自身的实践工作经验，对柔性直流输电系统振荡现象做出分析，并提出相关控制方法，希望能够保障柔性直流输电系统运行的安全性、稳定性。

关键词：柔性直流输电系统；振荡现象；控制方法

中图分类号：TM721.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0148-02

Abstract： Flexible direct current transmission system based on voltage source converter， in the process of operation， will be affected by power electronics and other equipment， resulting in low efficiency of the control system， and even variable power shocks. In recent years， the oscillation phenomenon of flexible direct current transmission system in power transportation is also reported frequently. The author analyzes the oscillation phenomenon of flexible direct current transmission system from practical work experience， and in order to ensure the security and stability of flexible direct current transmission system， some control methods are put forward.

Keywords： flexible direct current transmission system； oscillation phenomenon； control method

前言

柔性直流輸电系统由于具有结构功能强、输出谐波小等特点，因此现下被广泛的应用到远距离、大容量的电力运输之中，但在柔性直流输电系统运行过程中，由于易受电力电子设备快速控制影响，在系统斜波频率附近呈现容性阻抗和负阻抗，从而造成系统谐波电流的发散，引发柔性直流输电系统振荡现象，这会对电力运输造成影响，因此必须对柔性直流输电系统振荡现象做出有效的控制。

1 柔性直流输电系统振荡现象概述

1.1 次同步频率范围震荡

柔性直流输电系统呈现容性阻抗和负阻抗，并与其它设备呈现震荡电路，从而造成电流发散是引发柔性直流输电系统振荡现象的重要原因，而根据发生机理的不同，产生的震荡现象也有所差异，其中次同步频率范围震荡是比较常见的一种震荡。具体而言，在次同步频率范围震荡发生过程中，其系统运行中的直流电压和交流电压的波形在变化上并没有太大的变化，而除此之外，两者电压还有有着一定差别的，如，电压波形的变化不太大，而且在直流电流和交流电流方面所呈现的震荡现象也有着很多的不同之处，并且这两种不同形式的震荡频率是表现互补关系的。而导致次同步频率范围震荡的原因有很多，例如，在双馈风力发电机运行的过程中可能受到电网强度、运行点、转子参数等多项因素的影响，使得运行模式的效率也会有所变化，而在此过程中同频率范围内也出现震荡的现象[1]。同时这种震荡会随着震荡风流流入到变流器之中，若是此时变流器的震荡频率处能够提供足够的阻尼，那么柔性直流输电系统还可以正常的运转，但若是变流器本身设计就存在一定的问题，当震荡风流流入到变流器时，震荡频率产生的阻尼不足，这时就会转变为直流侧电流震荡，而这会对柔性直流输电系统造成很大的影响，引起电流电压波动，从而发生震荡风险。在以往的文献的报道之中，上海南汇、广东南澳、福建厦门的电力工程之中，都曾发生过这种次同步频率范围震荡。

1.2 中高频率范围震荡

中高频率范围震荡也是柔性直流输电系统中比较常见的一种震荡现象：（1）中频震荡，以往在系统运行的过程中，需要进行直流电缆建模，则需要π型等值模型，而在这种方法实施的过程中，往往会忽视直流电缆频率变化的组抗性，会在一定程度上对直流输电系统产生一定的影响，另外，也存在忽略了变流器和关键设备对震荡的影响，这是导致中频震荡现象发生的重要原因。在以往的文献报道之中，德国北海海上风电场在运行的过程中发生中频震荡，震荡频率大约达到了250～350Hz，而震荡的单流则达到了基波电流的40%以上[2]。（2）高频震荡，国内电力企业发生高频震荡的问题屡见不鲜，如舟山五端直流震荡，从而导致高频分量跳闸。在或者鲁西直流工程震荡，震荡频率高达1.2kHz，直接造成系统停运。而导致柔性直流输电系统高频震荡的直接原因，就是MMC变流站接入弱点站时，中高频率的阻抗特性，如电流电压控制等，在运行的过程中会对MMC变流站产生一定的影响，如产生震荡等现象，面对这种运行问题，则需要及时根据实际运行情况，分析不同状态下系统运行的各个参数，并根据这些参数消除高频震荡问题。

2 柔性直流输电系统振荡分析方法

通过上述的分析了解到，在柔性直流输电系统运行的过程中，由于受到多种因素的影响，会产生不同程度的震荡问题，不利于系统的稳定运行。而下文则主要对柔性直流输电系统的振动进行分析，提出几种震荡分析方法，具体分析如下。

2.1阻抗模型搭建法

风电作为一种新能源建设方式，风机自身的结构比较复杂，通过阻抗模型搭建法可以更好的对柔性直流输电系统振荡做出分析和控制，从而为风能输电安全作出保障。具体而言，影响柔性直流输电系统振荡的关键因素就是，机侧/电网控制参数、锁相环延时、直流侧VSC控器参数以及滤波器等。在MMC的直柔系统应用范围不断加大的过程中，对阻抗模型搭建法的研究也不断朝着MMC等效模型搭建过渡，而在这个过程中，又逐渐的衍生出了传统详细模型、详细等效模型和快速模型三种形式，在这三种模型之中，传统详细模型的整体精准度是最高的，但是计算的难度比较大。而详细等效模型仿真速度适中，因此比较适用于分析柔性直流输电系统振荡特性。最后快速模型坚固了仿真度和速度，因此现下应用范围较广。

2.2 稳定性分析方法

柔性直流输电系统稳定性分析方法，可大致分为特征值分析方法、頻率扫描分析方法、时域仿真法、阻抗分析法等，不同的稳定性分析方法适用的范围和对象各有不同。首先特征值分析方法基于小扰动线性模型，在这个过程中主要通过求解系统中的特征向量、矩阵特征根来判断系统运行的稳定性。其次，可以通过频率扫描的方式了解系统的运行状态，并通过输入不同频率的信号扰动结合检测变电流器进一步评论信号，达到识别目标系统和设备阻抗模型[3]。再次时域仿真法，时域仿真法需要建立每个设备的微分模型，通过逐步积分的方式，获取系统整体的运动曲线。最后阻抗分析法通过奈奎斯特推广的奈奎斯特判断依据为基础，此种分析方法对震动点的观测比较清晰。

3 柔性直流输电系统振荡现象控制方法

3.1 优化控制器参数

以往常常在柔性直流输电系统振荡发生时，通过切除风机电阻、改变浆距角等方式，从而让系统避开震荡区间，这种方式虽然可以控制柔性直流输电系统振荡，但是付出的经济代价比较高，因此不适合作为控制手段，而优化控制器参数可以从机理上实现对震荡的控制，这是因为柔性直流输电系统振荡发生的本质原因就是系统在震动频率出的阻尼不足，从而产生的阻抗特性，因此若是能够优化控制器的参数，势必可以改变变流器与设备之间的互动行为，提高震动频率处的阻抗特性，从而对柔性直流输电系统振荡现象做出有效的控制，减少震荡风险[4]。如对于采用MMC柔直系统需要考虑桥臂电感与子模块电容之间的谐振现象，通过改变桥臂谐振电流和变流器之间的参数，从而减少桥臂环流问题发生，并增加系统稳定性子模块电容和桥臂电感之间的选择，这无疑是可以控制柔性直流输电系统振荡的。而在一些复杂的多柔端直系统之中，优化控制器参数的同时，还必须要考虑多变流器之间的耦合作用，要保证每个电流器都等得到最大优化，这样才能实现更好的柔性直流输电系统振荡控制效果。

3.2 附加阻尼控制器

在控制柔性直流输电系统振荡的过程中，除优化控制器参数这种方法，我们还可以通过附加阻尼控制器的方法，从而实现对震荡现象的控制。附加阻尼控制器主要是应用于系统变流器众多，控制器参数优化效益比较低的情况下，通过添加额外的阻尼，从而实现对震荡的控制。但由于附加阻尼控制器这种方式，对系统设计要求比较高，因此往往难以适应柔性直流输电系统多变的运行状态和扰动情况。而近些年随着科学技术的迅速发展，有学者提出通过使用虚拟斜波电阻控制器，从而提升附加阻尼控制器与柔性直流输电系统之间其他设备相互作用。此外还应该通过研发一种新型阻尼控制器，重塑变流器的阻抗特性，进而从整体上改善变流器系统的整体性和互动性，为从机理上降低柔性直流输电系统与其他设备互相震动风险提供保障。由此可以看出，在柔性直流输电系统之中附加阻尼控制器虽然是一种可行的方式， 但是现下的研究并不成熟，今后还需进一步对此作出更加深入的研究。

3.3 附加滤波装置

结合电力工程之中柔性直流输电系统的工作原理，还可以通过附加滤波装置的方式，来对柔性直流输电系统振荡做出控制，由于串联阻塞滤波器本身的占地面积比较大，因此产生的经济效益就会相对低一些，为此现下常将串联阻塞滤波器作为短期震荡控制方法，在控制柔性直流输电系统振荡发生过程中，可以通过设置多个斜震点的方式，将震荡最大限度的做出消除[5]。但与串联阻塞滤波器和相同，旁路滤波器也是一种占地面积比较大，经济效益比较低的装置，因此也只能作为一种短期控制方法，所以附加滤波装置这种柔性直流输电系统振荡控制方法还存在一定的限制。

4 结束语

电力运输作为城市建设的发展动力，而柔性直流输电为今后大容量、大规模、多端输电工程建设发展提供了保障，而显然在柔性直流输电系统应用过程中，震荡问题是控制电力企业必须要攻克的难关，但目前的震荡控制技术局限于单机系统、小扰动和变流器的一侧。

参考文献：

[1]尹聪琦，谢小荣，刘辉，等.柔性直流输电系统振荡现象分析与控制方法综述[J].电网技术，2018，42（04）：1117-1123.

[2]苑宾.联接弱交流电网的柔性直流输电系统小信号稳定性研究[D].华北电力大学（北京），2017.

[3]李洋.基于VSC-HVDC附加阻尼控制抑制电力系统低频振荡的研究[D].东北电力大学，2016.

[4]林晨.含VSC_HVDC的交直流混合系统稳定性研究[D].南京理工大学，2016.

[5]刘红超.交/直流互联电力系统的非线性模态分析和柔性协调控制[D].四川大学，2016.