ABSTRACT: Tian-Guang AC/DC hybrid system is the first AC and DC parallel operation system in China. Here, the effect of the improvement of transient stability of parallel operation system by power/frequency modulations at both sides of Tian-Guang hybrid system is researched, the simulation based on the operating modes of actual system is conducted. Simulation results show that it is efficient to reduce the amplitude of the first swing to make the system stable by HVDC power modulation. In addition, a nonlinear HVDC system modulation controller derived from this kind of controller for a typical two-machine power system is developed and simulation experiments are made for the purpose to apply the controller to actual system. Compositive comparisons indicate that the effects of improving transient stability of AC/DC hybrid system by two kinds of modulation modes are similar, but conventional dual power/frequency modulation at both sides possesses better adaptability to actual AC/DC hybrid system.
KEYWORDS: AC/DC hybrid system;HVDC modulation;Transient stability;Nonlinear control;Power system
关键词:交直流混联系统;直流调制;暂态稳定性;非线性控制;电力系
1 引言
直流输电(HVDC)系统功率调制技术可用于提高电力系统的稳定性,该技术已被成功应用于提高交直流混联系统的功率传输能力[1]及所联交流系统的暂态稳定性[2]。天广(天生桥—广州)±500 kV HVDC单极工程已于2000年12月投入运行,双极已于2001年6月全部投入运行,这标志着我国第1个超高压大容量交直流混联运行电力系统正式形成[3]。天广交直流混联系统接线及其正常潮流分布如图1所示。
天广HVDC具有双侧频率功率调制功能[4],该调制以整流侧某一母线及逆变侧某一母线的频率偏差作为输入信号(天广HVDC双侧频率调制信号取自天生桥换流站220kV母线和广州换流站220kV母线),然后分别经微分、滤波、导前补偿、陷波滤波和放大环节加以合成,再经限幅器后将其输出调节信号Pmod作为附加功率控制信号与功率控制指令信号进行综合,从而对直流输出功率进行控制,达到改善交直流混联系统稳定性的目的。双侧频率功率调制的原理如图2所示。图2中,Td1、Td2为微分环节时间常数,s,该环节用于产生超前相位;Tf1、Tf2为滤波器时间常数,s;e1、e2为引导补偿因子;K1、K2为调制增益;A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2为陷波滤波器参数;这些参数的取值分别与表1中的Td、Tf、e、K、A、B、C、D相同;下标1、2分别代表整流侧和逆变侧;Pmax和Pmin起限幅作用。上述参数,特别是K对交直流系统并联运行的稳定性有较大影响,由于控制系统的非线性,这些参数不能通过解析法得到,必须采用动态仿真程序对每一特定系统的参数优化进行深入细致的研究[5]。经大量计算分析得知,表1中的调制参数可对系统有较好的调制效果。
本文基于天广交直流混联系统的实际正常运行方式建立了仿真系统,其潮流分布如图1所示。采用NETOMAC传真软件分别在退出和投入功率调制情况下,对系统运行中可能发生的数十种故障情况进行了时域仿真实验。图3为由仿真计算得到的天生桥—平果交流双回线路中的一回线路在天生桥侧发生三相短路故障后天生桥二极发电厂的发电机功角摇摆曲线。在功率调制的作用下,第1摆的峰值相位由没有直流功率调制时的132.2°降为110.8°,这表明直流功率调制对稳定系统第1摆峰值有明显作用。而快速响应的励磁系统通常只能降低第1摇摆角度几度[6]。图4为上述故障发生后天广直流功率的动态变化,由于直流功率调制的作用,在故障切除后20~100ms内直流系统提供的功率比没有调制时多100MW左右,这个容量为改善第1摆峰值的暂态稳定性做了准备。图5、6分别为另一回天生桥—平果线的有功功率、平果变电站母线电压的动态变化,由图5、6可见,在直流功率调制的作用下,系统的功率振荡得以快速抑制,系统电压也迅速恢复至正常状态。
HVDC系统具有复杂的非线性控制特性,直流侧电压是交流侧电压的函数,而交流母线电压与全系统的状态具有复杂的非线性关系。文[7]以提高和改善交直流混联系统的稳定性为目的,基于非线性系统状态反馈精确线性理论,提出了如图7所示的典型交直流混联系统非线性调制控制器。由于实际的天广交直流混联系统具有相当复杂的网架结构,如直接以实际系统为模型建立状态方程来得到非线性控制规律是很困难的,也不现实;因此本文借鉴文[7]的方法,将天广交直流混联系统送、受端视为等值系统,忽略广西中间系统,采用简单的系统模型设计了非线性调制控制器。
式中 Pdcref为直流功率的给定值;Td为直流系统的等效时间常数;Pmod为直流系统的控制量。旨在改善交直流输电系统大干扰稳定性的HVDC系统非线性调制控制规律为
在采用非线性调制功能的情况下对天广交直流混联系统进行了时域仿真实验。图8为天生桥—平果交流双回线路中的一回线路在天生桥侧发生三相短路故障后天二水电站的发电机功角摇摆曲线,由图可见,在这种故障情况下,采用非线性调制与采用双侧频率功率调制在降低第1摆的幅值方面效果几乎相当。图9为仿真计算得到的云南罗平—天生桥换流站220kV交流线路在天生桥侧发生三相对地短路故障后天二水电站的发电机功角摇摆曲线。在这种故障情况下,采用双侧频率功率调制降低第1摆曲线幅值的效果比采用非线性调制的略好,它还降低了发电机功角后续摇摆的摇摆幅度。
上述现象与其他十余种故障情况的仿真结果有相似之处,即在广西境内并联的天广交流系统发生故障时采用非线性调制比采用双侧频率功率调制的效果略好,而在贵州、云南、广东境内发生故障时采用双侧频率功率调制比采用非线性调制的效果略好,但总的看来,两者在减少第1摇摆稳定峰值方面的效果基本一样。上述现象可解释
本文结合天广交直流混联系统的实际情况,研究了采用直流功率调制改善交直流并联系统暂态稳定性的问题,得到以下研究结论:
(1)直流功率调制可明显改善交直流混联系统的暂态稳定性,同时快速抑制了交流系统的功率振荡和电压波动;
(2)采用非线性直流调制与采用常规的双侧频率功率调制,在改善交直流混联系统的暂态稳定性方面的效果相近;
(3)将基于典型两机系统的非线性直流调制控制器应用于实际系统时,某些情况下的调制效果反而不如常规的双侧频率功率调制,经综合比较得知,常规双侧频率功率调制对电网运行的适应性更好;
(4)应用简单系统结构模型探索实际系统的非线性直流调制控制规律必须特别重视其鲁棒性问题。由于实际交直流系统往往具有非常复杂的系统结构,在直流工程中能否实际应用非线性调制技术还需深入研究。
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