基于VSC的动态可控相间功率控制器改善系统暂态稳定性的研究

李 娟， 王维羽， 陈璟毅， 逯沙鸥， 严宇昕

(1. 东北电力大学电气工程学院， 吉林省 吉林市 132012； 2. 国网辽宁省电力有限公司朝阳供电公司， 辽宁 朝阳 122000)

基于VSC的动态可控相间功率控制器改善系统暂态稳定性的研究

李 娟1， 王维羽1， 陈璟毅1， 逯沙鸥1， 严宇昕2

(1. 东北电力大学电气工程学院， 吉林省 吉林市 132012； 2. 国网辽宁省电力有限公司朝阳供电公司， 辽宁 朝阳 122000)

根据电压源换流器(VSC)和相间功率控制器(IPC)的基本工作原理及特性，以VSC代替IPC的移相环节，晶闸管控制电抗器(TCR)代替电感支路，晶闸管控制串联电容器(TCSC)代替电容支路，构建了动态可控的相间功率控制器(DCIPC)；基于DCIPC的原理结构，建立了VSC注入电压与联络线传输功率的关系，对无IPC与带IPC的简单系统的功角特性曲线进行分析，说明DCIPC可以改善系统的暂态稳定性机理，确定提高系统稳定的参数可控制范围。针对VSC的移相环节，设计了直流电压外环、输出电流内环的比例-谐振(PR)控制器；搭建了带DCIPC的简化系统模型进行仿真。仿真结果验证了控制器的有效性，并说明通过控制DCIPC中VSC的注入电压，可以改善带DCIPC电力系统的暂态稳定性。

电压源换流器； 动态可控相间功率控制器； PR控制器； 暂态稳定性

1 引言

随着国民经济的持续进步和电力工业的迅猛发展，现代电力系统进入了大系统容量、高电压等级、电网跨区域互联及系统市场化运营的新阶段。然而，电网的日趋复杂使得系统的运行环境更加严峻，稳定性问题更加突出且难以分析[1]。应用灵活交流输电系统(FACTS)技术可以在不改变电网结构的条件下，灵活地控制有功和无功功率，提高线路传输能力，改善系统稳定性[2]。

相间功率控制器(Interphase Power Controller，IPC)是一种典型的串联型FACTS设备，具有鲁棒潮流控制、短路电流限制和电压解耦的优良特性。国外对于IPC的研究已经发展到研制出实际装置并将其应用于电网的阶段，国内也在其潮流调节、稳态特性及改善系统稳定性等方面取得了一定的理论成果[3]。文献[4,5]在分析相间功率控制特性的基础上，研究通过控制IPC的电感参数提高系统的暂态稳定性。相间功率控制器电感和电容支路分别串联于不同的移相环节，控制电感和电容支路的移相角，可以实现功率的控制。目前，国内外对于将具有灵活移相功能的电压源换流器(VSC)引入IPC的研究尚处起步阶段，因此，本文对基于VSC的动态可控相间功率控制器(Dynamic Controlled Interphase Power Controller，DCIPC)进行分析，并采用比例-谐振(PR)控制方式对VSC加以适当控制，提高带IPC线路的输送能力，从而提高系统运行的稳定性，并进行算例仿真验证。

2 基于VSC的DCIPC基本结构原理

2.1 基于VSC的DCIPC基本结构

传统IPC的通用模型如图1所示。PST1和PST2为等效的移相环节，XL和XC分别为从属于移相环节的电感、电容支路的等效感抗和容抗，两条支路并联后构成相间功率控制器串联于输电线路上。

图1 常规IPC通用电路模型Fig.1 General circuit model of usual IPC

VSC是可交直流双向变换且交流有功功率和无功功率可分别独立控制的电力换流器。VSC的基本电压由直流侧并联电容器提供，除自身损耗外，通常与系统间不存在有功功率交换，因此，其向输电线路注入的电压为近似正弦的且与线路电流正交的可控电压[6,7]。VSC的基本结构如图2(a)所示。

图2(b)显示了VSC注入电压与电流关系的相量图。如虚线部分所示，其注入电压使得VSC两端电压的幅值和相位均发生改变，可以起到移相器的移相作用，且VSC的注入电压可以通过控制VSC中IGBT的触发角灵活地进行调节，并且其响应速度可以达到ms级，能够达到动态可控的目的。

图2 VSC基本结构及注入电压与电流相量关系图Fig.2 Basic structure of VSC and injecting voltage and current

因此，将VSC应用于常规IPC的各支路取代移相环节，用晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管控制串联电容器(TCSC)分别代替电感、电容支路的感抗和容抗[8,9]，构建出动态可控的相间功率控制器，并将其应用于单机无穷大系统的线路中，其基本结构如图3所示。

图 3 基于VSC的DCIPC模型结构图Fig.3 Structure of improved DCIPC based on VSC

图3中，Us、δ分别为发电机端电压大小与相角，U为无穷大系统母线电压，U1和U2分别为DCIPC电感、电容支路VSC注入线路电压，它们分别与电感和电容支路的电流正交，其相量关系如图4所示。其中，θ1、θ2为电感、电容支路电流相角，φ1、φ2为VSC注入电压引起的等效移相角。

图4 基于VSC的DCIPC电感、电容支路相量图Fig.4 Phasor diagram of inductance and capacitance branch in DCIPC based on VSC

2.2 基于VSC的DCIPC功率控制机理

(1)

经由DCIPC流入无穷大系统的有功功率表达式为：

(2)

式中，X为双回输电线的等值电抗。

由式(1)和式(2)可见，经带IPC联络线向无穷大系统传输的功率与DCIPC电感、电容支路的等效移相角度及感抗、容抗参数有关，通过控制这些参数，能够调节控制发电机向系统传输功率的能力。

3 基于VSC的DCIPC改善系统稳定性机理分析

当图3中的单机经双回线与无穷大系统相连，双回线中无IPC时，系统正常运行时的功角特性为P(1)=UsUsinδ/X，功角特性曲线可以如图5中P(1)所示。发电机输送的功率为P0，原动机输出的功率为PT(等于P0，设故障后PT保持不变)，图5中a点为正常运行工作点，功角为δ0。当双回输电线一回的始端发生短路故障时，发电机向系统输送的功率将显著减少，三相短路故障则为0；故障后，经过一段时间，在c点时切除故障线路，故障切除后的传输功率表达式为P(2)=UsUsinδ/(2X)，功角特性曲线如图5中P(2)所示，其减速面积为bcd所围成的阴影部分。若系统的稳定裕度较低，减速面积过小，系统将失去稳定性[10]。因此，若在故障切除的同时提高传输功率极限，增大减速面积，将有利于改善系统的暂态稳定性。

图5 简单系统的功角特性曲线Fig.5 Power-angle characteristic curve of simple system

当图3的单机无穷大系统线路的始端配置有DCIPC时，由式(2)可知，其DCIPC中VSC注入电压及电感、电容参数对输电线路的功率传输能力有一定的影响。

当VSC的注入电压U1=U2=0，DCIPC中的移相环节不进行移相，即φ1=φ2=0时，故障切除后发电机向无穷大系统传输的功率表达式为：

(3)

为了在切除故障后利用DCIPC提高系统的暂态稳定性，由式(3)可见，调控XL及XC使满足：

(4)

即

(5)

可提高传输功率极限，增大减速面积。功率极限提高的幅度与电感、电容的大小有关，电感、电容可以同时调节，也可以固定一个元件参数，调节另一个元件参数。调节后的功角特性曲线如图6中P(3)所示，增大后的减速面积为cef所围成的阴影部分，P(2)为未装设DCIPC的系统故障切除后的功角曲线。

图6 带DCIPC系统调节其感抗参数后的功角特性曲线Fig.6 Power-angel characteristic curve after adjusting inductances in system with DCIPC

当控制VSC注入电压，对DCIPC中的移相环节进行移相时，故障切除后的传输功率表达式为：

(6)

此时，式(6)与IPC移相电压、电感和电容的等效电抗均有关，三个参数同时进行调节控制很复杂，本文先从简单情况入手，只针对调谐型IPC进行分析，即XL=-XC=XIPC，XIPC为调谐型IPC等值电抗，则其传输功率表达式为：

(7)

(8)

Pr=Asin(δ+φ1)+Bsin(δ+φ2)=Csin(δ+φ′)

(9)

式中

(10)

若调节IPC移相环节，使功角特性曲线向左移动，如图7所示，使φ′满足：

(11)

即

(12)

式中，Pref为输出功率参考值。移相后的功角特性曲线如图7中P(3)所示，δm为曲线P(3)与P0交点，增大后的减速面积由cef围成，P(2)为未装设DCIPC的系统故障切除后的功角曲线。

图7 向左移相后的功角特性曲线Fig.7 Power-angle characteristic curve after phase shift to left

若调节IPC移相环节，使功角特性曲线向右移动，则使φ′满足：

φ″m<φ′<0

(13)

也能够保证传输功率极限的提高。式(13)中移相角φ″最大值φ″m满足：

即

(14)

图8 向右移相后的功角特性曲线Fig.8 Power-angle characteristic curve after phase shift to right

由以上分析可知，在故障切除的同时，及时有效地控制VSC的注入电压及DCIPC各支路的电感、电容值，使其满足一定的范围便能够提高传输功率的极限，增大减速面积，进而改善系统的暂态稳定性。

4 DCIPC中VSC的控制器设计

4.1 控制策略概述

电压源换流器VSC的注入电压传统上经常采用PI控制[11]，但PI控制只能对直流信号实现零稳态误差，不能消除因逆变桥死区效应而引起的谐波分量。因此，本文采用直流电容电压外环，VSC输出电流内环的双环控制方式，电压外环采用PI控制器，电流内环采用PR控制器。

PR控制器的传递函数为：

(15)

PR控制器在谐振频率ω0处的增益为无穷大，而在非谐振频率处的增益迅速下降，将ω0设置为基波角频率可实现对VSC输出交流电流信号的零稳态误差控制，截止频率ωc的引入增加了控制器的带宽，kP、kr分别为比例和积分系数[12-14]。此外，PR控制器对由于逆变桥死区效应而引起的低次谐波(主要为3、5次谐波)能够进行很好的补偿。

4.2 控制系统设计

在无穷大系统双回输电线一回始端发生的短路故障切除后，其经DCIPC向系统传输的功率Pr及功角δ等参数将受到影响。及时调节VSC的注入电压使传输功率上升至参考值，将有利于提高系统的功角稳定。

由式(7)～式(10)可知，传输功率参考值及VSC注入电压参考值为：

(16)

(17)

图9 系统简化控制框图Fig.9 Simplified diagram of control system

VSC控制环节由采用PI控制器的电压外环及采用PR控制器的电流内环组成，其控制结构如图10所示。

图11 PR控制谐波补偿结构图Fig.11 Harmonic compensation block diagram of PR controller

5 仿真分析

以带DCIPC的单机-无穷大系统(如图12所示)为例，对基于VSC的动态可控相间功率控制器改善系统暂态稳定性的作用进行仿真验证。该电力系统的发电机容量SG为1200MW，变压器T的变比为13.8/500kV，双回输电线的等值电抗X=0.02pu，模拟在传输线路2始端发生三相短路接地故障，8s时故障发生，0.2s后故障切除。

图12 简化电力系统仿真图Fig.12 Simplified diagram of simulation power system

当系统未装设DCIPC时，其发生故障后的摇摆曲线如图13(a)所示。可以看出，故障发生后，发电机功角δ呈弱阻尼振荡。当系统装设有DCIPC且不对其进行移相时，在故障切除时刻，根据式(5)调控TCR及TCSC使XL=0.32pu，XC=0.035pu，则调控后的系统摇摆曲线如图13(b)所示。故障切除后，其振荡幅值最高为37.4°，且在3.2s后恢复至δ=12.5°。通过比较可以看出，在故障切除时刻及时调控DCIPC的电感、电容参数，能够改善系统的暂态稳定性。

图13 DCIPC电抗参数改善系统稳定性仿真图Fig.13 Simulation curves of improving system transient stability by DCIPC reactances

在装设有DCIPC且其XL=-XC=2X=0.04pu的单机-无穷大系统中，本文分别采用PI控制和PR控制方式调控故障切除时刻VSC的注入电压，以改变DCIPC移相角，改善系统的暂态稳定性。其中，PI控制器参数KP=0.4，Ki=20；PR控制器参数KP=1.58，Ki=0.834，Kr=0.95。

使发电机功角特性曲线向左移动时，测算后的VSC注入电压为U1=118V，U2=79V。采用PI控制方式调控VSC注入电压后的系统摇摆曲线如图14(a)所示，振荡幅值最高为25.6°,2.8s后曲线恢复至δ=9.5°。采用PR控制方式调控VSC注入电压后的系统摇摆曲线如图14(b)所示，其振荡幅值最高为21.8°,2.8s后曲线恢复至δ=9.5°。通过比较可知，DCIPC向左移相能够改善系统的暂态稳定性；由于振荡幅值的缩减，PR控制相对于传统的PI控制方式有着更好的控制特性。

图14 DCIPC向左移相改善系统稳定性仿真图Fig.14 Simulation curves of improving system transient stability by DCIPC phase shift to left

使发电机功角特性曲线向右移动时，经测算后的VSC注入电压为U1=103V，U2=176V。采用PI控制方式调控VSC注入电压后的系统摇摆曲线如图15(a)所示，振荡幅值最高为27.7°,2.6s后曲线恢复至δ=14.8°。采用PR控制方式调控VSC注入电压后的系统摇摆曲线如图15(b)所示，其振荡幅值最高为22.4°,2.3s后曲线恢复至δ=14.8°。振荡幅值及恢复稳定的时间都得到了一定的缩减。因此，通过比较可以看出，对于VSC，PR控制方式比传统的PI控制有着更好的控制特性，且使DCIPC向右移相能够改善系统的暂态稳定性。

图15 DCIPC向右移相改善系统暂态稳定仿真图Fig.15 Simulation curves of improving system transient stability by DCIPC phase shift to right

以上仿真结果表明，在系统故障切除时刻，及时适当地调控DCIPC的电感、电容参数，或采用PR控制方式调节DCIPC中VSC的注入电压，灵活地改变相间功率控制器的移相角，能够调节系统联络线的传输功率，提高功率极限，实现改善系统暂态稳定性的目的。

6 结论

本文对基于VSC的动态可控的相间功率控制器改善系统暂态稳定性进行了理论分析与研究，得出以下结论：

(1)建立的联络线功率与DCIPC参数关系的表达式说明，在一定范围内调节IPC的电感、电容参数，可以提高线路传输功率极限，有利于改善系统稳定性。

(2)VSC引入的注入电压直接影响DCIPC电感、电容支路移相角，而此移相角与功率传输极限相关。对于调谐型DCIPC，减小其等值电抗，或在电抗值一定的情况下使DCIPC移相环节向左或向右移相并满足其相应控制范围，能够提高传输功率极限，进而改善系统的暂态稳定性。

(3)基于PR控制设计了VSC控制器，并将其应用到DCIPC调节控制移相角度，改善系统稳定性。仿真分析表明与传统的PI控制方式相比，在短路故障切除后，系统摇摆曲线的幅值降低，达到稳定的时间缩短，具有更好的控制特性，对于利用DCIPC改善系统稳定性起到更好的作用。

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Analysis of enhancing transient stability of power system with DCIPC based on VSC

LI Juan1， WANG Wei-yu1， CHEN Jing-yi1， LU Sha-ou1， YAN Yu-xin2

(1. School of Electrical Engineering， Northeast Dianli University， Jilin 132012， China；2. State Grid Liaoning Chaoyang Power Supply Company， Chaoyang 122000， China)

According to the basic working principle and characteristics of voltage source converter (VSC) and interphase power controller (IPC), by replacing the phase shifter of IPC with VSC, by replacing the inductance branch of the controller with TCR, and by replacing capacitor branch with TCSC, a dynamically controlled interphase power controller is constituted. Based on the principle and structure of DCIPC, the relationship between the injected voltage of VSC and the transmission power in the line is constructed. The paper analyzes the power-angle characteristic curve of a simple system with IPC and without IPC and illustrates the mechanism with which the system’s transient stability can be improved by DCIPC. It identifies the parameters range to improve the system’s stability. The proportional-resonant controller is designed for the phase shifting link, in which DC voltage is in the outer loop and output current is in the inner loop. A simplified system model with DCIPC is constructed in line to make a simulation, and the effectiveness of the controller is verified.

voltage source converter； dynamic controlled interphase power controller； PR controller； transient stability

2015-07-04

李 娟 (1972-)， 女， 山东籍， 教授， 博士， 主要研究方向为电力系统运行控制及FACTS研究; 王维羽 (1988-)， 男， 吉林籍， 硕士研究生， 主要研究方向为电力系统运行控制及FACTS研究。

TM76

A

1003-3076(2016)06-0036-08