接入IPC的聯(lián)絡(luò)線并網(wǎng)啟動(dòng)分析

接入IPC的聯(lián)絡(luò)線并網(wǎng)啟動(dòng)分析

劉修寬, 蔣維勇, 李　娟, 紀(jì)延超, 柳　焯

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系, 哈爾濱 150001)

　　摘　要: 對(duì)IPC接入電網(wǎng)并聯(lián)瞬間的啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了相量分析，推導(dǎo)了并網(wǎng)前發(fā)生諧振時(shí)各電網(wǎng)參數(shù)與IPC參數(shù)之間的關(guān)系式。模擬東北、華北電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線接入IPC并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行前后的端口電壓、聯(lián)絡(luò)線電流和IPC電感、電容兩端電壓和電流狀態(tài)進(jìn)行了仿真。詳細(xì)分析比較了選取不同IPC參數(shù)時(shí)，對(duì)并網(wǎng)前串聯(lián)諧振問題的抑制程度，提出了一種并網(wǎng)運(yùn)行的方案。仿真結(jié)果表明，可以抑制串聯(lián)諧振，同時(shí)滿足電網(wǎng)互聯(lián)要求。
　　關(guān)鍵詞: 靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS); 相間功率控制器（IPC）; 電網(wǎng)互聯(lián); 相量分析; 串聯(lián)諧振

　

Merging Startup Analysis of the Tieline Equipped wi th IPC

LIU Xiukuan, JIANG Weiyong, LI Juan, JI Yanchao, LIU Zhuo

(Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

　　Abstract: In this paper, the instant startup state of network merging is analyzed by vec tor analysis, and the relationship formula between the network and IPC parameter s when the syntony happens before merging is provided. By simulating the merging operation of northeast and north network with IPC equipped on the tieline, th e electric quantities before and after merging such as port voltage of network a nd tieline current, the port voltage and current of IPC inductance and conduct ance were simulated. A new scheme of merging startup operation is presented by comparing the restraining levels of resonance with different IPC parameters. Th e results show that it can effectively control resonance and meet the request of network interconnection.
　　Key words: FACTS; IPC; interconnection of power system; vect or analyze; syntony in series

　

1前言
　　大電網(wǎng)互聯(lián)是電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，也是國(guó)家電力主管部門的目標(biāo)之一，提高安全性、可靠性是大電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流調(diào)控手段與電力電子技術(shù)相結(jié)合，出現(xiàn)了靈活交流輸電系統(tǒng)FACTS設(shè)施的研究，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的潮流控制技術(shù)注入了新的活力。
　　相間功率控制器（IPC）是一種復(fù)合聯(lián)接的輸電型FACTS控制器，該裝置的設(shè)計(jì)是利用將兩個(gè)不同相的端點(diǎn)經(jīng)電感、電容聯(lián)接后，再?gòu)闹虚g出線，從而產(chǎn)生控制線路潮流的效果。調(diào)節(jié)感抗或容抗，可以對(duì)IPC所連接線路上的有功和無功功率進(jìn)行控制。我國(guó)在IPC接入電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行問題上作了一定研究，文［1］借助PV曲線解析式求取戴維南等值參數(shù)，對(duì)復(fù)雜電網(wǎng)進(jìn)行等值簡(jiǎn)化，便于聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算分析；文［2］對(duì)相間功率控制器進(jìn)行了電路解析；文［3］將IPC自身電抗器和電容器參數(shù)與送端和受端電網(wǎng)參數(shù)綜合起來考察它們總體對(duì)IPC運(yùn)行狀況的影響，詳細(xì)分析了在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)IPC參數(shù)和端口電壓、聯(lián)絡(luò)線電流和IPC元件兩端電壓和電流之間的關(guān)系，同時(shí)指出在聯(lián)絡(luò)線開路情況下，可能發(fā)生串聯(lián)諧振，導(dǎo)致電網(wǎng)端口電壓及電容器、電抗器兩端過電壓；文［4］對(duì)調(diào)諧型相間功率控制器潮流調(diào)節(jié)能力進(jìn)行了分析。
　　本文針對(duì)IPC接入電網(wǎng)并聯(lián)瞬間的啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了相量分析，推導(dǎo)了并網(wǎng)前發(fā)生諧振時(shí)各電網(wǎng)參數(shù)與IPC參數(shù)之間的關(guān)系式。詳細(xì)比較分析了選取不同IPC參數(shù)時(shí)，對(duì)并網(wǎng)前諧振問題的抑制程度。假設(shè)在東北綏中、華北姜家營(yíng)的聯(lián)絡(luò)線上裝設(shè)相間功率控制器IPC，針對(duì)東北、華北電網(wǎng)接入IPC并網(wǎng)運(yùn)行進(jìn)行了仿真，提出了一種并網(wǎng)運(yùn)行的方案。

2機(jī)理及相量分析
　　圖1中，A、B、C是一個(gè)三相電源的三個(gè)端點(diǎn)，這個(gè)三相電源是控方電網(wǎng)的等值電源。該三相電源的外圍，按一定規(guī)則連接著三個(gè)電感元件和三個(gè)電容元件，它們構(gòu)成相間功率控制器IPC的主體。三相電源和相間功率控制器形成一個(gè)出端為A^′、B^′、C^′的控方有源三端網(wǎng)絡(luò)。其中
　http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114187373.jpg" width=377 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

    http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114187467.jpg" width=377 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

　　為了便于分析，假設(shè)F_L和F_C的模值相等，即f_L=f_C=f,則有F_L+F_C=0。
　http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114187605.jpg" width=377 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
　　由圖_{http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114187905.jpg" width=41 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>}相量圖和公式（9）可以看出，并網(wǎng)運(yùn)行前，聯(lián)絡(luò)線開路情況下，當(dāng)滿足條件F_L+F_C=0時(shí)，將發(fā)生串聯(lián)諧振，端口電壓_{http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188753.jpg" width=32 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>}幅值為送端電壓E_A的_{http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188930.jpg" width=52 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>}倍，相位落后角度為送端電網(wǎng)的等值阻抗角θs。

  http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188326.jpg" width=258 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

　　含相間功率控制器的控方有源三端網(wǎng)絡(luò),當(dāng)其三相等值電動(dòng)勢(shì)和各相等值阻抗得出以后,可以通過聯(lián)絡(luò)線將該有源三端網(wǎng)絡(luò)與對(duì)側(cè)系統(tǒng)的等值三相電源聯(lián)接起來，形成簡(jiǎn)化電路，假設(shè)三相電路對(duì)稱，可得單相等值電路如圖3所示。

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http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188432.jpg" width=258 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

　http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188257.jpg" width=368 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
設(shè)控方主導(dǎo)系數(shù)http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188373.jpg" width=96 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>，為保證控方主導(dǎo)有效性，一般取控方主導(dǎo)系數(shù)K＞3 ，則有(f²/3-
　http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188980.jpg" width=368 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

3并網(wǎng)運(yùn)行啟動(dòng)狀態(tài)分析
　　假設(shè)東北電網(wǎng)選取綏中節(jié)點(diǎn)，華北電網(wǎng)選取姜家營(yíng)節(jié)點(diǎn)為聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行戴維南 等值參數(shù)計(jì)算。電壓基準(zhǔn)值VB取為220kV，視在功率基準(zhǔn)值SB取為100MVA（本文中未注明單位均采用標(biāo)幺值）。東北電網(wǎng)綏中節(jié)點(diǎn)通過聯(lián)絡(luò)線向華北輸送有功功率6.0，輸送無功功率1.2，對(duì)東北電網(wǎng)進(jìn)行戴維南等值參數(shù)計(jì)算，得到等值電勢(shì)E_eq1為1.108 988，等值電抗幅值Z_eq1為0.038 262，等值電抗角度F_eq1為79.370 24°。華北電網(wǎng)姜家營(yíng)節(jié)點(diǎn)從聯(lián)絡(luò)線接收有功功率6.0，接收無功功率1 .2，對(duì)華北電網(wǎng)進(jìn)行戴維南等值參數(shù)計(jì)算，得到等值電勢(shì)E_eq2為1.053 796，等值電抗幅值Zeq2為0.034 969，等值電抗角度Feq2為78.520 365°。  
　http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188893.jpg" width=337 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

　　根據(jù)公式（12）至（15），其中V_B為電壓基準(zhǔn)值，S_B為功率基準(zhǔn)值，Z_B為電抗基準(zhǔn)值，I_B為電流基準(zhǔn)值，可以按基值算有名值，東北電網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)為 239.75kV，電阻值為3.416Ω，電抗值為 0.057 96H。華北電網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)為233.72kV，電阻值為3.368 5Ω，電抗值為0.052 82H。為了保證聯(lián)絡(luò)線潮流滿足功率輸送要求，同時(shí)保證控方主導(dǎo)有效性，取K值為4，計(jì)算IPC電抗器值為0.408 6H，電容器值為2.4823E-5F。
　　根據(jù)上述參數(shù)對(duì)東北、華北電網(wǎng)接入IPC互聯(lián)進(jìn)行了數(shù)值仿真。圖5、6分別為并網(wǎng)前后東北電網(wǎng)綏中節(jié)點(diǎn)端口電壓波形和電流波形，在t_S為0.1s時(shí)，東北、華北電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線并網(wǎng)。IPC電抗器和電容器兩端電壓和電流波形與其相近。顯然，在并網(wǎng)前，由于串聯(lián)諧振，造成端口電壓、電流過高，為正常運(yùn)行的K倍。同時(shí)，由于諧振導(dǎo)致電抗器、電容器兩端電壓過高，對(duì)元器件損害較大，不利于長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

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http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188821.jpg" width=318 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

4并網(wǎng)啟動(dòng)IPC參數(shù)調(diào)整
　　分別適當(dāng)調(diào)整電抗器、電容器值，避開串聯(lián)諧振點(diǎn)，保證在電網(wǎng)并網(wǎng)前東北電網(wǎng)端口電壓、電流和IPC電抗器、電容器兩端電壓不至于過高。并網(wǎng)成功后，再根據(jù)聯(lián)絡(luò)線傳送功率要求，調(diào)整電抗器、電容器數(shù)值。
　　根據(jù)式（1）、（16）、（17）計(jì)算V_A′O、V_C、V_L。 http://www.hnygpx.net/article/UploadPic/2009-5/200952114188957.jpg" width=330 border=0 onload="return imgzoom(this,600);" onclick="javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>
　　表1為電感值0.408 6H保持不變，調(diào)整電容器參數(shù)的計(jì)算結(jié)果；表2為電容恒為2.482 3E-05F保持不變，調(diào)整電抗器參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

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　　綜合考慮端口電壓、電容器和電抗器兩端電壓，當(dāng)電抗器值為0.408 6H，電容器 值為4.4823E-5F時(shí)，V_A′O為373.199 2kV，V_C為262.258 7kV、V_L為474.0551kV， 大電壓V_C僅為正常運(yùn)行時(shí)E_A的1.0939倍，遠(yuǎn)小于發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)的3.99倍。并網(wǎng)啟動(dòng)效果比較理想，避開了串聯(lián)諧振點(diǎn)。仿真結(jié)果如圖7、8、9所示。

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　　圖7、8、9中，在t_S為0.1s時(shí)東北、華北電網(wǎng)通過聯(lián)絡(luò)線并網(wǎng)，在t_S為0.3s時(shí)切除部分電容器以滿足聯(lián)絡(luò)線傳送功率要求。可以看出，在并網(wǎng)運(yùn)行和電容器投切時(shí)刻，在端口和電抗器、電容器兩端存在瞬間過電壓，該暫態(tài)過程可以通過將電容投切時(shí)間選擇在電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻，控制電力電子開關(guān)元件開通時(shí)間和次序等電力電子控制技術(shù)進(jìn)行抑制。
　　通過上述分析，可以得到一種并網(wǎng)啟動(dòng)方案。先通過東北、華北電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出并網(wǎng)前IPC參數(shù)的諧振點(diǎn)，選取合適的電容器、電抗器參數(shù)，以避開諧振點(diǎn)，然后通過聯(lián)絡(luò)線并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后，再適當(dāng)調(diào)整IPC參數(shù)，達(dá)到聯(lián)絡(luò)線輸送功率要求。再根據(jù)輸電功率和兩側(cè)電網(wǎng)頻率差進(jìn)行調(diào)控。

5結(jié)語(yǔ)
　　通過對(duì)東北、華北接入IPC并網(wǎng)啟動(dòng)狀態(tài)的分析，指出并網(wǎng)時(shí)發(fā)生串聯(lián)諧振的問題。通過機(jī)理和向量分析對(duì)諧振電壓和電流之間的關(guān)系進(jìn)行了推理，得到在并網(wǎng)運(yùn)行前，端口諧振電壓為東北電網(wǎng)戴維南等值電勢(shì)的K倍。
　　根據(jù)東北、華北電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，分別調(diào)節(jié)IPC電抗器和電容器值，計(jì)算并網(wǎng)前東北電網(wǎng)端口和電容器、電抗器兩端電壓。分析查找相關(guān)參數(shù)，得出并網(wǎng)啟動(dòng)前IPC參數(shù)，通過調(diào)整IPC參數(shù)，可以避開串聯(lián)諧振點(diǎn)。
　　仿真結(jié)果驗(yàn)證，滿足電網(wǎng)并網(wǎng)啟動(dòng)要求，對(duì)實(shí)際并網(wǎng)啟動(dòng)運(yùn)行具有理論指導(dǎo)意義。此分析結(jié)果也同樣適用聯(lián)絡(luò)線斷路情況，在調(diào)控中應(yīng)引起充分重視。

參考文獻(xiàn)
 

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