电力电子并网装备多尺度切换控制与电力电子化电力系统多尺度暂态问题
发布时间：2021-12-11
摘要：构建基于电力电子变换技术的高效可持续电力系统是实现我国一次能源结构清洁化转型的重要支撑。该形势下，电力系统发电、输配电、用电等各个环节的关键装备正由以同步发电机为代表的传统电磁变换装备向电力电子变换装备的规模化替代，深刻地影响着电力系统的暂态行为。近年来，国内外电网连续出现不明机理的暂态事故，严重威胁了电力系统安全稳定运行。该文从节点装备暂态特性与电力系统暂态过程特征的一般关系出发，归纳普遍存在于电力电子变换装备的暂态控制保护架构，总结对电力电子变换装备暂态特性以及电力电子化电力系统暂态过程特征的基本认识，凝练电力电子化电力系统多尺度非线性暂态问题分析的基本挑战与初步研究思路。
关键词：电力电子化电力系统;多尺度暂态过程;暂态扰动;级联控制;序贯切换保护;串并行作用
0 引言
风光可再生能源规模化开发、远距离输送及高效利用是我国能源清洁化转型的重要抓手[1-2]。随着大规模可再生能源发电、超/特高压直流输电、柔性交流输电系统(flexible AC transmission system， FACTS)及交流变频传动负荷的快速发展，电力系统正经历着发电、输配电及用电等各个环节核心电力装备的电力电子化变革[3]，这是电力系统历史上的一次重要变化，设备制造和系统运行面临新的挑战。尤其是源网荷电力电子化装备大规模的取代以同步/异步发电机为代表的电磁变换装备之后，短路故障等大扰动事件下系统暂态过程受电力电子化装备暂态特性影响的机理不明，长期形成的关于暂态稳定和继电保护等方面的基础理论和关键技术可能面临失效的风险。因此，电力系统中物理对象取代提出了对新型电力系统暂态问题的基础理论和关键技术创新研究的迫切需求。
传统电力系统中，同步发电机等电磁变换装备在一次调频尺度内的暂态特性主要决定了电力系统的机电、电磁暂态物理过程[4-5]，并形成了传统电力系统电磁、机电暂态过程分析(电力系统故障分析、暂态稳定分析)的核心内容[6]。而在电力电子化电力系统中，源网荷电力电子变换装备与传统电磁变换装备的暂态特性存在显著差异，即暂态扰动事件下电力电子变换装备需要依赖辅助的控制与保护电路以保障装备内各能量存储元件及功率半导体器件的安全。电力电子变换装备的这种受控暂态特性将直接主导其规模化应用后电力系统的暂态过程规律，进而影响新一代电力系统的安全稳定运行[7-8]。
围绕电力电子化电力装备及系统暂态的相关问题，国内外学术界、工业界开展了初步研究。在电力电子装备暂态特性的建模分析方面，针对系统数值仿真建立了详细的电磁暂态模型[9]，此外分别面向电力系统短路故障应力和暂态稳定分析建立了简化的仿真分析模型[10-13]与解析分析模型[14-16]。在电力电子化电力系统暂态响应研究方面，针对短路故障期间电力电子变换装备故障电流对系统常规继电保护的影响进行了分析，并发现了保护误动作现象及初步抑制措施[17-19];针对电力电子变换装备接入后的系统暂态稳定性问题，总结了不同控制下电力电子变换装备自身的稳定问题[20-21]及其对同步发电机一摆稳定[22-24]和振荡[25-26]的影响规律。然而，据作者所知，上述已开展工作仍存在以下局限性亟待突破解决：
1)装备故障暂态特性建模的机理性及统一性不足。现有装备故障暂态建模方法均基于其原始结构，针对不同类型装备建立的多样化模型缺失对输入/输出与状态间因果关系的机理共性认识，不同类型装备，不同模型结构的建模思路使电力电子化电力系统的暂态过程分析极为复杂。
2)电力电子化电力系统暂态问题研究的体系性不足。现有的暂态问题研究均针对特定的系统场景，缺少对整个问题统一的概念抽象、认识理论、分析方法及应用技术，难以建立从电力电子装备暂态特性至电力电子化电力系统暂态过程机理的认识与分析体系。
针对上述研究背景及现状，本文系统地归纳系统暂态扰动事件下电力电子变换装备的控制保护基本架构，基于典型运行场景及不同扰动事件下简单系统暂态过程特征的数值分析，总结对电力电子变换装备暂态特性、电力电子化电力系统暂态过程机理的基本认识，归纳电力电子化电力系统暂态问题分析的基本挑战，并提出初步研究思路。
1 电力电子变换装备控制保护的基本架构
1.1 电网故障扰动下电力电子变换装备的多尺度级联控制及序贯切换保护
不同于以同步发电机为代表的电磁变换装备，电力电子装备采用功率半导体及其调控技术实现机电功率控制和机电能量转化，以典型风力发电机组为例，其内部包含了机械转子、直流电容、交流电感等载体形式不同、容量大小不一的各类能量存储元件[3]。在不同程度及持续时间的电网故障扰动下，为确保功率半导体器件及上述载体形式不同、容量大小不一的多种能量存储元件均稳定运行在安全应力范围内，电力电子变换装备控制与保护结构呈现出多尺度级联与序贯切换的基本特征。
在电网故障扰动程度较浅时，电力电子变换装备仅依靠常规控制即可实现多种能量存储元件状态的调节，其有功、无功功率控制具有多尺度级联的特征[27-28]，即均包含多个不同带宽的控制环路彼此级联形成的结构。以双馈风机为例，其典型常规控制结构及其对程度较浅电网故障扰动的响应时间尺度范围如图 1 所示[16]。有功功率控制方面，设置转子转速控制器、直流电压控制器及转子侧/网侧变换器交流电流有功分量(简称有功电流)控制器;无功功率控制方面，设置无功功率控制器、端电压控制器及转子侧/网侧变换器交流电流无功分量(简称无功电流)控制器。此外，针对电网不对称故障扰动，转子侧/网侧变换器还专门设置负序电流控制器[29]。一般而言，有功、无功电流控制尺度较快，直流电压控制及端电压控制尺度居中，转速控制及无功功率控制时间尺度较慢。端电压锁相坐标系下转子侧变换器内电势有功分量的动态过程由级联的转速控制及转子侧有功电流控制驱动(转速控制输出与有功电流指令间有不同级联结构)，其无功分量的动态过程由级联的无功功率控制、端电压控制及转子侧无功电流控制所驱动;端电压锁相坐标系下网侧变换器内电势有功分量的动态过程由级联的直流电压控制及网侧变换器有功电流控制所决定，其无功分量的动态过程由网侧变换器的无功电流控制所决定(通常设定为单位功率因数)。
在电网故障扰动程度较深时，电力电子变换装备仅依靠常规控制不能实现多能量存储元件状态的调节，需借助暂态控制与保护电路的切换约束多种能量储存元件及半导体器件应力并完成并网导则要求，其暂态控制保护结构具有多尺度序贯切换的特征[3,14]。同样以双馈风机为例，其典型暂态控制保护结构及其对程度较深电网故障扰动的响应时间尺度范围如图2所示[16]。为维持机械转子转速、直流电容电压及转子侧/网侧电感电流在安全应力范围之内，在电网发生程度较深的故障后，首先引起发电机/网侧变换器滤波电感电流的快速上升，为保护功率半导体器件免受过流损坏，Crowbar 硬件保护电路及正负序电流与锁相控制中的暂态矫正穿越控制算法快速使能;其后，功率不平衡进一步引起直流电容电压快速上升，为保护直流电容及功率半导体器件免受过电压击穿损坏且确保电力电子变换装备向电网持续提供支撑，Chopper 硬件保护电路与去磁、无功注入等决定正负序电流指令的暂态控制算法使能，转速控制与转子有功电流控制环节断开;随着故障扰动时间持续，功率不平衡将导致转子转速上升，为防止风力机过速，紧急变桨控制算法甚至硬件刹车制动动作。故障切除后，转子侧变换器无功电流重新切换到故障前的端电压控制，其有功电流指令先爬坡至故障前稳态值附近，然后切换到转子转速外环控制，有功/无功环节调节恢复至如图 1 所示的正常/浅度故障下多尺度级联控制结构。
以上基于双馈风机描述了电力电子变换装备在电网不同故障场景下的一种多尺度级联控制及序贯切换保护结构。事实上，机电转子及其对应尺度控制、直流电容及其对应尺度控制、交流电感及其对应尺度控制等多尺度级联控制架构也多普遍存在于直驱风机、变频调速驱动、FACTS 等发电、输电及用电环节的电力电子变换装备中[30-32]。当电网故障程度较深时，转子转速尺度、直流电压尺度及交流电流尺度的辅助控制/电路切换保护策略是确保电力电子变换装备能量存储元件及半导体器件安全的必要手段，也普遍存在于采用电压源型、电流源型等不同电路拓扑结构的发电、输电和用电并网装备中[30-32]。因此，多尺度级联及序贯切换的控制与保护结构在电力电子变换装备中具有普遍性。
1.2 电网多类型暂态扰动事件与电力电子变换装备多样化暂态特性
与此同时，随着电力电子变换装备的规模化应用，电力系统中除存在短路/开路故障发生、切除、重合闸等典型故障扰动事件外，还广泛存在不同严重程度及持续时间的多类型暂态扰动事件[33]，如图 3 所示。根据是否引起电力电子变换装备硬件保护电路及暂态控制算法的切换动作，可分为浅度与深度扰动;根据是否引起电力电子变换装备不同时间尺度的控制与保护策略的序贯动作，可分为短时、中时、长时扰动。譬如当电网发生浅度故障至故障被速动保护快速清除期间，电力电子变换装备的暂态特性由交流电流控制主导;而当电网发生浅度故障直至故障被后备保护清除期间，电力电子变换装备的暂态特性由各个尺度能量存储元件及其对应级联的控制主导;而当电网发生深度故障直至故障被后备保护清除期间，电力电子变换装备的暂态特性由多尺度序贯切换的控制、保护电路主导。由此可见，迥异于同步发电机等常规电磁变换装备，电力电子变换装备的暂态特性与电网暂态扰动事件的严重程度、持续时间具有强相关性，呈现多样化的基本特征。
2 简单电力电子化电力系统暂态过程及特征的数值分析
本节通过对典型运行场景下简单系统暂态过程的数值分析，初步说明不同类型暂态扰动事件下系统暂态过程的现象与特征、及其与装备各个尺度控制/保护环节的相互联系。
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拟分析系统结构以及典型运行工况如附录 A、 B，以三相对称短路故障扰动为例，对装备内电势、输出瞬时有功/无功功率及直流电压/转子电流进行对比分析与规律总结，结果如图 4 所示。
如图 4(a)所示，不同电压跌落深度下，因双馈风机控制和保护策略动作逻辑不同，使得暂态响应的形式不同。浅度跌落下(跌落至 0.9 pu)，输出瞬时功率小幅扰动且直流电压/转子电流等状态未超过切换动作限值，装备内电势在常规控制策略下调整至新的工作点附近。深度跌落下(跌落至 0.4 pu)，输出瞬时功率大幅扰动且直流电压/转子电流等状态剧烈振荡并超过切换动作限值，触发 Crowbar、无功注入等控制/保护动作，因 Crowbar 频繁投切导致内电势、直流电压/转子电流等状态剧烈振荡，因无功注入等控制动作导致输出功率的工作点大幅偏移。
如图 4(b)所示，不同电压跌落持续时间下，因双馈风机控制/保护策略动作时序不同，双馈风机经历的暂态阶段不同。电压跌落持续 25 ms 时，电压跌落过程中仅有 Crowbar 等交流电感尺度环节触发动作，分别由 Crowbar 保护、电压恢复控制主导的暂态阶段难以明确区分且不存在无功电流注入主导的阶段。电压跌落持续 400 ms 时，装备内部 Crowbar/无功电流注入等不同尺度的暂态控制/保护依次动作，即双馈风机电压跌落初期的暂态过程由 Crowbar 保护主导，电压跌落后期的暂态过程由无功注入等暂态控制主导，电压恢复后的暂态过程则由恢复控制主导。
如图 4(c)所示，因双馈风机的交流电流控制尺度、直流电压控制尺度以及转子转速控制尺度带宽跨度较小，使得双馈风机交流电流控制尺度动态影响该装备更慢尺度的暂态响应过程，同装备不同尺度之间影响明显。在不同电流环控制参数下，装备内电势、输出瞬时功率和直流电压/转子电流中由锁相控制动态主导的 3Hz 左右慢尺度动态的收敛速 。
5 结论
电力电子变换装备具有独特的多尺度级联与序贯切换的控制与保护基本架构，其暂态特性呈现出与系统扰动程度及尺度强相关的多样化基本特征，且与网络耦合下装备间多尺度串并行暂态相互作用机制共同构成了主导电力电子化电力系统暂态过程的关键因素。多尺度/非线性/断续切换/高阶等是电力电子化电力系统暂态问题分析的基本挑战，装备及网络多尺度暂态模型的构建、特性数学化/物理化表达是基本手段，典型场景的机理化仿真分析、简化系统的解析分析是基本思路。通过电力电子化电力系统暂态问题研究，以期提出并发展多尺度非线性切换动力系统分析一般化理论与方法。——论文作者：胡家兵，袁小明，程时杰
参考文献
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