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图1 现代电网控制系统分级特点示意图
Fig. 1 Scheme of the hierarchical acteristic of control systems in modern power system
其中,元件级控制器主要包括发、输、变、用电各环节中关键单一元件的控制器,包括发电机、变压器、晶闸管、负荷等的控制器,其主要目的和定位是实现关键元件自身某方面的单一或综合控制功能。设备级控制器则主要指由若干元件集成的较复杂的设备的高级控制器,如FACTS设备、HVDC工程、智能变电站的上层控制器等。
现有的元件级和设备级控制系统的功能定位是实现元件或集成设备自身的单一控制目标和功能,各种元件和设备通过交流电网这一介质来实现彼此之间的被动适应和自洽,缺乏来自系统全局角度的主动协调和趋优控制。
1.2 电力系统的控制系统从“二次”向全局智能协调的演化
以上所述这些用于实现本体设备自身功能的控制系统一般称之为“二次”系统。以区别于“一次”本体设备。但值得指出的是,虽然这些“二次”系统是针对各个设备所独立设计的,但是接入电网后一般都能够平稳运行,具有较好的适应性。分析其原因主要有如下两个方面:
(1)“二次”系统设计时一般把本体设备与交流电网接口处的电压等电气量作为边界接口变量,接口变量较为明确和单一,设备对电网的适应性较好。
(2)这些“二次”控制系统通过接入交流电网这一较为“柔性”的介质来实现天然的、被动的协调自洽。交流电网的“柔性”体现在同步电机的惯性、网络方程的线性等方面。
但是,被动协调的“二次”系统不是主动协调的趋优系统,会存在如下问题:
(1)设备控制对系统强度的依赖和支撑问题。
新能源发电一般通过电力电子设备接入电网,与同步机工作机制不同,它不是有效的独立电压源,而是一个受控电流源,对外部电网系统的依赖度很高,但支撑性很弱。具体来说,新能源电源需要外部电网提供较强的并网电压,新能源电源对此电压进行锁相并对电网产生一个受控的注入电流,以达到输出指定功率的控制目标。而传统的同步发电机则是一个具有不可突变内电势的独立电压源,且其电角速度具有很大的惯性,其输出电流则由外部网络决定,所以传统同步机对外部电网的电压支撑性很强,同时其抗扰性也很强,其内电势可以在扰动前后保持不变,外部网络的扰动都体现在输出电流的变化上。因此,随着电力电子并网电源占比上升和旋转同步电机占比下降,同步电网的强度和支撑性都在逐渐减弱,对新能源发电接入的承载能力也在逐渐下降。
(2)元件和设备级控制与系统级控制的协调问题。
现代电网的电力电子设备日趋增多,电力电子设备本质上是基于波形瞬时值控制的装置,但是为了较好地接入交流电网,往往需要将设备的外特性表现为工频相量有效值(滤波器除外),即底层瞬时值控制需要与上层有效值目标之间进行协调。如果协调不好,往往带来谐波超标、锁相环时滞、超同步及次同步谐振以及其他更严重的问题,当电力电子设备的容量和数量达到一定规模时,这些问题将更加突出。
(3)设备控制目标与系统安全的协调问题。
设备的“二次”系统一般倾向于保持本体设备的功能特性要求,这可能会对系统带来正反馈不稳定的负面影响。如具有自调节能力的现代负荷的恒功率控制器在边界母线电压下降时,为了保持负荷的恒功率会试图按电压的平方减小负荷的等值阻抗,而这反过来将会引起负荷母线电压的进一步下降。与之相比,传统的白炽灯、电阻丝等恒阻抗负荷则像交流电网一样具备较好的“柔性”,即负荷功率随着母线电压下降而下降。
(4)设备功率控制目标与系统供给和消纳能力的协调问题。
新能源发电的功率控制目标是追踪最大出力(maximum power point tracking,MPPT),具有间歇性、随机性的特点;电动汽车负荷的功率控制也具备时空随机性和间歇性的特点。对这些设备来说,所接入的电网就是一个无穷大系统,它们只需要把目标功率注入和抽取即可,而其实由此带来的功率不平衡都需要靠网内其他机组的调峰和备用来解决,随着新能源以及电动汽车的飞速发展,这一协调问题越来越突出。
针对以上问题,随着先进信息通信技术的发展,以及系统理论研究的不断深入,对网内各种已有控制系统进行主动的协调优化显得越来越重要,即传统的“二次”控制系统需要向智能协调控制系统演化。该系统的特征是基于先进的信息通信和数据挖掘技术,实现全局可观、分层分散协调控制,目的是从系统全局角度出发,构建多层级主动相互协调的自趋优智能控制系统。
鉴于现代电网中高压(特高压)直流输电的比重逐渐增加[2-5],传输的功率越来越大,电压等级也越来越高,而且高压直流输电的控制保护系统非常复杂,因此高压直流输电在现代电网的智能协调控制体系中占有重要地位,下面以高压直流输电为例,分析说明直流设备级“二次”控制系统对电网安全稳定的影响,以及直流“二次”控制系统主动参与系统级的智能协调控制对电网安全稳定性的提升作用。
1.3 高压直流输电系统将在未来电网控制体系中发挥重要作用
高压直流输电因其调控范围广(距离远)、调控力度大(容量大),将在未来智能电网控制体系中发挥重要作用,本节以高压直流输电系统为例,阐述设备控制对电网安全稳定性正反两方面的影响。
高压直流输电为大型能源基地的大容量、远距离送出提供了有效的技术手段,但也给交直流混合电网的安全稳定性带来了如下挑战:
(1) 为保护换流阀等关键设备,直流线路故障和换流阀故障都有可能导致直流闭锁。现有的特高压直流输送容量一般为8000~12000 MW,因此在交直流混联电网中,直流闭锁会给交流电网带来较大的有功功率盈缺冲击,将会引起送受端系统内的潮流重新分布以及频率、电压等问题,严重时将引起系统稳定破坏;在交直流并联系统中,直流闭锁会给并联的交流电网带来较大的有功潮流转移冲击,可能引起并联交流系统的稳定破坏,影响范围大,一般需要采取相应的安全稳定控制措施。
(2) 基于LLC(电流源型换流器)的高压直流输电技术,需要受端交流电网提供足够的换相电压,因此需要从两侧交流系统吸收大量的无功,而且在换相失败后的功率恢复过程中从交流系统吸收的无功功率将更多,从而引发电压稳定问题。多馈入直流之间的电气距离短、相互影响大,因此多馈入直流系统的电压稳定问题将更加突出。
(3) 在直流换流站附近的交流系统短路故障,可能会导致直流系统换相失败,从而导致直流输送功率受阻。与直流闭锁不同的是,如果直流换相失败持续的时间不够长,将不会导致直流闭锁。但在直流换相失败期间,直流的输送功率已经受阻,相应的潮流转移和功率盈余已经发生,将会导致送受端系统电压、潮流和频率的波动,严重时可能带来进一步的连锁反应。
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