摘要：随着柔直基础理论深入研究及工程应用出现的问题，科研人员逐步揭示了柔直控制系统相关参数，例如锁相环(phase-lockedloop，PLL)、内外环、环流抑制，对柔直阻抗特性及稳定性的影响，然而上述影响的研究主要集中在低频段，对柔直高频段的影响研究少有文献报道。柔直工程在新能源接入、城市供电、大电网互联等应用方面已经出现了次同步振荡、中频振荡和高频振荡现象。
关键词：柔性直流输电；谐振；抑制
前言
未来，柔性直流输电的技术必将在可再生能源并网、孤岛供电、城市电网供电、交流电网互联，汽车充电桩等应用领域得到更高更快的发展，同时随着柔性直流设备成本将不断下降，柔性直流输电在城市电网的应用也将成为可能。
1直流输电系统典型应用场景
1.1点对点跨区域输电
点对点跨区域输电是目前高压直流输电的最主要应用场景。这种场景的主要特点为：
①通常需要远距离输送大功率，交流线路无法有效地实现这个目的，只能通过高压直流输电系统；②直流系统送受端通常位于不同的交流电网；③通常潮流从整流侧流向逆变侧，一般不会出现潮流反转的现象。
1.2非同步电网背靠背互联
非同步电网背靠背互联是高压直流输电的主要应用场景之一。背靠背直流输电的主要功能是实现异步联网、不同交流电压间的联网和在大范围交流电网联网时起“隔离”作用，达到控制联络线功率、限制短路电流和故障水平、提高原有交流系统稳定性的目的，从而提高整个电网安全稳定运行水平，可以分为3类。
1）系统间异步联网。目前世界上电力系统采用50Hz和60Hz两种频率，当不同频率的电网靠近而需要互联时，采用背靠背直流是最为简便和理想的办法，多年来也是首选措施。美国的Highgate、Blackwater等背靠背直流均属此类。
2）不同交流电压电网互联。位于加拿大魁北克蒙特利尔的Chateauguay站既是异步电网互联，又起到不同交流电压电网互联的作用（加拿大侧交流电压315kV，美国侧交流电压120kV）。
3）大范围交流电网联网时起“隔离”作用。印度的Vindhyachal站既有异步联网的需要，同时也将印度北部电网与西部电网“隔开”，起到控制联络线功率、限制故障扰动范围、优化水火电运行和提高现有电网稳定水平等作用。
非同步电网背靠背直流系统的主要特点为：①背靠背直流系统没有直流线路，它将送端换流站和受端换流站建在一处；②由于没有直流线路，背靠背直流系统的直流电压不像常规直流系统那样由输送功率和输电距离优化得出，而是根据输送功率和可控硅阀片的额定参数决定，因此背靠背换流站的直流电压一般都比较低；③由于通过大地的仅仅是不平衡电流，所以背靠背换流站不需要接地极，可利用换流站接地网兼作接地极；④无需直流滤波器、直流避雷器、直流载波通信等直流侧设备，平波电抗器亦可节省一半。
1.3大规模新能源送出
大规模新能源送出是未来高压直流输电的最主要应用场景，主要为大规模风电场送出和大规模光伏送出。在全球能源互联网中，大规模新能源送出的场景包括西亚太阳能向欧洲送电，北极地区风电基地向中国、韩国、日本送电等。这种场景的主要特点为：
①送端系统只包含新能源电源，不含同步机电源，因此送端系统为常规意义上的无源系统；②送端换流站不能采用常规直流输电技术，因为送端系统为无源系统，不存在换相电源，送端换流站必须采用电压源换流器，且运行在无源控制方式；③通常潮流从整流侧流向逆变侧，一般不会出现潮流反转的现象。
2柔直高频振荡特性分析
针对国内外实际柔直工程高频振荡的频率基本在2kHz以下，本文研究的频率只到2kHz。考虑到本文数学模型是基于dq旋转坐标系建立，稳定性判据需采用广义奈奎斯特方法。显然，交流系统阻抗矩阵能单独稳定运行，当连接理想电压源时只要不过分设计控制系统参数，MMC也能够单独运行。延时越大柔直输出阻抗矩阵的负电阻特性在某段频率范围内越大。有功功率和无功功率均为零，电压前馈采用400Hz带宽的一阶低通滤波器，线路长度118km。经研究发现，在这种工况下和控制系统架构及参数时，当延时达到165s时系统开始失稳，结合柔直站不同延时情况下的阻抗特性和线路特性可知，在350s延时下可能发生1850Hz左右高频振荡，在延时550s情况下可能发生720Hz左右高频振荡。
2.1运行功率对高频振荡特性的影响
以延时550us、电压前馈采用400Hz的一阶低通滤波器、无功功率为零为例分析不同有功功率(1pu、0pu、1pu)情况下柔直的高频振荡特性，可知，不同的运行功率水平下的，2个特征根截止频率也不同，说明柔直不同功率运行水平下发生高频振荡的谐振频率可能不同。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在550s延时，电压前馈采用带宽400Hz一阶低通滤波器的情况下，所研究系统在abc坐标系下的振荡频率初步预计约在700~800Hz范围。
2.2电压前馈环节对高频振荡特性的影响
本节将研究550s延时和有功功率0.5pu情况下电压前馈环节对柔直系统高频振荡特性的影响，与前文类似，不同前馈电压环节均影响了特征根曲线的截止频率，无电压前馈时候发生高频振荡的谐振频率会更低。
3柔直高频振荡抑制策略及验证
无论大功率还是小功率装置，均存在不同时间大小的延时，对于小功率来说，延时大小往往在150s左右，然而对于高压大容量的柔直系统来说，延时甚至高达650s。小功率装置，例如并网逆变器，之所以能较好地解决延时带来的高频振荡问题，主要有2点方面：一是本身延时较小，二是所接入的低压电网或实验室电源阻抗主要呈现阻感特性。柔直工程难以解决高频振荡问题反而与上述2点相反，即整体延时较大和长线路的分布电容效应。
3.1柔直工程所用的高频振荡抑制策略
柔直输出参考电压绝大部分是由电压前馈环节组成，只有小部分是电流内控制器调节输出。如果延时太大，可能使得某些频段范围内的高频谐波经过前馈之后发生相位反向，形成正反馈，导致高频振荡发生。如果能够在不影响故障穿越性能的前提下，对电压前馈环节进行优化，则可能在一定程度上抑制高频振荡现象。
3.2高频振荡阻尼抑制策略原理
根据阻抗原理，抑制振荡的思路分为2大类，一是使2个系统的阻抗幅值没有交点，二是使交点处的相位差小于180。由于交流线路存在多个阻抗极点，第1种思路不可能实现阻抗无交点，因此只能从第2个思路着手。考虑到电压前馈环节在形成柔直参考电压时占据主导地位，本文的高频振荡抑制策略在内环中实现，Fdamp阻尼控制环节，其表现形式是将前馈的电压瞬时值经过高频振荡阻尼控制器Fdamp之后与参考电流叠加，经电流内环调节之后叠加至参考电压中。
3.3高频振荡阻尼控制器参数设计
当柔直接入点的附近没有其它电力电子装置时，交流系统的相位角度一般在90范围内，根据阻抗理论，为了完美地抑制高频振荡，需要使柔直阻抗的相位也在90范围内，从而在任何与交流系统的交点处相位必定小于180。然而，该愿景比较理想，因为柔直本身在高频段呈现电感特性，相位一直趋近于90，这种在高频段呈现“负电阻电感”特性决定了高频振荡阻尼控制器难以使得柔直的阻抗相位被压缩在90范围内，很容易导致某一段频率仍然具有负电阻特性。因此，高频振荡阻尼控制器设计的思路是将柔直的负电阻频率范围压缩至交流系统的电感特性频率范围内，从而使得交点的频率小于180。
4结论
本文建立了柔直系统的高频数学模型，研究了相关因素对柔直高频阻抗特性的影响，提出了高振荡阻尼控制器，并进行了参数设计，结论如下：
1）柔直系统发生高频振荡的机理是换流站在某一高频范围内呈现“负电阻电感”特性与线路对应频段内电容效应之间的相互影响导致。
2）物理层面改善柔直阻抗特性可从降低系统整体链路延时、加装无源滤波器、增大交流系统强度、调整电网运行方式等角度进行考虑。
3）控制层面改善柔直阻抗可从对柔直站阻抗特性影响较大的电压前馈、锁相环、阻尼控制器等方面进行。
4）阻尼控制器参数设计的前提是需要以精确知道交流系统的阻抗特性变化范围为基础，改变阻尼控制器参数调整柔直阻抗会呈现“此消彼长”的现象，高频阻抗特性的协调调整相对于低频阻抗特性来说非常敏感。
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作者简介：
[1] 陈何成 （1992－），男，学士，助理工程师，从事变电运行维护工作，广西柳州市海关路22号，545006。
论文作者:陈何成,孙上元,杨雪飞,廖之旭
论文发表刊物:《电力设备》2019年第24期
论文发表时间:2020/5/6