送端直流孤島系統(tǒng)頻率限制器優(yōu)化控制策略

呂思卓，鄭超，楊金剛，劉洪濤

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192；2. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100045；3. 中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州市 510623)

送端直流孤島系統(tǒng)頻率限制器優(yōu)化控制策略

呂思卓1，鄭超1，楊金剛2，劉洪濤3

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院, 北京市 100192；2. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100045；3. 中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州市 510623)

頻率限制控制器(frequency limit controller，F(xiàn)LC)作為一種重要的直流有功功率調(diào)制手段，可提高交直流混聯(lián)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定水平，但直流有功功率的調(diào)節(jié)會(huì)改變換流站無(wú)功功率水平，進(jìn)而影響系統(tǒng)電壓特性。針對(duì)楚穗特高壓送端直流孤島系統(tǒng)，分析了交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，F(xiàn)LC調(diào)節(jié)有功功率對(duì)整流站電壓恢復(fù)特性的影響機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，提出了基于無(wú)功功率變化率的FLC優(yōu)化控制策略，來(lái)提高送端系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，該策略在抑制頻率波動(dòng)的同時(shí)，可改善孤島系統(tǒng)的電壓恢復(fù)特性。

直流孤島系統(tǒng); 頻率限制控制器(FLC); 電壓恢復(fù)特性; 無(wú)功功率變化率

0 引 言

一次能源與負(fù)荷中心呈逆向分布的資源優(yōu)化配置需求，決定了我國(guó)電網(wǎng)格局具有大電源、大電網(wǎng)、大容量、遠(yuǎn)距離輸電等特征。直流輸電技術(shù)以其在大容量、遠(yuǎn)距離輸電應(yīng)用中的特有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將在西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用[1-2]。

在我國(guó)已投運(yùn)的特高壓直流輸電工程中，云南楚雄至廣東穗東±800 kV/5 000 MW特高壓直流輸電工程的送端系統(tǒng)采用孤島運(yùn)行方式，配套金安橋和小灣水電廠通過(guò)長(zhǎng)距離500 kV交流線路接入直流換流站[3]。由于孤島系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和換流母線短路容量均較小，因此，擾動(dòng)沖擊易引起孤島電網(wǎng)頻率和電壓波動(dòng)，孤島電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題較為突出[4-6]。當(dāng)故障使孤島系統(tǒng)出現(xiàn)大量有功功率盈缺時(shí)，僅依靠原動(dòng)機(jī)和調(diào)速器調(diào)節(jié)，難以快速平抑頻率波動(dòng)。為了提升孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力，需利用直流功率調(diào)制控制來(lái)補(bǔ)償不平衡功率[7-8]。頻率限制控制器(frequency limit controller，F(xiàn)LC)作為一種重要的直流有功功率調(diào)制手段，能夠增強(qiáng)孤島系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性[9]。文獻(xiàn)[10]針對(duì)天廣交直流混聯(lián)系統(tǒng)提出了一種非線性直流調(diào)制控制器來(lái)提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性，并與常規(guī)的頻率調(diào)制進(jìn)行了對(duì)比。文獻(xiàn)[11-12]提出利用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)和降低直流功率來(lái)提高楚穗直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但這些措施會(huì)增加投資或降低直流功率利用率。文獻(xiàn)[13]對(duì)糯扎渡FLC的功能進(jìn)行了仿真研究，但由于糯扎渡電廠距離換流站較近，換流站電壓穩(wěn)定問(wèn)題并不突出，因此沒(méi)有考慮有功功率調(diào)節(jié)引起的換流站無(wú)功功率不平衡問(wèn)題及其對(duì)交流系統(tǒng)的影響。

本文首先分析現(xiàn)有FLC的結(jié)構(gòu)和功能原理，針對(duì)楚穗特高壓直流輸電工程，揭示FLC對(duì)整流站無(wú)功功率需求和電壓恢復(fù)的影響機(jī)理。針對(duì)現(xiàn)有控制方法的不足，提出一種基于無(wú)功功率變化率的FLC優(yōu)化控制策略。采用該控制策略，在抑制頻率波動(dòng)的同時(shí)，可提高送端系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

1 FLC結(jié)構(gòu)及功能

FLC是直流輸電系統(tǒng)中的重要附加控制器之一，用來(lái)調(diào)節(jié)直流有功功率，提高交直流混聯(lián)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定水平，其原理如圖1所示。圖中，Dfmax、Dfmin分別為頻差最大值和最小值，Tf為濾波器時(shí)間常數(shù)，F(xiàn)band為頻差死區(qū)限制范圍，KP為比例增益，KI為積分增益，Pmodmin、Pmodmax分別為直流功率調(diào)制的下限和上限，△P為直流功率附加調(diào)制量[14]。

圖1 頻率限制控制器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of FLC

FLC以換流母線頻率f與基準(zhǔn)頻率f0之間的偏差△f作為輸入信號(hào)，△f經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器輸出直流功率附加調(diào)節(jié)信號(hào)△P，進(jìn)而補(bǔ)償系統(tǒng)有功功率盈缺，起到抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)的作用。例如，將頻差死區(qū)限制范圍Fband設(shè)置為0.1 Hz，當(dāng)孤島系統(tǒng)頻率大于50.1 Hz之間時(shí)，F(xiàn)LC下通道起作用，輸出△P為正值，F(xiàn)LC通過(guò)增大直流系統(tǒng)輸送功率，使孤島系統(tǒng)頻率降回至設(shè)定頻率的上限值；當(dāng)系統(tǒng)頻率小于49.9 Hz時(shí)，F(xiàn)LC上通道起作用，輸出△P為負(fù)值，F(xiàn)LC通過(guò)減小直流系統(tǒng)輸送功率，使孤島系統(tǒng)頻率上升至設(shè)定頻率的下限值。當(dāng)孤島系統(tǒng)頻率在49.9～50.1 Hz時(shí)，F(xiàn)LC上通道和下通道輸出之和為0，直流功率保持不變。

2 孤島運(yùn)行方式下送端頻率控制策略

2.1 楚穗直流仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真軟件PSD-BPA中，建立楚穗±800 kV/5 000 MW特高壓直流送端孤島系統(tǒng)，如圖2所示。孤島系統(tǒng)采用8機(jī)4線運(yùn)行方式，小灣電廠開(kāi)機(jī)4×695 MW，金安橋電廠開(kāi)機(jī)4×595 MW；小灣電廠和金安橋電廠分別通過(guò)250 km和280 km的長(zhǎng)距離500 kV雙回交流線路接入楚雄換流站。

楚穗直流控制系統(tǒng)由西門子公司供貨，為此在PSD-BPA仿真軟件中選用與其對(duì)應(yīng)的DN/DZ卡模型，其頻率限制器參數(shù)設(shè)定值如下：Fband=0.1 Hz，Pmodmax=+8%，Pmodmin=-8%，KP=40，KI=4。

圖2 楚穗直流送端系統(tǒng)接線Fig.2 Grid structure of Chuxiong-Suidong UHVDC sending system

2.2 送端“N-1”故障分析

短路故障期間，由于發(fā)電機(jī)輸出電磁功率下降和直流外送功率變化，孤島電網(wǎng)集聚的不平衡功率，將會(huì)使頻率大幅波動(dòng)。在受擾后的恢復(fù)過(guò)程中，交流系統(tǒng)頻率波動(dòng)會(huì)使直流頻率限制器動(dòng)作，由此引起直流功率以及換流站無(wú)功功率需求改變，導(dǎo)致孤島系統(tǒng)面臨暫態(tài)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。

小灣—楚雄換流站500 kV線路三相永久短路跳單回線(“N-1”故障)后，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。孤島系統(tǒng)頻率、整流站母線電壓等電氣量暫態(tài)響應(yīng)曲線如圖3所示。從圖中可以看出，楚雄站換流母線電壓逐漸跌落至0.8 pu左右，且無(wú)法恢復(fù)。

由圖3可知，F(xiàn)LC對(duì)電壓恢復(fù)的影響機(jī)理分析如下。

(1)短路故障期間，孤島電網(wǎng)電壓跌落引起直流電壓降低，直流功率傳輸中斷，送端機(jī)組有功功率過(guò)剩，導(dǎo)致孤島電網(wǎng)頻率升高。

(2)故障切除后，小灣至楚雄換流站僅通過(guò)一回線路連接，孤島電網(wǎng)間的電氣聯(lián)系減弱，大量潮流轉(zhuǎn)移引起另一回線路的無(wú)功功率損耗增加，影響故障切除后換流母線電壓的恢復(fù)。

圖3 小灣-楚雄線路N-1故障時(shí)孤島電網(wǎng)暫態(tài)響應(yīng)Fig.3 Islanded grid transient response whenN-1 fault occurred in Xiaowan-Chuxiong lines

(3)與此同時(shí)，整流站母線電壓逐漸恢復(fù)，濾波器輸出的無(wú)功功率隨電壓的回升而增大，整流器消耗的無(wú)功功率隨直流功率的提升而增大。濾波器輸出無(wú)功功率與整流器消耗無(wú)功功率的差值呈正負(fù)交替變化，如圖3(h)所示，對(duì)應(yīng)整流站從交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率既有減小階段，也有增加階段。

(4)在整流站從交流系統(tǒng)吸收無(wú)功功率的減小階段，孤島電網(wǎng)頻率上升至50.3 Hz，超出FLC上限值，F(xiàn)LC功能激活并對(duì)直流功率進(jìn)行調(diào)制，F(xiàn)LC輸出曲線如圖3(f)所示，直流功率增加400 MW以減小孤島電網(wǎng)頻率偏差。由于整流器觸發(fā)角已達(dá)最小限制，整流器在定功率控制下增大直流電流，導(dǎo)致直流電壓降低，使整流器功率因數(shù)角增大，無(wú)功功率消耗增多。而送端提供的無(wú)功功率嚴(yán)重不足，導(dǎo)致?lián)Q流站電壓降低，如圖3(c)ab段所示，定功率控制系統(tǒng)通過(guò)增大直流電流使整流器無(wú)功功率消耗進(jìn)一步增多，無(wú)功功率不平衡進(jìn)入惡性循環(huán)，楚雄換流站電壓逐漸下降至0.8 pu，且不能恢復(fù)，孤島系統(tǒng)頻率偏差逐漸增大，直流功率下降至4 400 MW。

由以上分析可知，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)是由于在整流站吸收無(wú)功功率減小階段，F(xiàn)LC使直流系統(tǒng)無(wú)功功率消耗大量增加，引起整流站無(wú)功功率不平衡，從而對(duì)故障后直流系統(tǒng)的恢復(fù)產(chǎn)生不利影響。

2.3 頻率限制器優(yōu)化控制策略

為了改善FLC對(duì)系統(tǒng)電壓的不利影響，本文提出一種基于無(wú)功功率變化率的FLC優(yōu)化控制策略，如圖4所示。該策略通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)頻率f和整流站從交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率Qc的變化率來(lái)確定FLC是否投入。具體控制邏輯為：當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)頻率達(dá)到上限，同時(shí)整流站吸收的無(wú)功功率增大時(shí)或系統(tǒng)頻率達(dá)到下限，同時(shí)整流站吸收的無(wú)功功率減小時(shí)，啟動(dòng)FLC；反之，退出FLC。

圖4 頻率限制器邏輯判斷框圖Fig.4 Logical judgment of FLC

FLC采用優(yōu)化后的控制策略，在小灣—楚雄線路發(fā)生“N-1”故障后，孤島電網(wǎng)的暫態(tài)響應(yīng)如圖5所示。

圖5 頻率限制器優(yōu)化后孤島電網(wǎng)暫態(tài)響應(yīng)Fig.5 Islanded grid transient response after FLC optimization

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)孤島系統(tǒng)頻率超出限值時(shí)，整流站從交流系統(tǒng)吸收無(wú)功功率的變化率小于0，則頻率限制器退出，整流器的無(wú)功功率需求與FLC投入時(shí)的相比大量減少，由圖5(d)可知，電壓恢復(fù)期間整流站向交流系統(tǒng)注入無(wú)功功率300 Mvar，提高了整流站的無(wú)功功率支撐能力，進(jìn)而促進(jìn)交流電壓和直流送電功率的恢復(fù)。整流站母線電壓可由0.8 pu提升至1.0 pu，由于直流電壓隨交流電壓升高而增大，直流功率可恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水平。

3 FLC控制策略效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提出的FLC控制策略在送端系統(tǒng)發(fā)生交直流功率不平衡擾動(dòng)時(shí)的有效性，對(duì)發(fā)電機(jī)有功出力變化工況進(jìn)行仿真研究。小灣電廠1臺(tái)機(jī)組功率按照100 MW/s的速率下降200 MW時(shí)，整流站母線電壓、孤島系統(tǒng)頻率、整流站觸發(fā)延遲角、直流功率以及整流站吸收無(wú)功功率的暫態(tài)響應(yīng)曲線如圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)組出力減小時(shí)，如圖6中的ab段所示，孤島電網(wǎng)頻率逐漸下降，但還未達(dá)到FLC動(dòng)作值(49.9 Hz)，整流側(cè)保持定功率控制指令值不變，楚雄換流站母線電壓隨機(jī)組出力減小而下降，定功率控制器通過(guò)減小整流側(cè)觸發(fā)角以保持直流電壓恒定，由于整流器功率因數(shù)角減小，整流站從交流系統(tǒng)吸收的無(wú)功功率將減少。

圖6 發(fā)電機(jī)出力變化時(shí)孤島電網(wǎng)暫態(tài)響應(yīng)Fig.6 Islanded grid transient response when generator output changing

隨著發(fā)電機(jī)組出力繼續(xù)下降，如圖6中的bc段所示，頻率降低至FLC啟動(dòng)值49.9 Hz，此時(shí)整流站吸收無(wú)功功率的變化率小于0，則啟動(dòng)頻率限制功能。利用頻率調(diào)制降低直流輸送功率，整流側(cè)定功率控制系統(tǒng)通過(guò)增大觸發(fā)角降低直流功率。整流器無(wú)功功率需求相應(yīng)減少，有利于換流站母線電壓提升，使濾波器無(wú)功功率輸出增加，整流站吸收的無(wú)功功率進(jìn)一步減小，使交直流系統(tǒng)無(wú)功功率平衡。

當(dāng)發(fā)電機(jī)組出力停止下降后，孤島系統(tǒng)電壓和頻率逐漸恢復(fù)平穩(wěn)，直流功率由5000 MW下降到4 860 MW，孤島系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在49.9 Hz左右。FLC通過(guò)調(diào)整直流功率跟蹤發(fā)電機(jī)組出力，從而減小頻率偏差。

4 結(jié) 論

(1)楚穗直流孤島系統(tǒng)8機(jī)4線運(yùn)行方式下，當(dāng)送端交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)引起孤島系統(tǒng)頻率波動(dòng)，當(dāng)超出頻率限制時(shí)FLC動(dòng)作，直流控制系統(tǒng)通過(guò)增大直流功率抑制頻率波動(dòng)，整流站吸收的無(wú)功功率增加，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)功功率不平衡，造成系統(tǒng)電壓失穩(wěn)。

(2)本文提出一種基于無(wú)功功率變化率的FLC優(yōu)化控制策略，即在頻率增大，同時(shí)整流站吸收的無(wú)功減少時(shí)退出FLC，可以使孤島系統(tǒng)電壓恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水平。當(dāng)送端發(fā)電機(jī)組出力減小時(shí)，根據(jù)優(yōu)化控制策略啟動(dòng)FLC，控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速調(diào)整直流功率，使孤島系統(tǒng)頻率滿足運(yùn)行要求。

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(編輯 張小飛)

FLC Optimization Control Strategy of Islanded HVDC Sending System

LYU Sizhuo1, ZHENG Chao1, YANG Jingang2, LIU Hongtao3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. Economic Research Institute, State Grid Jibei Electric Power Company Limited, Beijing 100045, China;3. Power Dispatching Control Centre, CSG, Guangzhou 510623, China)

As a kind of important means for DC active power modulation, frequency limit controller (FLC) can improve the frequency stability level of DC/AC hybrid system. However, DC active power modulation will change the reactive power consumption of converter station, thus affecting the voltage characteristics of system. In allusion to Chuxiong-Suidong UHVDC sending system under islanded operation, this paper analyzes the influence mechanism of DC active power modulation by FLC on the voltage recovery characteristics of rectifier station after the short circuit fault of AC system. On this basis, we propose the optimization control strategy for FLC based on the change rate of reactive power, which can improve the voltage stability of sending system. The simulation results show that this strategy can inhibit frequency fluctuation, while improve the voltage recovery characteristics of islanded system.

islanded HVDC system; frequency limit controller(FLC); voltage recovery characteristic; optimization measure; change rate of reactive power

TM 721

A

1000-7229(2016)02-0107-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.015

2015-10-19

呂思卓(1989)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制；

鄭超(1977)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制、高壓直流輸電、FACTS、新能源并網(wǎng)；

楊金剛(1982)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析和電網(wǎng)規(guī)劃；

劉洪濤(1974)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定分析與控制。