含柔性直流電網(wǎng)緊急頻率協(xié)調(diào)控制策略

章玉杰,單 哲,李衛(wèi)平,史 陽,王 聞

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司,江蘇 南京 211102)

0 引言

“雙碳”目標(biāo)及背景下,新能源開發(fā)規(guī)模與消納需求不斷增長(zhǎng),直流輸電被廣泛作為新能源發(fā)電并網(wǎng)和電力傳輸?shù)闹饕绞絒1-2]。構(gòu)建以新能源為發(fā)電主體、超特高壓直流為主要輸電通道、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的新型電力系統(tǒng)成為新能源消納、遠(yuǎn)距離大容量電力傳輸、區(qū)域電力支援的主要解決方案[3]。

近年來,基于電壓源換流器(voltage vource vonverter,VSC)的柔性直流輸電技術(shù)(high voltage direct current,HVDC)快速發(fā)展并得到工程應(yīng)用,逐漸成為區(qū)域大電網(wǎng)異步互聯(lián)與功率支援、地區(qū)及城市電網(wǎng)互聯(lián)的主流技術(shù)趨勢(shì)[4-7]。隨著新能源開發(fā)利用的規(guī)模日益擴(kuò)大,跨區(qū)交直流輸送功率隨之增加,區(qū)域電網(wǎng)間交流聯(lián)絡(luò)線因故障切除、跨區(qū)大容量直流閉鎖等大擾動(dòng)故障造成受端電網(wǎng)大功率缺額,電網(wǎng)頻率發(fā)生較大偏差[8-9],易引發(fā)頻率穩(wěn)定性問題[10]。

直流輸電因功率調(diào)制響應(yīng)速度快,成為快速功率支援、減少功率缺額、改善系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的重要控制手段。文獻(xiàn)[11]提出了一種綜合考慮直流過負(fù)荷能力、直流運(yùn)行工況和交流輸電能力的多直流功率支援的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制算法;文獻(xiàn)[12]從保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和提高跨區(qū)控制資源利用效率的角度,提出了一種綜合考慮電網(wǎng)就地和遠(yuǎn)方信息的直流頻率調(diào)制與緊急功率支援的協(xié)調(diào)控制方案;文獻(xiàn)[13]針對(duì)多直流饋入受端電網(wǎng)直流閉鎖故障導(dǎo)致的暫態(tài)電壓和暫態(tài)頻率穩(wěn)定問題,提出了一種綜合考慮直流功率緊急提升、調(diào)相機(jī)緊急控制和切負(fù)荷緊急協(xié)調(diào)控制策略;文獻(xiàn)[14]考慮受端換流站交流濾波器與直流功率聯(lián)鎖,提出了一種結(jié)合直流功率提升、交流濾波器投切、調(diào)相機(jī)強(qiáng)勵(lì)磁及切負(fù)荷的多控制手段暫態(tài)穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制方法。

基于常規(guī)直流(line commuted converter,LCC)正常運(yùn)行時(shí)需消耗大量無功功率,且隨著輸送直流功率增加,換流器消耗的無功功率也隨之增加。因此,上述方法在通過提升直流功率進(jìn)行電網(wǎng)緊急頻率控制時(shí)需消耗受端換流站近區(qū)電網(wǎng)大量無功功率,造成受端電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度降低。柔性直流輸電能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流側(cè)母線無功功率和穩(wěn)定交流電壓,且有功和無功功率解耦、獨(dú)立控制,可為基于直流功率提升的緊急頻率控制提供新思路。

本文在前期研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)含柔性直流輸電的交直流互聯(lián)電網(wǎng)緊急頻率協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行研究。通過暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度減少量對(duì)緊急頻率控制對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性造成的負(fù)面影響進(jìn)行量化,以電壓穩(wěn)定裕度減少量最小為目標(biāo),以各直流功率提升量為控制變量,計(jì)及直流功率與交流斷面潮流限值約束,建立線性優(yōu)化模型。對(duì)華東電網(wǎng)某實(shí)際算例進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了所提控制策略有效性,快速提升頻率穩(wěn)定性的同時(shí),可有效緩解對(duì)電壓穩(wěn)定性帶來的負(fù)面影響。

1 提升直流功率實(shí)現(xiàn)緊急頻率控制原理

區(qū)域交流聯(lián)絡(luò)線因故障退出運(yùn)行或跨區(qū)大容量直流閉鎖等故障造成電網(wǎng)大規(guī)模潮流轉(zhuǎn)移和受端電網(wǎng)大功率缺額時(shí),系統(tǒng)頻率降低,易發(fā)生頻率失穩(wěn)問題,甚至造成低頻減載、電網(wǎng)解列等事故。

對(duì)于送受端特性明顯的交直流互聯(lián)新型電力系統(tǒng),可用兩機(jī)等值系統(tǒng)模型進(jìn)行描述,如圖1所示。

圖1 交直流互聯(lián)電網(wǎng)兩機(jī)等值系統(tǒng)模型

交流送端電網(wǎng)等值發(fā)電機(jī)GA輸出的電磁功率PE為

(1)

式中:E′為交流送端電網(wǎng)等值發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì);U為交流受端電網(wǎng)等值母線電壓;x′AB為送端電網(wǎng)等值發(fā)電機(jī)聯(lián)絡(luò)線電抗;δAB為送受端電網(wǎng)等值母線電壓相角差;m、n分別為柔性直流和常規(guī)直流輸電線路數(shù);Pdck、Pack分別為第k條柔性直流和常規(guī)直流輸電線路輸送的有功功率。

交流送端電網(wǎng)等值發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

(2)

式中:TAB、D、PT和PE分別為系統(tǒng)等值發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)、阻尼系統(tǒng)、機(jī)械功率和電磁功率。

聯(lián)立式(1)、式(2),進(jìn)一步可得:

(3)

式中:PG為送端交流系統(tǒng)內(nèi)與直流輸電線路無直接電氣聯(lián)系的發(fā)電機(jī)輸送電磁功率總和;PDC為送受端交流系統(tǒng)之間直流線路輸送功率總和;“PG+PDC”為等值發(fā)電機(jī)輸送的全部電磁功率。

通過調(diào)節(jié)PT、PDC和PG使等值發(fā)電機(jī)不平衡功率降至零以維持暫態(tài)穩(wěn)定性,受限于發(fā)電機(jī)故有的原動(dòng)機(jī)功率調(diào)節(jié)特性,PT和PG調(diào)節(jié)速度較慢,而直流輸電可通過調(diào)節(jié)整流側(cè)和逆變側(cè)觸發(fā)控制角在極短時(shí)間內(nèi)(1～4 ms)快速調(diào)節(jié)直流功率,因此,可通過提升直流功率PDC快速減少系統(tǒng)有功功率缺額,提高暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。

2 柔性直流輸電技術(shù)特點(diǎn)與功率特性

柔性直流可通過獨(dú)立控制換流器輸出電壓幅值和相位實(shí)現(xiàn)有功和無功解耦控制,當(dāng)交流電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),VSC換流器仍能向電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無功支撐。兩端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

以VSC1為例,其有功功率和無功功率描述為

(4)

圖2 兩端柔性直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

式中:X為交流母線1至VSC1換流器間等值電抗;k為變壓器變比;δ1為Us1與Uc1相角差;Ps1、Qs1分別為VSC1側(cè)交流系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率;Us1為VSC1側(cè)交流母線電壓;Uc1為VSC1換流器交流母線電壓。

為保持兩端換流器有功平衡,一端換流器為直流電壓控制模式,另一端換流器為交流有功控制模式。兩端VSC換流器控制模式可根據(jù)電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活組合,組合模式如表1所示。

表1 不同應(yīng)用場(chǎng)景下兩端VSC單元控制模式組合

3 多直流緊急頻率協(xié)調(diào)控制策略

3.1 多直流參與頻率協(xié)調(diào)控制優(yōu)化模型

以電壓穩(wěn)定裕度減少量最小為目標(biāo),以各參與緊急頻率控制直流有功提升量為控制變量,計(jì)及功率提升總量與系統(tǒng)有功缺額約束條件,建立線性優(yōu)化模型為

(5)

(6)

0≤Pvk≤Pvkmax,k∈N*,k∈[1,m]

(7)

0≤Plk≤Plkmax,k∈N*,k∈[1,n]

(8)

式中:λu為緊急頻率控制時(shí)電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度減少量;m、n分別為參與控制的柔性直流和常規(guī)直流數(shù)量;Pvk、Plk分別為第k個(gè)柔性直流和常規(guī)直流有功功率提升量(優(yōu)化模型決策變量);Svk、Slk分別為電壓穩(wěn)定裕度對(duì)第k個(gè)柔性直流和常規(guī)直流決策變量的控制靈敏度;Pvkmax、Plkmax分別為第k個(gè)柔性直流和常規(guī)直流有功功率提升量上限,可由交流斷面潮流安全限值根據(jù)直流功率與交流斷面潮流轉(zhuǎn)移比確定;Ploss為故障后電網(wǎng)有功功率缺額。

式(5)為目標(biāo)函數(shù),式(6)為參與控制的各直流功率提升量總和與故障后電網(wǎng)有功缺額等式約束條件,式(7)、式(8)分別為參與控制柔性直流和常規(guī)直流有功增量上下限約束條件。

3.2 電壓穩(wěn)定裕度控制靈敏度計(jì)算

基于多二元表的暫態(tài)穩(wěn)定裕度指標(biāo)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定定量評(píng)估和控制,本文采用該指標(biāo)量化緊急頻率控制后的系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性?；跁r(shí)域仿真暫態(tài)電壓軌跡、采用軌跡靈敏度攝動(dòng)法計(jì)算得到電壓穩(wěn)定裕度對(duì)參與緊急頻率控制的各直流功率提升量的控制靈敏度。

假設(shè)對(duì)第i個(gè)柔性直流或常規(guī)直流有功提升量xi施加攝動(dòng)量Δxi前后系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定裕度分別為R(xi)和R(xi+Δxi),則電壓穩(wěn)定裕度對(duì)該直流有功提升量的控制靈敏度Si為

(9)

基于控制變量靈敏度,可近似計(jì)算得到某條直流提升有功功率后對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的改變量。

3.3 直流功率最大可提升量計(jì)算

潮流轉(zhuǎn)移比描述了交直流電網(wǎng)中直流線路功率與交流斷面潮流分布的關(guān)系,當(dāng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)確定時(shí),該比值為定值。潮流轉(zhuǎn)移比為

(10)

式中:fi,j為第i條直流線路提升單位功率后交流斷面j的潮流變化量;Pj,i為第i條直流線路提升功率ΔPi后交流斷面j的潮流;Pj,0為直流線路功率提升前交流斷面j的潮流。

當(dāng)已知交流斷面j的潮流安全限值為Pjmax,受制于該斷面潮流越限值,根據(jù)潮流轉(zhuǎn)移比可計(jì)算直流線路i的功率最大可提升量為

(11)

參與緊急頻率控制的每條直流線路可提升功率均同時(shí)受到多個(gè)交流斷面潮流限值約束,因此,單條直流線路i最大可提升功率值為

ΔPimax=min(ΔPi,1max,ΔPi,2max,…,ΔPi,nmax)

(12)

式中:n為參與緊急頻率控制柔性直流和常規(guī)直流總數(shù)。根據(jù)式(12)計(jì)算得到優(yōu)化模型約束條件式(7)、式(8)中各直流有功功率提升量上限值。

4 算例分析

以多直流饋入的華東電網(wǎng)為例,驗(yàn)證本文緊急頻率協(xié)調(diào)控制策略有效性。華東電網(wǎng)主要交直流斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示,某方式下,系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷總量為309.15 GW,總發(fā)電量為244.7 GW,旋轉(zhuǎn)備用總量為8.78 GW,區(qū)外直流受電總量為67.45 GW,占總負(fù)荷量21.82%,受端電網(wǎng)特征明顯。

圖3 華東電網(wǎng)主要交直流斷面示意圖

當(dāng)發(fā)生大容量直流閉鎖故障后,易發(fā)生頻率穩(wěn)定性問題,考慮采用多直流功率支援進(jìn)行緊急頻率控制。設(shè)置靈韶直流0.1 s時(shí)發(fā)生雙極閉鎖故障,故障前雙極直流功率為4000 MW,0.2 s時(shí)送受端換流站交流濾波器自動(dòng)退出運(yùn)行,故障后系統(tǒng)功率缺額4000 MW,頻率最低降至49.84 Hz,直流線路功率可提升量主要受制于其交流送出斷面潮流限額,各直流受端換流器主要交流送出斷面如表2所示。

表2 各直流受端換流站主要交流送出斷面

以賓金直流為例,其受端金華換流站一級(jí)功率送出交流斷面為金華—雙龍線、金華—永康線、金華—萬象線,根據(jù)式(10)計(jì)算賓金直流功率與各交流斷面潮流轉(zhuǎn)移比分別為0.104、0.094、0.098。其他直流線路功率與交流送出斷面潮流轉(zhuǎn)移比計(jì)算類似,不再贅述。

基于潮流轉(zhuǎn)移比進(jìn)一步計(jì)算得到各直流線路在其交流送出斷面潮流限額約束下的最大可提升功率P1,額定最大可提升功率P2(額定功率Pe與當(dāng)前功率P0之差),P1、P2兩者間取較小者作為直流最大可提升功率Pmax,各功率值如表3所示。

表3 各回直流最大可提升功率 單位:MW

單位:MW

針對(duì)常規(guī)直流頻率控制,選取控制對(duì)象為宜華、林楓、龍政、復(fù)奉、錦蘇、雁淮、賓金等網(wǎng)內(nèi)常規(guī)直流功率,針對(duì)常規(guī)直流和柔性直流聯(lián)合頻率控制,控制對(duì)象除常規(guī)直流外,增加了葛南、建蘇柔性直流。分別建立優(yōu)化模型,采用PSD-BPA軟件進(jìn)行時(shí)域仿真,仿真時(shí)長(zhǎng)15 s,仿真步長(zhǎng)0.01 s,基于VC++2022環(huán)境配置Cplex12.6優(yōu)化求解器對(duì)多直流緊急頻率協(xié)調(diào)控制模型進(jìn)行求解,得到最優(yōu)直流功率支援策略如表4所示。

表4 多直流功率支援協(xié)調(diào)控制策略

應(yīng)用常規(guī)直流和含柔性直流的混合直流功率支援控制策略分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行緊急頻率控制,控制前后系統(tǒng)頻率曲線如圖4所示。

圖4 不同控制策略下系統(tǒng)頻率變化曲線

2種控制策略下系統(tǒng)頻率、電壓、電壓穩(wěn)定裕度等參數(shù)如表5所示,混合直流控制策略不僅提高了系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性,還少許提升了電壓穩(wěn)定性。

表5 常規(guī)控制與含柔直的混合控制策略對(duì)比

本文協(xié)調(diào)控制策略總求解時(shí)長(zhǎng)15.358 s,其中固有時(shí)域仿真時(shí)長(zhǎng)15 s,策略優(yōu)化求解時(shí)長(zhǎng)358 ms,滿足穩(wěn)控策略“在線預(yù)算、實(shí)時(shí)匹配”控制要求。

5 結(jié)語

針對(duì)新型電力系統(tǒng)頻率安全問題,本文在前期基于多常規(guī)直流功率支援緊急頻率控制研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用柔性直流輸電技術(shù)。以頻率控制對(duì)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度減少最小為目標(biāo),以各直流功率提升量為控制變量,計(jì)及直流功率與交流斷面潮流限值約束,建立優(yōu)化模型求解得到最優(yōu)直流功率提升策略。對(duì)華東電網(wǎng)實(shí)際算例分析表明,相比于常規(guī)直流頻率協(xié)控技術(shù),含柔性直流的緊急頻率協(xié)調(diào)控制策略在快速提升頻率穩(wěn)定性的同時(shí),可有效緩解對(duì)電壓穩(wěn)定性帶來的負(fù)面影響。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)非故障直流可支援功率總量不足以支撐系統(tǒng)功率缺額時(shí),協(xié)調(diào)進(jìn)行切除負(fù)荷等其他頻率控制措施將是下一步研究方向。