云廣特高壓直流輸電工程送端孤島頻率控制分析

徐攀騰

(中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣州市，510405)

0 引言

云南—廣東特高壓直流輸電線路(簡稱云廣直流)輸送容量巨大，對南方電網(wǎng)的安全穩(wěn)定影響顯著［1-2］。如果云廣直流采取孤島運行方式，可較大提高云電外送的穩(wěn)定水平，并簡化直流安全穩(wěn)定系統(tǒng)的配置。因此，云廣直流的孤島運行方式被確認(rèn)為正常運行方式之一［3］。在孤島運行方式下，當(dāng)交流系統(tǒng)有擾動或調(diào)整直流傳輸功率時，可能會引起系統(tǒng)的頻率波動。與并入交流電網(wǎng)不同，在孤島運行方式下送端頻率調(diào)節(jié)無法依靠網(wǎng)內(nèi)機組共同調(diào)節(jié)，主要由機組自身調(diào)節(jié)和直流頻率控制。因此，有必要對直流輸電工程中頻率控制功能進(jìn)行深入的研究。

1 云廣直流孤島運行方式

交直流并列運行時，楚雄換流站除分別通過2回500 kV線路與小灣和金安橋電站相連外，還通過2回500 kV交流線路與云南主網(wǎng)500 kV和平變電站(昆西北變)相連。當(dāng)云廣直流與云南主網(wǎng)間沒有直接電氣聯(lián)系，小灣和金安橋電站的電力在楚雄換流站匯集，通過云廣直流直接送到廣東電網(wǎng)負(fù)荷中心即進(jìn)入孤島運行方式。云廣直流主要有2種孤島運行方式(常規(guī)孤島):孤島運行方式A，小灣以2回線接入換流站;孤島運行方式B，小灣以3回線接入換流站。

1.1 孤島運行方式A

小灣以2回線接入換流站，小灣電站機組除送入楚雄換流站外，其余1～2臺機組單獨通過另1回線接入和平變，同時斷開至云南主網(wǎng)和楚雄換流站的2回500 kV線路，系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1 孤島運行方式A系統(tǒng)接線Fig.1 Sending end in mode A of island operation

1.2 孤島運行方式B

小灣6機3線、金安橋以2機1線接入楚雄換流站的接線方式，此方式下小灣—和平變線路通過和平變—楚雄換流站線路配串倒接至楚雄換流站，實現(xiàn)直流的孤島運行，系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 孤島運行方式B系統(tǒng)接線Fig.2 Sending end in mode B of island operation

2 直流頻率控制

孤島運行方式下，直流系統(tǒng)輸送功率較大時，系統(tǒng)的短路容量比較小，屬于弱交流系統(tǒng)，交、直流系統(tǒng)的擾動、故障等將給系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來極大的風(fēng)險。整流側(cè)在擾動情況下的系統(tǒng)功率不平衡是導(dǎo)致系統(tǒng)頻率穩(wěn)定破壞的根本原因，因此，消除或減小發(fā)電機組輸出功率與直流系統(tǒng)傳輸功率間的不平衡是一種行之有效的解決辦法［4］。

對于送端孤島系統(tǒng)，除發(fā)電機組自身具有的一次調(diào)頻能力外，還有必要采取直流頻率控制的附加控制功能［5-6］。頻率控制利用了直流輸電系統(tǒng)功率的快速可控性，當(dāng)送端頻率變化時，為防止發(fā)生頻率穩(wěn)定破壞事故，通過快速調(diào)整外送功率來達(dá)到控制送端系統(tǒng)頻率的目的，其原理如圖3所示。

圖3 頻率控制原理Fig.3 Schematic diagram of frequency control function

3 云廣直流頻率控制功能的實現(xiàn)

云廣直流工程中頻率控制功能在極控層通過2個閉環(huán)控制器實現(xiàn)，頻率控制原理為:將頻率控制功能設(shè)定的上、下限值(50±0.2 Hz或50±0.5 Hz)與系統(tǒng)實際頻率的2個差值，分別經(jīng)過限幅處理(限幅值為5 Hz)后與雙極頻率控制耦合值(另一極的頻率限制功能(freqency limit control，F(xiàn)LC)的功率調(diào)制量與本極 FLC的功率調(diào)制量的差值，經(jīng)比例積分(proportional integral，PI)控制器處理后所得到的頻率調(diào)制量)相加，并將該計算結(jié)果輸入到2個不同的PI控制器。當(dāng)實際頻率超過定義的上限時，自動投入相對應(yīng)的控制器，逐漸增加功率調(diào)制量直到上限值;當(dāng)頻率低于定義的頻率下限時，對應(yīng)的控制器自動投入，逐漸減少功率調(diào)制量直到下限值。如果在調(diào)制量上升或下降過程中，頻率恢復(fù)到限制值，即控制器的輸入為0，則控制器的輸出保持此時的調(diào)制量;如果頻率已恢復(fù)到定義的頻率范圍內(nèi)，則控制器的輸入為負(fù)值，控制器會按定義的速率減少功率調(diào)制量直到調(diào)制量為0。2個PI控制器的輸出相加作為最終的頻率控制的輸出值，該值與所有其他穩(wěn)定控制功能的輸出相加，反饋到功率定值計算器完成Iref的計算。

4 仿真試驗

4.1 建模

按照南方電網(wǎng)的實際情形，采用實時數(shù)字仿真軟件搭建控制系統(tǒng)模型，±800 kV云廣特高壓直流系統(tǒng)連接實際直流控制保護(hù)裝置，并計及交流系統(tǒng)。針對云廣直流進(jìn)入送端孤島運行方式，送端發(fā)電機組模型包括發(fā)電機、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，其參數(shù)基本與系統(tǒng)分析用的BPA數(shù)據(jù)一致。送端發(fā)電機組的每臺發(fā)電機額定功率為700 MW，小灣電廠的6臺發(fā)電機通過2條輸電線連接至楚雄換流換流站，1條輸電線路連接至和平站，線路參數(shù)與實際工程一致。直流輸電系統(tǒng)仿照云廣直流工程建模，額定直流電壓為±800 kV，額定直流功率為5000 MW，整流站和逆變站均配置有交、直流濾波器，整流側(cè)交流母線另加裝有2組容量為120 Mvar的靜態(tài)無功補償裝置(static var compensator，SVC)。基本控制策略是整流側(cè)選為定電流控制，逆變側(cè)選為定電壓控制。頻率控制的輸出用于修正基本電流參考值，以實現(xiàn)直流系統(tǒng)快速調(diào)整直流功率的目的［4］。

4.2 頻率控制功能仿真

基于所建立的交、直流混合系統(tǒng)實時仿真試驗平臺，對云廣直流送端由聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)入孤島運行過程中頻率控制功能進(jìn)行了仿真試驗。通過調(diào)整發(fā)電機出力和電網(wǎng)潮流，與電網(wǎng)交換功率低于40 MW時，使云廣直流系統(tǒng)從聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)入孤島運行方式B，考慮到金安橋電廠尚未發(fā)電，故本試驗只考慮小灣6機3線孤島運行。直流初始功率設(shè)為3940 MW，在云廣直流穩(wěn)定進(jìn)入孤島運行方式后，將無功控制模式由定無功功率模式設(shè)為定交流電壓模式，換流變分接頭由角度模式設(shè)為電壓模式，同時提升直流功率至4000 MW，在直流功率上升的過程中投入頻率控制功能，設(shè)定調(diào)整頻率限制值為50±0.2 Hz。頻率控制功能投入時仿真波形如圖4所示。

圖4 頻率控制功能投入時仿真波形Fig.4 Simulated waves under frequency control function

由圖4可知，當(dāng)頻率控制功能未投入時，由于發(fā)電機組的自身調(diào)節(jié)功能，隨著直流功率的上升，發(fā)電機組的出力可以滿足有功功率的平衡，保持系統(tǒng)頻率在50±0.2 Hz范圍內(nèi)，約為49.899 Hz。在頻率控制功能投入后，頻率控制功能使能調(diào)整直流功率，使得直流輸送功率大幅上升，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率大幅下降，最低跌落至48.711 Hz，這樣非但沒有改善系統(tǒng)的頻率，反而使得系統(tǒng)頻率進(jìn)一步惡化。

4.3 仿真試驗分析及改進(jìn)措施

在極控裝置上電啟動以后，MFP模塊的輸出為0，使得PAR13模塊的輸出為4000000 ms(約為66.7 min)，這就意味著當(dāng)設(shè)定調(diào)整頻率限制值為50±0.2 Hz后，需要經(jīng)過 66.7 min PRAMPUL 模塊才能夠輸出頻率上、下限值參考值。試驗過程中，極控裝置上電約30 min就開始了仿真試驗，此時上下限值參考值尚未到達(dá)正常設(shè)定的50±0.2 Hz，系統(tǒng)實際頻率遠(yuǎn)大于當(dāng)前PRAMPUL模塊輸出的頻率參考值，故頻率控制功能使能提升直流功率，以滿足系統(tǒng)的頻率降低到當(dāng)前PRAMPUL模塊輸出的頻率參考值。當(dāng)直流功率得到大幅提升后，孤島運行方式下的發(fā)電機出力將無法滿足有功功率的平衡，系統(tǒng)頻率大幅下降。

針對上述初始化模塊的設(shè)計缺陷，本文對初始化模塊進(jìn)行了修改，使用PDE+NOT模塊來替換MFP模塊。經(jīng)過修改后，極控裝置上電以后，PDE+NOT模塊輸出為1，PAR13模塊輸出為1000 ms，即在極控裝置啟動1000 ms后頻率上、下限值參考值就能達(dá)到設(shè)定的50±0.2 Hz。重復(fù)以上仿真試驗，頻率控制功能投入時仿真波形如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后仿真波形Fig.5 Improved waves

5 結(jié)論

(1)在云廣直流送端孤島運行方式下，綜合利用機組調(diào)頻能力、直流頻率控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對送端孤島系統(tǒng)頻率的有效控制。

(2)改進(jìn)后的頻率上、下限參考值初始化功能，能夠有效保證在極控裝置啟動后，準(zhǔn)確而快速地到達(dá)頻率限制的參考值，實現(xiàn)頻率控制功能的正確性。

(3)直流頻率控制功能，反映系統(tǒng)功率不平衡而導(dǎo)致的系統(tǒng)頻率上升或下降，通過改變直流系統(tǒng)的功率指令而達(dá)到系統(tǒng)功率平衡，能夠有效改善送端頻率穩(wěn)定性。

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