青海電網(wǎng)HVDC輔助頻率控制研究

許德操,董凌,張曉陽(yáng),朱岸明

（1.國(guó)家電網(wǎng)公司青藏交直流聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)總指揮部，青海格爾木816000；2.青海省電力公司，青海 西寧 810008；）

隨著西藏經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，西藏對(duì)電力的需求日益增大。為滿足西藏對(duì)電力增長(zhǎng)的不斷需求，解決枯水季節(jié)西藏地區(qū)缺電問題，2011年青海電網(wǎng)將通過±400 kV高壓直流輸電（HVDC）實(shí)現(xiàn)與西藏電網(wǎng)互聯(lián)。HVDC輸電對(duì)提高交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)區(qū)域間資源互補(bǔ)方面效益十分明顯，然而與西藏電網(wǎng)互聯(lián)的格爾木系統(tǒng)和青海主網(wǎng)聯(lián)系較弱，因此研究HVDC對(duì)青海電網(wǎng)主網(wǎng)以及格爾木系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，我國(guó)己建和在建的HVDC線路都是按定功率設(shè)計(jì)來運(yùn)行的。定功率方式在隔絕兩側(cè)交流系統(tǒng)的相互影響方面有一定的優(yōu)越性，但定功率運(yùn)行也同時(shí)犧牲了兩側(cè)交流系統(tǒng)在發(fā)生事故時(shí)的相互緊急支援的能力。在國(guó)外的HVDC工程中，利用直流功率調(diào)制對(duì)兩側(cè)交流系統(tǒng)進(jìn)行輔助頻率控制已成為一種趨勢(shì)[1-3]。歐洲及美國(guó)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在HVDC線路安裝輔助頻率控制器（Auxiliary Frequency Controller,AFC），在經(jīng)濟(jì)性上具有以下優(yōu)點(diǎn):1）利用HVDC的快速調(diào)節(jié)能力有助于防止系統(tǒng)頻率崩潰的發(fā)生，減少低頻減載帶來的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失；2）有利于全網(wǎng)的水、火電共同參與頻率調(diào)節(jié)，充分利用了各個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的水電調(diào)頻容量。

現(xiàn)今，常用的交直流混合系統(tǒng)分析軟件BPA、PSS/E、PSASP在功能實(shí)現(xiàn)上都存在一定的不足，BPA機(jī)電暫態(tài)分析程序的高壓直流輸電模型比較簡(jiǎn)單,沒有包含輔助頻率控制模塊的建模[4]。盡管PSS/E中的詳細(xì)直流模型CDCAB1包含各種直流控制策略，但是其只是單極直流模型[5]。由中國(guó)電力科學(xué)研究院開發(fā)的電力系統(tǒng)分析軟件包PSASP，其直流模型可以用來分析交直流系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，但是也未包含輔助頻率控制模型；其用戶自定義建模功能大大擴(kuò)展了綜合程序的功能，用戶可以根據(jù)自己計(jì)算分析的需要設(shè)計(jì)各種模型，使其在原則上靈活模擬任何系統(tǒng)元件、自動(dòng)裝置及控制功能[6]。本文使用PSASP用戶自定義建模功能，所建的HVDC控制系統(tǒng)是基于三峽—常州實(shí)際系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上建立了輔助頻率控制模型，將其應(yīng)用于2011年青海與西藏聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該模型的有效性和必要性。

1 直流功率調(diào)制原理

直流功率調(diào)制是AFC的基礎(chǔ)。考慮HVDC作為

圖1 直流調(diào)制結(jié)構(gòu)原理圖

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的HVDC系統(tǒng)所傳輸功率的調(diào)節(jié)是通過改變直流電流指令來實(shí)現(xiàn)的，而直流功率調(diào)制是通過附加一直流電流指令ΔIord實(shí)現(xiàn)的圖1中，Iord為計(jì)劃傳輸?shù)闹绷麟娏髦噶睿籌ordΣ為綜合了計(jì)劃傳輸?shù)闹绷麟娏骱透郊与娏髌钪噶畹膶?shí)際傳輸?shù)闹绷麟娏髦噶睿籔i和Pj分別為直流系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)的有功功率；Qi和Qj分別為直流系統(tǒng)整流側(cè)和逆變側(cè)的無功功率；αi和αj分別為整流側(cè)和逆變側(cè)換流閥的觸發(fā)延遲角。

直流功率調(diào)制的功能主要由其反饋的交直流狀態(tài)變量決定，選擇合適的狀態(tài)變量可以實(shí)現(xiàn)輔助頻率控制、輔助電壓控制、抑止低頻振蕩和次同步振蕩等功能。

2 輔助頻率控制器的結(jié)構(gòu)和原理

輔助頻率控制是在兩側(cè)直流換流站分別設(shè)計(jì)了一個(gè)帶死區(qū)的PI調(diào)節(jié)器。令整流站（下標(biāo)記為“i”)作為主控站，逆變站(下標(biāo)記為“j”)作為受控站。兩站的輔助頻率控制器的傳遞函數(shù)方程為:

式中，ΔIord_i為整流側(cè)輔助控制器響應(yīng)青海電網(wǎng)頻率變化Δfi后發(fā)出的調(diào)制指令；ΔIord_j為逆變側(cè)輔助控制器響應(yīng)西藏電網(wǎng)頻率變化Δfj后發(fā)出的調(diào)制指令；ΔIord為綜合兩側(cè)控制器發(fā)出的調(diào)制指令后最終向主控站發(fā)出的調(diào)制電流指令；ei和ej為整流側(cè)和逆變側(cè)輔助頻率控制器的調(diào)節(jié)死區(qū)。

3 輔助頻率控制器用戶自定義實(shí)現(xiàn)

由于PSASP自帶的直流模型不能增加HVDC的輔助功能控制模塊，因此為了實(shí)現(xiàn)AFC的功能，在PSASP中建立了HVDC用戶自定義模型，具體參見文獻(xiàn)[7]，并增加了AFC功能模塊，模型如圖2所示。

圖2 AFC用戶自定義模型

圖2 中，OMB(B1)為整流側(cè)頻率測(cè)量值；OMB(B2)為逆變側(cè)頻率測(cè)量值；170模塊的輸出量為ΔIord_i；173模塊的輸出量為ΔIord_j；167模塊的輸出量為ΔIord。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證AFC的有效性，設(shè)在1 s時(shí)整流站的交流母線附近發(fā)生三相短路故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）可以看到，當(dāng)換流站母線處發(fā)生三相短路故障時(shí)，換流站附近即格燃電站的發(fā)電機(jī)功角在無輔助頻率控制的作用下擺動(dòng)較大；當(dāng)輔助頻率控制起作用時(shí)，格燃電站功角的整體擺動(dòng)幅度得到抑制，且有較強(qiáng)的阻尼特性，特別是第二擺的角度減少了10°多，控制特性良好。圖3（b）為有無功率調(diào)制作用下的整流站交流母線電壓波形。圖3（c）描述的是換流站母線的頻率變化曲線，故障的發(fā)生引起交流母線頻率的波動(dòng)，由于其波動(dòng)量較大（ Δf>0.1 Hz）,AFC動(dòng)作增加直流輸送功率。當(dāng)故障切除后，換流站母線頻率逐步趨于穩(wěn)定范圍，直流傳輸功率跟隨頻率的變化，在故障發(fā)生4 s后，直流輸送功率恢復(fù)到計(jì)劃的傳輸功率量，如圖3（d）所示，達(dá)到了穩(wěn)定兩側(cè)頻率的目的。

圖3 交直流系統(tǒng)仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于PSASP用戶自定義功能開發(fā)了高壓直流輸電模型，著重對(duì)輔助頻率控制模型做了詳盡介紹，仿真結(jié)果表明了該模型的正確性。可以看出，用戶自定義輔助頻率控制對(duì)于改善整流側(cè)及逆變側(cè)交流系統(tǒng)的頻率，提高交直流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)區(qū)域間資源互補(bǔ)方面效益十分明顯。

[1]JOHNSON R K，KLEMN N S,SCBILLING K H.Power Modulation Of Sidney HVDC Themes,Part I&Part B[J].IEEE Trans on Power Delivery,1989,4(4):2145-2161.

[2] KOJI Y，MASAKAZU S，KAZUO K.Cooperafive Control Between Large Capacity HVDC System and Thermal Power Plant[J].IEEE Transactionson Power Systems,1999，2（14）:629-634.

[3]MARTIN D，WONGW，LISSG.Modulation Controls for the New Zealand DCHybrid Project[J].IEEE Trans on Power Delivery,1991,6(4):1825-1830.

[4] 印永華，卜廣全，湯涌,等.BPA潮流與穩(wěn)定分析用戶手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院,1991.

[5] Power Technologies Inc.PSS/E Application Manual and Operation Manual,PSS/E Brochure[M].Power Technologies Inc，2005．

[6]中國(guó)電力科學(xué)研究院計(jì)算所.電力系統(tǒng)分析軟件包(PSASP)使用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，1993.

[7] 許德操，韓民曉，丁輝，等.基于PSASP的直流系統(tǒng)用戶自定義建模[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（6）：71-76.