送端直流孤島系統頻率限制器優化控制策略

呂思卓，鄭超，楊金剛，劉洪濤

(1. 中國電力科學研究院, 北京市 100192；2. 國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京市 100045；3. 中國南方電網電力調度控制中心，廣州市 510623)

送端直流孤島系統頻率限制器優化控制策略

呂思卓1，鄭超1，楊金剛2，劉洪濤3

(1. 中國電力科學研究院, 北京市 100192；2. 國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京市 100045；3. 中國南方電網電力調度控制中心，廣州市 510623)

頻率限制控制器(frequency limit controller，FLC)作為一種重要的直流有功功率調制手段，可提高交直流混聯系統的頻率穩定水平，但直流有功功率的調節會改變換流站無功功率水平，進而影響系統電壓特性。針對楚穗特高壓送端直流孤島系統，分析了交流系統發生短路故障后，FLC調節有功功率對整流站電壓恢復特性的影響機理。在此基礎上，提出了基于無功功率變化率的FLC優化控制策略，來提高送端系統的電壓穩定性。仿真結果表明，該策略在抑制頻率波動的同時，可改善孤島系統的電壓恢復特性。

直流孤島系統; 頻率限制控制器(FLC); 電壓恢復特性; 無功功率變化率

0 引 言

一次能源與負荷中心呈逆向分布的資源優化配置需求，決定了我國電網格局具有大電源、大電網、大容量、遠距離輸電等特征。直流輸電技術以其在大容量、遠距離輸電應用中的特有技術優勢，將在西電東送和全國聯網中發揮重要作用[1-2]。

在我國已投運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采用孤島運行方式，配套金安橋和小灣水電廠通過長距離500 kV交流線路接入直流換流站[3]。由于孤島系統發電機轉動慣量和換流母線短路容量均較小，因此，擾動沖擊易引起孤島電網頻率和電壓波動，孤島電網穩定運行問題較為突出[4-6]。當故障使孤島系統出現大量有功功率盈缺時，僅依靠原動機和調速器調節，難以快速平抑頻率波動。為了提升孤島系統的穩定運行能力，需利用直流功率調制控制來補償不平衡功率[7-8]。頻率限制控制器(frequency limit controller，FLC)作為一種重要的直流有功功率調制手段，能夠增強孤島系統頻率穩定性[9]。文獻[10]針對天廣交直流混聯系統提出了一種非線性直流調制控制器來提高系統暫態穩定性，并與常規的頻率調制進行了對比。文獻[11-12]提出利用靜止無功補償器(static var compensator，SVC)和降低直流功率來提高楚穗直流系統的穩定性，但這些措施會增加投資或降低直流功率利用率。文獻[13]對糯扎渡FLC的功能進行了仿真研究，但由于糯扎渡電廠距離換流站較近，換流站電壓穩定問題并不突出，因此沒有考慮有功功率調節引起的換流站無功功率不平衡問題及其對交流系統的影響。

本文首先分析現有FLC的結構和功能原理，針對楚穗特高壓直流輸電工程，揭示FLC對整流站無功功率需求和電壓恢復的影響機理。針對現有控制方法的不足，提出一種基于無功功率變化率的FLC優化控制策略。采用該控制策略，在抑制頻率波動的同時，可提高送端系統的電壓穩定性。

1 FLC結構及功能

FLC是直流輸電系統中的重要附加控制器之一，用來調節直流有功功率，提高交直流混聯系統頻率穩定水平，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為濾波器時間常數，Fband為頻差死區限制范圍，KP為比例增益，KI為積分增益，Pmodmin、Pmodmax分別為直流功率調制的下限和上限，△P為直流功率附加調制量[14]。

圖1 頻率限制控制器結構Fig.1 Structure of FLC

FLC以換流母線頻率f與基準頻率f0之間的偏差△f作為輸入信號，△f經比例積分調節器輸出直流功率附加調節信號△P，進而補償系統有功功率盈缺，起到抑制系統頻率波動的作用。例如，將頻差死區限制范圍Fband設置為0.1 Hz，當孤島系統頻率大于50.1 Hz之間時，FLC下通道起作用，輸出△P為正值，FLC通過增大直流系統輸送功率，使孤島系統頻率降回至設定頻率的上限值；當系統頻率小于49.9 Hz時，FLC上通道起作用，輸出△P為負值，FLC通過減小直流系統輸送功率，使孤島系統頻率上升至設定頻率的下限值。當孤島系統頻率在49.9～50.1 Hz時，FLC上通道和下通道輸出之和為0，直流功率保持不變。

2 孤島運行方式下送端頻率控制策略

2.1 楚穗直流仿真系統簡介

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

楚穗直流控制系統由西門子公司供貨，為此在PSD-BPA仿真軟件中選用與其對應的DN/DZ卡模型，其頻率限制器參數設定值如下：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，由于發電機輸出電磁功率下降和直流外送功率變化，孤島電網集聚的不平衡功率，將會使頻率大幅波動。在受擾后的恢復過程中，交流系統頻率波動會使直流頻率限制器動作，由此引起直流功率以及換流站無功功率需求改變，導致孤島系統面臨暫態電壓穩定問題。

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，系統電壓失穩。孤島系統頻率、整流站母線電壓等電氣量暫態響應曲線如圖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，且無法恢復。

由圖3可知，FLC對電壓恢復的影響機理分析如下。

(1)短路故障期間，孤島電網電壓跌落引起直流電壓降低，直流功率傳輸中斷，送端機組有功功率過剩，導致孤島電網頻率升高。

(2)故障切除后，小灣至楚雄換流站僅通過一回線路連接，孤島電網間的電氣聯系減弱，大量潮流轉移引起另一回線路的無功功率損耗增加，影響故障切除后換流母線電壓的恢復。

圖3 小灣-楚雄線路N-1故障時孤島電網暫態響應Fig.3 Islanded grid transient response whenN-1 fault occurred in Xiaowan-Chuxiong lines

(3)與此同時，整流站母線電壓逐漸恢復，濾波器輸出的無功功率隨電壓的回升而增大，整流器消耗的無功功率隨直流功率的提升而增大。濾波器輸出無功功率與整流器消耗無功功率的差值呈正負交替變化，如圖3(h)所示，對應整流站從交流系統吸收的無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吸收無功功率的減小階段，孤島電網頻率上升至50.3 Hz，超出FLC上限值，FLC功能激活并對直流功率進行調制，FLC輸出曲線如圖3(f)所示，直流功率增加400 MW以減小孤島電網頻率偏差。由于整流器觸發角已達最小限制，整流器在定功率控制下增大直流電流，導致直流電壓降低，使整流器功率因數角增大，無功功率消耗增多。而送端提供的無功功率嚴重不足，導致換流站電壓降低，如圖3(c)ab段所示，定功率控制系統通過增大直流電流使整流器無功功率消耗進一步增多，無功功率不平衡進入惡性循環，楚雄換流站電壓逐漸下降至0.8 pu，且不能恢復，孤島系統頻率偏差逐漸增大，直流功率下降至4 400 MW。

由以上分析可知，系統電壓失穩是由于在整流站吸收無功功率減小階段，FLC使直流系統無功功率消耗大量增加，引起整流站無功功率不平衡，從而對故障后直流系統的恢復產生不利影響。

2.3 頻率限制器優化控制策略

為了改善FLC對系統電壓的不利影響，本文提出一種基于無功功率變化率的FLC優化控制策略，如圖4所示。該策略通過計算系統頻率f和整流站從交流系統吸收的無功功率Qc的變化率來確定FLC是否投入。具體控制邏輯為：當檢測到系統頻率達到上限，同時整流站吸收的無功功率增大時或系統頻率達到下限，同時整流站吸收的無功功率減小時，啟動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采用優化后的控制策略，在小灣—楚雄線路發生“N-1”故障后，孤島電網的暫態響應如圖5所示。

圖5 頻率限制器優化后孤島電網暫態響應Fig.5 Islanded grid transient response after FLC optimization

由仿真結果可知，當孤島系統頻率超出限值時，整流站從交流系統吸收無功功率的變化率小于0，則頻率限制器退出，整流器的無功功率需求與FLC投入時的相比大量減少，由圖5(d)可知，電壓恢復期間整流站向交流系統注入無功功率300 Mvar，提高了整流站的無功功率支撐能力，進而促進交流電壓和直流送電功率的恢復。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，直流功率可恢復到穩態運行水平。

3 FLC控制策略效果驗證

為驗證本文所提出的FLC控制策略在送端系統發生交直流功率不平衡擾動時的有效性，對發電機有功出力變化工況進行仿真研究。小灣電廠1臺機組功率按照100 MW/s的速率下降200 MW時，整流站母線電壓、孤島系統頻率、整流站觸發延遲角、直流功率以及整流站吸收無功功率的暫態響應曲線如圖6所示。

由仿真結果可知，當發電機組出力減小時，如圖6中的ab段所示，孤島電網頻率逐漸下降，但還未達到FLC動作值(49.9 Hz)，整流側保持定功率控制指令值不變，楚雄換流站母線電壓隨機組出力減小而下降，定功率控制器通過減小整流側觸發角以保持直流電壓恒定，由于整流器功率因數角減小，整流站從交流系統吸收的無功功率將減少。

圖6 發電機出力變化時孤島電網暫態響應Fig.6 Islanded grid transient response when generator output changing

隨著發電機組出力繼續下降，如圖6中的bc段所示，頻率降低至FLC啟動值49.9 Hz，此時整流站吸收無功功率的變化率小于0，則啟動頻率限制功能。利用頻率調制降低直流輸送功率，整流側定功率控制系統通過增大觸發角降低直流功率。整流器無功功率需求相應減少，有利于換流站母線電壓提升，使濾波器無功功率輸出增加，整流站吸收的無功功率進一步減小，使交直流系統無功功率平衡。

當發電機組出力停止下降后，孤島系統電壓和頻率逐漸恢復平穩，直流功率由5000 MW下降到4 860 MW，孤島系統頻率穩定在49.9 Hz左右。FLC通過調整直流功率跟蹤發電機組出力，從而減小頻率偏差。

4 結 論

(1)楚穗直流孤島系統8機4線運行方式下，當送端交流系統發生短路故障時，會引起孤島系統頻率波動，當超出頻率限制時FLC動作，直流控制系統通過增大直流功率抑制頻率波動，整流站吸收的無功功率增加，導致系統無功功率不平衡，造成系統電壓失穩。

(2)本文提出一種基于無功功率變化率的FLC優化控制策略，即在頻率增大，同時整流站吸收的無功減少時退出FLC，可以使孤島系統電壓恢復到穩態運行水平。當送端發電機組出力減小時，根據優化控制策略啟動FLC，控制系統能夠準確、快速調整直流功率，使孤島系統頻率滿足運行要求。

[1]梁旭明, 張平, 常勇. 高壓直流輸電技術現狀及發展前景[J]. 電網技術, 2012, 36(4): 1-9. LING Xuming, ZHANG Ping, CHANG Yong. Recent advances in high-voltage direct-current power transmission and its developing potential[J]. Power System Technology, 2012, 36(4): 1-9.

[2]趙畹君. 高壓直流輸電工程技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004: 10-11.

[3]徐攀騰. 云廣特高壓直流輸電工程送端孤島頻率控制分析[J]. 電力建設, 2011, 32(11): 48-50. XU Panteng. Frequency control analysis for island system at sending terminal in Yunnan-Guangdong UHVDC transmission project[J]. Electric Power Construction, 2011, 32(11): 48-50.

[4]李亞男, 馬為民, 殷威揚, 等. 向家壩—上海特高壓直流系統孤島運行方式[J]. 高電壓技術, 2010, 36(1): 185-189. LI Yanan, MA Weimin, YIN Weiyang, et al. Island operation modes XS800 UHVDC system[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(1): 185-189.

[5]王華偉, 韓民曉, 范園園, 等. 呼遼直流孤島運行方式下送端系統頻率特性及控制策略[J]. 電網技術, 2013, 37(5): 1401-1406. WANG Huawei, HAN Minxiao, FAN Yuanyuan, et al. Sending and frequency characteristics under islanded operation mode of HVDC transmission system from Hulun Buir to Liaoning and corresponding control strategy[J]. Power System Technology, 2013, 37(5): 1401-1406.

[6]李朝順, 張正茂, 康激揚. 大直流弱送端系統安全穩定控制策略[J]. 電網技術, 2014, 38(1): 28-32. LI Chaoshun, ZHANG Zhengmao, KANG Jiyang. Research on security and stability control strategy for weak sending-end system of large capacity HVDC power transmission system[J]. Power System Technology, 2014, 38(1): 28-32.

[7]郭小江, 馬世英, 卜廣全, 等. 直流系統參與電網穩定控制應用現狀及在安全防御體系中的功能定位探討[J]. 電網技術, 2012, 36(8): 116-123. GUO Xiaojiang, MA Shiying, BU Guangquan, et al. Present application situation of DC system participating in power system stability control and discussion on position of its functions in security defense system[J]. Power System Technology, 2012, 36(8): 116-123.

[8]鄭超, 湯涌, 馬世英, 等. 直流參與穩定控制的典型場景及技術需求[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(22): 3750-3759. ZHENG Chao, TANG Yong, MA Shiying, et al. A survey on typical scenarios and technology needs for HVDC participated into stability control[J]. Proceeding of the CSEE, 2014, 34(22): 3750-3759.

[9]陳亦平, 程哲, 張昆, 等. 高壓直流輸電系統孤島運行調頻策略[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(4): 96-103. CHEN Yiping, CHENG Zhe, ZHANG Kun, et al. Frequency regulation strategy for islanding operation of HVDC[J]. Proceeding of the CSEE, 2013, 33(4): 96-103.

[10]荊勇, 楊晉柏, 李柏青, 等. 直流調制改善交直流混聯系統暫態穩定性的研究[J]. 電網技術, 2004, 28(10): 1-4. JING Yong, YANG Jinbai, LI Baiqing, et al. Research on improving transient stability of AC/DC hybrid system by HVDC modulation[J]. Power System Technology, 2004, 28(10): 1-4.

[11]胡銘, 金小明, 高鵬, 等. 云廣特高壓直流輸電系統孤島運行的穩定控制措施[J]. 電網技術, 2009, 33(18): 5-8. HU Ming, JIN Xiaoming, GAO Peng, et al. Stability control strategies for ±800 kV DC transmission system from Yunnan to Guangdong under islanded operation[J]. Power System Technology, 2009, 33(5): 5-8.

[12]許愛東, 吳小辰, 洪潮, 等. 楚穗直流孤島系統安穩控制策略[J]. 南方電網技術, 2011, 5(2): 102-105. XU Aidong, WU Xiaochen, HONG Chao, et al. On security and stability control strategy for Chuxiong—Suidong UHVDC in islanded operation [J]. Southren Power System Technology, 2011, 5(2): 102-105.

[13]杜斌, 柳勇軍, 涂亮, 等. 糯扎渡直流頻率限制控制器研究[J]. 南方電網技術, 2013, 7(5): 27-31. DU Bin, LIU Yongjun, TU Liang, et al. Study on the frequency limit control of Nuozhadu DC transmission project[J]. Southren Power System Technology, 2013, 7(5): 27-31.

[14]許達. 特高壓直流輸電系統孤島運行研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2012. XU Da. Study on the islanding operation of UHVDC transmission system[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

(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，主要研究方向為電力系統穩定與控制；

鄭超(1977)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統穩定與控制、高壓直流輸電、FACTS、新能源并網；

楊金剛(1982)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統安全穩定分析和電網規劃；

劉洪濤(1974)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為電力系統安全穩定分析與控制。