滇西北直流頻率限制控制研究及工程應用

張力飛, 郭 琦， 夏成軍， 歐開健, 李書勇, 朱益華

(1. 直流輸電技術國家重點實驗室(南方電網科學研究院有限責任公司)，廣東 廣州 510663；2. 中國南方電網公司電網仿真重點實驗室，廣東 廣州 510663 ;3. 華南理工大學電力學院, 廣東 廣州 510641)

0 引言

滇西北送廣東±800 kV特高壓直流輸電工程(簡稱“滇西北直流工程”)采用±800 kV直流輸電方式，直流額定輸電容量為5000 MW，工程起點位于云南省大理州劍川縣新松換流站，直流落點為廣東省深圳市寶安區東方換流站，線路長度為1953 km，是云南電力外送的一項重要直流工程。西北直流的主要運行方式為聯網方式，在送端交流聯絡線因故障跳開后，要求直流在孤島方式下能平穩運行。但被動進入孤島后送端交流系統容量小、抗擾動能力差，同時發生機組跳閘等故障，系統內交直流有功難以達到平衡，導致系統頻率失穩，孤島系統崩潰[1-5]。孤島方式下頻率波動問題嚴重影響了直流系統運行穩定性，針對孤島系統的頻率控制，各方展開了深入研究。

隨著直流工程的陸續投產，云南電網通過金中直流、觀音巖直流、魯西背靠背與廣西電網相連，通過楚穗、普僑、牛從、滇西北直流與廣東電網相連，從而實現云南電網與南方電網主網異步運行，云南電網相當于大孤網運行。文獻[6—15]指出利用直流頻率限制器(frequency limit controller ，FLC)能夠提高孤網系統抵御功率擾動的能力，增強孤島系統頻率的穩定性。文獻[3]通過仿真分析孤島方式下優先利用直流系統頻率限制器平衡功率波動，放大機組一次調頻死區作為后備措施，優先調整機組功率，利用FLC自動跟隨的調頻策略，能保持孤島系統頻率穩定。文獻[13—14]針對糯扎渡直流的頻率調制功能FLC結構及原理進行了分析，并對參數選取給出建議值，對FLC實際效果進行了仿真。

本文首先介紹了目前南方電網現有直流工程中采用的兩種FLC控制邏輯，通過仿真試驗比較了兩種控制邏輯的響應特性，然后對滇西北直流FLC配置、參數選取進行了詳細說明。最后選取孤島系統下機組跳閘、閥組閉鎖等典型故障對滇西北直流FLC功能進行了仿真驗證。

1 現有的兩種FLC控制邏輯比較

目前南網中投入的直流工程采用了西門子和ABB兩種技術路線，滇西北直流、金中直流分別采用西門子和ABB技術路線。兩套FLC控制主環邏輯存在較大差異，具體如圖1，圖2所示。圖1中，DFmax為頻差的最大值；DFmin為頻差的最小值；Fband為頻差死區的限制范圍；Pmodmax為直流功率調制量上限；Pmodmin為直流功率調制量下限。滇西北FLC控制邏輯主環設置兩個PI環節同時計算FLC正向或負向調節量，通過限幅值實現最終有效輸出。當頻率進入死區后，直接對兩個積分器疊加反向量而實現快速復歸清零。而圖2的金中直流FLC控制邏輯中，頻率正向越限和反向越限的調制量共用積分器，當頻差進入死區后，需要維持在死區內60 s后，積分器通過0.1倍負反饋系數進行緩慢清零。在頻率限制越限恢復過程中，滇西北直流在頻率進入死區后FLC調制輸出量迅速返回至0，減少直流恢復至穩態運行的時間。

圖1 滇西北直流頻率限制模型Fig.1 DXB frequency limit model block diagram

圖2 金中直流頻率限制模型Fig.2 JZ frequency limit model block diagram

基于加拿大Manitoba直流研究中心開發的實時數字仿真器(real time digital simulator, RTDS)搭建滇西北直流和金中直流控制保護軟件模型[16-18]，利用RTDS錄波回放的功能，對同一頻率波形進行錄波回放，得到滇西北直流和金中直流在發生相同的頻率越限事故時FLC輸出響應特性，響應情況如圖3所示。

圖3 頻率越限仿真波形Fig.3 FLC simulation waveform of DXB HVDC and JZ HVDC

圖3中，頻率越限后，滇西北直流和金中直流FLC控制快速上調，達到最大調制量0.2 p.u.，增大直流輸出功率，抑制頻率上升；越限后FLC均保持最大調制輸出；頻率恢復進死區(±0.1 Hz)后，滇西北直流FLC調制輸出量迅速降低至0，而金中直流FLC調制輸出量維持60 s后，再緩慢降低?？梢姷嵛鞅敝绷髦胁捎玫腇LC控制邏輯，有利于直流在FLC動作后快速恢復至穩定運行，縮短直流系統過負荷運行時間。

2 滇西北頻率控制功能配置

滇西北直流輸電工程控制保護系統中FLC功能配置在直流極控系統中[16-19]，可以由運行人員在HMI操作界面上投入或退出，頻率死區也可由運行人員在操作界面上設定，便于運行人員根據實際運行要求設定頻率死區。

運行人員界面中，聯網及孤島方式下FLC功能投入/退出可在新松站和東方站獨立投退，對應的聯網或孤島下的頻率限制死區值在新松站和東方站獨立設置，分別整定。

在兩站FLC功能均投入時，兩站FLC輸出的功率調制量累加到一起，獲得最終的FLC功率調制量，FLC的輸出功率調制值在兩極間基于各極的直流電壓進行分配。FLC功能投入后將自動根據兩端換流站的頻率變化量調制直流功率信號，當直流極控系統失去站間通信時，整流側的FLC功能仍然有效，逆變側FLC功能失效。

因送端負荷規模遠小于受端且受端主網調頻備用安排及安全穩定防線配置可滿足頻率穩定運行要求，南方電網暫未投入受端FLC控制。

FLC參數定值設置如表1所示。

表1 FLC參數定值表Tab.1 FLC parameter table

2.1 FLC調節范圍

參照直流控制系統設計規范，直流FLC調節范圍上限通常為0～0.3 p.u.，下限通常為-0.5～0 p.u.，調節上下限的設置還需結合滇西北直流工程直流控制系統快速調節功率能力考慮。

滇西北直流工程在廠內測試及現場調試階段均開展了電流階躍試驗，具備快速向下調節0.5 p.u.直流功率的能力；向上調節主要考慮換流站的無功電壓支撐能力及控制系統長期過負荷能力。滇西北直流工程短時(2 h)過負荷能力為1.2 p.u.，超過1.2 p.u.則進入暫態(3 s)過負荷能力。

結合滇西直流工程實際，滇西北直流FLC調節范圍選取上限為+0.2 p.u.，下限為-0.5 p.u.。

2.2 FLC調節死區

FLC調節死區設置需綜合考慮與送端機組一次調頻協調配合及同期并網配合。依據南方電網目前主要調頻機組的死區設置(水電機組的一次調頻死區為0.05 Hz，火電機組為0.033 Hz)，直流FLC死區設置應大于0.05 Hz。

由于系統同期設備頻差定值設定為0.2 Hz，為便于孤島轉并網運行時的自動準同期并網操作，要求孤島系統穩態頻率波動應小于0.2 Hz。同時FLC死區設置過小，小擾動時會導致FLC頻繁動作，死區范圍不能設置過小。綜上，孤島方式下FLC死區(FBand)范圍設定為0.1 Hz，聯網方式下FLC死區范圍設定為0.15 Hz。

2.3 KP和KI參數選取

參照以往工程的經驗值設置，選取若干組參數，在孤島下進行FLC參數KP、KI的靈敏度分析。

選取孤島系統黃登電廠2臺機組發生跳閘故障，故障前單機出力475 MW，FLC參數設置如下：Fband=0.1 Hz，Pmodmax= +0.2 p.u.，Pmodmin= -0.5 p.u.，KI=22.2，仿真對比KP選取不同數值情況下系統響應情況，見圖4和圖5。由仿真可見，KP參數越小情況下，動態過程中頻差越大，動態阻尼越小，對擾動后系統穩定不利；隨KP增大，最低頻率有所提高，但頻率恢復過程變長，動態性能差，KP取30。

圖4 新松站母線頻率偏差Fig. 4 Frequency deviation of rectifier

圖5 滇西北直流功率Fig. 5 DC power waveform

相同工況下，對積分增益KI進行靈敏度分析，KP取30，仿真對比KI取不同數值下系統響應情況，見圖6和圖7。由仿真結果可見，KI越小，系統最低頻率越低，恢復過程越長；KI越大，直流功率恢復過程波動越大，穩定性弱，KI取22.2。

圖6 新松站母線頻率偏差Fig. 6 Frequency deviation of rectifier

圖7 滇西北直流功率Fig. 7 DC power waveform

3 滇西北FLC性能仿真研究

基于RTDS仿真平臺及南瑞繼保開發的PCS9500直流控制保護系統，建立滇西北RTDS實時仿真試驗系統。通過搭建滇西北±800 kV特高壓直流輸電閉環系統模型，研究滇西北直流系統FLC功能在孤島運行方式下的控制特性。

3.1 FLC功能投入，送端1臺機組跳閘故障

工況：滇西北直流孤島方式運行，雙極四閥組全壓運行，直流功率水平5000 MW，送端黃登電廠1臺機跳閘故障，故障前機組出力477 MW，FLC投入，系統響應情況如圖8(a)所示。

故障前，送端交流母線頻率偏高，黃登電廠1臺機跳閘情況下，直流功率大于機組出力，送端交流系統頻率下降，頻差低于FLC死區下限之后，FLC根據頻差輸出調制量降低直流功率參考值，使直流功率與機組有功出力相匹配，保證系統穩定。最終系統頻率穩定在49.9 Hz，動態過程中系統頻率最低49.59 Hz，直流功率最終穩定在4600 MW。

圖8 黃登1臺機組跳閘后系統響應曲線Fig.8 Response curve of the systemafter the trip of a unit

3.2 FLC功能退出，送端1臺機組跳閘故障

滇西北直流孤島方式運行，雙極四閥組全壓運行，直流功率水平5000 MW，送端黃登電廠1臺機跳閘故障，故障前機組出力477 MW，FLC退出，系統響應情況如圖8(b)所示。

黃登電廠1臺機跳閘情況下，直流系統功率參考值保持不變，大于機組出力。無FLC情況下為維持系統有功平衡，根據機組有功頻率特性，機組轉速降低以增加有功出力，孤島交流系統頻率持續降低，進而導致孤島系統頻率持續降低，進而導致孤島系統頻率失穩。

3.3 直流故障閉鎖

滇西北直流孤島方式運行，雙極四閥組全壓運行，直流功率水平5000 MW，直流系統單閥組故障閉鎖，切黃登2臺機共980 MW，FLC投入，系統響應情況如圖9所示。

圖9 發生單閥故障閉鎖后系統響應曲線Fig.9 Response curve of the system after a single valve blocked

滇西北直流雙極運行情況下功率為5000 MW，單閥組閉鎖造成1250 MW過剩功率，切黃登兩臺機共980 MW，頻率短時仍達到50.53 Hz，最終在FLC作用下頻率恢復到死區范圍內，直流最終輸送功率保持在4200 MW，系統穩定。

4 實驗驗證

對直流孤島頻率的FLC功能進行了測試，試驗工況如下。雙極低閥1000 MW運行，通過在直流極控程序中置數，將新松站母線頻率疊加+0.2 Hz，持續時間500 ms的正階躍量，得到的波形如圖10所示。由圖10可見疊加0.2 Hz的頻差后，FLC調制輸出量達到37.49 MW，RTDS試驗與現場調試輸出量一致，圖10中仿真與現場的頻率曲線存在差異，原因在于現場調試時新松站母線頻率偏低。

圖10 現場實驗與RTDS仿真波形對比Fig.10 Comparison between field experiment and RTDS simulation

5 結語

孤島方式下對于引起送端系統交流功率大的不平衡擾動，FLC能夠發揮其調節迅速、靈活、精度高的作用，對系統擾動后穩定起到積極作用。孤島方式下滇西北直流送端自動投入FLC，聯網方式下，考慮異步之后云南電網頻率特點，為防止FLC頻繁動作，建議聯網方式下頻率死區放大至0.15 Hz。由于送端FLC與受端FLC調制沖突，實際運行中建議退出受端FLC功能。

本文分析了滇西北直流和金中直流兩種FLC控制邏輯，通過仿真對照試驗，表明滇西北直流FLC調節更靈敏。結合典型的故障工況對FLC的調制效果進行了驗證，仿真結果表明在送端系統出現機組跳閘、直流閥組故障情況下，滇西北FLC能快速調節恢復平衡。本文的研究成果為滇西北運行控制策略提供了技術支撐。