滇西北直流頻率限制控制研究及工程應(yīng)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(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司)，廣東 廣州 510663；2. 中國南方電網(wǎng)公司電網(wǎng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510663 ;3. 華南理工大學(xué)電力學(xué)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(diǎn)位于云南省大理州劍川縣新松換流站，直流落點(diǎn)為廣東省深圳市寶安區(qū)東方換流站，線路長度為1953 km，是云南電力外送的一項(xiàng)重要直流工程。西北直流的主要運(yùn)行方式為聯(lián)網(wǎng)方式，在送端交流聯(lián)絡(luò)線因故障跳開后，要求直流在孤島方式下能平穩(wěn)運(yùn)行。但被動(dòng)進(jìn)入孤島后送端交流系統(tǒng)容量小、抗擾動(dòng)能力差，同時(shí)發(fā)生機(jī)組跳閘等故障，系統(tǒng)內(nèi)交直流有功難以達(dá)到平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率失穩(wěn)，孤島系統(tǒng)崩潰[1-5]。孤島方式下頻率波動(dòng)問題嚴(yán)重影響了直流系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，針對孤島系統(tǒng)的頻率控制，各方展開了深入研究。

隨著直流工程的陸續(xù)投產(chǎn)，云南電網(wǎng)通過金中直流、觀音巖直流、魯西背靠背與廣西電網(wǎng)相連，通過楚穗、普僑、牛從、滇西北直流與廣東電網(wǎng)相連，從而實(shí)現(xiàn)云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步運(yùn)行，云南電網(wǎng)相當(dāng)于大孤網(wǎng)運(yùn)行。文獻(xiàn)[6—15]指出利用直流頻率限制器(frequency limit controller ，F(xiàn)LC)能夠提高孤網(wǎng)系統(tǒng)抵御功率擾動(dòng)的能力，增強(qiáng)孤島系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[3]通過仿真分析孤島方式下優(yōu)先利用直流系統(tǒng)頻率限制器平衡功率波動(dòng)，放大機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)作為后備措施，優(yōu)先調(diào)整機(jī)組功率，利用FLC自動(dòng)跟隨的調(diào)頻策略，能保持孤島系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。文獻(xiàn)[13—14]針對糯扎渡直流的頻率調(diào)制功能FLC結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了分析，并對參數(shù)選取給出建議值，對FLC實(shí)際效果進(jìn)行了仿真。

本文首先介紹了目前南方電網(wǎng)現(xiàn)有直流工程中采用的兩種FLC控制邏輯，通過仿真試驗(yàn)比較了兩種控制邏輯的響應(yīng)特性，然后對滇西北直流FLC配置、參數(shù)選取進(jìn)行了詳細(xì)說明。最后選取孤島系統(tǒng)下機(jī)組跳閘、閥組閉鎖等典型故障對滇西北直流FLC功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 現(xiàn)有的兩種FLC控制邏輯比較

目前南網(wǎng)中投入的直流工程采用了西門子和ABB兩種技術(shù)路線，滇西北直流、金中直流分別采用西門子和ABB技術(shù)路線。兩套FLC控制主環(huán)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(qū)的限制范圍；Pmodmax為直流功率調(diào)制量上限；Pmodmin為直流功率調(diào)制量下限。滇西北FLC控制邏輯主環(huán)設(shè)置兩個(gè)PI環(huán)節(jié)同時(shí)計(jì)算FLC正向或負(fù)向調(diào)節(jié)量，通過限幅值實(shí)現(xiàn)最終有效輸出。當(dāng)頻率進(jìn)入死區(qū)后，直接對兩個(gè)積分器疊加反向量而實(shí)現(xiàn)快速復(fù)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(diào)制量共用積分器，當(dāng)頻差進(jìn)入死區(qū)后，需要維持在死區(qū)內(nèi)60 s后，積分器通過0.1倍負(fù)反饋系數(shù)進(jìn)行緩慢清零。在頻率限制越限恢復(fù)過程中，滇西北直流在頻率進(jìn)入死區(qū)后FLC調(diào)制輸出量迅速返回至0，減少直流恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的時(shí)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(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)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(hù)軟件模型[16-18]，利用RTDS錄波回放的功能，對同一頻率波形進(jìn)行錄波回放，得到滇西北直流和金中直流在發(fā)生相同的頻率越限事故時(shí)FLC輸出響應(yīng)特性，響應(yīng)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(diào)，達(dá)到最大調(diào)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(diào)制輸出；頻率恢復(fù)進(jìn)死區(qū)(±0.1 Hz)后，滇西北直流FLC調(diào)制輸出量迅速降低至0，而金中直流FLC調(diào)制輸出量維持60 s后，再緩慢降低。可見滇西北直流中采用的FLC控制邏輯，有利于直流在FLC動(dòng)作后快速恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行，縮短直流系統(tǒng)過負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(hù)系統(tǒng)中FLC功能配置在直流極控系統(tǒng)中[16-19]，可以由運(yùn)行人員在HMI操作界面上投入或退出，頻率死區(qū)也可由運(yùn)行人員在操作界面上設(shè)定，便于運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求設(shè)定頻率死區(qū)。

運(yùn)行人員界面中，聯(lián)網(wǎng)及孤島方式下FLC功能投入/退出可在新松站和東方站獨(dú)立投退，對應(yīng)的聯(lián)網(wǎng)或孤島下的頻率限制死區(qū)值在新松站和東方站獨(dú)立設(shè)置，分別整定。

在兩站FLC功能均投入時(shí)，兩站FLC輸出的功率調(diào)制量累加到一起，獲得最終的FLC功率調(diào)制量，F(xiàn)LC的輸出功率調(diào)制值在兩極間基于各極的直流電壓進(jìn)行分配。FLC功能投入后將自動(dòng)根據(jù)兩端換流站的頻率變化量調(diào)制直流功率信號，當(dāng)直流極控系統(tǒng)失去站間通信時(shí)，整流側(cè)的FLC功能仍然有效，逆變側(cè)FLC功能失效。

因送端負(fù)荷規(guī)模遠(yuǎn)小于受端且受端主網(wǎng)調(diào)頻備用安排及安全穩(wěn)定防線配置可滿足頻率穩(wěn)定運(yùn)行要求，南方電網(wǎng)暫未投入受端FLC控制。

FLC參數(shù)定值設(shè)置如表1所示。

表1 FLC參數(shù)定值表Tab.1 FLC parameter table

2.1 FLC調(diào)節(jié)范圍

參照直流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，直流FLC調(diào)節(jié)范圍上限通常為0～0.3 p.u.，下限通常為-0.5～0 p.u.，調(diào)節(jié)上下限的設(shè)置還需結(jié)合滇西北直流工程直流控制系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)功率能力考慮。

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

結(jié)合滇西直流工程實(shí)際，滇西北直流FLC調(diào)節(jié)范圍選取上限為+0.2 p.u.，下限為-0.5 p.u.。

2.2 FLC調(diào)節(jié)死區(qū)

FLC調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置需綜合考慮與送端機(jī)組一次調(diào)頻協(xié)調(diào)配合及同期并網(wǎng)配合。依據(jù)南方電網(wǎng)目前主要調(diào)頻機(jī)組的死區(qū)設(shè)置(水電機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)為0.05 Hz，火電機(jī)組為0.033 Hz)，直流FLC死區(qū)設(shè)置應(yīng)大于0.05 Hz。

由于系統(tǒng)同期設(shè)備頻差定值設(shè)定為0.2 Hz，為便于孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)準(zhǔn)同期并網(wǎng)操作，要求孤島系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率波動(dòng)應(yīng)小于0.2 Hz。同時(shí)FLC死區(qū)設(shè)置過小，小擾動(dòng)時(shí)會導(dǎo)致FLC頻繁動(dòng)作，死區(qū)范圍不能設(shè)置過小。綜上，孤島方式下FLC死區(qū)(FBand)范圍設(shè)定為0.1 Hz，聯(lián)網(wǎng)方式下FLC死區(qū)范圍設(shè)定為0.15 Hz。

2.3 KP和KI參數(shù)選取

參照以往工程的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置，選取若干組參數(shù)，在孤島下進(jìn)行FLC參數(shù)KP、KI的靈敏度分析。

選取孤島系統(tǒng)黃登電廠2臺機(jī)組發(fā)生跳閘故障，故障前單機(jī)出力475 MW，F(xiàn)LC參數(shù)設(shè)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(shù)值情況下系統(tǒng)響應(yīng)情況，見圖4和圖5。由仿真可見，KP參數(shù)越小情況下，動(dòng)態(tài)過程中頻差越大，動(dòng)態(tài)阻尼越小，對擾動(dòng)后系統(tǒng)穩(wěn)定不利；隨KP增大，最低頻率有所提高，但頻率恢復(fù)過程變長，動(dòng)態(tài)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(jìn)行靈敏度分析，KP取30，仿真對比KI取不同數(shù)值下系統(tǒng)響應(yīng)情況，見圖6和圖7。由仿真結(jié)果可見，KI越小，系統(tǒng)最低頻率越低，恢復(fù)過程越長；KI越大，直流功率恢復(fù)過程波動(dòng)越大，穩(wěn)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(fā)的PCS9500直流控制保護(hù)系統(tǒng)，建立滇西北RTDS實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)系統(tǒng)。通過搭建滇西北±800 kV特高壓直流輸電閉環(huán)系統(tǒng)模型，研究滇西北直流系統(tǒng)FLC功能在孤島運(yùn)行方式下的控制特性。

3.1 FLC功能投入，送端1臺機(jī)組跳閘故障

工況：滇西北直流孤島方式運(yùn)行，雙極四閥組全壓運(yùn)行，直流功率水平5000 MW，送端黃登電廠1臺機(jī)跳閘故障，故障前機(jī)組出力477 MW，F(xiàn)LC投入，系統(tǒng)響應(yīng)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(jī)跳閘情況下，直流功率大于機(jī)組出力，送端交流系統(tǒng)頻率下降，頻差低于FLC死區(qū)下限之后，F(xiàn)LC根據(jù)頻差輸出調(diào)制量降低直流功率參考值，使直流功率與機(jī)組有功出力相匹配，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。最終系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在49.9 Hz，動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)頻率最低49.59 Hz，直流功率最終穩(wěn)定在4600 MW。

圖8 黃登1臺機(jī)組跳閘后系統(tǒng)響應(yīng)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(jī)組跳閘故障

滇西北直流孤島方式運(yùn)行，雙極四閥組全壓運(yùn)行，直流功率水平5000 MW，送端黃登電廠1臺機(jī)跳閘故障，故障前機(jī)組出力477 MW，F(xiàn)LC退出，系統(tǒng)響應(yīng)情況如圖8(b)所示。

黃登電廠1臺機(jī)跳閘情況下，直流系統(tǒng)功率參考值保持不變，大于機(jī)組出力。無FLC情況下為維持系統(tǒng)有功平衡，根據(jù)機(jī)組有功頻率特性，機(jī)組轉(zhuǎn)速降低以增加有功出力，孤島交流系統(tǒng)頻率持續(xù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致孤島系統(tǒng)頻率持續(xù)降低，進(jìn)而導(dǎo)致孤島系統(tǒng)頻率失穩(wěn)。

3.3 直流故障閉鎖

滇西北直流孤島方式運(yùn)行，雙極四閥組全壓運(yùn)行，直流功率水平5000 MW，直流系統(tǒng)單閥組故障閉鎖，切黃登2臺機(jī)共980 MW，F(xiàn)LC投入，系統(tǒng)響應(yīng)情況如圖9所示。

圖9 發(fā)生單閥故障閉鎖后系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.9 Response curve of the system after a single valve blocked

滇西北直流雙極運(yùn)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(jī)共980 MW，頻率短時(shí)仍達(dá)到50.53 Hz，最終在FLC作用下頻率恢復(fù)到死區(qū)范圍內(nèi)，直流最終輸送功率保持在4200 MW，系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對直流孤島頻率的FLC功能進(jìn)行了測試，試驗(yàn)工況如下。雙極低閥1000 MW運(yùn)行，通過在直流極控程序中置數(shù)，將新松站母線頻率疊加+0.2 Hz，持續(xù)時(shí)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，F(xiàn)LC調(diào)制輸出量達(dá)到37.49 MW，RTDS試驗(yàn)與現(xiàn)場調(diào)試輸出量一致，圖10中仿真與現(xiàn)場的頻率曲線存在差異，原因在于現(xiàn)場調(diào)試時(shí)新松站母線頻率偏低。

圖10 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與RTDS仿真波形對比Fig.10 Comparison between field experiment and RTDS simulation

5 結(jié)語

孤島方式下對于引起送端系統(tǒng)交流功率大的不平衡擾動(dòng)，F(xiàn)LC能夠發(fā)揮其調(diào)節(jié)迅速、靈活、精度高的作用，對系統(tǒng)擾動(dòng)后穩(wěn)定起到積極作用。孤島方式下滇西北直流送端自動(dòng)投入FLC，聯(lián)網(wǎng)方式下，考慮異步之后云南電網(wǎng)頻率特點(diǎn)，為防止FLC頻繁動(dòng)作，建議聯(lián)網(wǎng)方式下頻率死區(qū)放大至0.15 Hz。由于送端FLC與受端FLC調(diào)制沖突，實(shí)際運(yùn)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(yàn)，表明滇西北直流FLC調(diào)節(jié)更靈敏。結(jié)合典型的故障工況對FLC的調(diào)制效果進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明在送端系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)組跳閘、直流閥組故障情況下，滇西北FLC能快速調(diào)節(jié)恢復(fù)平衡。本文的研究成果為滇西北運(yùn)行控制策略提供了技術(shù)支撐。