用于直流系統(tǒng)超低頻振蕩抑制的調(diào)速器和FLC協(xié)同優(yōu)化

韓建偉，于浩浩，張文淵，甘 濤，辛業(yè)春

(1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650000； 2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

0 引 言

2016年3月28日，在進(jìn)行云南電網(wǎng)和南方電網(wǎng)主網(wǎng)第一次異步聯(lián)網(wǎng)試驗時，出現(xiàn)了超低頻振蕩現(xiàn)象，該現(xiàn)象持續(xù)了將近半小時，對云南電網(wǎng)的安全穩(wěn)定及常規(guī)運行造成了極大的威脅。據(jù)當(dāng)時的數(shù)據(jù)顯示，該現(xiàn)象發(fā)生時的振蕩周期大約是20 s，振幅為±0.1 Hz。根據(jù)之前對類似振蕩事故的系統(tǒng)分析，這種超低頻率振蕩發(fā)生的原因主要在于所設(shè)置的水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)與“水錘效應(yīng)”共同導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)的超低頻段呈現(xiàn)出的明顯的負(fù)阻尼[1]。在以水電為主的電網(wǎng)當(dāng)中，負(fù)阻尼效應(yīng)將會占據(jù)主導(dǎo)地位，也就更易導(dǎo)致超低頻率振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)[2]?；谶@樣的假設(shè)，試驗中嘗試退出了部分主要水電廠的一次調(diào)頻，而后云南電網(wǎng)的頻率恢復(fù)了穩(wěn)態(tài)。結(jié)合以往對于類似振蕩事故的分析處理和該次試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)，筆者認(rèn)為這次超低頻率振蕩現(xiàn)象產(chǎn)生的原因與以往振蕩事故發(fā)生的主要原因相同，是由水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)和水錘效應(yīng)結(jié)合所產(chǎn)生的負(fù)阻尼效應(yīng)導(dǎo)致[3]。

云南電網(wǎng)實現(xiàn)異步互聯(lián)后，頻率特性主要受發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻影響，而一次調(diào)頻主要由機(jī)組的調(diào)速器控制[4]。由于云南電網(wǎng)水資源豐富，絕大部分發(fā)電機(jī)組為水電機(jī)組，水電機(jī)組的裝設(shè)占比超過70%，優(yōu)化水電機(jī)組調(diào)速器的PID參數(shù)可有效改善水錘效應(yīng)，抑制云南電網(wǎng)的超低頻振蕩現(xiàn)象[5]。此外，云南電網(wǎng)通過多回路與南方電網(wǎng)相連接，回路多裝設(shè)有直流頻率限制控制器。FLC作為一種快速有效的頻率調(diào)制手段,對維護(hù)弱交流送端的頻率穩(wěn)定性起著重要的作用，能夠在系統(tǒng)頻率變化時，實現(xiàn)毫秒級的調(diào)節(jié)，迅速限制系統(tǒng)頻率維持在FLC設(shè)定的死區(qū)范圍內(nèi)[6]。因此，在此基礎(chǔ)上，重點研究水輪機(jī)組調(diào)速器和直流頻率限制器的結(jié)構(gòu)和特性，使二者協(xié)調(diào)配合共同抑制云南電網(wǎng)超低頻震蕩的現(xiàn)象，提高云南電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。

1 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)對系統(tǒng)頻率的影響分析

1.1 水輪機(jī)調(diào)速器阻尼特性

水電機(jī)組超低頻段負(fù)阻尼特性主要受原動機(jī)系統(tǒng)水錘效應(yīng)以及調(diào)速器控制參數(shù)影響。目前，水輪機(jī)調(diào)速器通常采用典型的PID控制器來進(jìn)行調(diào)速，通過控制水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度實現(xiàn)調(diào)速過程。水輪機(jī)PID調(diào)速器的傳遞函數(shù)可以表示為

式中：Δμ是導(dǎo)葉開度偏差值；KP、KI、KD分別為調(diào)速器的比例、積分和微分系數(shù)；BP為調(diào)差系數(shù)；TG為時間常數(shù)。

圖1 水輪機(jī)PID調(diào)速器模型Fig.1 PID governor model of hydraulic turbine

水輪機(jī)調(diào)速器的傳遞函數(shù)如下:

式中：ΔPm(s)為發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率偏差；Δμ(s)為水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度偏差；TW為水錘效應(yīng)時間常數(shù)，是隨著負(fù)荷變化的量，一般滿載時為0.5～4.0 s。

設(shè)水輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)，當(dāng)系統(tǒng)輸入一個信號Δω時，原動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率變化量ΔPm為

ΔPm=-G(s)Δω

其中G(s)=Gw(s)Gr(s)，帶入可得ΔPm公式如下：

ΔPm=G(jωd)(-Δω)=KdΔω+KsΔδ=

Re(G(jωd))Δω+Im(G(jωd))Δδ

式中：Kd是調(diào)速器的阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，當(dāng)Kd>0時，調(diào)速器提供的阻尼為正阻尼，此時電網(wǎng)低頻振蕩風(fēng)險降低；當(dāng)Kd<0時，調(diào)速器提供的阻尼為負(fù)阻尼，增大了電網(wǎng)低頻振蕩的風(fēng)險。在超低頻段時，如果阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)較小，此時調(diào)速器提供負(fù)阻尼，電網(wǎng)極易產(chǎn)生低頻振蕩。

1.2 水輪機(jī)參數(shù)優(yōu)化

分析PID參數(shù)對調(diào)速器阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響，得到結(jié)果如圖2所示。

圖2 阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線圖Fig.2 Curves of damping torque coefficient

從圖2可以看出，KI的值取得越大會導(dǎo)致阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)減小，當(dāng)KI取值確定后，阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著KP增大逐漸增大。為了提高阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kd的值，需要提高KP與KI的比值。為了產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率響應(yīng)，改善系統(tǒng)阻尼，降低發(fā)生低頻振蕩的風(fēng)險，需適度減小KP參數(shù)，并且大幅減小KI參數(shù)。

通過以上研究得知，調(diào)速器的比例參數(shù)和積分參數(shù)的比值是影響調(diào)速器阻尼轉(zhuǎn)距系數(shù)的重要因素，如果調(diào)速器的比例參數(shù)和積分參數(shù)的比值過小，則調(diào)速器會提供負(fù)阻尼，進(jìn)而引發(fā)超低頻震蕩。因此，通過對水輪機(jī)組的PID參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)制，增大比例系數(shù)和微分系數(shù)的比值，提高調(diào)速器的阻尼轉(zhuǎn)距系數(shù)，是抑制超低頻振蕩的一種有效措施。

2 直流頻率限制控制器的作用機(jī)理

在送端電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，直流頻率限制器可以利用直流功率的快速可控性來調(diào)節(jié)直流線路上的功率，從而使送端功率能夠及時送出，通過快速調(diào)整輸送功率來維持送端功率的穩(wěn)定，可以有效避免直流線路故障導(dǎo)致的頻率失穩(wěn)。常用的直流FLC的控制邏輯是反向頻差復(fù)歸模型，F(xiàn)LC的反向頻差復(fù)歸模型結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 FLC結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of FLC

其中：Δf=f-fref為系統(tǒng)頻差；±fH為FLC死區(qū)；KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)；ΔPmin和ΔPmax分別為直流功率調(diào)制量下限和上限；ΔP和Pref分別為輸出的直流功率附加調(diào)節(jié)量與直流功率參考值。當(dāng)頻差Δf在FLC死區(qū)以內(nèi)，即-fH<Δf<+fH時，x1和x2的限制作用使得x1和x2恒為0，ΔP1和ΔP2的限制作用也使得自身數(shù)值為0。當(dāng)頻差在死區(qū)內(nèi)時，由于ΔP1和ΔP2的限制作用，受到限幅影響，Δx2和ΔP2的值都為0，使得直流功率與參考額定功率Pref相等。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，頻率失穩(wěn)，頻率差超過FLC死區(qū)上限時，直流功率的公式如下：

當(dāng)系統(tǒng)的頻差大于FLC死區(qū)上限時，ΔP1不斷增大，從而系統(tǒng)的直流功率隨之不斷提高。當(dāng)系統(tǒng)頻差降低至小于FLC死區(qū)上限時，x1開始減小，直流功率恢復(fù)到與參考值Pref相等，F(xiàn)LC復(fù)歸過程結(jié)束。當(dāng)頻差降低到小于FLC反向死區(qū)下限時，復(fù)歸過程同理可知。

3 抑制超低頻振蕩的措施

云南電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運行取決于向外輸送的FLC和云南電網(wǎng)水電機(jī)組的配合。當(dāng)對直流頻率限制控制器的頻率限幅進(jìn)行放大時，云南電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定最大限度由一次調(diào)頻來主導(dǎo)，若一次調(diào)頻動作協(xié)調(diào)則直流功率會趨于穩(wěn)定，但在實際運行過程中，機(jī)組之間一次調(diào)頻動作出現(xiàn)不協(xié)調(diào)時，頻率穩(wěn)定就會被打破，出現(xiàn)頻率的往復(fù)波動現(xiàn)象。當(dāng)云南電網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻退出之后，在僅受直流頻率限制控制器影響時，前一種情況所可能出現(xiàn)的頻率波動現(xiàn)象會有較為明顯的改善，云南電網(wǎng)頻率會趨于穩(wěn)定。根據(jù)前面所分析到的兩種情況，可以得出這樣的結(jié)論，即孤島方式下，一次調(diào)頻動作的不協(xié)調(diào)會對頻率波動產(chǎn)生較大作用。因此，在孤島方式下要最大化地發(fā)揮直流頻率限制控制器的作用，使其在孤網(wǎng)頻率調(diào)控中起主導(dǎo)作用。

通過以上分析，要保證云南電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運行，必不可少需要考慮到兩方面因素：其一是盡可能減小機(jī)組調(diào)速器的暫態(tài)增益，以最大程度抑制前面所提到的可能出現(xiàn)的超低頻率振蕩現(xiàn)象；其二則是要同時兼顧到機(jī)組的一次調(diào)頻性能，盡可能避免不必要損失?；谝陨蟽牲c考慮，可以采取這樣的優(yōu)化控制措施：其一，為使快速動作的直流能夠承擔(dān)對較大擾動狀態(tài)下的調(diào)頻作用，從而避免機(jī)組一次調(diào)頻在直流頻率限制控制器死區(qū)內(nèi)低頻段的不穩(wěn)定，可以采取增大一部分機(jī)組的一次調(diào)頻死區(qū)的方式，使其大于FLC動作死區(qū)；其二，為減弱調(diào)速器暫態(tài)的輸出量，降低調(diào)速器的輸出速度，從而減輕由機(jī)組水錘效應(yīng)而產(chǎn)生的負(fù)阻尼效應(yīng)，可以采取調(diào)整機(jī)組調(diào)速器PID參數(shù)的方式，可適度減小調(diào)速器的KP參數(shù)，同時大幅度減小調(diào)速器KI參數(shù)。

以云南電網(wǎng)實際系統(tǒng)為研究對象，設(shè)置兩次試驗，第一次試驗不采取優(yōu)化措施，第二次試驗采取如下兩點優(yōu)化措施：1)將主要水電廠調(diào)速器的一次調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為±0.3 Hz，頻率限制器的死區(qū)設(shè)置為±0.1 Hz；2)修改主要水電廠調(diào)速器的PI參數(shù)，將原有KP、KI參數(shù)分別設(shè)置為原有系數(shù)的1/2、1/6。 設(shè)置上述兩次試驗驗證所提策略的可靠性。

兩次試驗期間進(jìn)行直流閉鎖等擾動試驗，得到系統(tǒng)頻率曲線如圖4所示。

圖4 擾動試驗下系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線Fig.4 System frequency response curve under disturbance test

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，采取了優(yōu)化措施后系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性提高，頻率的振蕩幅度減小，頻率波形大幅度改善，仿真結(jié)果驗證了此文所提措施的有效性。

4 結(jié) 語

云南電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)試驗后出現(xiàn)的超低頻振蕩現(xiàn)象是由于水輪機(jī)調(diào)速器參數(shù)與“水錘效應(yīng)”共同導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)的超低頻段呈現(xiàn)出的明顯的負(fù)阻尼造成的。通過優(yōu)化水輪機(jī)調(diào)速器PID參數(shù)和協(xié)同調(diào)整一次調(diào)頻和FLC的死區(qū)范圍的調(diào)頻措施，提高了云南電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。經(jīng)實際仿真驗證，所提調(diào)頻措施可以有效抑制云南電網(wǎng)的超低頻振蕩現(xiàn)象。