巴基斯坦默拉直流工程頻率控制器設(shè)計(jì)及實(shí)際特性分析

常 勇，呂鵬飛，劉 宇，徐 凱，謝 巖，孫天甲，4，Muhammad Waseem Younas

（1. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京市 100031；2. 中國(guó)電力技術(shù)裝備有限公司，北京市 100052；3. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 100192；4. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海市 200122；5. 巴基斯坦國(guó)家輸配電公司，拉合爾 54000，巴基斯坦）

0 引言

直流輸電已成為中國(guó)電網(wǎng)跨區(qū)遠(yuǎn)距離輸送的主要輸電方式，大容量跨區(qū)域直流輸電對(duì)于交流電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響權(quán)重不斷增加［1-4］。利用直流輸電附加控制功能穩(wěn)定直流系統(tǒng)本身運(yùn)行狀態(tài)，并幫助交流系統(tǒng)穿越故障是技術(shù)發(fā)展的必然選擇［5-7］。頻率控制器的應(yīng)用是直流輸電附加控制中研究較多的領(lǐng)域，已有研究中控制目標(biāo)可以是直流饋入的單側(cè)交流系統(tǒng)頻率，也可以是雙側(cè)頻率偏差［8-12］。根據(jù)調(diào)制信號(hào)的幅值不同，直流頻率調(diào)制也分為大信號(hào)和小信號(hào)頻率調(diào)制。從應(yīng)用場(chǎng)景區(qū)分，頻率控制器可應(yīng)用于常規(guī)水電、火電孤島通過(guò)直流送出［11-12］，也可應(yīng)用于跨區(qū)異步互聯(lián)電網(wǎng)的頻率控制，能夠?qū)ヂ?lián)交流系統(tǒng)的一次頻率控制做出貢獻(xiàn)［13］。另外，也可以用于同送、受端多回直流之間功率轉(zhuǎn)帶或在并聯(lián)交流通道故障后的直流功率轉(zhuǎn)帶。從控制算法角度區(qū)分，多采用比例-積分-微分反饋控制或者下垂控制。

巴基斯坦默蒂亞里—拉合爾±660 kV 直流輸電工程（以下簡(jiǎn)稱為“默拉直流”）由中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)有限公司以建設(shè)-擁有-運(yùn)營(yíng)-移交（BOOT）模式開(kāi)發(fā)，是中巴經(jīng)濟(jì)走廊“優(yōu)先實(shí)施”項(xiàng)目清單下唯一的輸電項(xiàng)目，對(duì)于中巴經(jīng)濟(jì)走廊建設(shè)、巴基斯坦南部火電和核電資源送出意義重大。工程起點(diǎn)位于巴基斯坦南部信德省的默蒂亞里換流站，終點(diǎn)位于北部旁遮普省的拉合爾換流站，建設(shè)規(guī)模包括兩座±660 kV 直流換流站、886 km 直流輸電線路及相關(guān)配套工程，額定直流電壓等級(jí)為±660 kV，額定直流電流為3 030 A，輸電容量為4 000 MW，年可用率為98.5%。

默拉直流輸電工程建成后，已成為巴基斯坦南電北送的骨干通道。針對(duì)巴基斯坦電網(wǎng)本身穩(wěn)定性問(wèn)題較突出的現(xiàn)實(shí)，在默拉直流系統(tǒng)控制層級(jí)研究和實(shí)施了多種附加控制功能，其中的頻率控制器實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)緊急控制，幫助解列后的交流電網(wǎng)維持了穩(wěn)定。2022 年1 月5 日，巴基斯坦電網(wǎng)交流部分發(fā)生大面積污閃跳閘，南北電網(wǎng)解列，默拉直流頻率控制器持續(xù)正確動(dòng)作，調(diào)制直流輸送功率，成功避免了一次全網(wǎng)大停電故障的發(fā)生（簡(jiǎn)稱為“1·5”解列）。本文在分析巴基斯坦電網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了基于仿真和實(shí)測(cè)的直流輸電頻率控制器設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)對(duì)直流輸電頻率控制器的啟動(dòng)定值選擇、調(diào)制量限值選取、控制器退出條件確定等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了闡述。鑒于本次事件是世界范圍內(nèi)為數(shù)不多的大電網(wǎng)內(nèi)直流頻率控制器的成功應(yīng)用案例，本文結(jié)合中國(guó)建設(shè)新型電力系統(tǒng)的需要，對(duì)直流附加控制器的應(yīng)用前景和關(guān)鍵技術(shù)提出了相關(guān)建議。

1 巴基斯坦電網(wǎng)網(wǎng)架情況及系統(tǒng)特性

1.1 電網(wǎng)總體情況

巴基斯坦電網(wǎng)主網(wǎng)架電壓等級(jí)為500 kV，其中北部負(fù)荷中心形成多個(gè)環(huán)網(wǎng)的緊密結(jié)構(gòu)；南部除卡拉奇地區(qū)為單回線環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)外，新建火電及核電廠初期為電廠單獨(dú)送出，未來(lái)多個(gè)電廠投運(yùn)后，將形成兩個(gè)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈集群外送形式；南北電網(wǎng)之間為長(zhǎng)鏈形結(jié)構(gòu)，目前通道上3 回交流線路中2 回為原有線路，1 回為近年新建線路，通道上每300 km 有一回橫向聯(lián)系線路。默拉直流建成后巴基斯坦500 kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 巴基斯坦500 kV 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 500 kV power grid of Pakistan

巴基斯坦電網(wǎng)整體處于更新發(fā)展階段，在某些方面存在比較突出的問(wèn)題，電網(wǎng)供電可靠性不高，全網(wǎng)供電能力不能滿足峰荷，近兩年停電事故頻發(fā)。

1）主力火電電源集中分布在南部，負(fù)荷中心位于1 000 km 外的北部地區(qū)（伊斯蘭堡、拉合爾地區(qū)），輸電線路和變電站長(zhǎng)期重載（>80%額定容量）。電網(wǎng)整體設(shè)備老舊，污穢條件較惡劣，設(shè)備污閃頻發(fā)；出現(xiàn)N?2 甚至N?3 等極端工況的可能性很大。

2）南部電源中心的火電機(jī)群彼此串聯(lián)，電氣距離相對(duì)較近，總體慣性大，同調(diào)性好。北部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)，接入500 kV 電網(wǎng)的電廠之間電氣距離近，具有較好的同調(diào)性。中部電網(wǎng)不但電網(wǎng)結(jié)構(gòu)弱，且電廠少，電網(wǎng)慣性小。在南北電網(wǎng)送電通道發(fā)生故障時(shí)，北部負(fù)荷中心受電損失較大，電壓和頻率均受巨大影響，極易出現(xiàn)電壓和頻率穩(wěn)定問(wèn)題。

3）電網(wǎng)頻率標(biāo)準(zhǔn)為49.5～50.5 Hz，頻率波動(dòng)較大，用戶對(duì)供電電能質(zhì)量要求相對(duì)不高。

4）交流通道上僅有GUDDU 電廠（600 MW）接入500 kV 電網(wǎng)，為通道提供動(dòng)態(tài)電壓支撐；北部負(fù)荷中心電壓支撐較弱；全網(wǎng)峰谷差較大，調(diào)峰調(diào)壓手段缺乏。北部負(fù)荷中心負(fù)荷類型以電動(dòng)機(jī)為主，在夏季大負(fù)荷階段，北部電壓長(zhǎng)期低水平運(yùn)行。

5）南北機(jī)群間電氣距離過(guò)大，存在固有的區(qū)域間振蕩模式且阻尼不足。

1.2 電網(wǎng)頻率穩(wěn)定分析

以2021 年夏大方式為例，巴基斯坦全網(wǎng)計(jì)算負(fù)荷為28 523 MW，發(fā)電機(jī)總出力為29 454 MW。北部電網(wǎng)負(fù)荷共約21 290 MW，占全網(wǎng)負(fù)荷比例為75%；發(fā)電機(jī)出力約為16 360 MW，占全網(wǎng)比例為55%。按照現(xiàn)有低頻減載配置方案，低頻減載措施配置總量為3 416 MW，振蕩解列南北電網(wǎng)之后，北部電網(wǎng)實(shí)際動(dòng)作容量為2 819 MW，約占北部電網(wǎng)負(fù)荷比例的13%。

基于低頻減載配置方案和2021 年夏大方式仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)于巴基斯坦電網(wǎng)故障下的頻率問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要結(jié)論表明:

1）北部負(fù)荷中心受電比例較大，而低頻減載容量配置不足。不考慮低頻減載裝置配置情況下，若要求故障后系統(tǒng)頻率恢復(fù)到49.4 Hz 以上，全網(wǎng)允許功率缺額占負(fù)荷比例不能超過(guò)10%；解列之后北部受端電網(wǎng)允許功率缺額占負(fù)荷比例不能超過(guò)12%。

2）當(dāng)交直流系統(tǒng)發(fā)生極端嚴(yán)重故障情況時(shí)，存在交流通道失步的可能（例如2021 年1 月9 日，南北電網(wǎng)解列）。上述故障情況下，振蕩解列并聯(lián)交流通道后，受端及送端電網(wǎng)的電壓及頻率都能夠恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。但是，由于受端電網(wǎng)受電比例大于20%（解開(kāi)電磁環(huán)網(wǎng)條件下，中部地區(qū)的部分負(fù)荷也要從北部主網(wǎng)受電，中北部受電負(fù)荷為5 624 MW，受電比例達(dá)到26%），而現(xiàn)有低頻減載裝置切負(fù)荷比例只有約13%（2 819 MW），尚有10%以上的功率缺額。解列及低頻減載裝置全部動(dòng)作后，北部電網(wǎng)頻率最低47.99 Hz，恢復(fù)到48.19 Hz，如圖2 所示，遠(yuǎn)低于要求的事故后的頻率范圍，具體分析見(jiàn)相關(guān)研究［14］。

圖2 直流雙極閉鎖解列裝置動(dòng)作后北部電網(wǎng)系統(tǒng)頻率Fig.2 Frequency of North power system after operation of DC bipole block and splitting devices

由上述分析可知，亟須設(shè)計(jì)頻率控制器，平衡送受端有功功率，幫助巴電網(wǎng)故障后保持穩(wěn)定。

2 默拉直流頻率控制器設(shè)計(jì)

2.1 基本設(shè)計(jì)原理

直流輸電相對(duì)交流輸電的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是功率的可控（包括與饋入電網(wǎng)的有功和無(wú)功交換），因此直流附加控制功能是工程界和學(xué)術(shù)界研究較多的一個(gè)熱點(diǎn)。主要思路是利用電力系統(tǒng)中運(yùn)行狀態(tài)或參數(shù)的變化，對(duì)直流功率、直流電流、換流站交換的功率進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，達(dá)到改善所饋入的交流系統(tǒng)運(yùn)行性能的目的。常用的附加控制功能有:緊急功率支援、小信號(hào)低頻振蕩阻尼控制、頻率控制、無(wú)功調(diào)制、次同步振蕩阻尼控制。

頻率控制器的基本原理是，當(dāng)送、受端電網(wǎng)發(fā)生較大的有功偏差時(shí)，在直流輸電額定輸送能力范圍內(nèi)，或短時(shí)間利用直流系統(tǒng)固有的過(guò)負(fù)荷能力對(duì)直流有功功率進(jìn)行調(diào)制，目標(biāo)是平衡送、受端的有功缺額，減少送、受端頻率偏差。當(dāng)直流輸電系統(tǒng)連接兩個(gè)沒(méi)有同步聯(lián)系的交流系統(tǒng)時(shí)，可以充分發(fā)揮直流頻率控制器的功能，控制目標(biāo)有兩種:送端或受端交流系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)和按照頻差比例調(diào)節(jié)雙端頻率。

交直流系統(tǒng)頻率控制器示意圖如圖3 所示。

圖3 頻率控制器示意圖Fig.3 Schematic diagram of frequency controller

圖3 中:Z1、Z2分別為送受端系統(tǒng)等值阻抗；ΔP為頻率控制器輸出值。如圖3 所示，可以將送端系統(tǒng)簡(jiǎn)單地視為等值機(jī)G1，受端系統(tǒng)視為等值機(jī)G2，根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程可將送端系統(tǒng)建模為式（1）。

式中:Δω為等效機(jī)組角速度變化；ΔPm為送端等效原動(dòng)機(jī)輸出功率；ΔPe為送端等效電氣功率；Ts為送端等效機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)；D為送端等效機(jī)組的阻尼系數(shù)；ΔPAC為送端系統(tǒng)交流負(fù)荷特性對(duì)應(yīng)的電氣功率；ΔPDC為直流輸電調(diào)制功率對(duì)應(yīng)的電氣功率。

同理，對(duì)于受端系統(tǒng)進(jìn)行等效后也有類似公式。由此可以令直流調(diào)制功率如式（3）所示，物理意義是通過(guò)對(duì)兩端等效機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)制達(dá)到縮小頻差、穩(wěn)定系統(tǒng)的目標(biāo)，如式（4）所示。

式中:f1和f1e分別為送端系統(tǒng)的實(shí)際頻率和額定頻率；f2和f2e分別為受端系統(tǒng)的實(shí)際頻率和額定頻率；Δf1、Δf2分別為兩端頻率偏差；k1和k2分別為送、受端系統(tǒng)的直流功率調(diào)整增益。

2.2 實(shí)際控制策略的確定

由2.1 節(jié)可知，頻率控制器是在電網(wǎng)受擾動(dòng)引起頻率波動(dòng)時(shí)，利用直流頻率調(diào)制改變直流輸電功率，抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)。巴基斯坦電網(wǎng)同時(shí)存在頻率穩(wěn)態(tài)波動(dòng)大、電壓動(dòng)態(tài)支撐能力不足的問(wèn)題。在直流有功功率調(diào)制時(shí)，伴隨有功調(diào)制的無(wú)功波動(dòng)容易激發(fā)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。另一方面，用戶對(duì)頻率偏差的要求不是主要約束，而巴基斯坦南北電網(wǎng)在故障下暫態(tài)失穩(wěn)是要求解決的突出問(wèn)題。因此默拉直流的頻率控制器按照第2 種原理設(shè)計(jì)，控制的目標(biāo)是送、受端頻率偏差，期望頻率控制器在日常頻率擾動(dòng)時(shí)不調(diào)制直流，避免直流系統(tǒng)本身分接頭和無(wú)功設(shè)備的過(guò)度投切，以及可能引發(fā)的交流電壓波動(dòng)。在電網(wǎng)發(fā)生較大功率缺額的情況下頻率控制器動(dòng)作，以頻差控制為手段，以解決暫態(tài)失穩(wěn)問(wèn)題為最終目標(biāo)。

針對(duì)式（4）的基本控制表達(dá)，常見(jiàn)的直流輸電頻率控制器有一階慣性環(huán)節(jié)和比例-積分環(huán)節(jié)兩種實(shí)現(xiàn)形式。其中一階慣性環(huán)節(jié)構(gòu)成的控制器為有差調(diào)節(jié)，相當(dāng)于一次調(diào)頻；與比例-積分環(huán)節(jié)相比，調(diào)節(jié)速度相對(duì)較慢、超調(diào)量小。如果采用比例-積分控制器，若采集信號(hào)存在不正常波動(dòng)，由于積分環(huán)節(jié)響應(yīng)快，輸出調(diào)制量遠(yuǎn)大于一階慣性環(huán)節(jié)，存在頻率控制器頻繁、大幅度誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。若積分環(huán)節(jié)的控制器未及時(shí)清零，存在控制目標(biāo)偏移設(shè)定值的風(fēng)險(xiǎn)，給后續(xù)操作帶來(lái)安全隱患?？紤]到巴基斯坦電網(wǎng)的特點(diǎn)以及主要目標(biāo)是平衡送受端有功差額，且并不要求頻率準(zhǔn)確恢復(fù)，頻率控制器采用一階慣性環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。

2.3 控制器的實(shí)現(xiàn)

基于上述分析設(shè)計(jì)頻率控制器，邏輯框圖見(jiàn)圖4。圖中，F(xiàn)_Inv 為逆變側(cè)頻率；F_Rec 為整流側(cè)頻率；TFR 為故障錄波；SER 為事件記錄；T1、T2、T3為一階環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)；TD1_1、TD1_2、TD1_3為三段時(shí)間延遲；TD2、TD3為時(shí)間延時(shí)定值；T2N、T2P為時(shí)間常數(shù)；K2為放大系數(shù)；ΔPmax、ΔPmin分別為功率調(diào)整上、下限幅值；RS 為觸發(fā)器。

圖4 頻率控制器邏輯框圖Fig.4 Logic block diagram of frequency controller

基本的控制邏輯是一個(gè)典型的響應(yīng)于雙端頻差的一階慣性環(huán)節(jié)，以直流送、受端實(shí)測(cè)頻率為控制輸入，控制器在整流側(cè)有效，逆變側(cè)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)頻率通過(guò)直流極控站間通信，送至整流側(cè)極控主機(jī)。為了避免頻率控制器在系統(tǒng)頻率微小擾動(dòng)下動(dòng)作輸出，采用了三段定值分級(jí)開(kāi)放出口的設(shè)計(jì)，其中F_High_Ref_1、F_High_Ref_2、F_High_Ref_3 表 示不同頻率偏差門檻（取送、受端差的絕對(duì)值）。同時(shí)，為了在較大頻率偏差時(shí)控制器能夠快速動(dòng)作，針對(duì)不同段頻率偏差定值選取了不同動(dòng)作延時(shí)。為了方便控制器調(diào)試，增加了手動(dòng)置數(shù)觸發(fā)和錄波功能，控制器可以采用自動(dòng)或手動(dòng)退出。

2.4 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

頻率控制器設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的步驟是部分核心控制參數(shù)的選取。也即要確定圖4 中的直流頻率控制器主要?jiǎng)幼鏖T檻（死區(qū)）、比例增益K、功率調(diào)節(jié)限值ΔPmax等參數(shù)。上述參數(shù)定值的整定應(yīng)綜合考慮設(shè)備耐受能力、巴基斯坦電網(wǎng)的實(shí)際需求綜合確定，且直流頻率控制器動(dòng)作不能引發(fā)直流本身發(fā)生故障，并與安控等其他控制措施相適應(yīng)，具體如下:

1）頻率控制器動(dòng)作不考慮直流設(shè)備的過(guò)負(fù)荷工況；

2）頻率控制器輸出的最大調(diào)制量不應(yīng)導(dǎo)致分接開(kāi)關(guān)、交流濾波器頻繁動(dòng)作；

3）頻率控制器的死區(qū)應(yīng)與系統(tǒng)一次調(diào)頻原則相適應(yīng)；

4）死區(qū)、比例增益系數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足系統(tǒng)調(diào)頻的需求，既要防止響應(yīng)速度過(guò)慢，又要防止控制器超調(diào)過(guò)大；

5）頻率控制器動(dòng)作不應(yīng)導(dǎo)致直流換相失??；

6）頻率控制器動(dòng)作應(yīng)與安全控制措施相協(xié)調(diào)。

針對(duì)圖1 所示的電網(wǎng)拓?fù)?，選擇了冬小和夏大兩個(gè)典型方式建立了電網(wǎng)機(jī)電暫態(tài)模型，對(duì)全網(wǎng)典型故障集進(jìn)行了仿真掃描，包括N?1、N?2 等故障，仿真結(jié)果如附錄A 圖A1、圖A2 所示。

巴基斯坦電網(wǎng)交流N?1 和N?2 故障較多，為了避免在上述故障后直流頻率控制器頻繁輸出，需要設(shè)置啟動(dòng)死區(qū)定值（包含動(dòng)作閾值及延時(shí)）。分析附錄A 圖A1、圖A2 仿真結(jié)果可知，在N?1 或N?2故障后，南北電網(wǎng)常呈現(xiàn)如下特點(diǎn):

1）故障后頻率包絡(luò)線各擺幅值逐次減小；

2）每1 擺呈現(xiàn)“頻差-持續(xù)時(shí)間”反時(shí)限特征，即頻差越大，對(duì)應(yīng)的持續(xù)時(shí)間越短。

南北電網(wǎng)頻率偏差第1 擺最大為1.4 Hz，持續(xù)時(shí)間小于100 ms；第2 擺最大頻率偏差可達(dá)0.34 Hz。在配置控制器啟動(dòng)定值時(shí)考慮在通常的頻率擾動(dòng)、N?1、N?2 故障及其后安全穩(wěn)定動(dòng)作時(shí)，頻率控制器應(yīng)避免動(dòng)作。而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生解列故障時(shí)，根據(jù)送、受端頻率偏差大小，要求頻率控制器快速動(dòng)作輸出，即頻差越大，直流調(diào)制量越大，幫助送受端快速平衡有功缺額。

根據(jù)前述分析，結(jié)合其頻差包絡(luò)線特征，設(shè)置直流頻率控制器啟動(dòng)定值。

1）啟動(dòng)定值上限及延時(shí)

依據(jù)巴基斯坦電網(wǎng)線路繼電保護(hù)定值，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相永久性接地故障（例如N?1 或N?2），線路繼電保護(hù)在故障發(fā)生后100 ms 內(nèi)動(dòng)作清除故障?？紤]選擇故障后延時(shí)150 ms（即考慮50 ms 的裕度）時(shí)的頻差作為動(dòng)作閾值上限，由附錄A 圖A1、圖A2可知，故障后150 ms 對(duì)應(yīng)的頻差為0.8 Hz。此外，為了躲開(kāi)巴基斯坦電網(wǎng)的過(guò)負(fù)荷聯(lián)跳動(dòng)作時(shí)間，可考慮在0.8 Hz 頻差持續(xù)時(shí)間的基礎(chǔ)上采取100 ms 作為延時(shí)裕度，即0.8 Hz 啟動(dòng)閾值對(duì)應(yīng)的延時(shí)為250 ms。

2）啟動(dòng)定值下限及延時(shí)

由附錄A 圖A1、圖A2 可知，在N?1 或N?2 故障后，南北電網(wǎng)兩側(cè)換流站母線頻率偏差曲線第2 擺幅值為0.34 Hz。為了避免直流頻率控制器功能頻繁動(dòng)作，可考慮將啟動(dòng)定值下限設(shè)置為0.4 Hz?？紤]到圖A1、圖A2 所示頻率偏差曲線包絡(luò)線基于上述特征，可考慮將本輪啟動(dòng)定值延時(shí)裕度延長(zhǎng)至200 ms，即0.4 Hz 啟動(dòng)門檻對(duì)應(yīng)的延時(shí)為600 ms（400 ms+200 ms）。

3）各輪次啟動(dòng)定值及延時(shí)

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，各類涉頻保護(hù)（高頻切機(jī)、低頻減載等）各輪次級(jí)差通常為0.1～0.2 Hz，電網(wǎng)規(guī)模越大、頻率變化率越小，對(duì)應(yīng)的級(jí)差較大。結(jié)合巴基斯坦電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際情況，其頻率波動(dòng)較大，應(yīng)選擇較大的級(jí)差，故選擇級(jí)差為0.2 Hz，同時(shí)需要增加一輪啟動(dòng)定值，該輪動(dòng)作閾值為0.6 Hz。此外，基于“頻差-持續(xù)時(shí)間”反時(shí)限特性，該輪啟動(dòng)門檻對(duì)應(yīng)的延時(shí)裕度可依據(jù)啟動(dòng)定值上/下限、輪次及對(duì)應(yīng)延時(shí)裕度按照等差原則設(shè)置，即0.6 Hz 對(duì)應(yīng)的延時(shí)裕度為150 ms，對(duì)應(yīng)的延時(shí)為350 ms（200 ms+150 ms）。綜上，頻率控制器分段啟動(dòng)閾值及延時(shí)見(jiàn)表1。

表1 頻率控制器分段啟動(dòng)定值Table 1 Sectional starting setting of frequency controller

由于巴基斯坦電網(wǎng)送受端相對(duì)不強(qiáng)，為避免由于兩側(cè)頻率控制器增益系數(shù)不同引起的控制器響應(yīng)問(wèn)題，背靠背工程兩側(cè)頻率控制器增益系數(shù)按同一確定值設(shè)計(jì)。如果式（4）中默拉直流頻率控制器取送受端增益系數(shù)相同，則有k1=k2，取為4 000 MW/Hz。

直流頻率控制器功率調(diào)節(jié)限值需要綜合考慮直流過(guò)負(fù)荷能力、功率調(diào)制對(duì)換流變壓器分接開(kāi)關(guān)、交流濾波器投切等方面的影響。結(jié)合巴基斯坦電網(wǎng)頻率實(shí)際情況，頻率控制器動(dòng)作時(shí)間可能超過(guò)10 s，因此，不考慮利用直流過(guò)負(fù)荷能力，Pmax取為1 000 MW。

3 巴基斯坦電網(wǎng)解列后頻率控制器動(dòng)作情況

3.1 頻率控制器實(shí)際動(dòng)作過(guò)程

2022 年1 月5 日凌晨，受大范圍霧霾、降雨等惡劣天氣的影響，巴基斯坦電網(wǎng)的南北輸電通道多條500 kV 線路相繼跳閘，且未重合成功。故障前全網(wǎng)負(fù)荷為13 411 MW，直流輸送1 200 MW，并聯(lián)交流通道1 000 MW。00:57 南北輸電交流斷面解列，南北電網(wǎng)異步運(yùn)行。送端、受端交流電網(wǎng)頻率差值升至1.04 Hz，默拉直流頻率控制器動(dòng)作，直流輸送功率由1 200 MW 升至約1 980 MW，在短時(shí)間將南北電網(wǎng)頻率差降低至0.2 Hz，有效填補(bǔ)了巴基斯坦解列造成的北部電網(wǎng)功率缺額，避免了一次全網(wǎng)大停電事故。故障的過(guò)程是N?1、N?2、N?3（電網(wǎng)解列）的逐步漸進(jìn)過(guò)程，直流輸電穿越了所有的交流擾動(dòng)，因此響應(yīng)于直流閉鎖的安全控制系統(tǒng)并未動(dòng)作切機(jī)。

3.2 動(dòng)作過(guò)程分析

南北電網(wǎng)交流解列后，送、受端電網(wǎng)已呈異步運(yùn)行狀態(tài)，可見(jiàn)異步運(yùn)行的南部送端電網(wǎng)頻率逐漸上升，最大至50.8 Hz，受端電網(wǎng)頻率持續(xù)下跌，最低跌至49.6 Hz。兩端間的頻率偏差持續(xù)平滑上升，呈現(xiàn)暫態(tài)失穩(wěn)趨勢(shì)。頻率控制器第1 檔定值達(dá)到后，控制器啟動(dòng)，直流有功被調(diào)制增大，180 ms 后頻率控制器輸出達(dá)到限值并保持，由于及時(shí)的有功平衡補(bǔ)償，兩端頻差逐步減小，使電網(wǎng)保持了穩(wěn)定，控制器動(dòng)作特性見(jiàn)圖5。

圖5 頻率控制器動(dòng)作后直流有功及兩端頻率變化Fig.5 DC active power and frequency change at both ends after frequency controller operation

對(duì)比在類似全網(wǎng)負(fù)荷水平下，默拉直流尚未投運(yùn)，電網(wǎng)因故障解列（如圖6 所示），送、受端電網(wǎng)頻率差值單調(diào)增大，直至全網(wǎng)大停電。默拉直流的調(diào)制對(duì)于維持巴基斯坦電網(wǎng)南北解列后的穩(wěn)定性具有決定性貢獻(xiàn)。

圖6 送受端解列無(wú)直流調(diào)制時(shí)的頻率變化Fig.6 Frequency change when sending and receiving ends are splited without DC modulation

另外需要指出，在頻率控制器動(dòng)作過(guò)程中，送、受端的交流電壓均發(fā)生了較大的跌落，如圖7 所示。

圖7 頻率控制器動(dòng)作時(shí)送端交流電壓變化Fig.7 Change of AC voltage at sending end when frequency controller operates

對(duì)于弱饋入系統(tǒng)這種跌落可能引發(fā)電壓穩(wěn)定相關(guān)問(wèn)題，直流有功調(diào)制量要平衡電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定的需求［15-18］。也正因?yàn)榭紤]到功率調(diào)制期間的電壓穩(wěn)定性，默拉直流的頻率控制器設(shè)置了1 000 MW的調(diào)制值限制。

4 直流附加控制功能實(shí)用化思考及建議

4.1 與國(guó)內(nèi)頻率控制器的比較

中國(guó)電網(wǎng)送受端均為強(qiáng)系統(tǒng)，具有較好的穩(wěn)定特性和頻率調(diào)節(jié)能力。國(guó)內(nèi)的部分直流輸電系統(tǒng)也配備了直流頻率控制器，如復(fù)奉、錦蘇、賓金、渝鄂等工程。這些直流控制器的主要目的是提高區(qū)域電網(wǎng)異步運(yùn)行后電網(wǎng)耐受功率缺額/盈余的能力，頻率控制器不改變主網(wǎng)頻率控制的基本原則，電網(wǎng)一次調(diào)頻任務(wù)仍然由主力發(fā)電機(jī)組承擔(dān)，直流頻率控制器作為提升調(diào)頻能力的重要補(bǔ)充。而如前所述，巴基斯坦受電力市場(chǎng)規(guī)則影響，主力電廠承擔(dān)調(diào)頻的意愿不足，系統(tǒng)缺乏調(diào)頻手段，并且交流電網(wǎng)故障較多，系統(tǒng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)大，默拉直流控制器的主要目的是在電網(wǎng)解列場(chǎng)景下，快速平衡送受端功率缺額，減小送受端頻差，幫助送受端系統(tǒng)保持暫態(tài)穩(wěn)定。因此，與國(guó)內(nèi)在運(yùn)工程的直流頻率控制器相比，默拉直流頻率控制器采用了多動(dòng)作閾值配合延時(shí)、大調(diào)節(jié)增益的設(shè)計(jì)思路。兩者的總結(jié)比較如表2 所示。

表2 默拉直流與國(guó)內(nèi)直流工程頻率控制器比較Table 2 Comparison of frequency controllers between Matiari-Lahore DC and domestic DC projects

4.2 直流附加控制的應(yīng)用原則

直流輸電系統(tǒng)的大容量、可控性是其天然技術(shù)優(yōu)勢(shì)，中國(guó)電網(wǎng)已明顯形成多回大容量直流系統(tǒng)同送、同受電網(wǎng)拓?fù)?，直流輸電不能僅承擔(dān)穩(wěn)定輸送功率的職能，而更應(yīng)該結(jié)合實(shí)際電網(wǎng)特點(diǎn)，廣泛利用直流有功、無(wú)功可控的優(yōu)勢(shì)，作為交直流混聯(lián)電網(wǎng)的“穩(wěn)定器”［19-23］。

1）針對(duì)同一直流輸電系統(tǒng)即使設(shè)計(jì)了若干不同附加控制功能，在同一時(shí)刻一般應(yīng)該通過(guò)優(yōu)化協(xié)調(diào)控制，僅允許一個(gè)控制器有效。

2）附加控制功能不是一成不變的。對(duì)于建設(shè)初期已經(jīng)設(shè)計(jì)完善的附加控制，當(dāng)電網(wǎng)拓?fù)浜蛷?qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)該跟蹤評(píng)估附加控制策略的必要性和有效性，必要時(shí)調(diào)整參數(shù)。

3）由于常規(guī)直流輸電系統(tǒng)的控制自由度限制，直流附加控制發(fā)揮作用的同時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的控制效應(yīng)。例如，在本文的實(shí)例中急速提升直流有功功率的同時(shí)從交流電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率急速增加，在濾波器來(lái)不及投入時(shí)，交流系統(tǒng)電壓下降到485 kV（如圖7 所示），這對(duì)于本身存在動(dòng)態(tài)電壓支撐能力弱問(wèn)題的交流系統(tǒng)（尤其是逆變側(cè)）可能是不可接受的。在設(shè)計(jì)有功類附加控制器時(shí)，要特別注意由于熄弧角變化、并聯(lián)濾波器無(wú)法及時(shí)切除等因素導(dǎo)致的無(wú)功變化，及其對(duì)受端系統(tǒng)的交流電壓影響。

4）考慮直流輸電送受的兩端系統(tǒng)，有功調(diào)制的目標(biāo)選擇也要考慮頻率被控端和另一端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題，避免調(diào)制一端頻率的同時(shí)，引發(fā)另一端系統(tǒng)失穩(wěn)。

5）直流調(diào)制的本身往往需要換流變壓器分接頭、交流濾波器的協(xié)同動(dòng)作，或者是換流閥處于大角度運(yùn)行的不利工況，調(diào)制量的大小也受直流輸電本身額定輸送能力和過(guò)負(fù)荷能力限制。因此，利用直流輸電附加控制時(shí)，要針對(duì)主要穩(wěn)定問(wèn)題，結(jié)合直流設(shè)備的安全可靠性，選取最優(yōu)化的控制策略。

5 結(jié)語(yǔ)

巴基斯坦默拉直流“1·5”解列事件中頻率控制器正確動(dòng)作，是世界范圍內(nèi)不多見(jiàn)的直流輸電閉環(huán)大信號(hào)附加控制應(yīng)用的成功案例，在電網(wǎng)已解列的情況下通過(guò)緊急直流功率調(diào)制穩(wěn)定了即將暫態(tài)失穩(wěn)的兩個(gè)異步交流電網(wǎng)。本文對(duì)頻率控制器的設(shè)計(jì)方法、動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行了深入分析，對(duì)具有“雙高”特點(diǎn)的新型電力系統(tǒng)背景下，直流附加控制功能的使用、設(shè)計(jì)及應(yīng)用原則進(jìn)行了思考和總結(jié)［15-17］。

1）直流輸電的頻率控制器適用于送、受端電網(wǎng)規(guī)模相當(dāng)并具有一定強(qiáng)度的場(chǎng)景，直流輸送功率與送、受端電網(wǎng)容量比例應(yīng)適宜。

2）默拉直流頻率控制器本質(zhì)是大信號(hào)直流有功調(diào)制，是在電網(wǎng)已經(jīng)解列的狀態(tài)下的緊急控制行為。通常在N?1、N?2 故障后，頻率控制器不應(yīng)動(dòng)作，因此閉環(huán)反饋控制器的死區(qū)定值需要通過(guò)深入的系統(tǒng)研究審慎確定。

3）新型電力系統(tǒng)背景下應(yīng)該考慮更多地使用直流輸電的附加控制功能，要明確控制器要應(yīng)對(duì)的主要穩(wěn)定問(wèn)題，合理選擇遠(yuǎn)方或就地控制輸入量，通過(guò)系統(tǒng)全面的穩(wěn)定性研究確定控制器動(dòng)作定值，同時(shí)應(yīng)兼顧附加控制的不利影響選擇最優(yōu)控制方案。

4）本文介紹的直流頻率控制器設(shè)計(jì)方法依賴對(duì)電網(wǎng)仿真結(jié)果的綜合分析。巴基斯坦電網(wǎng)正處于快速發(fā)展期，當(dāng)電網(wǎng)拓?fù)涮貏e是送端電源中心接入的發(fā)電廠不斷增多時(shí)，頻率控制器參數(shù)是否仍然有效需要核實(shí)和驗(yàn)證，后續(xù)應(yīng)綜合實(shí)際動(dòng)作特性分析并結(jié)合仿真結(jié)論不斷優(yōu)化控制響應(yīng)。

感謝巴基斯坦默蒂亞里?拉合爾±660 kV 直流輸電項(xiàng)目（FXB11201905740）對(duì)本文工作的支持！

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