適應風電接入的異步聯(lián)網(wǎng)高壓直流輸電系統(tǒng)自適應調(diào)頻控制策略

王渝紅，賞成波，廖建權(quán)，朱玲俐，李元琦，朱 顏

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

近年來，為進一步提高電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟性和靈活性，通過高壓直流輸電進行異步聯(lián)網(wǎng)得到了廣泛的推廣和應用［1］。另一方面，以風電為代表的新能源大規(guī)模接入直流送端系統(tǒng)，使送端系統(tǒng)中風電滲透率不斷提高。然而，這將導致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量水平和頻率調(diào)節(jié)能力不斷降低。當系統(tǒng)受到較大擾動時，送端電網(wǎng)將面臨一次調(diào)頻能力不足、頻率振蕩等問題［2］。

由于風電機組一般通過電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，其頻率響應特性與傳統(tǒng)水火電同步機組具有較大區(qū)別。電力電子控制使風力機轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率完全解耦，不能為系統(tǒng)提供慣量支撐［3-4］；此外，風電機組為實現(xiàn)其經(jīng)濟性，通常運行于最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）模式，無法提供額外的有功功率來對系統(tǒng)的頻率變化進行響應［5］。雖然采用附加頻率控制可以使風電機組在一定程度上參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，如虛擬慣量控制［6］、下垂控制［7］、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制［8］、虛擬同步機控制［9-10］等，但是風電功率具有間歇性、隨機性、不確定性等特征，難以及時保證系統(tǒng)的有功需求，且存在頻率二次跌落風險。此外，受到單臺發(fā)電裝置容量的限制，風電機組通常需要與一定的儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制或者留有一定功率備用［11-12］，存在協(xié)調(diào)過程復雜、經(jīng)濟性差、調(diào)節(jié)能力有限等不足。

基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電系統(tǒng)具有對直流功率的快速可控性，調(diào)節(jié)容量大，靈活性強，在實現(xiàn)區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)之間的快速頻率支援和提高功率傳輸穩(wěn)定性方面具有較大優(yōu)勢，為解決含風電送端系統(tǒng)調(diào)頻能力不足和頻率二次跌落問題提供了新的思路。

目前，高壓直流輸電參與異步送端電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的控制方法主要分為基于下垂控制的附加頻率控制［13-15］和基于比例積分（proportional integral，PI）控制的直流頻率限制控制（frequency limit control，F(xiàn)LC）［16-18］。其中，文獻［13］針對直流孤島運行系統(tǒng)，提出了一種基于下垂控制的直流附加頻率控制策略。文獻［14］基于預測模型，提出了一種針對含大規(guī)模風電的異步直流電網(wǎng)送端系統(tǒng)的多源協(xié)同調(diào)頻策略。文獻［15］提出了一種直流附加頻率控制和自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）配合的輔助頻率控制策略，利用高壓直流輸電功率快速調(diào)制和短時過載能力快速平衡風電隨機波動引起的頻率波動。雖然上述基于下垂控制的控制方法能夠使直流系統(tǒng)快速響應頻率變化，但下垂系數(shù)一般固定，不能及時跟隨系統(tǒng)的頻率變化動態(tài)調(diào)整出力。文獻［16］研究了火電直流孤島系統(tǒng)中汽輪機參數(shù)、直流FLC 和機組一次調(diào)頻對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的影響。文獻［17］以云南異步聯(lián)網(wǎng)為背景，對直流FLC的調(diào)頻特性及應用策略進行了分析，證明了直流FLC 可以有效改善系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。文獻［18］提出了一種計及直流調(diào)節(jié)成本的直流FLC參與輔助調(diào)頻服務(wù)策略，實現(xiàn)了調(diào)頻需求的經(jīng)濟分配。雖然直流FLC 利用了高壓直流輸電的快速調(diào)節(jié)能力，改善了送端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，但直流FLC 目前主要用于送端為孤島水電或孤島火電系統(tǒng)的情況，與大規(guī)模風電接入送端系統(tǒng)場景下的頻率控制特性存在明顯差異，難以適應大規(guī)模風電接入下低慣量電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定需求。

頻率軌跡規(guī)劃（frequency trajectory planning，F(xiàn)TP）控制是一種以參考頻率軌跡為導向的控制方法，其將系統(tǒng)頻率與幾個預定義的規(guī)劃參數(shù)聯(lián)系起來，可實現(xiàn)頻率跟蹤控制。文獻［19］針對獨立電力系統(tǒng)，提出了一種基于FTP的頻率穩(wěn)定改善策略，該策略可通過跟蹤規(guī)劃的頻率軌跡，控制逆變器提供系統(tǒng)所需的慣性和阻尼支撐。但其僅針對基于逆變器的獨立電力系統(tǒng)，不能直接應用于高壓直流輸電系統(tǒng)輔助頻率控制。

針對以上問題，本文提出一種基于FTP 的異步聯(lián)網(wǎng)直流自適應調(diào)頻控制策略。該策略綜合考慮風電主動頻率支撐和直流輔助頻率控制，選擇反映系統(tǒng)阻尼和慣性的頻率偏差和頻率變化率為指標，并對系統(tǒng)的參考頻率軌跡進行推導；當遭遇較大擾動時，風電和直流同時參與系統(tǒng)一次調(diào)頻，在風電機組參與調(diào)頻的轉(zhuǎn)速恢復階段，以參考頻率軌跡為基準調(diào)整直流系統(tǒng)的出力，避免系統(tǒng)頻率發(fā)生二次跌落；通過對頻率軌跡進行分區(qū)，實現(xiàn)送端系統(tǒng)頻率的自適應控制。最后，在兩區(qū)域4 機模型基礎(chǔ)上搭建含風電異步互聯(lián)電網(wǎng)模型，驗證本文所提策略的有效性。

1 含風電高壓直流送端系統(tǒng)頻率特性分析

1.1 含風電高壓直流送端系統(tǒng)頻率特性模型

以目前應用較為廣泛的雙饋感應風力發(fā)電機（doubly-fed induction generator，DFIG）為例，DFIG在MPPT 模式下正常運行時，風輪、齒輪箱和發(fā)電機轉(zhuǎn)子儲存大量動能，可以表達為：

式中：E為旋轉(zhuǎn)組件動能；Jw、ωr分別為風電機組旋轉(zhuǎn)組件的整體轉(zhuǎn)動慣量和等效轉(zhuǎn)速。按照同步機慣性常數(shù)計算方法，風電機組慣性常數(shù)約為3～6 s，且受風速影響較大［20］。相對于傳統(tǒng)同步機組，DFIG 的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍更大，其為系統(tǒng)提供慣量支撐的潛力更強，但其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制，與系統(tǒng)頻率解耦，在常規(guī)控制下能為送端系統(tǒng)提供的慣量支撐幾乎為0。

暫不考慮風電高滲透率的影響，忽略調(diào)速器控制、限幅等非線性環(huán)節(jié)與二次調(diào)頻，可以對送端系統(tǒng)的頻率模型進行簡化，如圖1 所示［21］。其中渦輪機和調(diào)速器均表示傳統(tǒng)水火電機組提供的調(diào)頻效應。圖中：M=2H，H為慣性時間常數(shù)；D為負荷頻率效應系數(shù)；a為渦輪機特征系數(shù)，對于水輪機a=-2，對于汽輪機0＜a＜1；T為渦輪機等值慣性時間常數(shù)；1/R表示簡化的調(diào)速器；ωref為轉(zhuǎn)速參考值；Δωr為轉(zhuǎn)速變化量；ΔPm、ΔPL分別為原動機輸出功率變化量、負荷擾動變化量，ΔPe為兩者之差。

圖1 送端系統(tǒng)頻率特性簡化模型Fig.1 Simplified model of frequency characteristics of sending-end system

對送端系統(tǒng)而言，直流外送相當于負荷，由于直流一般采用恒功率外送，無法提供負荷頻率效應，且大規(guī)模風電接入送端系統(tǒng)時，系統(tǒng)的慣量水平也會隨之降低。同時考慮風電接入和直流系統(tǒng)的影響，需要在頻率特性模型中加入表征風電滲透率和直流外送功率的變量。假設(shè)風電滲透率提高是通過關(guān)停同步機組實現(xiàn)的，定義風電系數(shù)K1和直流系數(shù)K2分別為：

式中：Swind為風電出力；Sload為系統(tǒng)負荷功率；SDC為直流外送功率。風電滲透率越高，直流外送比例越大，則K1、K2越大，K1、K2的取值范圍均為［0，1］。圖1 中的簡化模型是以發(fā)電機容量為基準的，在不考慮風電和直流的調(diào)頻能力時，若采用系統(tǒng)負荷功率為基準，則可以得到計及風電和直流影響的系統(tǒng)頻率特性簡化模型，如圖2所示。

圖2 計及風電和直流影響的系統(tǒng)頻率特性簡化模型Fig.2 Simplified model of system frequency characteristics considering effects of wind power and DC

此模型簡化方式結(jié)構(gòu)簡單且易于理解，但由于忽略了風電機組頻率響應能力及其隨機性和波動性對系統(tǒng)的其他影響，僅考慮對系統(tǒng)慣性的削弱，并假設(shè)風電滲透率提高是通過關(guān)停同步機組實現(xiàn)的，所以此簡化方式僅適用于定性分析風電機組對系統(tǒng)頻率特性的影響。

由圖2 可知，當大規(guī)模風電接入送端系統(tǒng)時，其慣量水平大幅降低，并且由于直流外送導致負荷頻率效應減弱，送端系統(tǒng)的頻率響應特性也會隨之惡化。為了能夠利用儲存在DFIG 轉(zhuǎn)子中的旋轉(zhuǎn)動能參與電網(wǎng)調(diào)頻，風電機組通常采用虛擬慣量控制和下垂控制，如附錄A圖A1所示。

當系統(tǒng)頻率偏離額定值一定程度時，風電機組通過釋放其儲存的轉(zhuǎn)子動能參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)。此外，還有通過偏移MPPT 運行模式預留功率備用的超速和槳距角控制。雖然轉(zhuǎn)子動能控制不需要功率備用，但在轉(zhuǎn)速恢復階段容易導致系統(tǒng)頻率發(fā)生二次跌落，而功率備用控制難以最大限度地利用風能，所以有研究提出了多種控制策略組合的控制方法［22］。本文采用虛擬慣性控制和槳距角控制相結(jié)合的方法模擬同步機組慣性響應和一次調(diào)頻過程，使風電機組參與系統(tǒng)調(diào)頻。

1.2 高壓直流輸電參與調(diào)頻控制特性分析

以基于電網(wǎng)換相換流器的傳統(tǒng)直流為例，通常在整流側(cè)采用定電流控制，在逆變側(cè)采用定電壓控制。在整流側(cè)，換流站的控制器通過比較直流電流參考值和實測值，形成能夠跟蹤參考電流的觸發(fā)角指令信號，對高壓直流輸電進行控制。當需要進行直流功率調(diào)整時，將直流功率變化需求量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娏鞯膮⒖甲兓?，與換流站控制器的參考值進行疊加，改變觸發(fā)角指令信號，從而實現(xiàn)直流功率的快速可控性，使不同區(qū)域間能夠通過直流系統(tǒng)進行功率支援，控制邏輯如附錄A圖A2所示［20］。

在高壓直流輸電參與送端系統(tǒng)頻率控制方法中，基于下垂控制和基于PI 控制的頻率控制器框圖分別如附錄A圖A3、A4所示［23］。高壓直流輸電通過下垂控制參與系統(tǒng)頻率響應時，其調(diào)頻功率主要由比例系數(shù)KP決定。高壓直流輸電通過PI 控制參與頻率響應時，其調(diào)節(jié)效果主要由KP和積分系數(shù)KI共同決定。本文主要選擇基于下垂控制的直流調(diào)頻控制方法，并與FTP 控制進行協(xié)調(diào)配合，研究FTP 控制在直流輔助調(diào)頻中的應用方法和特性。

2 基于FTP的直流調(diào)頻控制策略

2.1 送端電網(wǎng)臨界頻率軌跡分析

對于不同的頻率控制方法，直流送端系統(tǒng)受其自身產(chǎn)生的總慣性和阻尼的影響，其頻率響應表達式通常包括擾動前的穩(wěn)態(tài)分量f0（通常為額定頻率fN）和擾動引起的指數(shù)衰減暫態(tài)分量。其中，暫態(tài)分量的幅值F與擾動水平和系統(tǒng)總阻尼有關(guān)，衰減率σ同時與系統(tǒng)總慣性和阻尼有關(guān)。系統(tǒng)在高頻情況下的頻率安全極限主要由發(fā)電機組決定，低頻情況下主要由負荷決定。為簡化分析，本文在考慮頻率安全區(qū)域界限時不區(qū)分高低頻的主要影響因素。對送端系統(tǒng)的臨界頻率軌跡進行分析，可以確定相應的頻率安全區(qū)域，具體分析過程見附錄B。由附錄B可得符合電網(wǎng)安全穩(wěn)定要求的臨界頻率表達式為：

f=f0+Fcr(1-e-σcrt)sign(R) （4）式中：f為系統(tǒng)頻率；t為時間；Fcr和σcr分別為臨界頻率偏差和臨界頻率衰減率；R為頻率變化率；sign(x)為符號函數(shù)，其表達式見附錄B式（B2）。

設(shè)f0=fN，則由式（4）可以定義系統(tǒng)的臨界頻率

2.2 系統(tǒng)參考FTP

根據(jù)不同電網(wǎng)的安全穩(wěn)定要求，可以確定不同的臨界頻率軌跡，但由于控制過程中系統(tǒng)實際頻率軌跡與計劃頻率軌跡不可避免地存在差異，并且頻率檢測系統(tǒng)和FTP 觸發(fā)模塊具有一定的時延，如果直接以臨界頻率軌跡作為FTP 控制的參考頻率軌跡，系統(tǒng)頻率可能會超出安全區(qū)域，影響系統(tǒng)的正常運行。為了保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，需要在規(guī)劃參考頻率軌跡時留有一定的安全裕度。規(guī)劃參考頻率軌跡時的最大頻率偏差Ftp和最大頻率變化率Rtp分別為：

式中：Fstd和Rstd分別為電網(wǎng)導則指定的頻率偏差和頻率變化率繼電器動作安全閾值，F(xiàn)mar、Rmar分別為對應的安全裕度。Ftp、Rtp可根據(jù)不同電網(wǎng)的頻率質(zhì)量要求確定。

參考頻率軌跡的詳細推導過程見附錄D，由附錄D可得參考頻率軌跡為：

式中：R0為t0時刻系統(tǒng)頻率變化率。式（6）中的參數(shù)僅包括規(guī)劃參考頻率軌跡時的最大頻率偏差Ftp和最大頻率變化率Rtp，以及較為容易檢測的t0和f0，大幅簡化了控制參數(shù)的選取過程。

2.3 基于FTP的高壓直流輸電自適應調(diào)頻策略

為適應大規(guī)模風電接入后直流送端電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定需求，本文提出了一種基于FTP 的異步聯(lián)網(wǎng)直流自適應調(diào)頻控制策略。該策略以頻率指標為導向，直接根據(jù)頻率偏差和頻率變化率指標實現(xiàn)直流系統(tǒng)頻率控制，保證異步送端電網(wǎng)具有足夠的慣性和阻尼。由于高壓直流輸電功率調(diào)制在影響送端系統(tǒng)頻率特性的同時，也會使受端系統(tǒng)受到一定擾動，需要考慮其對受端系統(tǒng)的影響，但相對于高比例外送的弱送端系統(tǒng)（如西南電網(wǎng)），受端系統(tǒng)（如華中電網(wǎng)）的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，具有較為充足的備用容量，能夠承受一定功率擾動。因此，本文考慮只在送端電網(wǎng)采用直流頻率自適應控制，并將直流看作一種優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源參與頻率調(diào)節(jié)?；贔TP的直流自適應調(diào)頻策略如附錄E圖E1所示。

對于送端電網(wǎng)中擾動較小的情況，系統(tǒng)中的慣性和阻尼缺額較小，系統(tǒng)頻率偏差和頻率變化率均在安全區(qū)域內(nèi)，高壓直流輸電調(diào)頻控制系統(tǒng)采用經(jīng)典下垂控制方法，能夠滿足系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定要求；相反，當送端系統(tǒng)具有較大的頻率偏差和頻率變化率時，表明系統(tǒng)的慣性和阻尼效應不足，將啟用FTP控制模式，利用高壓直流輸電的快速調(diào)節(jié)能力，將頻率指標限制在安全區(qū)域內(nèi)，同時防止頻率發(fā)生二次跌落。在后一種情況下，F(xiàn)TP 控制模塊將根據(jù)式（6）生成一個參考頻率軌跡，其頻率偏差和頻率變化率滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定導則的限制，根據(jù)參考頻率軌跡對系統(tǒng)的頻率進行定向調(diào)節(jié)。自適應調(diào)頻策略具體流程如圖3 所示。圖中：Fact、Ract分別為FTP 模塊的觸發(fā)閾值。

圖3 自適應調(diào)頻策略執(zhí)行流程圖Fig.3 Flowchart of adaptive frequency modulation strategy execution

根據(jù)系統(tǒng)頻率指標的大小，以系統(tǒng)受到正功率擾動的情況為例，根據(jù)FTP 模塊動作參數(shù)Fact、Ract以及電網(wǎng)導則指定的頻率偏差和頻率變化率繼電器動作安全閾值Fstd、Rstd，將頻率軌跡劃分為4 個不同的區(qū)域，如附錄E圖E2所示，具體分析如下。

1）頻率穩(wěn)定區(qū)：|Δf|＜Fact且|R|＜Ract。

在此區(qū)域內(nèi)，頻率偏差和頻率變化率均在系統(tǒng)允許的穩(wěn)定范圍內(nèi)，一般和頻率調(diào)節(jié)死區(qū)類似，系統(tǒng)受到的擾動較小，具有足夠的慣性和阻尼支撐，能夠保持頻率穩(wěn)定性。在此情況下，經(jīng)典下垂控制方法足以滿足系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定要求，不需要提供額外的慣性阻尼效應，F(xiàn)TP 模塊的觸發(fā)信號為0，F(xiàn)TP 不參與系統(tǒng)調(diào)頻。

2）頻率監(jiān)管區(qū)：Fact≤|Δf|≤Ftp或Ract≤|R|≤Rtp。

隨著功率擾動加大，系統(tǒng)的頻率軌跡會穿過頻率穩(wěn)定區(qū)進入頻率監(jiān)管區(qū)，最終保持在該區(qū)域內(nèi)或者超過該區(qū)域，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定風險加大，需要提前確定系統(tǒng)的參考頻率軌跡并采取相應的措施。因此，頻率軌跡進入該區(qū)域時，F(xiàn)TP 觸發(fā)信號為1，根據(jù)式（6）生成參考頻率軌跡，將實時頻率軌跡fFTP和參考頻率軌跡fTP進行連續(xù)比較，若fFTP始終位于fTP包裹的區(qū)域內(nèi)，則開關(guān)S 不動作，保持下垂控制，當|Δf|＞Ftp或|R|＞Rtp時，開關(guān)S切換到FTP控制模塊。

3）FTP控制區(qū)：Ftp＜|Δf|＜Fstd或Rtp＜|R|＜Rstd。

隨著系統(tǒng)受到的擾動進一步加大，頻率軌跡可能從頻率監(jiān)管區(qū)達到FTP 控制區(qū)，該區(qū)域雖然存在較大頻率穩(wěn)定風險，但還未達到切機減載的相關(guān)閾值。此時，觸發(fā)FTP 控制模塊，開關(guān)S 動作，使直流頻率控制系統(tǒng)切換到FTP 控制模式，控制器根據(jù)參考頻率軌跡，生成用于高壓直流輸電參與調(diào)頻的參考功率值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率偏差和頻率變化率向規(guī)劃參考值Ftp和Rtp靠近，為系統(tǒng)提供額外的慣性和阻尼支撐，保證系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

4）頻率禁止區(qū)：|Δf|≥Fstd或|R|≥Rstd。

當系統(tǒng)受到更大擾動時，如果沒有額外的慣性和阻尼支撐，系統(tǒng)很有可能進入該區(qū)域，在這種情況下，將會觸發(fā)保護裝置，不可避免地發(fā)生切機減載。因此，對于系統(tǒng)固有慣性和阻尼不足時發(fā)生的大擾動，系統(tǒng)必須提供足夠的支撐，從而增強系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。本文所提控制策略充分利用直流系統(tǒng)的快速調(diào)控能力，直接根據(jù)參考頻率軌跡進行定向調(diào)節(jié)，可以有效改善系統(tǒng)的頻率性能。

2.4 FTP控制參數(shù)分析

高壓直流輸電在參與調(diào)頻的同時，也會對自身造成一定影響，為保證直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，需要對FTP 控制參數(shù)進行分析，具體的分析過程見附錄F。由附錄F 可知，當控制器參數(shù)同時滿足式（F5）和式（F6）時，既能夠保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，又能夠保證直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3 仿真分析

為驗證本文所提FTP 控制策略的有效性，基于MATLAB／Simulink仿真平臺，參照文獻［24］搭建如附錄G 圖G1 所示的改進兩區(qū)域4 機異步互聯(lián)電網(wǎng)模型。其中，送端系統(tǒng)包含2 臺裝機容量為900 MW的同步機G1、G2，并接入額定容量為800 MW 的風電場GW，模擬異步送端電網(wǎng)大規(guī)模風電接入的場景。受端系統(tǒng)包含2臺裝機容量為900 MW 的同步機G3、G4，直流輸電線路的額定容量為1 000 MW。所有同步機均裝有調(diào)速系統(tǒng)，依據(jù)電網(wǎng)頻率控制相關(guān)要求，F(xiàn)TP仿真參數(shù)設(shè)置如附錄G表G1所示。

在風電調(diào)頻控制保持不變的情況下，針對高壓直流輸電分別采用本文FTP控制、下垂控制、虛擬慣性控制以及高壓直流輸電不參與調(diào)頻4 種不同控制策略進行仿真對比，在不同擾動場景下分析不同控制策略下的調(diào)頻效果，驗證本文所提控制策略的有效性和優(yōu)越性。

3.1 小功率負荷擾動分析

系統(tǒng)穩(wěn)定后，以負荷突增為例，考慮在如下工況下進行系統(tǒng)頻率響應特性仿真：當t=5 s 時，高壓直流送端系統(tǒng)受到40 MW 階躍負荷擾動，分別對送端系統(tǒng)頻率、頻率變化率、直流系統(tǒng)有功調(diào)制量進行仿真對比分析，系統(tǒng)頻率、頻率變化率分別如圖4、5 所示，直流有功調(diào)制量如附錄G圖G2所示。

圖4 小功率階躍負荷擾動時送端交流系統(tǒng)頻率Fig.4 Frequency of sending-side AC system under low-power step load disturbance

圖5 小功率階躍負荷擾動時送端交流系統(tǒng)頻率變化率Fig.5 Rate of change of frequency of sending-end AC system under low-power step load disturbance

由圖4、5可知：在40 MW 小功率負荷擾動下，送端系統(tǒng)的最低頻率始終保持在49.84 Hz 以上，最大頻率偏差小于0.16 Hz，系統(tǒng)的最大頻率變化率絕對值 |R|為0.22 Hz／s，系統(tǒng)最大頻率和最大頻率變化率均未達到FTP 動作值Fact和Ract，滿足|Δf|＜Fact且|R|＜Ract。所以在發(fā)生40 MW 小功率負荷擾動情況下，系統(tǒng)頻率軌跡位于區(qū)域劃分中的“頻率穩(wěn)定區(qū)”，系統(tǒng)具有比較充足的慣性和阻尼支撐，能夠在不改變控制方法的情況下保持頻率穩(wěn)定。此時，圖E1所示的控制框圖中FTP控制觸發(fā)判斷模塊的觸發(fā)信號為0，沒有生成參考頻率軌跡，同時開關(guān)S不動作，高壓直流輸電采用經(jīng)典下垂控制參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，F(xiàn)TP 控制策略不作用。故系統(tǒng)在FTP 控制策略下的頻率響應和直流系統(tǒng)有功調(diào)制量與采用下垂控制時一致，從側(cè)面驗證了所提控制策略的有效性。

由圖4、5 及圖G2 對比可見，相對于高壓直流輸電不參與調(diào)頻的情況，采用頻率附加控制策略使高壓直流輸電參與頻率響應可以有效改善系統(tǒng)的頻率特性，提升系統(tǒng)的最低頻率及穩(wěn)態(tài)頻率。其中，高壓直流輸電采用虛擬慣性控制的改善效果較好，除穩(wěn)態(tài)頻率值稍低之外，其系統(tǒng)最低頻率和頻率變化率均優(yōu)于下垂控制，直流系統(tǒng)的有功調(diào)制量能夠較好地跟隨系統(tǒng)的頻率變化進行響應，為系統(tǒng)提供合適的頻率支撐。

3.2 大功率階躍擾動分析

針對更為嚴重的情況，同樣以負荷突增為例，考慮以下工況：當t=5 s時，對直流送端系統(tǒng)施加200 MW大功率階躍負荷擾動，分別對送端系統(tǒng)頻率、頻率變化率、直流系統(tǒng)有功調(diào)制量進行仿真對比分析，仿真結(jié)果如圖6、7和附錄G圖G3、表G2所示。

圖6 大功率階躍負荷擾動時送端交流系統(tǒng)頻率Fig.6 Frequency of sending-end AC system under high-power step load disturbance

圖6和圖7給出了系統(tǒng)的參考頻率軌跡，用以與FTP 控制進行對比分析，驗證本文所提策略的有效性。由于參考頻率軌跡由預定義參數(shù)計算而來，僅包括參考頻率和參考頻率變化率，與仿真中的直流系統(tǒng)有功調(diào)制量無直接關(guān)系，故圖G3中不對參考頻率軌跡對應的直流調(diào)制量進行分析。

圖7 大功率階躍負荷擾動時送端交流系統(tǒng)頻率變化率Fig.7 Rate of change of frequency of sending-end AC system under high-power step load disturbance

由圖6、7 和圖G3 可知：在大功率階躍負荷擾動下，當高壓直流輸電未投入附加頻率控制時，直流系統(tǒng)有功調(diào)制量為0，直流輸送功率保持不變，不能參與系統(tǒng)頻率響應，此時的送端系統(tǒng)頻率特性最差，最低頻率達到49.27 Hz，最大頻率變化率絕對值|R|達到了1.09 Hz／s。在此擾動下，系統(tǒng)的頻率偏差和頻率變化率分別超過了FTP 控制器設(shè)定的動作值Fact、Ract。故此時FTP 觸發(fā)信號為1，F(xiàn)TP 模塊根據(jù)設(shè)定參數(shù)生成參考頻率軌跡。當系統(tǒng)頻率指標超過Ftp、Rtp時，開關(guān)S 動作，控制系統(tǒng)從下垂控制切換為FTP 控制，高壓直流輸電根據(jù)參考頻率軌跡對送端電網(wǎng)頻率進行定向調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)頻率軌跡在滿足系統(tǒng)約束和直流出力限幅約束的前提下，盡可能地逼近參考頻率軌跡，從而實現(xiàn)頻率的最優(yōu)控制。

從圖6 和表G2 可以看出，F(xiàn)TP 控制具有最優(yōu)的頻率響應特性，相比于高壓直流輸電不參與調(diào)頻，F(xiàn)TP 控制、虛擬慣性控制、下垂控制的最低頻率分別提升了0.27、0.15、0.05 Hz。在穩(wěn)態(tài)頻率方面，虛擬慣性控制和直流不參與時較為接近，而采用FTP 控制策略的穩(wěn)態(tài)頻率要優(yōu)于下垂控制。并且從圖6 中的頻率曲線可以看出，F(xiàn)TP 控制對于風電參與調(diào)頻引起的頻率二次跌落具有較為顯著的抑制作用。由圖6和圖G3可知，擾動發(fā)生后，F(xiàn)TP控制和虛擬慣性控制能夠較好地抑制系統(tǒng)頻率變化率，在調(diào)整直流系統(tǒng)進行有功調(diào)制時可以更好地跟隨系統(tǒng)的頻率變化率，提供更多的慣性支撐，其中FTP控制的性能較優(yōu)，從而表明采用本文所提策略能夠更好地利用直流系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)能力，在抑制頻率二次跌落的同時，保證送端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

3.3 直流系統(tǒng)自適應調(diào)頻控制對受端電網(wǎng)的影響分析

高壓直流輸電在利用直流輸電功率參與送端系統(tǒng)調(diào)頻的同時，會給受端系統(tǒng)帶來新的功率擾動，從而影響受端系統(tǒng)的頻率特性，因此有必要進一步分析高壓直流輸電參與送端系統(tǒng)調(diào)頻控制對受端系統(tǒng)的影響。

在送端系統(tǒng)小功率負荷擾動情況下，本文所提FTP 控制策略未啟用，且送端系統(tǒng)處于頻率穩(wěn)定區(qū)，直流參與度較低，對受端系統(tǒng)的影響較小。因此，本文主要針對大功率階躍擾動場景下受端系統(tǒng)的頻率響應情況進行分析，在送端系統(tǒng)200 MW 大功率階躍負荷擾動情況下，受端系統(tǒng)的頻率和頻率變化率分別如附錄G圖G4和圖G5所示。

從圖G4、G5 可以看出，相比于高壓直流輸電不參與送端調(diào)頻，不同控制策略均對受端系統(tǒng)的頻率特性產(chǎn)生了一定影響，其中FTP 控制和虛擬慣性控制策略影響較為明顯，最大頻率偏差分別為0.18 Hz和0.17 Hz，最大頻率變化率分別為0.21 Hz／s 和0.2 Hz／s，均在本文所定義的送端系統(tǒng)頻率穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。對比圖6 和表G2 可知，相對于高壓直流輸電不參與調(diào)頻，送端系統(tǒng)最低頻率改善了0.27 Hz，因此，本文所提策略對受端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定影響較小，但可對送端系統(tǒng)頻率帶來較大改善。高壓直流輸電參與送端調(diào)頻對受端系統(tǒng)的影響大小，與直流系統(tǒng)和受端系統(tǒng)的額定容量有關(guān)，直流系統(tǒng)與受端系統(tǒng)額定容量的比值越小，送端擾動對受端系統(tǒng)頻率特性的影響就越?。?3］。

本文所提控制策略的目的是解決大規(guī)模風電接入送端系統(tǒng)帶來的頻率穩(wěn)定問題，主要應用于高比例新能源接入的弱送端系統(tǒng)經(jīng)高壓直流外送到較強系統(tǒng)場景下。相對于高比例外送的弱送端系統(tǒng)，受端系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，具有較為充足的備用容量，能夠承受一定功率擾動。為盡可能減小高壓直流輸電參與送端調(diào)頻給受端系統(tǒng)帶來的影響，本文所提策略對直流功率的可調(diào)容量進行了限幅，保證直流系統(tǒng)和受端系統(tǒng)的波動在允許范圍內(nèi)，通過調(diào)整限幅參數(shù)的大小，可以調(diào)整高壓直流輸電的調(diào)頻參與度，從而減小對受端系統(tǒng)頻率特性的影響，在實現(xiàn)異步互聯(lián)電網(wǎng)頻率支援的同時保證受端系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文主要針對含規(guī)?；L電接入的直流異步送端電網(wǎng)中的頻率穩(wěn)定問題，提出了一種基于FTP 的異步聯(lián)網(wǎng)直流自適應調(diào)頻控制策略，有效提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性，具體結(jié)論如下：

1）大規(guī)模風電接入直流異步送端電網(wǎng)會顯著減少系統(tǒng)的慣性，降低送端系統(tǒng)的調(diào)頻能力，利用直流FTP 控制對功率的快速調(diào)節(jié)能力可以顯著改善系統(tǒng)的一次調(diào)頻性能，抑制頻率二次跌落；

2）仿真對比分析表明直流頻率調(diào)制采用下垂控制和虛擬慣性控制均能有效提升系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)性能，但虛擬慣性控制對初始頻率變化率的抑制效果更為顯著；

3）本文所提FTP 控制策略以頻率指標為導向，直接根據(jù)頻率偏差和頻率變化率實現(xiàn)高壓直流輸電頻率控制，簡化了控制流程，在發(fā)生較大的負荷擾動時能夠及時為系統(tǒng)提供合適的頻率支撐，改善系統(tǒng)的頻率響應特性，為直流頻率調(diào)制在新型電力系統(tǒng)中的應用提供了參考。

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