送端直流孤岛系统频率限制器优化控制策略

吕思卓，郑超，杨金刚，刘洪涛

(1. 中国电力科学研究院, 北京市 100192；2. 国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京市 100045；3. 中国南方电网电力调度控制中心，广州市 510623)

送端直流孤岛系统频率限制器优化控制策略

吕思卓1，郑超1，杨金刚2，刘洪涛3

(1. 中国电力科学研究院, 北京市 100192；2. 国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京市 100045；3. 中国南方电网电力调度控制中心，广州市 510623)

频率限制控制器(frequency limit controller，FLC)作为一种重要的直流有功功率调制手段，可提高交直流混联系统的频率稳定水平，但直流有功功率的调节会改变换流站无功功率水平，进而影响系统电压特性。针对楚穗特高压送端直流孤岛系统，分析了交流系统发生短路故障后，FLC调节有功功率对整流站电压恢复特性的影响机理。在此基础上，提出了基于无功功率变化率的FLC优化控制策略，来提高送端系统的电压稳定性。仿真结果表明，该策略在抑制频率波动的同时，可改善孤岛系统的电压恢复特性。

直流孤岛系统; 频率限制控制器(FLC); 电压恢复特性; 无功功率变化率

0 引 言

一次能源与负荷中心呈逆向分布的资源优化配置需求，决定了我国电网格局具有大电源、大电网、大容量、远距离输电等特征。直流输电技术以其在大容量、远距离输电应用中的特有技术优势，将在西电东送和全国联网中发挥重要作用[1-2]。

在我国已投运的特高压直流输电工程中，云南楚雄至广东穗东±800 kV/5 000 MW特高压直流输电工程的送端系统采用孤岛运行方式，配套金安桥和小湾水电厂通过长距离500 kV交流线路接入直流换流站[3]。由于孤岛系统发电机转动惯量和换流母线短路容量均较小，因此，扰动冲击易引起孤岛电网频率和电压波动，孤岛电网稳定运行问题较为突出[4-6]。当故障使孤岛系统出现大量有功功率盈缺时，仅依靠原动机和调速器调节，难以快速平抑频率波动。为了提升孤岛系统的稳定运行能力，需利用直流功率调制控制来补偿不平衡功率[7-8]。频率限制控制器(frequency limit controller，FLC)作为一种重要的直流有功功率调制手段，能够增强孤岛系统频率稳定性[9]。文献[10]针对天广交直流混联系统提出了一种非线性直流调制控制器来提高系统暂态稳定性，并与常规的频率调制进行了对比。文献[11-12]提出利用静止无功补偿器(static var compensator，SVC)和降低直流功率来提高楚穗直流系统的稳定性，但这些措施会增加投资或降低直流功率利用率。文献[13]对糯扎渡FLC的功能进行了仿真研究，但由于糯扎渡电厂距离换流站较近，换流站电压稳定问题并不突出，因此没有考虑有功功率调节引起的换流站无功功率不平衡问题及其对交流系统的影响。

本文首先分析现有FLC的结构和功能原理，针对楚穗特高压直流输电工程，揭示FLC对整流站无功功率需求和电压恢复的影响机理。针对现有控制方法的不足，提出一种基于无功功率变化率的FLC优化控制策略。采用该控制策略，在抑制频率波动的同时，可提高送端系统的电压稳定性。

1 FLC结构及功能

FLC是直流输电系统中的重要附加控制器之一，用来调节直流有功功率，提高交直流混联系统频率稳定水平，其原理如图1所示。图中，Dfmax、Dfmin分别为频差最大值和最小值，Tf为滤波器时间常数，Fband为频差死区限制范围，KP为比例增益，KI为积分增益，Pmodmin、Pmodmax分别为直流功率调制的下限和上限，△P为直流功率附加调制量[14]。

图1 频率限制控制器结构Fig.1 Structure of FLC

FLC以换流母线频率f与基准频率f0之间的偏差△f作为输入信号，△f经比例积分调节器输出直流功率附加调节信号△P，进而补偿系统有功功率盈缺，起到抑制系统频率波动的作用。例如，将频差死区限制范围Fband设置为0.1 Hz，当孤岛系统频率大于50.1 Hz之间时，FLC下通道起作用，输出△P为正值，FLC通过增大直流系统输送功率，使孤岛系统频率降回至设定频率的上限值；当系统频率小于49.9 Hz时，FLC上通道起作用，输出△P为负值，FLC通过减小直流系统输送功率，使孤岛系统频率上升至设定频率的下限值。当孤岛系统频率在49.9～50.1 Hz时，FLC上通道和下通道输出之和为0，直流功率保持不变。

2 孤岛运行方式下送端频率控制策略

2.1 楚穗直流仿真系统简介

在电力系统机电暂态仿真软件PSD-BPA中，建立楚穗±800 kV/5 000 MW特高压直流送端孤岛系统，如图2所示。孤岛系统采用8机4线运行方式，小湾电厂开机4×695 MW，金安桥电厂开机4×595 MW；小湾电厂和金安桥电厂分别通过250 km和280 km的长距离500 kV双回交流线路接入楚雄换流站。

楚穗直流控制系统由西门子公司供货，为此在PSD-BPA仿真软件中选用与其对应的DN/DZ卡模型，其频率限制器参数设定值如下：Fband=0.1 Hz，Pmodmax=+8%，Pmodmin=-8%，KP=40，KI=4。

图2 楚穗直流送端系统接线Fig.2 Grid structure of Chuxiong-Suidong UHVDC sending system

2.2 送端“N-1”故障分析

短路故障期间，由于发电机输出电磁功率下降和直流外送功率变化，孤岛电网集聚的不平衡功率，将会使频率大幅波动。在受扰后的恢复过程中，交流系统频率波动会使直流频率限制器动作，由此引起直流功率以及换流站无功功率需求改变，导致孤岛系统面临暂态电压稳定问题。

小湾—楚雄换流站500 kV线路三相永久短路跳单回线(“N-1”故障)后，系统电压失稳。孤岛系统频率、整流站母线电压等电气量暂态响应曲线如图3所示。从图中可以看出，楚雄站换流母线电压逐渐跌落至0.8 pu左右，且无法恢复。

由图3可知，FLC对电压恢复的影响机理分析如下。

(1)短路故障期间，孤岛电网电压跌落引起直流电压降低，直流功率传输中断，送端机组有功功率过剩，导致孤岛电网频率升高。

(2)故障切除后，小湾至楚雄换流站仅通过一回线路连接，孤岛电网间的电气联系减弱，大量潮流转移引起另一回线路的无功功率损耗增加，影响故障切除后换流母线电压的恢复。

图3 小湾-楚雄线路N-1故障时孤岛电网暂态响应Fig.3 Islanded grid transient response whenN-1 fault occurred in Xiaowan-Chuxiong lines

(3)与此同时，整流站母线电压逐渐恢复，滤波器输出的无功功率随电压的回升而增大，整流器消耗的无功功率随直流功率的提升而增大。滤波器输出无功功率与整流器消耗无功功率的差值呈正负交替变化，如图3(h)所示，对应整流站从交流系统吸收的无功功率既有减小阶段，也有增加阶段。

(4)在整流站从交流系统吸收无功功率的减小阶段，孤岛电网频率上升至50.3 Hz，超出FLC上限值，FLC功能激活并对直流功率进行调制，FLC输出曲线如图3(f)所示，直流功率增加400 MW以减小孤岛电网频率偏差。由于整流器触发角已达最小限制，整流器在定功率控制下增大直流电流，导致直流电压降低，使整流器功率因数角增大，无功功率消耗增多。而送端提供的无功功率严重不足，导致换流站电压降低，如图3(c)ab段所示，定功率控制系统通过增大直流电流使整流器无功功率消耗进一步增多，无功功率不平衡进入恶性循环，楚雄换流站电压逐渐下降至0.8 pu，且不能恢复，孤岛系统频率偏差逐渐增大，直流功率下降至4 400 MW。

由以上分析可知，系统电压失稳是由于在整流站吸收无功功率减小阶段，FLC使直流系统无功功率消耗大量增加，引起整流站无功功率不平衡，从而对故障后直流系统的恢复产生不利影响。

2.3 频率限制器优化控制策略

为了改善FLC对系统电压的不利影响，本文提出一种基于无功功率变化率的FLC优化控制策略，如图4所示。该策略通过计算系统频率f和整流站从交流系统吸收的无功功率Qc的变化率来确定FLC是否投入。具体控制逻辑为：当检测到系统频率达到上限，同时整流站吸收的无功功率增大时或系统频率达到下限，同时整流站吸收的无功功率减小时，启动FLC；反之，退出FLC。

图4 频率限制器逻辑判断框图Fig.4 Logical judgment of FLC

FLC采用优化后的控制策略，在小湾—楚雄线路发生“N-1”故障后，孤岛电网的暂态响应如图5所示。

图5 频率限制器优化后孤岛电网暂态响应Fig.5 Islanded grid transient response after FLC optimization

由仿真结果可知，当孤岛系统频率超出限值时，整流站从交流系统吸收无功功率的变化率小于0，则频率限制器退出，整流器的无功功率需求与FLC投入时的相比大量减少，由图5(d)可知，电压恢复期间整流站向交流系统注入无功功率300 Mvar，提高了整流站的无功功率支撑能力，进而促进交流电压和直流送电功率的恢复。整流站母线电压可由0.8 pu提升至1.0 pu，由于直流电压随交流电压升高而增大，直流功率可恢复到稳态运行水平。

3 FLC控制策略效果验证

为验证本文所提出的FLC控制策略在送端系统发生交直流功率不平衡扰动时的有效性，对发电机有功出力变化工况进行仿真研究。小湾电厂1台机组功率按照100 MW/s的速率下降200 MW时，整流站母线电压、孤岛系统频率、整流站触发延迟角、直流功率以及整流站吸收无功功率的暂态响应曲线如图6所示。

由仿真结果可知，当发电机组出力减小时，如图6中的ab段所示，孤岛电网频率逐渐下降，但还未达到FLC动作值(49.9 Hz)，整流侧保持定功率控制指令值不变，楚雄换流站母线电压随机组出力减小而下降，定功率控制器通过减小整流侧触发角以保持直流电压恒定，由于整流器功率因数角减小，整流站从交流系统吸收的无功功率将减少。

图6 发电机出力变化时孤岛电网暂态响应Fig.6 Islanded grid transient response when generator output changing

随着发电机组出力继续下降，如图6中的bc段所示，频率降低至FLC启动值49.9 Hz，此时整流站吸收无功功率的变化率小于0，则启动频率限制功能。利用频率调制降低直流输送功率，整流侧定功率控制系统通过增大触发角降低直流功率。整流器无功功率需求相应减少，有利于换流站母线电压提升，使滤波器无功功率输出增加，整流站吸收的无功功率进一步减小，使交直流系统无功功率平衡。

当发电机组出力停止下降后，孤岛系统电压和频率逐渐恢复平稳，直流功率由5000 MW下降到4 860 MW，孤岛系统频率稳定在49.9 Hz左右。FLC通过调整直流功率跟踪发电机组出力，从而减小频率偏差。

4 结 论

(1)楚穗直流孤岛系统8机4线运行方式下，当送端交流系统发生短路故障时，会引起孤岛系统频率波动，当超出频率限制时FLC动作，直流控制系统通过增大直流功率抑制频率波动，整流站吸收的无功功率增加，导致系统无功功率不平衡，造成系统电压失稳。

(2)本文提出一种基于无功功率变化率的FLC优化控制策略，即在频率增大，同时整流站吸收的无功减少时退出FLC，可以使孤岛系统电压恢复到稳态运行水平。当送端发电机组出力减小时，根据优化控制策略启动FLC，控制系统能够准确、快速调整直流功率，使孤岛系统频率满足运行要求。

[1]梁旭明, 张平, 常勇. 高压直流输电技术现状及发展前景[J]. 电网技术, 2012, 36(4): 1-9. LING Xuming, ZHANG Ping, CHANG Yong. Recent advances in high-voltage direct-current power transmission and its developing potential[J]. Power System Technology, 2012, 36(4): 1-9.

[2]赵畹君. 高压直流输电工程技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004: 10-11.

[3]徐攀腾. 云广特高压直流输电工程送端孤岛频率控制分析[J]. 电力建设, 2011, 32(11): 48-50. XU Panteng. Frequency control analysis for island system at sending terminal in Yunnan-Guangdong UHVDC transmission project[J]. Electric Power Construction, 2011, 32(11): 48-50.

[4]李亚男, 马为民, 殷威扬, 等. 向家坝—上海特高压直流系统孤岛运行方式[J]. 高电压技术, 2010, 36(1): 185-189. LI Yanan, MA Weimin, YIN Weiyang, et al. Island operation modes XS800 UHVDC system[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(1): 185-189.

[5]王华伟, 韩民晓, 范园园, 等. 呼辽直流孤岛运行方式下送端系统频率特性及控制策略[J]. 电网技术, 2013, 37(5): 1401-1406. WANG Huawei, HAN Minxiao, FAN Yuanyuan, et al. Sending and frequency characteristics under islanded operation mode of HVDC transmission system from Hulun Buir to Liaoning and corresponding control strategy[J]. Power System Technology, 2013, 37(5): 1401-1406.

[6]李朝顺, 张正茂, 康激扬. 大直流弱送端系统安全稳定控制策略[J]. 电网技术, 2014, 38(1): 28-32. LI Chaoshun, ZHANG Zhengmao, KANG Jiyang. Research on security and stability control strategy for weak sending-end system of large capacity HVDC power transmission system[J]. Power System Technology, 2014, 38(1): 28-32.

[7]郭小江, 马世英, 卜广全, 等. 直流系统参与电网稳定控制应用现状及在安全防御体系中的功能定位探讨[J]. 电网技术, 2012, 36(8): 116-123. GUO Xiaojiang, MA Shiying, BU Guangquan, et al. Present application situation of DC system participating in power system stability control and discussion on position of its functions in security defense system[J]. Power System Technology, 2012, 36(8): 116-123.

[8]郑超, 汤涌, 马世英, 等. 直流参与稳定控制的典型场景及技术需求[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(22): 3750-3759. ZHENG Chao, TANG Yong, MA Shiying, et al. A survey on typical scenarios and technology needs for HVDC participated into stability control[J]. Proceeding of the CSEE, 2014, 34(22): 3750-3759.

[9]陈亦平, 程哲, 张昆, 等. 高压直流输电系统孤岛运行调频策略[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(4): 96-103. CHEN Yiping, CHENG Zhe, ZHANG Kun, et al. Frequency regulation strategy for islanding operation of HVDC[J]. Proceeding of the CSEE, 2013, 33(4): 96-103.

[10]荆勇, 杨晋柏, 李柏青, 等. 直流调制改善交直流混联系统暂态稳定性的研究[J]. 电网技术, 2004, 28(10): 1-4. JING Yong, YANG Jinbai, LI Baiqing, et al. Research on improving transient stability of AC/DC hybrid system by HVDC modulation[J]. Power System Technology, 2004, 28(10): 1-4.

[11]胡铭, 金小明, 高鹏, 等. 云广特高压直流输电系统孤岛运行的稳定控制措施[J]. 电网技术, 2009, 33(18): 5-8. HU Ming, JIN Xiaoming, GAO Peng, et al. Stability control strategies for ±800 kV DC transmission system from Yunnan to Guangdong under islanded operation[J]. Power System Technology, 2009, 33(5): 5-8.

[12]许爱东, 吴小辰, 洪潮, 等. 楚穗直流孤岛系统安稳控制策略[J]. 南方电网技术, 2011, 5(2): 102-105. XU Aidong, WU Xiaochen, HONG Chao, et al. On security and stability control strategy for Chuxiong—Suidong UHVDC in islanded operation [J]. Southren Power System Technology, 2011, 5(2): 102-105.

[13]杜斌, 柳勇军, 涂亮, 等. 糯扎渡直流频率限制控制器研究[J]. 南方电网技术, 2013, 7(5): 27-31. DU Bin, LIU Yongjun, TU Liang, et al. Study on the frequency limit control of Nuozhadu DC transmission project[J]. Southren Power System Technology, 2013, 7(5): 27-31.

[14]许达. 特高压直流输电系统孤岛运行研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2012. XU Da. Study on the islanding operation of UHVDC transmission system[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

(编辑 张小飞)

FLC Optimization Control Strategy of Islanded HVDC Sending System

LYU Sizhuo1, ZHENG Chao1, YANG Jingang2, LIU Hongtao3

(1. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China;2. Economic Research Institute, State Grid Jibei Electric Power Company Limited, Beijing 100045, China;3. Power Dispatching Control Centre, CSG, Guangzhou 510623, China)

As a kind of important means for DC active power modulation, frequency limit controller (FLC) can improve the frequency stability level of DC/AC hybrid system. However, DC active power modulation will change the reactive power consumption of converter station, thus affecting the voltage characteristics of system. In allusion to Chuxiong-Suidong UHVDC sending system under islanded operation, this paper analyzes the influence mechanism of DC active power modulation by FLC on the voltage recovery characteristics of rectifier station after the short circuit fault of AC system. On this basis, we propose the optimization control strategy for FLC based on the change rate of reactive power, which can improve the voltage stability of sending system. The simulation results show that this strategy can inhibit frequency fluctuation, while improve the voltage recovery characteristics of islanded system.

islanded HVDC system; frequency limit controller(FLC); voltage recovery characteristic; optimization measure; change rate of reactive power

TM 721

A

1000-7229(2016)02-0107-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.02.015

2015-10-19

吕思卓(1989)，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统稳定与控制；

郑超(1977)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统稳定与控制、高压直流输电、FACTS、新能源并网；

杨金刚(1982)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统安全稳定分析和电网规划；

刘洪涛(1974)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电力系统安全稳定分析与控制。