云广HVDC孤网运行瞬时频率抑制的附加控制

李 政，李兴源

（四川大学电气信息学院，成都 610065）

目前，HVDC的辅助调频主要基于HVDC联络线两侧交流系统的频差信号，利用HVDC的快速响应和短时过载能力进行紧急控制实现机械频率的控制。文献［1～3］根据系统频率的减小来降低HVDC的输送功率，维持系统功率平衡，文献［4］通过加装辅助频率控制器调整两侧交流系统频率，文献［5］用高频切机与直流频率控制的相互协调提高频率稳定性，文献［6］利用多回直流线路间的直流功率紧急转移实现频率控制，文献［7，8］设计了一种非线性元件构成的比例积分微分PID（proportional integral differential control）辅助频率控制器，文献［9］应用调相机增大直流系统有效短路比，文献［10］利用故障后，广域测量数据计算稳态频率进行紧急控制。然而，在孤网运行方式下，HVDC联络线输送功率相对于额定直流输送功率较小，交流系统的短路比与等效惯性时间常数较小，属于弱交流系统，发电机组的调速系统响应速度相对较慢，无法抑制瞬时电频率的跃变。

对于与弱交流系统相连的直流系统，交流电压对负荷变化十分灵敏［11，12］，利用HVDC的高可控特性，设计了一种反映换流母线电压的辅助频率控制器，通过直流功率调制抑制送端孤网的瞬时频率振荡。

1 问题描述

参照文献［13］中的方法，定义节点的瞬时电频率为

式中，为节点电压向量的相角。发电机的机械频率为

式中，δi为发电机功角。发电机的机械频率对应于发电机的转速，其变化受到发电机惯量的制约，通常是平缓而连续的，不可能出现过于剧烈的变化现象；瞬时电频率的变化不受任何制约，在特定情况下可能发生相当剧烈的变化现象。电频率和发电机的机械频率都属于电力系统地区瞬时频率［13］，当电力系统中由于机组跳闸或负荷投切造成各发单机组间电功率振荡时，系统中各机组的机械频率和各节点的电频率变化基本相同［13］，然而当网络出现故障时，节点电压相角可能突变，对应的节点电频率远远偏离额定值，在孤网运行时，尤其突出［14］；而一次调频和发电机超速保护及低频减灾等控制措施响应于发电机的机械频率，具有机械性，当电频率突变时，控制器不会动作，不能抑制瞬时电频率；以HVDC为联络线运行的孤网，应用HVDC的快速和高可控特性，通过直流功率调制，可实现对瞬时电频率的有效抑制。

文献［11］指出在孤网运行时，为提高弱交流系统的性能，逆变器连续运行于恒定电流（CC）控制，整流器为相应于αmin的恒定触发角（CIA）控制，称为AC控制方式。由此，有如下运行控制特征。

（1）在AC控制方式下，由整流器定电压，通过改变触发延迟角α使α＝αmin，通常整定在5°左右，尽可能升高整流侧直流电压，整流器将运行在恒定触发角（CIA），由逆变器定电流，逆变器运行在恒定电流（CC）控制方式，在保持足够的换相裕度条件下，调整逆变器熄弧超前角γ，使

式中：Im为电流裕度；Iord为整流器的电流指令。由此，整流器为定触发延迟α角控制。

（2）变压器抽头切换装置的控制是用来将换流器的控制角保持在期望范围内，采用一般为几秒钟的时间延迟，防止抽头的不必要切换，当线路或节点瞬时故障时，由于换流器的高可控和快速性，故障后其恢复时间通常小于1 s，因而，换流变抽头不会动作。

2 附加控制器

2.1 附加控制器设计

整流器稳态方程为

式中：Eac为高压侧母线线电压有效值；T为变压器匝数比；B为串联的桥数；Xc换相电抗；Vd、Id分别为每极的直流电压和直流电流。由式（4）可得

式中，cosα和T为常量；为了反映换流母线电压与直流电流的动态关系，对式（5）进行全微分得

逆变器稳态电压方程为

式中：Vdoi为空载直流电压；Xci为逆变器换相电抗；Rd为直流传输线的等值电阻；由于采用PI控制调整逆变器触发角，当调节器增益为K1时有

所以

对式（9）用扰动值表示为

将式（10）代入式（6）可得控制规律为

而

式中：L为线间等值电感，L为常数；IL为基频电流有效值；由于因此有

可得闭环传递函数为

控制器传递函数形式如图1所示，参数值由式（13）和式（14）确定。

图1 带反馈的控制器框图Fig.1 Diagram of controller with feedback loop

图2 带反馈控制器的简化图Fig.2 Simple diagram of controller with feedback loop

2.2 附加控制器工作原理

附加控制器的工作原理是根据整流侧换流母线电压的减小来调制HVDC的输送功率从而加快故障后送端交流系统功率平衡的恢复；基本控制策略是整流器为最小α控制，逆变器连续运行于电流控制方式，附加控制的输出用于修正电流指令，如图3所示。

图3 附加控制器工作原理Fig.3 Principle of the additional controller

3 云广特高压直流输电系统孤网模型

如图4所示，云广直流输电工程西起云南楚雄州禄丰县，东至广东增城东部，电压等级±800 k V，输电线路长度1438 km，输电规模5 GW，额定电流3125 k A。只有金安桥水电站通过500 k V线路向楚雄站送电时，直流输电功率为500 MW，为直流输电额定容量的10%，受端通过穗东换流站与广州电网相连，该种运行方式为以HVDC为联络线的孤网运行。

图4 系统地理接线示意Fig.4 Geographical wiring diagram

3.1 发电机模型

发电机采用基于派克方程的精确模型。该模型包括d轴阻尼绕组和q轴阻尼绕组方程，计及了磁路饱和的影响。

3.2 直流系统模型

3.2.1 结构与元件

本文基于南方电网2010年数据，采用PSCAD／EMTDC建立了云广±800 k V特高压直流输电系统详细电磁暂态仿真模型，其电路接线如图5所示。

在电磁暂态仿真中，滤波器通过断路器连接到高压母线。从换流站交流母线起，对换流变、换流阀采用详细的三相模型，换流变压器考虑饱和效应。每极采用双12脉波换流器串联连接，直流线路采用分段T型线路表示，换流阀采用精确的换流晶闸管模型，详细模拟直流滤波器和平波电抗器。

3.2.2 控制系统

该系统的基本控制方式：整流侧由定电流控制和αmin限制两部分组成；逆变侧配有定电流控制、定关断角γ0控制、电流偏差控制；整流侧和逆变侧都配有低压限流控制。为了提高弱交流系统的性能，在孤网运行方式下，逆变器连续运行于电流控制方式而整流器为最小α控制方式。

采用的保护措施主要有：①最大电流限制；②最小电流限制；③依赖于电压的电流指令限制（VDOL）；④最小触发角限制。

图5 直流系统模型Fig.5 Model of DC system

4 扰动试验及仿真分析

为了验证附加控制的效果，选取孤网输送500 MW功率进行仿真实验。当楚雄换流站交流母线发生故障时（5.0 s～5.1 s），换流站交流母线电压下降，送端换流母线节点的瞬时电频率，传输的直流功率响应特性充分体现了附加控制器的作用。

4.1 单相接地短路

当楚雄换流站交流母线发生单相接地短路故障时，送端交流瞬时频率，传输的直流功率响应特性如图6所示。

图6 单相接地短路故障的响应Fig.6 Responses to single phase short circuit grounding faults

4.2 两相短路接地

当楚雄换流站交流母线发生两相短路接地故障时，送端交流瞬时频率，传输的直流功率响应特性如图7所示。

图7 两相短路接地故障的响应Fig.7 Responses to two－phase short circuit grounding faults

4.3 两相短路

当楚雄换流站交流母线发生两相短路故障时，送端交流瞬时频率，传输的直流功率响应特性如图8所示。

4.4 三相短路接地

当楚雄换流站交流母线发生三相短路故障时，送端交流瞬时频率，传输的直流功率响应特性如图9所示。

单相接地短路、两相短路接地、两相短路、三相短路接地障后，附加控制器控制了直流输送功率的恢复速度，送端交流系统有功功率缺额减小，有效抑制了瞬时频率的振荡。

图8 两相短路故障的响应Fig.8 Responses to two－phase short circuit faults

图9 三相短路接地故障的响应Fig.9 Responses to three－phase short circuit grounding faults

5 结语

传统的HVDC辅助调频以牺牲对端交流系统的频率来实现［15］，不能及时抑制瞬时电频率，为了充分发挥HVDC联络线的快速响应能力，本文设计了反映换流母线电压的瞬时频率附加控制器，并应用于云广HVDC孤网系统，仿真结果表明，即使送端换流母线故障，该控制器也能够有效抑制瞬时电频率，保持频率稳定；同时提高了送端交流系统电能质量。

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