灵绍±800 kV特高压直流协调频率控制功能应用

刘 凯, 张庆武, 侍乔明

( 南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

灵州—绍兴±800 kV特高压直流输电工程(以下简称灵绍直流)额定电压±800 kV，直流线路长度1720 km，直流输送容量8000 MW。受端绍兴换流站所在的华东电网随着复奉、锦苏、宾金三大特高压直流的先后接入，在提升电网接入容量的同时,也增加了单一或多回特高压直流大功率失去时,安全稳定装置动作切除大量负荷导致的频率崩溃，引发大面积停电事故的风险[1-4]。为应对这一问题，华东电网引入了频率紧急协调控制系统(FECCS, 简称“频率控制系统”)。频率控制系统通过利用多直流功率支援、联切抽蓄电站机组以及快速切负荷等措施来维持电网的频率稳定[5]。灵绍直流作为该系统主要组成部分，承担当华东电网其他直流闭锁后紧急提供功率支援的重要作用。

直流与频率控制系统的协调控制功能包括：(1) 直流向频率控制系统准确提供自身状态信息以利于频率控制系统判定直流损失；(2) 直流精确执行频率控制系统命令以保证电网频率稳定效果。

目前关于大容量直流馈入后区域电网安全稳定研究较多，集中在交直流系统协调控制方法及运行特性分析[6-8]以及从安全稳定控制系统的角度分析讨论安控策略和应用中存在的问题[9-13]；但涉及直流同时作为电网中功率损失对象和功率调制对象面临的问题及解决方法研究较少，文献[14]研究了交直流互联电网直流功率调制相关问题，分析了部分参数优化对直流调制的影响，但缺乏从实际工程应用的角度解决问题。

本文围绕直流协调控制功能介绍了直流控制系统与频率控制系统的接口方式，为改善频率控制系统动作的快速性、准确性，提出了直流功率损失判断准确性提升方法、调制功率补偿方法和换相失败延时调制功能，并通过实时数字仿真平台(RTDS)验证了上述直流协调控制功能的正确性。

1 直流控制与频率控制系统接口

早期直流与频率控制系统接口一般采用基于“硬接点”开关量方式，例如频率控制系统向直流发送功率调制命令、直流向频率控制系统反馈自身运行功率大小均以档位(开关量)进行交互，档位数量直接限制了调节的精度。后期直流工程中陆续出现采用4～20 mA小电流量来表征直流与频率控制系统交换的信号，但其采样精度仍然会受到传感器硬件带来的影响。特高压直流容量大，运行方式多，如果采用传统接口将无法满足华东频率控制系统功率调节高精度要求。连接方便，传输数据量大，可靠性高，通道状态易监视等优点的光纤通信方式成为特高压直流与频率控制系统接口的首选。灵绍直流极控制主机(PCP)与频率控制系统的接口方案如图1所示，直流控制系统配置方式为主备冗余，频率控制系统配置方式为双重化冗余。直流控制与频率控制系统之间采用交叉连接方式。图1中FECCS A/B表示两套频率控制系统，PCP1 A/B、PCP2 A/B则分别表示直流极1、极2各两套极控主机。

图1 直流控制与频率控制系统接口Fig.1 Interface between PCP and FECCS

直流控制与频率控制系统之间数据存在双向交互，频率控制系统向直流控制发送数据主要包括提升直流命令、提升直流容量、提升直流标志位、频率控制收直流信息异常等；直流控制向频率控制系统发送数据主要包括直流最大可提升容量、直流可调制标志信号、直流极控模式、直流功率速降信号、直流功率速降量、直流功率速降标识位、非正常停运信号、最大可输送功率、校验码等。

直流控制接收频率控制命令的处理方法如图2所示。直流控制同时接收两套频率控制系统提升直流的命令，任一套动作直流均做响应，优先执行先收到的提升命令；当直流控制在同一执行周期同时接收到两套命令时执行A套提升指令。

图2 频率控制系统调制命令选择方法Fig.2 Method of choosing orders from FECCS

直流控制发送到频率控制系统的信号可以分为两类，一类是直流极1或极2自身的运行状态、运行模式、故障信息等，另一类是直流双极作为一个整体表现出的电气特征如直流最大可提升容量、直流可调制标志信号。为保证发送数据的可靠性，确保直流控制处于值班状态的主机发送实时数据并对非值班系统的发送数据进行清零。直流最大可提升容量计算公式参见式(1)，根据当前直流电压与直流最大过负荷能力下的电流水平计算出本极直流最大运行功率，通过直流极间通信获取另一极运行功率从而得到最终双极的直流可提升容量。

(1)

式(1)中:Ip1oll，Ip2oll为极1、极2计及直流过负荷能力的电流指令值；Up1mea，Up2mea为受端极1、极2直流电压测量值；Ip1mea，Ip2mea为受端极1、极2直流电流测量值；Pp1max，Pp2max为受端极1、极2最大运行功率；PBip为受端直流双极实时总功率；Psscsmax为直流当前运行状态下最大可提升功率。

直流最大可提升容量及直流可调制标志信号直接影响频率控制系统对直流可调制状况的判断，当直流可调制标志信号为1时表明直流当前具备接受频率控制系统调制的能力。当直流可调制信号为0时，限制直流最大可提升容量为0。在获取直流最大可提升容量及直流可调制标志信号过程中，需要充分考虑直流运行工况对两个信号形成的影响，其主要影响因素包括站间通信故障、极间通信故障、直流线路故障、安控动作以及直流功率回降。直流可调制信号的形成逻辑示意图如图3所示。展宽1设置为500 ms可以有效避免常见通信故障抖动带来的不利影响，展宽2设置为5 s涵盖了线路故障去游离及再启动时间，展宽3设置为60 s缓解直流连续调制对电网系统的产生的冲击。

图3 直流可调制信号示意Fig.3 Schematic diagram of DC modulation availble signal

2 直流功率损失判断准确性提升方法

直流在运行过程中会受到诸多因素的影响，导致直流功率回降。常见的因素包括：无功控制绝对最小滤波器不满足、特定直流保护动作(如过流保护、谐波保护)、换流阀结温过高、阀冷却系统回降请求等。直流功率回降的目的是保证设备的安全和系统的可靠运行。当直流出现功率回降后，频率控制系统单纯依靠自身无法快速、准确判断直流功率损失量，产生这一问题主要原因有：(1) 频率控制系统通过采集换流变网侧电压电流计算得出当前直流功率，但无法准确捕获突变时刻进而锁存直流回降前功率；(2) 导致直流功率回降的因素较多，不同因素触发的直流回降的速率也不尽相同。当回降速率过慢时，频率控制系统无法及时判定回降完成时刻以锁存回降后功率。虽然频率控制系统可以通过延时的方法锁存准确的回降后功率，但动作的时效性将因此降低。

针对上述问题的解决思路为：直流功率回降由直流控制系统判别，直流控制系统通过调整不同类型功率回降的速率使其适应频率控制系统的快速性要求，同时在满足特定触发条件后向频率控制系统发送功率速降信息。触发条件包括：(1) 绝对最小滤波器不满足、接地极线过负荷保护或极平衡保护导致直流功率速降；(2) 直流功率速降量大于门槛值，门槛值的设定需要结合直流输送容量以及受端交流系统的强弱程度综合考虑，灵绍直流门槛值设置为200 MW。具体的直流功率速降策略实现时序如下图4所示。

图4 直流功率速降时序Fig. 4 Fast rundown sequence of DC power

图4中P1为直流功率损失判断准确性提升方法前双极总功率，P2为直流功率损失判断准确性提升方法完成后双极总功率，ΔP为直流功率速降量，Pset为触发功率速降信号及功率速降量生成的功率门槛。假设直流由于绝对最小滤波器不满足导致直流功率回降，当直流功率回降到P1-Pset功率点后触发功率速降标识、功率速降信号以及功率速降量形成并发送到频率控制系统；根据直流控制与频率控制系统的接口协议，功率速降标识固定为20 ms脉冲信号，功率速降信号在功率速降标志消失后展宽500 ms。频率控制系统收到直流功率速降信息后结合换流变网侧电流或功率突变量条件、功率速降量大小进行综合判断。

后续仿真试验证明通过实施上述直流功率损失判断准确性提升方法可以有效提升频率控制系统对于直流功率损失判断的准确性。

3 调制功率补偿方法

在直流工程中，直流输送功率一般指整流侧直流功率；当直流工作在定功率模式下时，直流控制系统通过控制器调节保证整流侧直流功率实测值和直流功率指令值相一致。但由于直流线路损耗的存在，逆变侧直流功率与整流侧直流功率之间存在功率差额，功率差额大小随着直流电流的增加而非线性增加。忽略线路电阻寄生电感及杂散电容的影响，直流稳态运行时，整流侧与逆变侧功率存在如下关系：

PRECT=PINV+I2R

(2)

式(2)中：PRECT为整流侧直流功率；PINV为逆变侧直流功率；I为直流电流；R为直流线路电阻。

通常，逆变侧安控系统调制直流的主要实现方法为：逆变侧直流控制系统接收安控系统的调制指令，然后通过站间通信发送到整流侧，整流侧直流控制系统根据逆变侧发过来的调制指令进行调节。

上述方法设计思路简单，信号传输中间环节少，稳定可靠，已在诸多直流工程中得到广泛应用。但实际工程中，由于安控调制指令是基于逆变侧直流功率计算得到，而安控的目标在于调制逆变侧直流功率到指定值，如果直接发送到整流侧执行，由公式(2)中两侧功率关系可知，逆变侧实际提升功率将小于目标提升功率。

以灵绍直流为例，直流在不同功率和不同调制功率水平通过RTDS仿真得到的调制功率误差如图5所示。调制误差为逆变侧目标提升功率和直流实际提升功率的差值与目标提升功率的比值。由图5可看出，逆变侧功率调制在整流侧执行所产生的调制功率误差在相同调制功率水平与直流功率大小正相关，在相同直流功率水平与调制功率正相关，调制功率误差在极端工况下甚至可以达到7%。

图5 调制误差与直流功率、调制功率关系Fig.5 Relationship between modulation error and DC power，modulation power

单一直流调制精度较低一般不会对较强交流电网产生较大影响，但对于多直流大容量接入的华东电网而言，将会产生更大的调制功率误差，影响频率控制系统的电网频率稳定调节效果，给电网的安全运行带来不利影响。

由于直流功率提升引起线路损耗的变化是造成调制功率误差的主要原因，因此考虑通过在频率控制系统发送到直流系统的调制功率指令上叠加功率补偿量的方法减小调制误差。功率提升后的直流电流大小可以通过联立式(3)中方程求解：

(3)

式中：PINV1，PINV2为直流功率提升前、后逆变侧直流功率；I1，I2为直流功率提升前、后直流电流；URECT为整流侧直流额定电压；UINV1，UINV2为直流功率提升前、后逆变侧直流电压；R为直流线路电阻；PTZ_REF为逆变侧调制功率指令值；PTZ_RECT为经过功率补偿后整流侧调制功率指令值；PCOMP为功率补偿量。

经过对式(3)求解，可得到提升后的直流电流I2的表达式为：

(4)

将I2代入式(5)可计算得到PCOMP为：

(5)

将上述计算方法得到的功率补偿量叠加到逆变侧频率控制系统提供的调制功率指令值上，可得到整流侧最终调制功率指令PTZ_RECT，其表达式为：

PTZ_RECT=PTZ_REF+PCOMP

(6)

此时，基于整流侧的调制功率指令和当前功率指令值计算可得整流侧最终的功率指令值：

PRECT2=PRECT1+PTZ_RECT

(7)

式中：PRECT1和PRECT2分别为直流功率提升前、后整流侧直流功率指令。

同样通过灵绍直流RTDS仿真得到，当逆变侧调制功率指令PTZ_REF为+1000 MW时，调制功率补偿前后的调制功率误差如图6所示。经功率补偿后，随着直流功率的增大逆变侧的调制功率误差始终保持在1%左右，有效提高了频率控制系统调制直流功率的精确性。

图6 功率补偿前后对比Fig.6 Comparison of before and after power compensation

4 换相失败延时调制

换相失败为直流运行中常见的故障现象，换相失败出现后会引起直流电压的下降、直流电流的上升，直流功率的振荡[15-19]。引起直流系统换相失败的原因包括电网侧交流故障、阀误触发和阀丢脉冲等[20]。通常单次换相失败一般可随着故障原因的消失自行恢复，连续换相失败则可能导致直流闭锁。

在换相失败过程中，如果直流收到频率控制系统的功率提升命令，此时直接提升功率将会引起直流电流增大，叠弧时间变长，熄弧角进一步减小，延缓换相失败恢复甚至会导致连续换相失败进而给直流运行、电网安全带来不利影响。

为应对上述问题，提出并采用换相失败延时调制方法，即在换相失败过程中接收到频率控制系统命令后暂停执行，等待换相失败消失、直流运行稳定后再补充执行。实现该功能的逻辑框图如图7所示，具体步骤如下：

(1) 判别换相失败过程中是否出现频率控制系统调制直流的命令；

(2) 锁存换相失败过程中来自频率控制系统的提升命令并封锁功率提升出口；

(3) 检测换相失败标志是否复归，确认复归后展宽1 s待直流恢复稳定运行后释放锁存的提升命令，开放功率提升出口提升直流功率。

图7 换相失败延时调制逻辑Fig.7 Logic diagram of commutation failure delay modulation

通过图7所示的逻辑处理，实现了换相失败发生时刻锁存频率控制系统调制命令、封锁出口，换相失败消失、直流运行恢复稳定后再执行的功能。

5 仿真验证

基于PCS 9550特高压直流控制保护系统、PCS 992频率控制系统及RTDS系统，搭建特高压直流半实物仿真平台，对本文所提的功率速降策略、调制功率补偿方法以及换相失败延时调制的功能进行试验验证。试验系统中，直流控制保护核心程序与灵绍直流工程现场一致，RTDS中直流系统模型参数如表1所示。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

5.1 绝对最小滤波器不满足功率速降

受端双极四阀组直流功率P全压5500 MW运行，通过软件程序置数方法模拟受端直流控制系统切除多组HP 12/24型交流滤波器，促使直流系统因绝对最小滤波器不满足而启动功率速降，回降功率指令由无功控制计算得到，为2400 MW。功率速降试验波形如图8所示，实际直流功率由5500 MW回降至3 101.4 MW；无功控制功率回降命令Y、功率速降量P1、功率速降标识信号X生成时序与设计一致。相同试验工况下，与不采用直流功率速降策略试验结果对比如表2所示。定义直流发生功率速降的时刻为初始时刻。采用常规功率回降策略，频率控制系统无法启动、识别出直流功率损失；而采用直流功率损失判断准确性提升方法可以保证频率控制系统短时间识别出直流功率损失。

表2 频率控制系统常规功率回降与速降策略试验结果对比Tab.2 Comparison between normal rundown and fast rundown of DC power

图8 直流功率速降波形Fig.8 Waveform of fast rundown of DC power

5.2 频率控制系统命令功率提升

通过修改频率控制系统主机PCS 992试验定值，模拟频率控制系统向直流发出提升1000 MW调制功率指令P原。提升试验波形如图9所示，提升前直流双极全压四阀组4000 MW运行，受端直流功率P′为3921 MW，调制功率指令经过补偿修正为P补1053 MW；提升后受端直流功率为4926 MW，实际提升1005 MW。经过补偿后调制功率误差仅为0.5%，验证了调制功率补偿功能的正确性。

图9 频率控制系统提升直流波形Fig.9 Waveform of DC power runup by FECCS

5.3 换相失败过程中功率提升

在RTDS中模拟受端交流电网A相金属性接地故障300 ms，同时通过频率控制系统主机PCS 992向直流模拟发送提升1000 MW功率调制功率指令。试验波形如图10所示。

图10 换相失败延时调制波形Fig.10 Waveform of delay modulation of commutation failure

交流故障导致直流出现连续换相失败，在发生第三次换相失败同时接收到频率控制系统调制命令。交流故障恢复、换相失败消失1 s后，换相失败延时调制功能释放锁存的调制命令，试验结果验证了延时调制功能的正确性。

6 结语

直流作为频率控制系统的重要组成部分，应充分重视其对频率控制系统控制效果的影响。直流协调控制功能一方面负责向频率控制系统快速准确反馈包含直流功率损失在内的自身状态变化信息，另一方面承担精确执行频率控制系统调制命令的任务。两方面都直接影响到频率控制系统最终的调节效果。

本文围绕直流协调控制功能介绍了直流控制与频率控制系统接口方式，提出了直流功率速降策略、调制功率补偿方法和换相失败延时调制方法，从而为频率控制系统的快速、准确动作提供了支撑，改善了电网频率稳定控制效果。

灵绍直流协调控制功能作为华东频率控制系统中重要组成部分，已正式投入运行。随着国家对于特高压直流的持续建设，将有更多区域电网利用频率控制系统应对大容量多直流馈入引发的电网安全稳定问题。如何根据分层接入特高压直流的特点设计适应于不同电网间调制功率协调策略是直流协调控制功能后续研究的重点。