滇西北直流频率限制控制研究及工程应用

张力飞, 郭 琦， 夏成军， 欧开健, 李书勇, 朱益华

(1. 直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院有限责任公司)，广东 广州 510663；2. 中国南方电网公司电网仿真重点实验室，广东 广州 510663 ;3. 华南理工大学电力学院, 广东 广州 510641)

0 引言

滇西北送广东±800 kV特高压直流输电工程(简称“滇西北直流工程”)采用±800 kV直流输电方式，直流额定输电容量为5000 MW，工程起点位于云南省大理州剑川县新松换流站，直流落点为广东省深圳市宝安区东方换流站，线路长度为1953 km，是云南电力外送的一项重要直流工程。西北直流的主要运行方式为联网方式，在送端交流联络线因故障跳开后，要求直流在孤岛方式下能平稳运行。但被动进入孤岛后送端交流系统容量小、抗扰动能力差，同时发生机组跳闸等故障，系统内交直流有功难以达到平衡，导致系统频率失稳，孤岛系统崩溃[1-5]。孤岛方式下频率波动问题严重影响了直流系统运行稳定性，针对孤岛系统的频率控制，各方展开了深入研究。

随着直流工程的陆续投产，云南电网通过金中直流、观音岩直流、鲁西背靠背与广西电网相连，通过楚穗、普侨、牛从、滇西北直流与广东电网相连，从而实现云南电网与南方电网主网异步运行，云南电网相当于大孤网运行。文献[6—15]指出利用直流频率限制器(frequency limit controller ，FLC)能够提高孤网系统抵御功率扰动的能力，增强孤岛系统频率的稳定性。文献[3]通过仿真分析孤岛方式下优先利用直流系统频率限制器平衡功率波动，放大机组一次调频死区作为后备措施，优先调整机组功率，利用FLC自动跟随的调频策略，能保持孤岛系统频率稳定。文献[13—14]针对糯扎渡直流的频率调制功能FLC结构及原理进行了分析，并对参数选取给出建议值，对FLC实际效果进行了仿真。

本文首先介绍了目前南方电网现有直流工程中采用的两种FLC控制逻辑，通过仿真试验比较了两种控制逻辑的响应特性，然后对滇西北直流FLC配置、参数选取进行了详细说明。最后选取孤岛系统下机组跳闸、阀组闭锁等典型故障对滇西北直流FLC功能进行了仿真验证。

1 现有的两种FLC控制逻辑比较

目前南网中投入的直流工程采用了西门子和ABB两种技术路线，滇西北直流、金中直流分别采用西门子和ABB技术路线。两套FLC控制主环逻辑存在较大差异，具体如图1，图2所示。图1中，DFmax为频差的最大值；DFmin为频差的最小值；Fband为频差死区的限制范围；Pmodmax为直流功率调制量上限；Pmodmin为直流功率调制量下限。滇西北FLC控制逻辑主环设置两个PI环节同时计算FLC正向或负向调节量，通过限幅值实现最终有效输出。当频率进入死区后，直接对两个积分器叠加反向量而实现快速复归清零。而图2的金中直流FLC控制逻辑中，频率正向越限和反向越限的调制量共用积分器，当频差进入死区后，需要维持在死区内60 s后，积分器通过0.1倍负反馈系数进行缓慢清零。在频率限制越限恢复过程中，滇西北直流在频率进入死区后FLC调制输出量迅速返回至0，减少直流恢复至稳态运行的时间。

图1 滇西北直流频率限制模型Fig.1 DXB frequency limit model block diagram

图2 金中直流频率限制模型Fig.2 JZ frequency limit model block diagram

基于加拿大Manitoba直流研究中心开发的实时数字仿真器(real time digital simulator, RTDS)搭建滇西北直流和金中直流控制保护软件模型[16-18]，利用RTDS录波回放的功能，对同一频率波形进行录波回放，得到滇西北直流和金中直流在发生相同的频率越限事故时FLC输出响应特性，响应情况如图3所示。

图3 频率越限仿真波形Fig.3 FLC simulation waveform of DXB HVDC and JZ HVDC

图3中，频率越限后，滇西北直流和金中直流FLC控制快速上调，达到最大调制量0.2 p.u.，增大直流输出功率，抑制频率上升；越限后FLC均保持最大调制输出；频率恢复进死区(±0.1 Hz)后，滇西北直流FLC调制输出量迅速降低至0，而金中直流FLC调制输出量维持60 s后，再缓慢降低。可见滇西北直流中采用的FLC控制逻辑，有利于直流在FLC动作后快速恢复至稳定运行，缩短直流系统过负荷运行时间。

2 滇西北频率控制功能配置

滇西北直流输电工程控制保护系统中FLC功能配置在直流极控系统中[16-19]，可以由运行人员在HMI操作界面上投入或退出，频率死区也可由运行人员在操作界面上设定，便于运行人员根据实际运行要求设定频率死区。

运行人员界面中，联网及孤岛方式下FLC功能投入/退出可在新松站和东方站独立投退，对应的联网或孤岛下的频率限制死区值在新松站和东方站独立设置，分别整定。

在两站FLC功能均投入时，两站FLC输出的功率调制量累加到一起，获得最终的FLC功率调制量，FLC的输出功率调制值在两极间基于各极的直流电压进行分配。FLC功能投入后将自动根据两端换流站的频率变化量调制直流功率信号，当直流极控系统失去站间通信时，整流侧的FLC功能仍然有效，逆变侧FLC功能失效。

因送端负荷规模远小于受端且受端主网调频备用安排及安全稳定防线配置可满足频率稳定运行要求，南方电网暂未投入受端FLC控制。

FLC参数定值设置如表1所示。

表1 FLC参数定值表Tab.1 FLC parameter table

2.1 FLC调节范围

参照直流控制系统设计规范，直流FLC调节范围上限通常为0～0.3 p.u.，下限通常为-0.5～0 p.u.，调节上下限的设置还需结合滇西北直流工程直流控制系统快速调节功率能力考虑。

滇西北直流工程在厂内测试及现场调试阶段均开展了电流阶跃试验，具备快速向下调节0.5 p.u.直流功率的能力；向上调节主要考虑换流站的无功电压支撑能力及控制系统长期过负荷能力。滇西北直流工程短时(2 h)过负荷能力为1.2 p.u.，超过1.2 p.u.则进入暂态(3 s)过负荷能力。

结合滇西直流工程实际，滇西北直流FLC调节范围选取上限为+0.2 p.u.，下限为-0.5 p.u.。

2.2 FLC调节死区

FLC调节死区设置需综合考虑与送端机组一次调频协调配合及同期并网配合。依据南方电网目前主要调频机组的死区设置(水电机组的一次调频死区为0.05 Hz，火电机组为0.033 Hz)，直流FLC死区设置应大于0.05 Hz。

由于系统同期设备频差定值设定为0.2 Hz，为便于孤岛转并网运行时的自动准同期并网操作，要求孤岛系统稳态频率波动应小于0.2 Hz。同时FLC死区设置过小，小扰动时会导致FLC频繁动作，死区范围不能设置过小。综上，孤岛方式下FLC死区(FBand)范围设定为0.1 Hz，联网方式下FLC死区范围设定为0.15 Hz。

2.3 KP和KI参数选取

参照以往工程的经验值设置，选取若干组参数，在孤岛下进行FLC参数KP、KI的灵敏度分析。

选取孤岛系统黄登电厂2台机组发生跳闸故障，故障前单机出力475 MW，FLC参数设置如下：Fband=0.1 Hz，Pmodmax= +0.2 p.u.，Pmodmin= -0.5 p.u.，KI=22.2，仿真对比KP选取不同数值情况下系统响应情况，见图4和图5。由仿真可见，KP参数越小情况下，动态过程中频差越大，动态阻尼越小，对扰动后系统稳定不利；随KP增大，最低频率有所提高，但频率恢复过程变长，动态性能差，KP取30。

图4 新松站母线频率偏差Fig. 4 Frequency deviation of rectifier

图5 滇西北直流功率Fig. 5 DC power waveform

相同工况下，对积分增益KI进行灵敏度分析，KP取30，仿真对比KI取不同数值下系统响应情况，见图6和图7。由仿真结果可见，KI越小，系统最低频率越低，恢复过程越长；KI越大，直流功率恢复过程波动越大，稳定性弱，KI取22.2。

图6 新松站母线频率偏差Fig. 6 Frequency deviation of rectifier

图7 滇西北直流功率Fig. 7 DC power waveform

3 滇西北FLC性能仿真研究

基于RTDS仿真平台及南瑞继保开发的PCS9500直流控制保护系统，建立滇西北RTDS实时仿真试验系统。通过搭建滇西北±800 kV特高压直流输电闭环系统模型，研究滇西北直流系统FLC功能在孤岛运行方式下的控制特性。

3.1 FLC功能投入，送端1台机组跳闸故障

工况：滇西北直流孤岛方式运行，双极四阀组全压运行，直流功率水平5000 MW，送端黄登电厂1台机跳闸故障，故障前机组出力477 MW，FLC投入，系统响应情况如图8(a)所示。

故障前，送端交流母线频率偏高，黄登电厂1台机跳闸情况下，直流功率大于机组出力，送端交流系统频率下降，频差低于FLC死区下限之后，FLC根据频差输出调制量降低直流功率参考值，使直流功率与机组有功出力相匹配，保证系统稳定。最终系统频率稳定在49.9 Hz，动态过程中系统频率最低49.59 Hz，直流功率最终稳定在4600 MW。

图8 黄登1台机组跳闸后系统响应曲线Fig.8 Response curve of the systemafter the trip of a unit

3.2 FLC功能退出，送端1台机组跳闸故障

滇西北直流孤岛方式运行，双极四阀组全压运行，直流功率水平5000 MW，送端黄登电厂1台机跳闸故障，故障前机组出力477 MW，FLC退出，系统响应情况如图8(b)所示。

黄登电厂1台机跳闸情况下，直流系统功率参考值保持不变，大于机组出力。无FLC情况下为维持系统有功平衡，根据机组有功频率特性，机组转速降低以增加有功出力，孤岛交流系统频率持续降低，进而导致孤岛系统频率持续降低，进而导致孤岛系统频率失稳。

3.3 直流故障闭锁

滇西北直流孤岛方式运行，双极四阀组全压运行，直流功率水平5000 MW，直流系统单阀组故障闭锁，切黄登2台机共980 MW，FLC投入，系统响应情况如图9所示。

图9 发生单阀故障闭锁后系统响应曲线Fig.9 Response curve of the system after a single valve blocked

滇西北直流双极运行情况下功率为5000 MW，单阀组闭锁造成1250 MW过剩功率，切黄登两台机共980 MW，频率短时仍达到50.53 Hz，最终在FLC作用下频率恢复到死区范围内，直流最终输送功率保持在4200 MW，系统稳定。

4 实验验证

对直流孤岛频率的FLC功能进行了测试，试验工况如下。双极低阀1000 MW运行，通过在直流极控程序中置数，将新松站母线频率叠加+0.2 Hz，持续时间500 ms的正阶跃量，得到的波形如图10所示。由图10可见叠加0.2 Hz的频差后，FLC调制输出量达到37.49 MW，RTDS试验与现场调试输出量一致，图10中仿真与现场的频率曲线存在差异，原因在于现场调试时新松站母线频率偏低。

图10 现场实验与RTDS仿真波形对比Fig.10 Comparison between field experiment and RTDS simulation

5 结语

孤岛方式下对于引起送端系统交流功率大的不平衡扰动，FLC能够发挥其调节迅速、灵活、精度高的作用，对系统扰动后稳定起到积极作用。孤岛方式下滇西北直流送端自动投入FLC，联网方式下，考虑异步之后云南电网频率特点，为防止FLC频繁动作，建议联网方式下频率死区放大至0.15 Hz。由于送端FLC与受端FLC调制冲突，实际运行中建议退出受端FLC功能。

本文分析了滇西北直流和金中直流两种FLC控制逻辑，通过仿真对照试验，表明滇西北直流FLC调节更灵敏。结合典型的故障工况对FLC的调制效果进行了验证，仿真结果表明在送端系统出现机组跳闸、直流阀组故障情况下，滇西北FLC能快速调节恢复平衡。本文的研究成果为滇西北运行控制策略提供了技术支撑。