基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统设计

宋 军，詹 伟，苗 田，张 中，孔 龙

（甘肃电通电力工程设计咨询有限公司，兰州 730050）

0 引言

特高压和超高压直流的优点较多，具体包括传输能力强、输送距离远、输送的电量较高、产生的能耗较低等，在自动化送端电网中优化配置能力较好。随着远距离输送规模的加大，自动化送端电网在运行过程中出现了强直弱交问题，特高压和超高压直流故障使电网系统结构发生了变化，造成送端电网有功功率分配能力下降，与此同时，特高压和超高压直流输送的无功功率较高，故障扰动较强，超高压直流使送端电网换相失败，弱交流断面被特高压和超高压直流冲击，造成送端电网发生了暂态失步，使电网中风电机组的风速变化趋势极不固定，降低了送端电网的调频能力，减小了自动化送端电网的规模，特高压和超高压直流密集馈入送端电网后，交直流耦合控制偏差增大，自动化送端电网的电压不稳定[1]。

为了解决以上问题，国内的研究学者对此展开了研究，其中基于实际工程的送端电网控制系统，由于构建了多目标控制防御体系，有效减小了故障扰动，避免了送端电网发生暂态失步，但对于送端电网的有功功率分配能力、风速变化趋势以及控制偏差问题，却没有有效的解决。

基于此，本文设计了基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统，该控制系统设计了硬软件环境，并进行了相关的实验研究。

1 基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统硬件设计

本文设计的基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统硬件由单片机、存储模块和控制模块三部分组成，系统硬件结构如图1所示。

图1 基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统硬件结构

1.1 电路模块

控制系统的电路模块包括控制电路、通信接口电路和数据采集电路[2]。控制电路中包括4个输入缓冲器、2个超高电压互感器、1个A/D转换器、多个电路控制开关以及2个电流互感器。由于控制系统属于特高压和超高压直流互联，因此控制电路的直流电压为220V，直流电压经过超高压互感器的转换变成0～10V的交流电压，经过电路控制开关把电压信号输送至电流互感器中进行A/D转换[3]。电路模块如图2所示。

图2 电路模块

观察图2可知，通信接口电路中包括光电耦合器和采样保持器，在采集自动化送端电网的有功功率和无功功率时，由于功率较高，传输功率能力较好，通信方式采用全双工异步通信方式，光电耦合器可实现光能转换为电能，采样保持器负责将电压信号经过采样保持电路进行采样保持。数据采集电路中，由超高压电压互感器传输过来的直流信号经过采样分压加到电流互感器的输入端，当输入端的控制逻辑电平低于输出电压时，保持电容放电，从而完成电压信号采样与保持[4]。

因此，电路模块能够完成电压控制、信号的采样和信号传输。

1.2 单片机模块

控制系统的单片机是整个自动化送端电网控制系统的核心，单片机选用美国TI公司生产的AT89C51，该款单片机电压较低、性能较好，对特高压直流换流器可进行有效的控制，其内部含有只读程序存储器和电压信号存储器，两款存储器件采用高密度、非易失性存储技术，该单片机的指令系统可与其他规格的单片机进行兼容，片内的中央处理器为6位，功能强大，对自动化送端电网的电压可进行很好的控制，片内设置的存储单元可实时存储采集完的电压、电流信号，采用10V～20V双极性模拟量输入，存储的电压信号通过片内的只读程序存储器进行控制接通，可将多路电压、电流信号进行轮流采集，通过单片机可实现特高压直流换流器的控制[5]。单片机电路图如图3所示。

图3 单片机电路图

1.3 存储模块

为了记录自动化送端电网中的电压、电流、有功功功率、无功功率、电容等变量参数，在可擦可编程只读存储器的基础上，设计了大容量的存储模块，存储容量为320GB，该存储模块的核心器件是新型铁电存储器，该铁电存储器的写入速度较快、擦除次数无限制且写数据无延时，存储芯片价格较低，可以保存2周的电压信号、电流信号采样数据，以及故障信息数据，为控制系统维护及数据查询提供便利，在计量自动化送端电网的电量时，可以提升计量的精度，降低计量过程中产生的误差。通过存储模块，可实现采样数据的存储[6]。存储模块图如图4所示。

图4 存储模块图

1.4 控制模块

控制系统的控制模块主要实现对自动化送端电网中特高压直流换流器、低压馈线电路的电压电流的控制，控制模块的核心器件是混合信号微控制器，是由三星公司生产，该款微控制器采用高速、流水线结构完成有功功率补偿以及中断系统的控制功能，有功功率补偿方式为循环投切方式，先投入控制系统中的有功功率，后投的后切除，降低特高压直流换流器的运行速度，增加投切开关的动作频率，延长微控制器的使用寿命，通过逐级投切方式，可提升特高压直流换流器的控制精度与控制速度。通过控制模块，可实现对自动化送端电网中电压、电流等的控制。控制模块图如图5所示。

图5 控制模块图

2 基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统软件设计

基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统的软件流程如下：

首先，进行协调控制。为了使自动化送端电网控制系统的换流器保持承压平衡，需要对触发角和换流变分接头进行协调控制。控制系统向换流器的控制主机下发相同的控制指令，控制主机接收控制指令后，计算触发角指令，使主控换流器和从控换流器串联运行，通过控制主机的光纤直连通道，换流变分接头添加协调控制偏移量，由此产生的控制偏差可通过调节器进行修正，触发角与换流变分接头进行快速协调，采用直接协调控制，提升控制系统运行的平衡度。协调控制需要上传的功率为P，计算公式为：

图6 基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统软件流程

其中，P表示需要上传的功率；E1表示系统电压；E2表示等值电压；X表示并联电抗。

然后，进行投退控制。换流器的投退控制是特高压和超高压直流互联的主要功能特征，也是特高压和超高压直流控制的关键，在换流器控制主机中，设置了专门的电流调节器，通过改变换流器的电压值对电流调节器进行投入控制，当换流器在线投入时，接收来自换流器控制主机的电流指令，将触发角进行投入控制，使其变化至60度左右，当换流器中的电流与电流调节器中的电流相等时，切换电流器中的电流指令，在触发角与换流变分接头完成协调控制功能后，进行换流器的投入操作，投入控制完成后进行换流器的在线退出控制。换流器的在线退出控制需要将触发角移至60度，并增加直流电流，旁通开关合位后，将主控换流器进行闭锁，当主控换流器和从控换流器产生通信故障时，从控换流器故障退出，当测量的电压值为0.25～0.75之间时，从控换流器延时退出。协调控制计算公式如下：

其中，W表示电网信号功率；V表示协调控制结果。

最后，采用闭锁方式完成闭锁过程。为了降低通信故障带来的影响，采用闭锁方式对换流器进行保护闭锁，主控换流器和从控换流器采用相同的闭锁策略，执行闭锁操作完成闭锁过程。闭锁过程如式(3)所示：

其中，S表示闭锁后的速度；t表示闭锁时间；θ表示主控换流器和从控换流器之间的角度。

3 实验研究

本文针对基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统的有功功率分配能力、风速变化趋势以及控制偏差，将基于实际工程的送端电网控制系统与本文设计的基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统进行了实验对比。通过预测超短周期功率信息，得到实时运动状态，对机群组进行分组，得到5类不同的机群：

观察图7可知，有功功率分配能力会受到控制目标与控制模式的影响。分配有功功率需要结合换流器的投退信息，根据换流器主控机下发的调度指令、协调控制模式与自动化送端电网基站的有功功率参考值，预测电站内基础设备的运行状态，按照协调控制分配策略，自动化送端电网中的各类设备根据分配策略进行调控。特高压和超高压直流互联的自动化送端电网中控制目标包括：光电耦合器、旁通开关、风电机组等设备，这些控制目标通过采用一定的控制模式发挥它们的有功功率分配能力，通常情况下，光电耦合器采用的控制模式为定值控制模式，通过定值控制模式，光电耦合器可将自动化送端电网的有功功率控制在标准范围内，旁通开关采用差值控制模式使自动化送端电网在低于可发功率标准值的情况下运行，由此产生的功率差值通过换流器主机下发，风电机组采用调频控制模式根据有功功率与可发功率的偏差值调整自动化送端电网的有功功率，控制目标与控制模式匹配完毕后，采用基于分群的有功控制方法分析有功功率分配能力。

图7 有功功率分配实验分析结果

在特高压和超高压直流互联的条件下，需要考虑自动化送端电网的控制目标是否可控，利用特高压交直流耦合信息与自动化送端电网的关联匹配关系对电网的控制目标进行动态分群，与此同时，为了使有功功率变化量与送端电网的调节需求保持一致，根据有功功率波动范围确定各个控制目标的控制原则及有功功率暂稳状态，根据自动化送端电网中各个控制目标的有功功率分群分配情况，分辨自动化送端电网的有功功率分配能力，本文设计的基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统的风速变化趋势与基于实际工程的送端电网的风速变化趋势，对比结果如图8所示。

图8 风速变化趋势分配结果

观察图8可知，上升阶段为可增有功功率值，下降阶段为可减有功功率值。根据当前送端电网的实际运行状态，计算可增有功功率值和可减有功功率值，再将可增有功功率值与可减有功功率值进行相加，与最大有功功率值进行比较，根据对比情况可知，在本文设计的基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统中，可增和可减有功功率总和大于最大有功功率值，证明有功功率分配能力更强，基于实际工程的送端电网控制系统中，可增和可减有功功率总和小于最大的有功功率值，证明有功功率分配能力小，因此本文系统的有功功率分配能力强于基于实际工程的控制系统的有功功率分配能力。

根据以上给出的最大有功功率值和可增、可减有功功率总和值，得出自动化送端电网中不同风电机组的风速变化趋势：

观察图9可知，与基于实际工程的送端电网控制系统的风速变化趋势进行对比可知，由于风速的差异性以及分配控制策略的不同，本文系统与基于实际工程控制系统的风速变化在最开始均出现了较大的波动，但随着输出有功功率值的增大，本文系统的风速变化逐渐趋于稳定，而基于实际工程的送端电网控制系统的风速变化没有随着输出有功功率值的增大而发生变化，波动范围依然较大。

图9 有功功率控制偏差实验结果

4 结语

选择某个控制周期的送端电网的功率运行数据，获得不同控制目标下的不同控制模式的控制偏差，控制偏差包括最大控制偏差、最小控制偏差以及平均控制偏差，根据对比结果可知，本文系统的最大、最小、平均控制偏差均小于基于实际工程的送端电网控制系统，证明送端系统面临的冲击较小。综上所述，本文设计的基于特高压和超高压直流互联的自动化送端电网控制系统的有功功率分配能力更高，风速变化趋势更稳定，控制偏差更小。