一种具有自适应能力的改进FLC调频控制策略

辛业春,于浩浩

(东北电力大学现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室,吉林 吉林 132012)

0 引 言

随着异步互联工程的推进,大规模水电采用孤岛方式接入直流电网,大电网事故影响的可控性加强,送电通道总体输电能力提高,解决了同步联网时直流故障导致功率转移到并联交流通道的难题[1-3]。但异步互联后送端系统由于惯量减小导致频率问题突出,送端系统受到较小扰动时会发生频率波动[4-5],而直流闭锁、直流换相失败或机组跳闸等大扰动会导致送端产生不平衡功率,引起严重的频率失稳,威胁电网的安全运行[6-7]。因此,快速实现直流电网有功功率调节、稳定送端频率是目前亟待解决的关键问题。

当系统频率失稳、越过其死区值时,FLC可在毫秒级迅速响应,产生附加直流功率信号对换流器有功控制量进行修正[8-9],将送端频率迅速限制在死区范围内。FLC参与送端系统的频率调节后,可以显著提高送端电网的频率调节速度[10-13]。FLC对系统频率的改善主要有两方面作用:一是FLC对系统频率振荡的抑制,在异步联网的电力系统中采用FLC控制策略,利用直流输电的快速可控性,通过FLC等控制设备进行快速功率调节实现系统频率、功率振荡的抑制[14-15]。通过送端机组一次调频死区和FLC死区配合,采取增大一次调频死区、减小FLC死区的配合策略同样可以抑制系统的频率振荡[16-17]。但是针对FLC抑制频率振荡的研究,多集中在对FLC参数优化及死区设置的研究,并未涉及FLC实际的控制结构对频率振荡抑制效果的分析;二是当系统发生严重故障时,FLC利用直流线路的过负荷能力实现功率转带,限制系统频率偏差。文献[18-19]验证了系统发生严重故障后,FLC可以通过输出功率附加值信号改变直流线路上的传输功率,使得系统频率稳定性大幅提升。文献[20-21]针对FLC退出时可能发生的“二次动作”现象提出设置延时环节及比例参数切换的方法,有效解决了FLC“二次动作”的问题,但是该控制策略设置的延时环节会使得FLC的投入时刻滞后,错过频率调控的最佳时机。系统发生严重故障时,对可能出现的FLC“二次动作”解决方案并不完善,并未充分考虑FLC的控制结构对系统频率的改善情况。

在系统受到小扰动时,FLC需要与一次调频配合满足调频精度的要求,而在系统受到严重故障时需要更快的调节速度和稳定的调节能力。因此,需要设计一种提高系统调频精度的同时可以迅速调控系统发生严重故障时出现的频率偏差的FLC控制策略,使得FLC在不同运行工况下更好地发挥频率调控作用。文献[22]提出了FLC与一次调频配合的优化设计方案,但未考虑FLC与系统二次调频动态响应特性相结合的频率协调控制策略。因此,利用FLC的频率调控能力与二次调频配合提高送端系统的频率稳定速度也需开展深入研究。

本文在分析传统FLC控制原理的基础上,提出一种自适应改变控制策略的直流频率限制器AFLC。首先分析了FLC作用机理,并对功率转带场景进行分类,在考虑FLC不同控制策略对系统功率转带和频率调控影响规律的基础上,将系统不平衡功率能否被FLC消纳和系统频率偏差大小两方面作为自动选择FLC控制结构的条件,从而更好地实现FLC对系统的频率调控功能,提高送端系统在不同扰动下的频率稳定性。同时依据系统调频的原理,让AFLC参与二次调频的过程并承担部分有功功率,使得电网二次调频恢复稳态的过程更加迅速,减小了系统非额定频率工作的时间。最后,在Matlab/Simulink软件中搭建了云南楚穗双回直流输电系统的仿真模型,验证所提控制策略在实际系统中的可行性和有效性。

1 传统FLC工作原理

FLC可以实时调节直流有功功率,送端频率偏差越过FLC死区时,FLC迅速动作使得直流功率升高或降低,从而维持送端电网有功功率平衡、限制送端频率偏差,传统FLC控制框图如图1所示。

图1 传统FLC控制框图Fig.1 Traditional FLC control block diagram

(1)

2 改进FLC控制策略

在异步互联后的直流输电系统中,系统发生扰动时,送端系统将产生不平衡功率,FLC需紧急调控有功功率,维持送端频率稳定。根据FLC的功率转带能力和不平衡功率ΔP之间的关系,将系统频率调节分为以下两种场景:1)自消纳场景;2)非自消纳场景。

2.1 功率转带场景分类

自消纳场景:不平衡功率小于FLC的附加直流功率信号最大值,换流站可以通过FLC完全消纳不平衡功率,短时间内充分利用直流线路的过负荷能力实现不平衡功率的转带。在此场景下,受到FLC的限制作用,在经历短时间的频率过载后,FLC将不平衡功率信号ΔP叠加到直流有功功率参考值Pref上,改变线路传输的直流功率,从而迅速调节送端的不平衡功率,另一侧交流系统仍然可以保持正常运行。FLC输出限幅由直流线路自身的过负荷能力决定。在这种情况下,不平衡功率应小于FLC的最大可调有功功率,可以将其描述为

Ph≤ΔPFLC

(2)

公式中:Ph为不平衡功率;ΔPFLC为FLC附加直流功率信号最大值。

非自消纳场景:不平衡功率大于FLC的附加直流功率信号最大值。系统发生直流闭锁等故障时,不平衡功率超过FLC的调节上限,换流站在FLC作用后,仍然无法完全消纳不平衡功率。在这种情况下,应控制FLC持续输出最大附加功率修正信号,减小频率失稳造成的危害同时维持受端交流系统的频率稳定。

Ph>ΔPFLC

(3)

从以上分析可以看出,系统受到扰动后,应首先确定场景类型,判断不平衡功率和FLC最大限幅功率的关系以及系统受扰动程度,分别设计FLC的优化策略以提高系统安全稳定运行能力。以下将针对两种场景下的FLC进行策略优化设计。

2.2 不同场景下FLC控制策略的设计

如图2、图3所示,目前FLC有两种控制结构,分别是采用一阶惯性环节的控制器和采用比例积分环节的控制器。

图2 比例积分FLC控制器Fig.2 Proportional integral FLC controller

图3 一阶惯性环节FLC控制器Fig.3 First-order inertial link FLC controller

在自消纳场景下,设置积分环节可以消除系统的稳态误差和频率振荡,实现频率的无差调节。此时,FLC传输的有功功率数值为

(4)

因此,在自消纳场景下采用传统的FLC反向频差模型可以使调频具有更好的精度。

在电网出现大扰动时采用FLC进行调频的根本目的是限制电网最大频率偏差。非自消纳场景下,系统调频策略启动后,频率恢复到FLC死区范围内,FLC退出工作,此时相当于系统切除负荷,在FLC的退出时刻,系统传输的直流功率越高则系统频率再次失稳的风险越大,若送端频率再次升高越过FLC死区,将出现FLC“二次动作”的问题,FLC采用PI控制时,由于积分环节对输入信号的积累,导致退出时的输出功率大于只含有比例环节的FLC控制结构,系统频率再度失稳和FLC“二次动作”的风险更大。

为了让FLC更好的解决直流断线故障等大扰动带来的频率失稳问题,在非自消纳场景下,应采取的优化策略是去掉FLC的积分环节,采用一阶惯性环节FLC控制器。

2.3 AFLC控制策略设计

本文设计了一种改进型具有自适应选择控制结构的直流频率限制控制器AFLC,设计思路如下:AFLC可根据系统不平衡功率能否被FLC消纳的两种场景自动投入FLC的控制结构,从而更好地发挥调频作用,设计的AFLC的控制框图,如图4所示。

图4 自适应FLC控制原理图Fig.4 Adaptive FLC control schematic diagram

图4中fH为AFLC设定的死区值,Δf是系统频率偏差值,ΔPmax和ΔPmin是AFLC调节容量的上、下限值,KP为比例系数,KI为积分系数,ΔP是送端系统不平衡功率,ΔP和Pref分别为AFLC输出的直流功率附加调节量与直流功率参考值,PL为直流传输功率实际值,f1是设定的扰动频率界限值。

当送端的不平衡功率ΔP小于AFLC的功率限幅且系统频率偏差Δf小于设定的大扰动频率界限值时,AFLC采用比例积分控制器。当送端系统的不平衡功率ΔP大于AFLC的最大功率限幅PFLC时或者频率偏差Δf高于扰动频率界限值时,采用一阶惯性环节FLC控制器。

2.4 AFLC与二次调频协同配合策略

系统发生直流闭锁等严重故障后,AFLC无法自主消纳不平衡功率,AFLC和一次调频协同动作且达到稳定后,系统频率可能仍与额定频率存在一定偏差,此时需要启动电网二次调频,使电网频率恢复到额定值。在AFLC与机组一次调频配合后,为了提高系统二次调频速度,可以利用AFLC继续参与电网二次调频控制。

根据发电机调频原理,为了更好地实现AFLC与二次调频的配合,需要类比确定AFLC在电网中所代表的单位调节功率和调差系数,使得AFLC合理承担有功功率。根据电力系统二次调频特性,AFLC的单位调节功率KFLC为可定义为

(5)

公式中:Δf为系统实际频率与额定频率偏差量;ΔP为直流功率偏差量。

因此,AFLC的调差系数σFLC为

(6)

公式中:Δf*为系统实际频率与额定频率偏差量的标幺值;ΔP*为直流功率偏差量的标幺值;fN为电网额定频率;PN为直流额定传输功率。

假设系统受到扰动后,系统有n台发电机参与到二次调频,直流FLC也参与二次调频,采取无差调节法中的积差调节法,则有公式为

(7)

当FLC参与系统二次调频后,系统调频方程为

(8)

公式中:ΔP*为系统恢复到稳态运行状态时频率偏差量的标幺值。

在分析系统有功功率分配量时,假定系统内部频率相等,则在电网二次调频中,AFLC所承担的功率标幺值为

(9)

所以在参与二次调频的过程中AFLC所承担的电网二次调频功率的实际值为

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(10)

设定直流线路额定功率P′ref为

P′ref=Pref+ΔPFLC

(11)

公式中:Pref为二次调频控制器动作前直流功率参考值;ΔPFLC为直流系统所承担的电网二次调频功率。

AFLC与系统二次调频协同参与频率恢复控制流程如图5所示,当电网受到扰动后,系统频率偏差为Δf,电网一次调频启动,同时直流AFLC动作,改变直流线路功率传输值。当一次调频和AFLC协同动作结束后,若当前电网频率偏差Δf大于系统二次调频启动值,则启动系统的二次调频控制,水轮机组调频器动作改变机组输出功率,AFLC二次调频控制器动作,改变直流传输功率参考值P′ref如公式(11),ΔPFLC求解过程如公式(8)所示。

图5 AFLC参与频率恢复控制流程图Fig.5 Structure diagram of FLC participating in frequency recovery

3 仿真验证

为了验证AFLC在实际电网系统出现扰动后的频率调控能力,基于Matlab/Simulink软件搭建如图6所示的云南电网楚穗双回直流输电系统仿真模型,本节仿真分析采用2017年云南电网丰大运行方式。在直流A的送端换流站装设FLC和AFLC,设置AFLC的系统频率扰动界限值f1数值为±0.2 Hz,机组调速器一次调频动作死区值为±0.05 Hz。FLC和AFLC其它的基本参数相同,如表1所示。

表1 FLC/AFLC仿真参数Tab.1 Simulation parameters of FLC/AFLC

图6 云南电网楚穗双回直流系统图Fig.6 Chusui double circuit DC system diagram of Yunnan Power Grid

系统工作在稳态运行状态,在t=0 s时分别对电网设置直流单级闭锁故障和受端负荷下降,下面分别针对自消纳和非自消纳两种工况进行系统的频率特性的仿真分析,以验证所提控制策略在实际系统中的的适用性,楚穗直流主要仿真参数如表2所示。

工况1 非自消纳场景

验证云南电网异步互联系统受到大扰动非自消纳场景下所设计AFLC调频策略的有效性,稳态工作条件下总的直流传输功率是5 000 MW。通过直流A和直流B分别传输2 500 MW的有功功率。FLC可调节直流A传输的有功功率量为500 MW。系统工作在稳定运行状态,送端通过直流A和B向受端传输5 000 MW的功率,在t=4.0 s时,直流B发生闭锁故障。图7为直流B发生闭锁故障后系统暂态响应特性的仿真。

表2 楚穗直流主要仿真参数Tab.2 Main simulation parameters of Chusui DC

图7 直流B发生闭锁故障的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of DC B blocking fault

但是由图7(a)、(b)可知,采用传统PI控制的FLC由于退出时功率再次超过限幅,在系统故障3.6 s时发生“二次动作”,此时,刚结束过负荷的直流线路再次进入过负荷,电网频率发生波动,FLC“二次动作”的发生不利于系统的稳定。由图7(a)、(b)可以看出采用改进后的AFLC控制结构时,AFLC退出时系统功率未出现大的波动,有效防止了FLC发生“二次动作”。频率稳定速度和直流功率恢复过程均比采用传统PI控制的FLC快2s左右。图7(c)表明,由于直流功率波动小,采用改进后的AFLC控制结构的系统电压稳定速度也将更快。

根据以上的仿真分析可知,系统稳定运行情况下,系统发生大扰动时,FLC可有效抑制系统频率幅值,之后在FLC和一次调频的协同调频作用下系统的频率逐渐恢复稳定。采用改进后的AFLC结构可以有效避免FLC退出时“二次动作”的问题,并且改进后的AFLC并未改变直流线路最大传输功率和电网最大频率偏差,也未降低FLC对电网频率偏差的调节作用。

工况2 自消纳场景

验证自消纳场景下设计的AFLC控制策略的有效性,设置楚穗直流仿真参数不变。在t=4.0 s时受端掉负荷300 MW。图8为受端负荷掉负荷300 MW后系统暂态响应特性的仿真。

从图8(a)中可以看出,当受端减小负荷300 MW后,采用一阶惯性环节的FLC和改进FLC限制了系统频率的升高,此后经过FLC、AFLC和一次调频对频率的限制作用,频率更快地恢复了稳定,频率峰值为50.2 Hz。同时从图中可以看出,在系统受到小扰动时,相比于采用一阶惯性环节设计的FLC,AFLC采用PI控制结构,利用积分环节使得调频精度更高,实现了频率的无差调节,送端频率恢复到额定值。从图8(b)、(c)可知,采用一阶惯性环节和改进直流AFLC控制时,直流A传输功率和送端公共母线电压分别在3.0 s和2.8 s恢复稳定。

图8 受端减小300MW负荷的送端频率仿真波形Fig.8 Simulation waveform of sending end frequency for reducing 300MW load at receiving end

由此,在自消纳场景下,采用两种控制策略时,对有功功率和电压的恢复差别较小,但是采用改进后的AFLC策略有着更好的调频精度,经过AFLC调控后的系统频率更接近系统额定频率。

工况3 FLC参与电网二次调频控制

在云南电网楚穗双回直流输电系统发生直流B闭锁故障12 s后,经AFLC和一次调频的协同调频作用,系统频率恢复到稳态值50.1 Hz。为保证二次调频灵敏动作和异步互联系统送端的频率安全,本文根据文献[23]二次调频启动值的设计准则将二次调频启动值设置为±0.05 Hz,电网二次调频控制在18 s后启动。仿真结果如图9和图10所示,图9中前12 s仿真结果与图7中的仿真结果一致。18.0 s时,经过设定的延时环节后,系统二次调频控制工作。在AFLC参与系统二次调频后,直流传输功率和系统频率均下降,在25 s时,电网频率和直流A传输功率恢复至额定值,系统进入稳态。而仅采用传统的二次调频手段,电网频率和直流A传输功率在30 s恢复稳定。由仿真结果可知,利用AFLC参与到系统二次调频控制,可以提高电网恢复到额定运行频率的速度,电网非额定频率运行的时间减少,电网运行的安全性、经济性都大幅提高。

图9 送端系统频率图Fig.9 Frequency diagram of sending end system

图10 直流A传输功率图Fig.10 DC A transmission power diagram

4 结 论

本文针对异步互联后送端系统频率稳定性差的问题,提出了一种自适应的直流频率限制器AFLC和AFLC参与系统二次调频的配合策略,得出以下结论:

1)对于自消纳场景,通过传统的FLC增加功率输出满足功率缺额的控制方法,即利用FLC的功率转带能力自主消纳不平衡功率,减小系统扰动的影响范围,提高送端系统频率恢复速度。

2)对于非自消纳场景,通过改进FLC的控制结构,去除FLC的积分环节,控制FLC工作于最大功率输出状态,并利用水电机组的一次调频调节能力通过增载、减载调节送端功率,维持送端供电系统的功率平衡,可有效提高其安全稳定运行能力。

3)在一次调频和FLC调节系统频率的基础上,提出了AFLC参与二次调频后通过与电网自身调频机组配合的策略,实现了更快速的电网频率无差调节,减少电网非额定频率运行的时间,提高了电网运行的安全性。