特高壓直流輸電在電網(wǎng)中的應(yīng)用越來越廣泛,在電力系統(tǒng)中的地位更加重要。附加控制是高壓/特高壓直流輸電系統(tǒng)中的一種穩(wěn)定控制方法,當(dāng)與直流系統(tǒng)相連接的交流系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí),附加控制功能通過調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)的傳輸功率使交流系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定。不同的直流工程接入的交流系統(tǒng)不同,附加控制功能的設(shè)計(jì)也不盡相同,需要根據(jù)所接入的交流系統(tǒng)的特點(diǎn)開展設(shè)計(jì)。
附加控制功能包括功率緊急提升/回降、頻率控制、功率振蕩阻尼控制、抑制次同步振蕩控制。功率緊急提升/回降功能主要是用于與安穩(wěn)接口,將直流運(yùn)行及故障信息送至安穩(wěn),同時(shí)執(zhí)行安穩(wěn)發(fā)來的功率提升/回降命令。頻率控制通過采集電網(wǎng)頻率,調(diào)節(jié)直流功率實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。
功率振蕩阻尼控制主要通過提高系統(tǒng)區(qū)域間振蕩模式阻尼的手段來抑制大電網(wǎng)區(qū)域間的振蕩。抑制次同步振蕩控制通過對直流系統(tǒng)電流控制器的電流指令進(jìn)行調(diào)制,使直流系統(tǒng)相對發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩模態(tài)起到正阻尼作用,多用于大型火電廠通過直流輸電送出的場合。
巴西美麗山±800kV直流輸電工程包含兩回±800kV雙極雙落點(diǎn)直流,用于將巴西北部的能源中心與東南部的負(fù)荷中心相連,構(gòu)建巴西電網(wǎng)南北互聯(lián)的大通道,滿足東南部地區(qū)的用電需求。
第一回(美麗山Ⅰ回)北部起于欣古換流站,南部止于埃斯特雷多換流站,輸電距離2084km,已于2018年建成。第二回(美麗山Ⅱ回)直流北部起于欣古換流站,止于巴西東南部里約換流站,輸電距離2542km,已于2019年建成。
每回直流輸送容量均為4000MW,直流額定電流2.5kA。北方豐水期時(shí),欣古換流站作為整流運(yùn)行,里約作為逆變運(yùn)行,為功率正送方式;北方旱期時(shí),里約換流站作為整流運(yùn)行,欣古作為逆變運(yùn)行,為功率反送方式。
北部電網(wǎng)除通過直流通道與東南部電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)外,還通過一條交流通道與東南部電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián),為交流直流并聯(lián)電網(wǎng)。欣古換流站通過兩條交流線路與北部主網(wǎng)相連,當(dāng)兩條交流線路斷開時(shí),欣古換流站存在孤島運(yùn)行方式。
本文根據(jù)巴西美麗山直流Ⅱ期工程兩端電網(wǎng)的特點(diǎn),開展了附加控制功能設(shè)計(jì),并在RTDS上進(jìn)行了仿真試驗(yàn),對附加控制功能進(jìn)行了驗(yàn)證,對其他直流工程附加控制功能設(shè)計(jì),有一定的參考和借鑒意義。
1.1 巴西電網(wǎng)概況
巴西國家電網(wǎng)(SIN)包括五大同步互聯(lián)的區(qū)域電網(wǎng):北部電網(wǎng)(North)、東北部電網(wǎng)(Northeast)、中西部電網(wǎng)(Midwest)、東南部電網(wǎng)(Southeast)、南部電網(wǎng)(South),由巴西國家電力調(diào)度中心(ONS)統(tǒng)一調(diào)度,巴西北部電網(wǎng)與東南部電網(wǎng)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
通過圖1可以看出,北部電網(wǎng),通過美麗山Ⅰ回和美麗山Ⅱ回直流,以及一條交流通道與東南部電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián),為交流直流并聯(lián)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
1.2 欣古側(cè)的北部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
美麗山Ⅰ和Ⅱ回直流的配套電源是美麗山水電廠(Belo Monte),共18臺機(jī)組,總?cè)萘?1000MW,通過5回500kV線路接入欣古(Xingu)換流站。
圖1 巴西北部電網(wǎng)與東南部電網(wǎng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)
圖2 欣古側(cè)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
欣古換流站目前僅通過欣古(Xingu)—圖庫魯伊(Tucurui)2回500kV線路與主網(wǎng)相連。欣古—圖庫魯伊線路雙向送電,若北電南送,且美麗山水電廠開機(jī)較多,由Xingu送電Tucurui;若北電南送,且美麗山水電廠開機(jī)較少,由Tucurui送電Xingu。欣古—圖庫魯伊交流線路N◆2故障時(shí),將引發(fā)美麗山直流欣古側(cè)孤島運(yùn)行。
1.3 里約側(cè)的東南部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
美麗山二回直流T. Rio換流站分別通過2回500kV線路接入N. Iguacu變電站,通過2回500kV線路接入Adrianopolis變電站,通過1回500kV線路接入CSN(C. Paulista)變電站,通過1回500kV線路接入Resende變電站。
1.4 附加控制功能設(shè)計(jì)需求
當(dāng)北部電網(wǎng)與東南部電網(wǎng)的交流通道故障斷開時(shí),兩側(cè)交流電網(wǎng)的頻率將越限,利用美麗山Ⅱ期直流的頻率控制功能,將有利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。
當(dāng)欣古換流站與北部主網(wǎng)相連的兩條交流線路斷開時(shí),將出現(xiàn)孤島運(yùn)行方式,進(jìn)入孤島以及孤島運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題突出,利用美麗山Ⅱ期直流的頻率控制功能,將有利于系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。
經(jīng)巴西國調(diào)研究,欣古側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生故障或受到較大的擾動(dòng)時(shí),交流線路功率出現(xiàn)振蕩,需利用美麗山Ⅱ期直流的功率控制功能,提高系統(tǒng)區(qū)域間振蕩模式阻尼抑制振蕩。
當(dāng)美麗山直流Ⅰ期工程故障時(shí),或是水電廠機(jī)組故障時(shí),或是南北交流通道故障時(shí),或是欣古換流站到圖庫魯伊的聯(lián)絡(luò)線故障時(shí),都需要通過提升/回降直流,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此,美麗山直流Ⅱ工程需設(shè)計(jì)與安穩(wěn)接口,執(zhí)行緊急功率提升/回降。
美麗山Ⅱ期直流工程為大型水電送出工程,由于水電機(jī)組軸系較短,不存在次同步振蕩的問題,因此不配置抑制次同步振蕩的功能。
2.1 頻率控制器設(shè)計(jì)基本要求
直流頻率控制器設(shè)計(jì)基本原則:①不應(yīng)改變主網(wǎng)頻率控制的基本原則;②不能激發(fā)兩側(cè)交流系統(tǒng)的振蕩;③不應(yīng)導(dǎo)致交流電網(wǎng)的關(guān)鍵斷面出現(xiàn)功率越限。
頻率控制器參數(shù)整定要求:①頻率控制器的死區(qū)、慣性時(shí)間常數(shù)的設(shè)定既要避免功率調(diào)制過快,導(dǎo)致超調(diào)現(xiàn)象;又要防止響應(yīng)速度過慢,從而錯(cuò)失對系統(tǒng)頻率進(jìn)行控制的時(shí)機(jī);②頻率控制器功率調(diào)制范圍既要保證不因?qū)嵤┕β手г鴮?dǎo)致直流換相失敗,又要在直流半功率或小功率時(shí),充分利用直流輸送能力。
2.2 頻率控制器選型
頻率控制器主要有基于一階慣性環(huán)節(jié)和基于比例積分環(huán)節(jié)兩類。
1)基于一階慣性環(huán)節(jié)的頻率控制器
控制器特點(diǎn)有:①為有差調(diào)節(jié),相當(dāng)于一次調(diào)頻;②與比例積分環(huán)節(jié)相比,調(diào)節(jié)速度相對較慢、超調(diào)量小。
基于一階慣性環(huán)節(jié)的頻率控制器的傳遞函數(shù)通常如圖3所示。首先計(jì)算出頻差,然后經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)、死區(qū)環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié),得到頻率控制器的調(diào)制量。
圖3 基于一階慣性環(huán)節(jié)的頻率控制器
2)基于比例積分環(huán)節(jié)的頻率控制器
控制器特點(diǎn)有:①為無差調(diào)節(jié),相當(dāng)于二次調(diào)頻;②由于積分環(huán)節(jié)的存在,控制速度較快,但超調(diào)量也較大;③積分器需及時(shí)清空,避免直流輸送功率偏移設(shè)置的功率定值。
基于比例積分環(huán)節(jié)的頻率控制器的傳遞函數(shù)通常如圖4所示。首先計(jì)算出頻差,然后經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)、死區(qū)環(huán)節(jié)、比例環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié),得到頻率控制器的調(diào)制量。
圖4 基于比例積分環(huán)節(jié)的頻率控制器
帶積分環(huán)節(jié)的頻率控制器,需要注意的是,積分器具有保持功能,如果積分器不清零,直流系統(tǒng)輸送功率將偏移運(yùn)行人員設(shè)置的功率定值,給后續(xù)操作帶來安全隱患。清零有主動(dòng)和被動(dòng)兩種方法。
主動(dòng)方法是在積分器清零的同時(shí),更新功率定值,使功率定值與輸送功率一致;被動(dòng)方法是在積分器上增加反饋環(huán)節(jié),隨著系統(tǒng)二次調(diào)頻的作用,積分器的輸出逐漸減小到零,直流功率恢復(fù)的之前輸入的功率上去。
3)頻率控制器選擇
頻率控制器模型的選擇應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)強(qiáng)度、系統(tǒng)頻率特性以及協(xié)調(diào)適應(yīng)性等因素綜合確定。
(1)聯(lián)網(wǎng)方式下的頻率控制器選擇。欣古換流站通過兩回交流線路與圖庫魯伊水電廠相連,從而接入北部主網(wǎng),屬于較強(qiáng)系統(tǒng),對頻率控制器調(diào)節(jié)速度要求不高,其功能定位為發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻輔助措施,間接提高斷面輸電能力,即有差調(diào)節(jié)。因此,推薦采用一階慣性環(huán)節(jié)的頻率控制器。
(2)欣古側(cè)孤島運(yùn)行方式下的頻率控制器選擇。當(dāng)欣古換流站與圖庫魯伊水電廠相連的兩回交流線路跳開時(shí),欣古換流站所處的交流系統(tǒng)較弱,比例積分環(huán)節(jié)頻率控制器由于積分環(huán)節(jié)的存在,可以保證頻率控制的快速、準(zhǔn)確,其控制目的是實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的無差調(diào)節(jié)。推薦采用比例積分環(huán)節(jié)頻率控制器。
2.3 頻率控制器參數(shù)整定
在工程上,關(guān)于頻率控制器參數(shù)整定,首先根據(jù)以往工程的經(jīng)驗(yàn),確定一套初始參數(shù),利用仿真軟件搭建交直流電網(wǎng)詳細(xì)模型,模擬電網(wǎng)故障試驗(yàn),檢查頻率控制器的響應(yīng)情況,根據(jù)頻率控制器的響應(yīng)情況調(diào)整控制器參數(shù),最終確定一套最優(yōu)的參數(shù),使得控制器對頻率的變化能迅速響應(yīng),并平滑跟蹤,超調(diào)量小。
本工程不同參數(shù)的仿真比較試驗(yàn)主要由巴西國調(diào)開展,相關(guān)參數(shù)由巴西國調(diào)提供。
1)頻率控制器死區(qū)的選擇
頻率控制器的比例增益系數(shù)K、死區(qū)DB具有較強(qiáng)的正相關(guān)性,在控制器輸出相同的條件下,DB取值越小,K取值也可相應(yīng)減??;反之亦然。巴西電網(wǎng)一次調(diào)頻任務(wù)仍然由主力發(fā)電機(jī)組承擔(dān),直流頻率控制器作為提升調(diào)頻能力的重要補(bǔ)充,死區(qū)DB應(yīng)大于機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)。同時(shí),結(jié)合巴西國調(diào)的仿真研究,現(xiàn)階段頻率控制器死區(qū)設(shè)置為0.5Hz。
2)頻率控制器增益選擇
為適應(yīng)頻率控制器的輸出限幅,在直流換流站公共連接點(diǎn)頻率偏差為1Hz時(shí),頻率控制器輸出的直流功率調(diào)制量應(yīng)能夠達(dá)到控制器的輸出限幅。
因此頻率控制器增益系數(shù)不宜設(shè)置太小,否則無法在故障期間向系統(tǒng)提供足夠的頻率支撐,同時(shí)考慮一定裕度。根據(jù)巴西國調(diào)的仿真研究,現(xiàn)階段頻率控制器增益系數(shù)設(shè)置為666MW/Hz。慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)按0.01s設(shè)置,積分環(huán)節(jié)常數(shù)按10s設(shè)置。
3.1 功率振蕩阻尼控制基本原理
電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)經(jīng)輸電線并列運(yùn)行時(shí),在擾動(dòng)下會發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間的相對搖擺,并在缺乏阻尼時(shí)引起持續(xù)振蕩。此時(shí),輸電線上的功率也會發(fā)生相應(yīng)振蕩。
附加阻尼控制功能主要通過提高系統(tǒng)區(qū)域間振蕩模式阻尼的手段來抑制大電網(wǎng)區(qū)域間的振蕩。其基本原理是從并聯(lián)交流聯(lián)絡(luò)線上或從兩端交流系統(tǒng)中提取反映交流聯(lián)絡(luò)線路異常的信號,用以調(diào)節(jié)直流輸電線路傳輸?shù)墓β?,使之快速吸收或補(bǔ)償交流聯(lián)絡(luò)線的功率過?;蛉鳖~,起到阻尼振蕩的作用。
3.2 功率振蕩阻尼控制器設(shè)計(jì)
通過設(shè)計(jì)直流系統(tǒng)功率振蕩阻尼控制器來改善系統(tǒng)的性能,其本質(zhì)上是將校正環(huán)節(jié)引入直流控制系統(tǒng)。從根軌跡法的角度考慮,在控制系統(tǒng)中加入校正環(huán)節(jié),引入新的零、極點(diǎn),使得校正后的閉環(huán)根軌跡,向有利于改善系統(tǒng)性能的方向改變。閉環(huán)零、極點(diǎn)得到重新布置,從而滿足閉環(huán)系統(tǒng)的性能要求。因此,功率振蕩阻尼控制器的核心是校正環(huán)節(jié),控制器設(shè)計(jì)的主要工作是選擇校正方式,確定合適的校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。
關(guān)于校正方式的選擇,一般采用的校正方式是采用補(bǔ)償法對輸出量與輸入量之間的相位差增加一定的補(bǔ)償,得到合適的控制輸出。
補(bǔ)償方法有兩種:①滯后補(bǔ)償法;②超前-滯后補(bǔ)償法?;趦煞N補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)的調(diào)制器在配置了合適的參數(shù)后,對于抑制系統(tǒng)低頻振蕩及提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的效果基本相當(dāng)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),在移相角度較小、采用滯后環(huán)節(jié)可以滿足要求的情況下,巴西美麗山Ⅱ期直流選取簡單的(滯后+比例)型控制器。
關(guān)于調(diào)制信號的選取,一方面,兩端交流系統(tǒng)的頻率信號能夠在一定程度上反映出送端和受端電網(wǎng)之間的同步性;另一方面,從調(diào)制信號與被控制量的關(guān)系上看,雙側(cè)頻差信號與所需的阻尼轉(zhuǎn)矩是基本同相的。
根據(jù)這兩個(gè)信號進(jìn)行直流功率調(diào)節(jié)對與抑制送、受端系統(tǒng)間的低頻振蕩會有較好的效果。因此,選擇兩端換流站交流母線的頻差作為調(diào)制信號。
圖5 功率振蕩阻尼控制器
關(guān)于阻尼控制器增益的選擇,通常在相位合適的條件下,阻尼控制器增益越大,直流調(diào)制功率也越大,對系統(tǒng)阻尼效果越好。然而,若阻尼控制器增益太大,進(jìn)一步引起高頻振蕩。
這是由于過大的增益將導(dǎo)致系統(tǒng)控制模式出現(xiàn)弱阻尼或負(fù)阻尼,類似PSS控制器增益整定。通過仿真試驗(yàn),結(jié)合巴西國調(diào)的研究,K按1000設(shè)置。
美麗山Ⅱ期直流功率振蕩阻尼控制器僅在聯(lián)網(wǎng)方式下投入,即欣古換流站通過與圖庫魯伊水電廠相連的兩回交流線路運(yùn)行時(shí)投入。當(dāng)欣古換流站通過與圖庫魯伊水電廠相連的兩回交流線路斷開時(shí),需自動(dòng)退出功率振蕩阻尼控制器。
緊急功率提升/回降直流功能,用于在交直流大電網(wǎng)混合運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)發(fā)生某些故障時(shí),通過增加或減少直流傳輸功率,平衡電網(wǎng)潮流,保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
對于美麗山直流Ⅱ期工程而言,在美麗山直流Ⅰ期工程故障時(shí),或是水電廠機(jī)組故障時(shí),或是南北交流通道故障時(shí),或是欣古換流站到圖庫魯伊的聯(lián)絡(luò)線故障時(shí),都需要通過提升/回降直流,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
美麗山直流Ⅱ工程控制系統(tǒng)通過與安穩(wěn)接口實(shí)現(xiàn)緊急功率提升/回降功能。安穩(wěn)裝置與控制系統(tǒng)的接口用光纖通信的方式。
安控裝置將給控制系統(tǒng)發(fā)送功率提升或者回降的功率量;極控系統(tǒng)將直流系統(tǒng)閉鎖信號、直流系統(tǒng)最大可調(diào)功率量發(fā)給安控系統(tǒng),安控執(zhí)行提升美麗山一回直流或切除發(fā)電機(jī)的操作。
由于交流系統(tǒng)相對較弱,美麗山Ⅱ期直流執(zhí)行緊急提升/回降的速率按8.4×105MW/min設(shè)置,與國內(nèi)直流的速率設(shè)置為7.5×106MW/min不同。
在美麗山Ⅱ期直流控制系統(tǒng)站間通信中斷時(shí),為了不失去電流裕度,保證直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,提升/回降的速率受到限制,不能滿足系統(tǒng)的需要。因此,將站間通信中斷信號送至安控,當(dāng)站間通信中斷時(shí),安控不再采取提升/回降直流的措施。
在RTDS上開展兩側(cè)詳細(xì)交流電網(wǎng)建模,反映整流站和逆變站兩側(cè)的交流系統(tǒng),包括發(fā)電機(jī)、輸電線路、變壓器、電容器、電抗器以及交流電網(wǎng)中所包含的其他元件。開機(jī)臺數(shù),潮流分布均按照巴西國調(diào)提供的數(shù)據(jù)設(shè)置。
5.1 孤島頻率控制功能試驗(yàn)
試驗(yàn)工況:雙極全壓運(yùn)行,由里約向欣古輸送功率1900MW,欣古水電廠三臺發(fā)電機(jī)作為同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行,欣古換流站通過Xingu—Tucurui兩回交流線路向圖庫魯伊輸送有功400MW。
模擬故障:模擬Xingu—Tucurui雙線同時(shí)故障,故障后雙線跳開,北部電網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運(yùn)行,安穩(wěn)動(dòng)作,發(fā)出回降直流400MW的命令。
試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,從交流線路故障跳閘到安穩(wěn)回降直流,有140ms的延時(shí),在此期間,系統(tǒng)有功不平衡,頻率越限,超出動(dòng)作死區(qū),頻率控制器動(dòng)作,調(diào)節(jié)直流功率,減小了頻率波動(dòng),穩(wěn)定系統(tǒng)頻率,在安穩(wěn)動(dòng)作回降直流后,直流頻率控制器的輸出逐漸減小到0。
圖6 孤島頻率控制功能試驗(yàn)波形
5.2 聯(lián)網(wǎng)頻率控制功能試驗(yàn)
試驗(yàn)工況:雙極全壓運(yùn)行,由里約向欣古輸送功率400MW,南北交流通道通過兩回交流線路由南向北輸送功率2100MW。模擬交流南北通道單回線路故障跳閘,功率損失1050MW,安穩(wěn)動(dòng)作提升直流1050MW。
試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,從交流線路故障跳閘到安穩(wěn)提升直流,以及在直流提升的過程中,頻率越限,頻率控制器動(dòng)作,調(diào)節(jié)直流功率,減小了頻率波動(dòng),由于聯(lián)網(wǎng)下的頻率控制器沒有積分環(huán)節(jié),當(dāng)頻差小于0.5Hz時(shí),其輸出即為0。
圖7 聯(lián)網(wǎng)頻率控制功能試驗(yàn)波形
5.3 功率振蕩阻尼控制功能試驗(yàn)
美麗山直流Ⅱ期工程單極全壓金屬回線運(yùn)行,功率方向?yàn)樾拦潘屠锛s,功率300MW。投入功率搖擺阻尼功能,在阻尼控制器增益為0MW/Hz和1000MW/Hz條件下,分別施加400MW,持續(xù)30s的上階躍。
在RTDS上的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,當(dāng)直流功率突變時(shí),激發(fā)出功率振蕩,通過增益為0MW/Hz和1000MW/Hz的結(jié)果對比,可以看出,功率振蕩阻尼控制器起到了阻尼振蕩效果。
圖8 RTDS上功率振蕩阻尼控制功能試驗(yàn)波形
巴西時(shí)間2019年11月30日凌晨,在美麗山直流工程現(xiàn)場開展了同樣的試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,與RTDS試驗(yàn)結(jié)果一致,當(dāng)直流功率突變時(shí),激發(fā)出功率振蕩,功率振蕩阻尼控制器起到了阻尼振蕩效果。
圖9 現(xiàn)場功率振蕩阻尼控制功能試驗(yàn)波形
本文介紹了巴西美麗山特高壓直流Ⅱ期工程欣古側(cè)和里約側(cè)所接入交流系統(tǒng)的特點(diǎn),并針對兩側(cè)電網(wǎng)的特點(diǎn),開展了頻率控制器的選型和參數(shù)設(shè)計(jì);介紹了功率振蕩阻尼控制的原理,控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇;介紹了緊急功率提升/回降功能的設(shè)計(jì)。
通過RTDS仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了頻率控制器和功率振蕩阻尼控制功能。通過現(xiàn)場運(yùn)行表明,美麗山直流Ⅱ期工程的附加控制功能設(shè)計(jì)行之有效,對其他直流工程附加控制功能設(shè)計(jì),有一定的參考和借鑒意義。