靈紹±800 kV特高壓直流協調頻率控制功能應用

劉 凱, 張慶武, 侍喬明

( 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電工程(以下簡稱靈紹直流)額定電壓±800 kV，直流線路長度1720 km，直流輸送容量8000 MW。受端紹興換流站所在的華東電網隨著復奉、錦蘇、賓金三大特高壓直流的先后接入，在提升電網接入容量的同時,也增加了單一或多回特高壓直流大功率失去時,安全穩定裝置動作切除大量負荷導致的頻率崩潰，引發大面積停電事故的風險[1-4]。為應對這一問題，華東電網引入了頻率緊急協調控制系統(FECCS, 簡稱“頻率控制系統”)。頻率控制系統通過利用多直流功率支援、聯切抽蓄電站機組以及快速切負荷等措施來維持電網的頻率穩定[5]。靈紹直流作為該系統主要組成部分，承擔當華東電網其他直流閉鎖后緊急提供功率支援的重要作用。

直流與頻率控制系統的協調控制功能包括：(1) 直流向頻率控制系統準確提供自身狀態信息以利于頻率控制系統判定直流損失；(2) 直流精確執行頻率控制系統命令以保證電網頻率穩定效果。

目前關于大容量直流饋入后區域電網安全穩定研究較多，集中在交直流系統協調控制方法及運行特性分析[6-8]以及從安全穩定控制系統的角度分析討論安控策略和應用中存在的問題[9-13]；但涉及直流同時作為電網中功率損失對象和功率調制對象面臨的問題及解決方法研究較少，文獻[14]研究了交直流互聯電網直流功率調制相關問題，分析了部分參數優化對直流調制的影響，但缺乏從實際工程應用的角度解決問題。

本文圍繞直流協調控制功能介紹了直流控制系統與頻率控制系統的接口方式，為改善頻率控制系統動作的快速性、準確性，提出了直流功率損失判斷準確性提升方法、調制功率補償方法和換相失敗延時調制功能，并通過實時數字仿真平臺(RTDS)驗證了上述直流協調控制功能的正確性。

1 直流控制與頻率控制系統接口

早期直流與頻率控制系統接口一般采用基于“硬接點”開關量方式，例如頻率控制系統向直流發送功率調制命令、直流向頻率控制系統反饋自身運行功率大小均以檔位(開關量)進行交互，檔位數量直接限制了調節的精度。后期直流工程中陸續出現采用4～20 mA小電流量來表征直流與頻率控制系統交換的信號，但其采樣精度仍然會受到傳感器硬件帶來的影響。特高壓直流容量大，運行方式多，如果采用傳統接口將無法滿足華東頻率控制系統功率調節高精度要求。連接方便，傳輸數據量大，可靠性高，通道狀態易監視等優點的光纖通信方式成為特高壓直流與頻率控制系統接口的首選。靈紹直流極控制主機(PCP)與頻率控制系統的接口方案如圖1所示，直流控制系統配置方式為主備冗余，頻率控制系統配置方式為雙重化冗余。直流控制與頻率控制系統之間采用交叉連接方式。圖1中FECCS A/B表示兩套頻率控制系統，PCP1 A/B、PCP2 A/B則分別表示直流極1、極2各兩套極控主機。

圖1 直流控制與頻率控制系統接口Fig.1 Interface between PCP and FECCS

直流控制與頻率控制系統之間數據存在雙向交互，頻率控制系統向直流控制發送數據主要包括提升直流命令、提升直流容量、提升直流標志位、頻率控制收直流信息異常等；直流控制向頻率控制系統發送數據主要包括直流最大可提升容量、直流可調制標志信號、直流極控模式、直流功率速降信號、直流功率速降量、直流功率速降標識位、非正常停運信號、最大可輸送功率、校驗碼等。

直流控制接收頻率控制命令的處理方法如圖2所示。直流控制同時接收兩套頻率控制系統提升直流的命令，任一套動作直流均做響應，優先執行先收到的提升命令；當直流控制在同一執行周期同時接收到兩套命令時執行A套提升指令。

圖2 頻率控制系統調制命令選擇方法Fig.2 Method of choosing orders from FECCS

直流控制發送到頻率控制系統的信號可以分為兩類，一類是直流極1或極2自身的運行狀態、運行模式、故障信息等，另一類是直流雙極作為一個整體表現出的電氣特征如直流最大可提升容量、直流可調制標志信號。為保證發送數據的可靠性，確保直流控制處于值班狀態的主機發送實時數據并對非值班系統的發送數據進行清零。直流最大可提升容量計算公式參見式(1)，根據當前直流電壓與直流最大過負荷能力下的電流水平計算出本極直流最大運行功率，通過直流極間通信獲取另一極運行功率從而得到最終雙極的直流可提升容量。

(1)

式(1)中:Ip1oll，Ip2oll為極1、極2計及直流過負荷能力的電流指令值；Up1mea，Up2mea為受端極1、極2直流電壓測量值；Ip1mea，Ip2mea為受端極1、極2直流電流測量值；Pp1max，Pp2max為受端極1、極2最大運行功率；PBip為受端直流雙極實時總功率；Psscsmax為直流當前運行狀態下最大可提升功率。

直流最大可提升容量及直流可調制標志信號直接影響頻率控制系統對直流可調制狀況的判斷，當直流可調制標志信號為1時表明直流當前具備接受頻率控制系統調制的能力。當直流可調制信號為0時，限制直流最大可提升容量為0。在獲取直流最大可提升容量及直流可調制標志信號過程中，需要充分考慮直流運行工況對兩個信號形成的影響，其主要影響因素包括站間通信故障、極間通信故障、直流線路故障、安控動作以及直流功率回降。直流可調制信號的形成邏輯示意圖如圖3所示。展寬1設置為500 ms可以有效避免常見通信故障抖動帶來的不利影響，展寬2設置為5 s涵蓋了線路故障去游離及再啟動時間，展寬3設置為60 s緩解直流連續調制對電網系統的產生的沖擊。

圖3 直流可調制信號示意Fig.3 Schematic diagram of DC modulation availble signal

2 直流功率損失判斷準確性提升方法

直流在運行過程中會受到諸多因素的影響，導致直流功率回降。常見的因素包括：無功控制絕對最小濾波器不滿足、特定直流保護動作(如過流保護、諧波保護)、換流閥結溫過高、閥冷卻系統回降請求等。直流功率回降的目的是保證設備的安全和系統的可靠運行。當直流出現功率回降后，頻率控制系統單純依靠自身無法快速、準確判斷直流功率損失量，產生這一問題主要原因有：(1) 頻率控制系統通過采集換流變網側電壓電流計算得出當前直流功率，但無法準確捕獲突變時刻進而鎖存直流回降前功率；(2) 導致直流功率回降的因素較多，不同因素觸發的直流回降的速率也不盡相同。當回降速率過慢時，頻率控制系統無法及時判定回降完成時刻以鎖存回降后功率。雖然頻率控制系統可以通過延時的方法鎖存準確的回降后功率，但動作的時效性將因此降低。

針對上述問題的解決思路為：直流功率回降由直流控制系統判別，直流控制系統通過調整不同類型功率回降的速率使其適應頻率控制系統的快速性要求，同時在滿足特定觸發條件后向頻率控制系統發送功率速降信息。觸發條件包括：(1) 絕對最小濾波器不滿足、接地極線過負荷保護或極平衡保護導致直流功率速降；(2) 直流功率速降量大于門檻值，門檻值的設定需要結合直流輸送容量以及受端交流系統的強弱程度綜合考慮，靈紹直流門檻值設置為200 MW。具體的直流功率速降策略實現時序如下圖4所示。

圖4 直流功率速降時序Fig. 4 Fast rundown sequence of DC power

圖4中P1為直流功率損失判斷準確性提升方法前雙極總功率，P2為直流功率損失判斷準確性提升方法完成后雙極總功率，ΔP為直流功率速降量，Pset為觸發功率速降信號及功率速降量生成的功率門檻。假設直流由于絕對最小濾波器不滿足導致直流功率回降，當直流功率回降到P1-Pset功率點后觸發功率速降標識、功率速降信號以及功率速降量形成并發送到頻率控制系統；根據直流控制與頻率控制系統的接口協議，功率速降標識固定為20 ms脈沖信號，功率速降信號在功率速降標志消失后展寬500 ms。頻率控制系統收到直流功率速降信息后結合換流變網側電流或功率突變量條件、功率速降量大小進行綜合判斷。

后續仿真試驗證明通過實施上述直流功率損失判斷準確性提升方法可以有效提升頻率控制系統對于直流功率損失判斷的準確性。

3 調制功率補償方法

在直流工程中，直流輸送功率一般指整流側直流功率；當直流工作在定功率模式下時，直流控制系統通過控制器調節保證整流側直流功率實測值和直流功率指令值相一致。但由于直流線路損耗的存在，逆變側直流功率與整流側直流功率之間存在功率差額，功率差額大小隨著直流電流的增加而非線性增加。忽略線路電阻寄生電感及雜散電容的影響，直流穩態運行時，整流側與逆變側功率存在如下關系：

PRECT=PINV+I2R

(2)

式(2)中：PRECT為整流側直流功率；PINV為逆變側直流功率；I為直流電流；R為直流線路電阻。

通常，逆變側安控系統調制直流的主要實現方法為：逆變側直流控制系統接收安控系統的調制指令，然后通過站間通信發送到整流側，整流側直流控制系統根據逆變側發過來的調制指令進行調節。

上述方法設計思路簡單，信號傳輸中間環節少，穩定可靠，已在諸多直流工程中得到廣泛應用。但實際工程中，由于安控調制指令是基于逆變側直流功率計算得到，而安控的目標在于調制逆變側直流功率到指定值，如果直接發送到整流側執行，由公式(2)中兩側功率關系可知，逆變側實際提升功率將小于目標提升功率。

以靈紹直流為例，直流在不同功率和不同調制功率水平通過RTDS仿真得到的調制功率誤差如圖5所示。調制誤差為逆變側目標提升功率和直流實際提升功率的差值與目標提升功率的比值。由圖5可看出，逆變側功率調制在整流側執行所產生的調制功率誤差在相同調制功率水平與直流功率大小正相關，在相同直流功率水平與調制功率正相關，調制功率誤差在極端工況下甚至可以達到7%。

圖5 調制誤差與直流功率、調制功率關系Fig.5 Relationship between modulation error and DC power，modulation power

單一直流調制精度較低一般不會對較強交流電網產生較大影響，但對于多直流大容量接入的華東電網而言，將會產生更大的調制功率誤差，影響頻率控制系統的電網頻率穩定調節效果，給電網的安全運行帶來不利影響。

由于直流功率提升引起線路損耗的變化是造成調制功率誤差的主要原因，因此考慮通過在頻率控制系統發送到直流系統的調制功率指令上疊加功率補償量的方法減小調制誤差。功率提升后的直流電流大小可以通過聯立式(3)中方程求解：

(3)

式中：PINV1，PINV2為直流功率提升前、后逆變側直流功率；I1，I2為直流功率提升前、后直流電流；URECT為整流側直流額定電壓；UINV1，UINV2為直流功率提升前、后逆變側直流電壓；R為直流線路電阻；PTZ_REF為逆變側調制功率指令值；PTZ_RECT為經過功率補償后整流側調制功率指令值；PCOMP為功率補償量。

經過對式(3)求解，可得到提升后的直流電流I2的表達式為：

(4)

將I2代入式(5)可計算得到PCOMP為：

(5)

將上述計算方法得到的功率補償量疊加到逆變側頻率控制系統提供的調制功率指令值上，可得到整流側最終調制功率指令PTZ_RECT，其表達式為：

PTZ_RECT=PTZ_REF+PCOMP

(6)

此時，基于整流側的調制功率指令和當前功率指令值計算可得整流側最終的功率指令值：

PRECT2=PRECT1+PTZ_RECT

(7)

式中：PRECT1和PRECT2分別為直流功率提升前、后整流側直流功率指令。

同樣通過靈紹直流RTDS仿真得到，當逆變側調制功率指令PTZ_REF為+1000 MW時，調制功率補償前后的調制功率誤差如圖6所示。經功率補償后，隨著直流功率的增大逆變側的調制功率誤差始終保持在1%左右，有效提高了頻率控制系統調制直流功率的精確性。

圖6 功率補償前后對比Fig.6 Comparison of before and after power compensation

4 換相失敗延時調制

換相失敗為直流運行中常見的故障現象，換相失敗出現后會引起直流電壓的下降、直流電流的上升，直流功率的振蕩[15-19]。引起直流系統換相失敗的原因包括電網側交流故障、閥誤觸發和閥丟脈沖等[20]。通常單次換相失敗一般可隨著故障原因的消失自行恢復，連續換相失敗則可能導致直流閉鎖。

在換相失敗過程中，如果直流收到頻率控制系統的功率提升命令，此時直接提升功率將會引起直流電流增大，疊弧時間變長，熄弧角進一步減小，延緩換相失敗恢復甚至會導致連續換相失敗進而給直流運行、電網安全帶來不利影響。

為應對上述問題，提出并采用換相失敗延時調制方法，即在換相失敗過程中接收到頻率控制系統命令后暫停執行，等待換相失敗消失、直流運行穩定后再補充執行。實現該功能的邏輯框圖如圖7所示，具體步驟如下：

(1) 判別換相失敗過程中是否出現頻率控制系統調制直流的命令；

(2) 鎖存換相失敗過程中來自頻率控制系統的提升命令并封鎖功率提升出口；

(3) 檢測換相失敗標志是否復歸，確認復歸后展寬1 s待直流恢復穩定運行后釋放鎖存的提升命令，開放功率提升出口提升直流功率。

圖7 換相失敗延時調制邏輯Fig.7 Logic diagram of commutation failure delay modulation

通過圖7所示的邏輯處理，實現了換相失敗發生時刻鎖存頻率控制系統調制命令、封鎖出口，換相失敗消失、直流運行恢復穩定后再執行的功能。

5 仿真驗證

基于PCS 9550特高壓直流控制保護系統、PCS 992頻率控制系統及RTDS系統，搭建特高壓直流半實物仿真平臺，對本文所提的功率速降策略、調制功率補償方法以及換相失敗延時調制的功能進行試驗驗證。試驗系統中，直流控制保護核心程序與靈紹直流工程現場一致，RTDS中直流系統模型參數如表1所示。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

5.1 絕對最小濾波器不滿足功率速降

受端雙極四閥組直流功率P全壓5500 MW運行，通過軟件程序置數方法模擬受端直流控制系統切除多組HP 12/24型交流濾波器，促使直流系統因絕對最小濾波器不滿足而啟動功率速降，回降功率指令由無功控制計算得到，為2400 MW。功率速降試驗波形如圖8所示，實際直流功率由5500 MW回降至3 101.4 MW；無功控制功率回降命令Y、功率速降量P1、功率速降標識信號X生成時序與設計一致。相同試驗工況下，與不采用直流功率速降策略試驗結果對比如表2所示。定義直流發生功率速降的時刻為初始時刻。采用常規功率回降策略，頻率控制系統無法啟動、識別出直流功率損失；而采用直流功率損失判斷準確性提升方法可以保證頻率控制系統短時間識別出直流功率損失。

表2 頻率控制系統常規功率回降與速降策略試驗結果對比Tab.2 Comparison between normal rundown and fast rundown of DC power

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

5.2 頻率控制系統命令功率提升

通過修改頻率控制系統主機PCS 992試驗定值，模擬頻率控制系統向直流發出提升1000 MW調制功率指令P原。提升試驗波形如圖9所示，提升前直流雙極全壓四閥組4000 MW運行，受端直流功率P′為3921 MW，調制功率指令經過補償修正為P補1053 MW；提升后受端直流功率為4926 MW，實際提升1005 MW。經過補償后調制功率誤差僅為0.5%，驗證了調制功率補償功能的正確性。

圖9 頻率控制系統提升直流波形Fig.9 Waveform of DC power runup by FECCS

5.3 換相失敗過程中功率提升

在RTDS中模擬受端交流電網A相金屬性接地故障300 ms，同時通過頻率控制系統主機PCS 992向直流模擬發送提升1000 MW功率調制功率指令。試驗波形如圖10所示。

圖10 換相失敗延時調制波形Fig.10 Waveform of delay modulation of commutation failure

交流故障導致直流出現連續換相失敗，在發生第三次換相失敗同時接收到頻率控制系統調制命令。交流故障恢復、換相失敗消失1 s后，換相失敗延時調制功能釋放鎖存的調制命令，試驗結果驗證了延時調制功能的正確性。

6 結語

直流作為頻率控制系統的重要組成部分，應充分重視其對頻率控制系統控制效果的影響。直流協調控制功能一方面負責向頻率控制系統快速準確反饋包含直流功率損失在內的自身狀態變化信息，另一方面承擔精確執行頻率控制系統調制命令的任務。兩方面都直接影響到頻率控制系統最終的調節效果。

本文圍繞直流協調控制功能介紹了直流控制與頻率控制系統接口方式，提出了直流功率速降策略、調制功率補償方法和換相失敗延時調制方法，從而為頻率控制系統的快速、準確動作提供了支撐，改善了電網頻率穩定控制效果。

靈紹直流協調控制功能作為華東頻率控制系統中重要組成部分，已正式投入運行。隨著國家對于特高壓直流的持續建設，將有更多區域電網利用頻率控制系統應對大容量多直流饋入引發的電網安全穩定問題。如何根據分層接入特高壓直流的特點設計適應于不同電網間調制功率協調策略是直流協調控制功能后續研究的重點。