应用直流调制改善水电能源基地交流电网运行特性

北极星智能电网在线讯:摘要：直流输电具有远距离、大容量、无稳定问题等特点，适用于大型能源基地电力集中开发和外送场景。随着我国能源基地的开发建设，直流工程数量以及送电规模不断提高，直流系统的调制功能对系统稳定运行的影响日益凸显。西南地区水电资源丰富，目前通过多回特高压直流工程送电至华东地区。水电基地电网独立运行时系统阻尼特性相对较差，故障时交流系统易发生超低频振荡现象。频率控制器是直流系统附加控制之一，能够根据交流系统频率变化快速调整直流输送功率，进而改善交流系统的频率特性和阻尼特性。西南电网仿真结果表明，利用直流频率控制器能够有效改善西南电网阻尼特性，提高系统频率稳定水平。

关键词：直流输电；附加频率控制器；频率稳定；系统阻尼；超低频振荡

0引言

直流输电具备远距离、大容量、无系统稳定问题等优势[1]，已成为我国远距离输电的主要技术手段之一。目前，我国已建成超过20回直流输电工程，将我国西北、西南等地区的大量电力送至中东部地区消纳。未来随着“三北”、西南等地区能源基地的进一步开发，我国还规划建设多回跨区直流输电工程[2-3]，将能源基地的富余电力送至负荷中心地区消纳。

随着我国直流工程规模以及单回直流工程输电容量不断提高，直流输电的控制及运行方式对交流系统的稳定影响更加突出。与受端负荷中心系统相比，送端能源基地的交流系统普遍具有规模小、装机规模大、网架结构薄弱等特点，系统发生扰动后送端交流系统的电压、频率问题突出。与火电机组相比，水电机组由于水锤效应导致阻尼特性相对较差，扰动后系统发生振荡失稳的风险更高。通过改造水轮机调速器[4]以及合理配置安控措施，能够有效抑制高水电占比交流系统的振荡发生；在此基础上，通过配置合理的附加控制功能、优化直流系统控制特性，能够进一步降低系统振荡的风险。附加频率控制器(auxiliaryfrequencycontroller，AFC)是直流工程的附加控制功能之一，能够根据交流系统频率变化调整直流输送功率，实现对交流系统紧急支援[5]。目前，关于采用直流调制改善系统运行和稳定特性已取得了丰富的研究成果：文献[6]梳理和分析了直流附加控制功能的特点，提出了直流附加控制的系统定位；文献[7]提出利用直流功率调制抑制交直流互联电网不同模式、区域下的功率振荡；文献[8-11]研究了利用直流调制满足直流送端孤岛系统频率控制需求；文献[12-14]研究了利用直流功率调制改善交直流并列运行的区域电网间交换功率的振荡和频率特性：文献[15]综合考虑了直流调制和机组快速气门等措施，提出了针对负荷突变引起的混联系统频率振荡最优控制策略；文献[16]分析了不同直流调制方案对南方电网系统暂态稳定裕度的影响；文献[17]设计了阻尼交直流混联输电系统在孤岛运行方式下发生次同步振荡和低频振荡的多通道直流附加控制器。上述关于直流附加控制研究的重点是通过直流调制提高大系统稳定水平以及改善孤岛系统的调频能力等方面；而在控制器模型、参数整定，改善直流送端能源基地交流系统动态特性等方面的关注较少。本文首先对比了2类典型附加频率控制器的结构和特点，在此基础上提出了附加频率控制器的模型、参数设计原则；其次，分析了西南电网独立运行存在的问题及机理，设计了阻尼超低频振荡的附加频率控制器；最后，通过仿真校核以及现场试验验证了本文设计控制器的正确性及有效性。

1附加频率控制器模型及设计原则

1.1模型及响应特性

1）典型频率控制器模型。直流系统投入附加频率控制器功能后，当检测到一侧交流系统频率波动时，控制器将产生一个调制量，调节直流工程的实时传输功率值，从而实现另一侧交流系统对本侧交流系统的有功功率支援。目前，常用的附加频率控制器主要有2种型式：一种是基于一阶惯性环节，另一种是基于比例积分环节，其传递函数分别见图1(a)、1(b)。

图中：T1R、T1I分别为整流侧、逆变侧滤波时间常数；ε为控制器调节死区；K2R、K2I分别为整

流侧、逆变侧比例增益系数；T2R、T2I分别为整流侧、逆变侧控制环节的时间常数；Dmax为控制器功率调制限值；ΔP为直流输送功率调制量。2）控制器模型响应特性。采用一阶惯性环节的控制器，响应速度相对较慢且为有差调节，相当于系统一次调频。采用比例积分环节的控制器，响应速度快且能够实现无差调节，相当于系统的二次调频。与一阶惯性环节相比，采用比例积分环节的控制器，需要及时对积分器清零以避免调制后直流功率偏离预定值。

1.2控制器设计及参数整定原则

1）控制器设计原则。为适应跨区互联大电网通过直流系统相互支援的技术要求，在进行控制器设计时应考虑如下原则：①附加频率控制器不宜改变交流主网频率控制的基本原则；②控制器动作不能激发或者激化两侧交流系统的振荡；③控制器动作不宜导致交流电网的关键断面出现功率越限；④控制器设计应合理利用直流的过负荷能力。

2）参数整定原则。直流附加频率控制器主要有死区ε、比例增益系数K、功率调制限值Dmax、滤波时间常数T1以及控制环节时间常数T2。其整定原则如下：①死区ε、控制器时间常数T2的设定既要避免功率超调，又要防止错失直流调制的控制时机；②比例增益系数K、功率调制限值Dmax的设定既要保证控制器的调制有效性，还要避免由于直流调制导致直流换相失败、分接开关和交流滤波器频繁动作；③滤波时间常数T1应具备良好的抗扰动能力，能够滤除频率测量时出现的白噪声，避免控制器频繁动作；④附加频率控制器的参数不仅要与直流系统自身的安控措施相匹配，还应与近区关键断面安控策略相协调，避免与安控措施配合复杂化。

2西南电网直流外联运行的特点及问题

2.1西南电网的特点根据规划，2018年将投产渝鄂背靠背工程，工程投产后西南电网将通过多回直流工程与区外电网相连。图2为渝鄂背靠背投产后西南电网结构图。

西南电网独立运行后，电网结构和特性将发生显著变化，主要表现为网内水电装机占比将超过装机总容量的70%，电网呈现高水电占比、多直流大容量外送、网内负荷相对较小等特点，是典型的大规模水电能源基地开发外送场景。

2.2存在的问题

1）水电机组超低频振荡。根据仿真分析表明，西南电网独立运行后，在小负荷方式下，网内超过50%的交流线路故障与直流换相失败和闭锁故障均可引发电网频率的持续的超低频振荡，振荡频率约0.05~0.08Hz，且随着直流外送电力规模的提高，超低频振荡现象愈发严重。图3为洪沟—板桥线路N–1故障，直流外送规模对系统超低频振荡的影响。

2）机理分析

文献[18]的研究表明，水轮机组及其调速系统会向系统提供负阻尼转矩，当系统自身阻尼较弱时，将导致系统振荡。文献[19-20]研究表明水轮机组的水锤效应系数TW是影响系统超低频振荡的主要因素，随着TW变大，水轮机环节在低频率段(0.01~1Hz)将降低系统相位裕度；随着系统规模以及频率特性的降低系统稳定裕度也进一步恶化，在此工况下，调速器稳定性对TW将更加敏感。一般机组满载时TW在0.5~4.0s之间，随着水轮机组容量的增加，机组的导水管道长度、水头高度也相应增加，水锤效应系数也随之增加，导致机组振荡的频率更低，负阻尼更加严重。图4给出了四川网内某水轮机组孤岛运行时，水锤效应系数TW对系统超低频振荡的影响。