浅谈柔性直流输电系统频率控制

浅谈柔性直流输电系统频率控制

徐荣军

徐荣军

（国网福建省电力有限公司检修分公司362000）

摘要：建立了基于同步旋转坐标系下向无源网络供电的VSC-HVDC暂态数学模型，研究了两种不同频率控制对柔性直流输电系统（VSC-HVDC）中扰动下电压穿越能力的影响。基于PSCAD/EMTDC软件对电网故障下两种频率控制方式的电压工况进行了仿真验证，研究表明，使用可变频率控制后，在三相电网故障中系统不会发生电压崩溃或电压过量下垂。

一、VSC-MTDC互联系统?

VSC-MTDC系统是包含3个及以上的电压源型换流站的直流系统。与双端直流输电系统只有一条直流传输线不同，VSC-MTDC系统需要多条直流传输线。根据运行条件和设计要求的不同，VSC-MTDC输电系统主要有串联型、并联型和混合型3种接线方式。其中并联型VSC-MTDC系统具有扩展性强、运行灵活性高、线路损耗小等特点，在多数工程中被广泛接受。直流输电线电阻较小且没有电抗的特点使得并联型直流网络中各节点的电压近似相等。本文研究对象是如图1所示并联放射形3端VSC-MTDC互联系统。

图中S1～S3为有源交流系统，装机容量分别为384、288和288MW；VSC1与VSC2为整流站，VSC3为逆变站，额定容量分别为60、60和120MW；额定正负极直流电压Udcref为200kV；取Udcref的±7.5%作为直流电压波动的限定值。换流站有功功率以注入交流侧为正方向。图2给出了交流系统偏离正常频率的限制时间图。该图表明，在49.8～50.2Hz的频带内可持续运行；而在49.8Hz以下和50.2Hz以上的虚线面积是限时运行区；其他区域是禁止运行区。

对于图1所示互联系统，假设一侧交流系统出现负荷变化，由于换流站之间没有通讯，定功率站的功率指令不能及时改变，即其他交流系统无法通过VSC-MTDC进行功率支援。负荷变化量全部由事故端系统承担，只能依靠自身的调频作用和负荷的功频特性达到发电机组输出与系统有功需求的平衡。倘若事故端系统没有良好的一次频率响应特性，会导致事故后系统的准稳态频率过低(过高)，甚至进入禁止运行区，从而使低周减载(高周切机)装置动作，不利于系统的可靠运行。可见，VSC-MTDC系统采用定有功功率控制时，在隔绝各交流系统之间的相互影响方面有一定的优越性；与此同时，直流系统因对交流侧系统频率不敏感性，无法在交流系统发生事故时提供同步功率，牺牲了各交流系统相互支援的能力。倘若能让VSC-MTDC各交流侧系统都参与事故端系统的频率调整，则整个系统的频率稳定性将进一步得到改善。

二、VSC-MTDC互联系统频率稳定控制

在不需要通讯的前提下，VSC-MTDC互联系统共同参与事故端系统的频率调整需要2个基本条件：一是所有具备功率调节能力的换流器都参与直流网络不平衡功率的调节；二是换流站可对交流侧系统的频率做出响应。电压源型换流器高度可控、灵活高效的特点，有功传输量改变时不需要无功装置的投切配合。鉴于此，本文结合直流电压斜率控制与附加频率控制，提出一种用于VSC-MTDC互联系统的频率稳定控制策略。

2.1直流电压斜率控制

若同一时刻直流网络的不平衡功率只有单一换流站流承担，可能会导致对与之相联的交流侧系统频率发生较大变化。为使所有具备功率调节能力的换流器都参与直流网络不平衡功率的调节，换流站应运行于平衡节点状态。直流电压斜率控制策略的控制思路来源于交流系统中的调频控制器，这种调整方式可以采用一条直流电压与功率的关系曲线来表示，控制特性及控制器结构分别如图3—4所示。图中：Pref表示有功功率指令值；Udcref表示直流电压指令值；K表示P-Udc的斜率。

er表示直流电压偏差量，稳态时近似为零。直流电压斜率控制器结合了功率控制器和直流电压控制器的特点，其目的在于实现对换流站输入交流功率控制的同时，实现直流网络传输功率的平衡。图3中直流电压与直流功率间的斜率关系为：

由式(4)可知，K决定了各换流站分担直流网络中不平衡功率量的大小，较大的K意味着将分担较小的不平衡功率，较小的K意味着分担较多的不平衡功率。斜率K的取值一般换流器容量成反比关系。本文中K1=0.2,K2=0.2,K3=0.1。直流电压斜率控制策略不需要站间通讯，也不需要控制模式的切换，所有具备功率调节能力换流站根据其所测得的直流电压值按固定斜率调整功率指令值，共同承担直流网络不平衡功率。

2.2附加频率控制

1）在交流系统的频率发生变化时，换流站并不能对交流侧系统的频率变化做出响应，交流侧频率的变化只能取决于本地发电机组的调频能力和负荷的功频特性。

2）其他交流系统并不能通过VSC-MTDC进行功率支援，未充分利用整个互联交流系统的频率调整能力。

结语

本文提出一种VSC-MTDC互联系统频率稳定控制策略。该控制策略无需通信，通过附加频率控制使换流站可对交流侧系统的频率做出响应，通过直流电压斜率控制使多个换流站共同分担直流网络中的不平衡功率。在一端交流系统频率发生较大变化时，各交流系统可以通过VSC-MTDC相互进行功率支援，缓解事故端系统的有功不平衡状况，从而减小事故端交流系统的频率变化量，甚至将频率失稳的系统拉入稳定。

参考文献

[1]郑超．实用柔性直流输电系统建模与仿真算法[J]．电网技术，2013．

[2]孙文博，徐华利，付媛，等．应用于大型风电基地功率外送的多端直流输电系统协调控制[J]．电网技术，2013．

作者简介

徐荣军（1983.03.18），男，福建厦门，国网福建省电力有限公司检修分公司，研究方向：柔性直流输电换流站变电运维专业