高 琴, 陳亦平, 朱 林, 張 勇, 唐卓堯, 李崇濤
(1. 華南理工大學(xué)電力學(xué)院, 廣東省廣州市510641; 2. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 廣東省廣州市510623;3. 西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 陜西省西安市 710049)
云南異步聯(lián)網(wǎng)工程是南方電網(wǎng)化解交直流并聯(lián)運行風(fēng)險的一項重大工程。進入異步聯(lián)網(wǎng)模式后,大容量直流系統(tǒng)閉鎖引發(fā)的功角穩(wěn)定問題基本解決。但與此同時,送端系統(tǒng)規(guī)模減小、轉(zhuǎn)動慣量和本地負荷水平的降低也帶來了頻率失穩(wěn)的風(fēng)險[1-2]。除常規(guī)頻率調(diào)控手段外,還應(yīng)充分利用直流系統(tǒng)功率的快速可控性參與頻率調(diào)節(jié)。
目前區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)間通常采用直流功率緊急支援參與頻率控制[3-4],但緊急功率支援由事件觸發(fā),根據(jù)策略表改變直流輸送功率,依賴于復(fù)雜的穩(wěn)控系統(tǒng),無法對頻率進行實時連續(xù)調(diào)節(jié)。在直流頻率控制中,雙側(cè)頻率調(diào)制一般用于提高交直流并聯(lián)系統(tǒng)的阻尼特性;直流頻率限制器(frequency limit controller,F(xiàn)LC)則通常用來維持弱交流系統(tǒng)側(cè)的頻率穩(wěn)定性。經(jīng)綜合比較,在云南外送直流系統(tǒng)中啟用了FLC參與送端頻率調(diào)節(jié)。該功能的投入,使得云南電網(wǎng)的頻率特性與傳統(tǒng)交直流互聯(lián)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著差異。
對云南異步聯(lián)網(wǎng)頻率問題的研究,多集中于運行網(wǎng)架轉(zhuǎn)變引起系統(tǒng)風(fēng)險的變化[5]、高水電比例系統(tǒng)超低頻振蕩的機理分析與穩(wěn)控措施[6],以及負荷模型、調(diào)速器參數(shù)、高周切機措施等對云南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響[7-8],未深入分析FLC的投入對云南電網(wǎng)頻率動態(tài)特性的影響特征。
而對FLC的研究多見于直流孤島系統(tǒng)的相關(guān)研究中。文獻[9-10]分析指出,采用FLC死區(qū)小于發(fā)電機一次調(diào)頻死區(qū)的控制策略解決孤島系統(tǒng)頻率周期性振蕩問題。文獻[11]則分析了FLC在直流孤島系統(tǒng)中不同工況下的運行特性以及與機組、安全控制等各方面的配合策略,保證孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但上述分析局限于FLC的典型傳遞函數(shù),未涉及FLC實際控制邏輯與動作特性的分析。且異步運行方式下的云南電網(wǎng)與直流孤島系統(tǒng)在送端系統(tǒng)規(guī)模、外送直流數(shù)量以及頻率調(diào)控的復(fù)雜性上存在明顯差異,F(xiàn)LC在孤島系統(tǒng)中的控制策略不能直接應(yīng)用于云南電網(wǎng)。
云南異步聯(lián)網(wǎng)后,預(yù)防頻率失穩(wěn)的第一道防線即為一次調(diào)頻和FLC。因此本文將基于實際擾動案例,分析FLC與一次調(diào)頻的相互影響,提出適用于異步運行方式的FLC應(yīng)用策略,為異步互聯(lián)系統(tǒng)中FLC的策略設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。
考慮到直流的安全運行、維護需求,以及對頻率控制的需要,要求FLC在大功率擾動下起到抑制頻率峰值的作用且要避免頻繁動作。為此,在云南實際系統(tǒng)的直流FLC中,采用“死區(qū)+無差調(diào)節(jié)+功率復(fù)歸”的方法來抑制系統(tǒng)的大范圍波動。直流FLC的控制邏輯分為兩種:反向頻差復(fù)歸模型和積分負反饋復(fù)歸模型。
反向頻差復(fù)歸模型的控制邏輯如圖1所示。
圖1 反向頻差復(fù)歸模型控制邏輯Fig.1 Control logic of reverse frequency differential model
其中,Δf=f-fref為系統(tǒng)頻差;±fH為FLC死區(qū);KP和KI分別為比例和積分環(huán)節(jié)系數(shù);ΔPmin和ΔPmax分別為直流功率調(diào)制量下限和上限;ΔP和Pref分別為輸出的直流功率附加調(diào)節(jié)量與直流功率參考值;xi為直流系統(tǒng)的狀態(tài)量。
當(dāng)頻差升高至Δf>+fH時,由于限幅的關(guān)系,Δx2和ΔP2為0,從而直流功率由下式確定:
(1)
積分負反饋復(fù)歸模型的控制邏輯如圖2所示。
圖2 積分負反饋復(fù)歸模型控制邏輯Fig.2 Control logic of integrated negative feedback model
控制邏輯1:當(dāng)|x1|≥0.005 Hz,延時100 ms啟動FLC;當(dāng)|x1|<0.005 Hz,則強制輸出x2為零。
控制邏輯2:當(dāng)x2≠0,選擇信號x3;當(dāng)x2=0,延時60 s選擇信號x6。
當(dāng)頻差升高至Δf>+fH,直流功率由下式確定:
(2)
式中:T為積分時間常數(shù);K為復(fù)歸系數(shù)。
上述兩種FLC控制邏輯分別沿用了SIEMENS和ABB的控制策略設(shè)計。目前云南電網(wǎng)外送高壓直流系統(tǒng)中,有4回直流采用的是反向頻差復(fù)歸型FLC,有3回直流采用的是積分負反饋復(fù)歸型FLC。
2016年4月26日17:19:56時,楚穗直流發(fā)生單極閉鎖故障,閉鎖極功率2 500 MW,試驗后云南電網(wǎng)頻率最高為50.41 Hz,云南電網(wǎng)頻率及直流功率如圖3所示。其中,直流FLC死區(qū)均設(shè)置為0.1 Hz,反向頻差復(fù)歸模型中KP和KI為0.3和0.222;積分負反饋復(fù)歸模型中KP,KI,T,K分別為0.6,0.444,10,0.1。
圖3 頻率及直流功率曲線Fig.3 Curves of frequency and DC power
在B至C段,頻率到達峰值后開始下降,F(xiàn)LC由于輸入信號Δf-fH減小,調(diào)節(jié)量中比例分量跟隨頻差減小,積分分量隨時間增加。由于調(diào)速器調(diào)節(jié)緩慢,F(xiàn)LC積分分量持續(xù)累積,調(diào)節(jié)量再次上升,將頻率限制到50.1 Hz。
C至D段為反向頻差復(fù)歸型調(diào)速器的功率復(fù)歸過程。由于直流FLC調(diào)節(jié)速度快,可跟隨頻率的變化迅速改變調(diào)節(jié)量,因此在復(fù)歸過程中,調(diào)速器調(diào)節(jié)的機組出力將全部用于直流FLC調(diào)節(jié)量的釋放,系統(tǒng)頻率維持在50.1 Hz附近。
積分負反饋復(fù)歸型FLC在頻差恢復(fù)至FLC死區(qū)后立即進入延時階段,在C至E段,由于調(diào)速器不能及時調(diào)節(jié)機組出力,頻差多次越過FLC死區(qū),引起積分負反饋復(fù)歸型FLC反復(fù)中斷復(fù)歸過程,直流長時間運行于過負荷狀態(tài)。
由上述分析可知,在投入FLC功能的多直流異步送出系統(tǒng)中,功率大擾動后的動態(tài)過程可以簡述為:FLC快速輸出調(diào)節(jié)量,將系統(tǒng)頻差限制至FLC死區(qū)附近,調(diào)速器響應(yīng)頻差調(diào)節(jié)的機組出力將優(yōu)先釋放FLC調(diào)節(jié)量,然后恢復(fù)頻率至準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。
在C至D段對一次調(diào)頻而言,相當(dāng)于調(diào)速器基于頻差的階躍擾動響應(yīng)。根據(jù)調(diào)速器有差調(diào)節(jié)特性,對固定的頻差Δf0,一次調(diào)頻能夠輸出的總調(diào)節(jié)量為:
(3)
式中:BP為一次調(diào)頻的調(diào)差系數(shù)。一次調(diào)頻的響應(yīng)速度則與調(diào)速器比例—積分—微分(PID)參數(shù)相關(guān)。
因此FLC死區(qū)的設(shè)置決定了一次調(diào)頻備用的有效容量,而機組調(diào)速器PID參數(shù)決定了備用調(diào)用速度。若因FLC死區(qū)過小導(dǎo)致一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)量受限,或者因調(diào)速器參數(shù)調(diào)整導(dǎo)致響應(yīng)過慢,在高頻問題下都將引起FLC長期運行于過負荷狀態(tài),不利于設(shè)備安全。從設(shè)備可靠性方面考慮,需要加快頻率恢復(fù)以釋放FLC調(diào)節(jié)量。
由于FLC比例、積分及時間常數(shù)按照工程經(jīng)驗設(shè)置初值,通過實驗試湊法調(diào)整,并經(jīng)直流工程調(diào)制的驗證[12],相同模型采用統(tǒng)一控制參數(shù),工程應(yīng)用中基本不做調(diào)整。因此本文僅對FLC備用安排、死區(qū)配合、與調(diào)速器的協(xié)調(diào)配合策略做優(yōu)化分析。
3.1.1暫態(tài)頻率偏移限值
從系統(tǒng)安全角度考慮,應(yīng)滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》的規(guī)定,即發(fā)生最大N-1故障時,系統(tǒng)應(yīng)保持頻率穩(wěn)定且不導(dǎo)致低頻減載[13];同時考慮到異步運行方式下云南電網(wǎng)直流閉鎖引起的高頻問題,在發(fā)生最大N-1故障時,還應(yīng)保證高頻切機不動作。
目前,云南電網(wǎng)低頻減載第1輪定值為49.0 Hz,高頻切機第一輪定值為50.8 Hz[7]。為保證最大N-1故障下,低頻減載與高周切機可靠不動作,暫態(tài)頻率偏移限值應(yīng)留有一定裕度,即要求異步運行方式下,云南電網(wǎng)最低頻率不低于49.2 Hz,最高頻率不高于50.6 Hz。
3.1.2暫態(tài)恢復(fù)頻率
目前國內(nèi)對暫態(tài)恢復(fù)頻率的要求為:一次調(diào)頻作用后的穩(wěn)態(tài)頻差的允許值為±0.2 Hz。而FLC參與調(diào)頻后,會快速將系統(tǒng)頻差抑制在其死區(qū)以內(nèi)。因此對異步運行方式下的云南電網(wǎng)而言,要求一次調(diào)頻動作后,系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定頻率恢復(fù)至(50±fH)Hz,并釋放全部直流FLC的調(diào)節(jié)量,±fH為FLC的死區(qū)。
合理安排FLC備用能夠充分發(fā)揮FLC對頻率峰值的抑制作用。采用2017年夏天極限方式數(shù)據(jù)進行仿真分析,每回直流FLC備用容量從0開始每次增加100 MW,備用達到直流額定容量的20%停止增加,并設(shè)置楚穗直流單極閉鎖2 500 MW進行N-1校驗,F(xiàn)LC不同備用容量下,系統(tǒng)的頻率曲線對比見附錄A圖A1。
在1 400 MW的備用容量下,系統(tǒng)頻率峰值為50.43 Hz,已經(jīng)能夠滿足暫態(tài)頻率偏移限值的要求,保證云南高頻切機可靠不動作。備用容量達到2 100 MW及以上時,對進一步抑制頻率峰值作用明顯減弱。
因此,在實際運行中,考慮一定裕度(直流故障極不能提供上調(diào)容量、熱穩(wěn)定限制等)以及直流的經(jīng)濟運行,建議云南外送所有運行直流FLC應(yīng)按其額定容量設(shè)置2 000 MW左右的備用容量,對更大的擾動功率需結(jié)合穩(wěn)控措施實現(xiàn)對頻率峰值的抑制。
1)FLC死區(qū)的確定
FLC的死區(qū)設(shè)置需要綜合考慮頻率峰值的控制和調(diào)節(jié)量的釋放過程。對FLC死區(qū)設(shè)置進行仿真分析,F(xiàn)LC死區(qū)從±0.1 Hz開始逐漸增加,并進行最大N-1校驗。FLC不同死區(qū)下,云南電網(wǎng)頻率峰值以及FLC復(fù)歸時間(頻差返回到FLC死區(qū)內(nèi),且所有直流FLC調(diào)節(jié)量復(fù)歸完畢)見附錄B圖B1。
直流FLC死區(qū)與系統(tǒng)頻率峰值基本呈線性關(guān)系,死區(qū)從0.1 Hz增加到0.14 Hz,頻率峰值僅增加0.03 Hz。而不同死區(qū)對FLC復(fù)歸時間影響非常大,在±0.1 Hz死區(qū)下,一次調(diào)頻調(diào)節(jié)量受限,無法釋放全部的直流FLC調(diào)節(jié)量。在死區(qū)增加到±0.14 Hz時,F(xiàn)LC復(fù)歸時間在1 min左右,繼續(xù)增加FLC死區(qū)對減小復(fù)歸時間作用不大,反而會增加系統(tǒng)的頻率峰值。因此經(jīng)綜合考慮,F(xiàn)LC死區(qū)設(shè)置在±0.14~±0.16 Hz較為合適。
2)多死區(qū)協(xié)調(diào)配合策略
在云南電網(wǎng)實際運行中,從降損角度考慮,外送功率通常優(yōu)先安排特高壓直流送出。相比高壓直流,特高壓直流向上調(diào)節(jié)空間小,且設(shè)備對絕緣要求高,其過負荷能力安全約束較多。在發(fā)生大功率擾動后,通常需要在短時間內(nèi)迅速釋放調(diào)節(jié)量,恢復(fù)正常運行狀態(tài)。
由于死區(qū)對FLC調(diào)節(jié)量的復(fù)歸存在顯著影響,可通過設(shè)置差異化死區(qū)來實現(xiàn)多回直流FLC間的協(xié)調(diào)配合。即對過負荷運行條件要求嚴(yán)格的直流,如楚穗和普僑兩條特高壓直流條件,將FLC死區(qū)設(shè)置大于其他直流,即可實現(xiàn)其調(diào)節(jié)量的優(yōu)先釋放,充分利用其他直流的過負荷能力。
在同步聯(lián)網(wǎng)時,云南電網(wǎng)的水電機組調(diào)速器采用并網(wǎng)參數(shù),動態(tài)性能優(yōu)良,在頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)后,正常在30 s以內(nèi)即動作完畢[14]。而異步運行方式下,為了抑制調(diào)速器參數(shù)不穩(wěn)定引起的超低頻振蕩問題,將調(diào)速器參數(shù)調(diào)節(jié)為孤島參數(shù)[15],一次調(diào)頻響應(yīng)慢、調(diào)節(jié)周期長。為了改善調(diào)速器動態(tài)性能,需要在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上對調(diào)速器參數(shù)進行優(yōu)化[16],具體優(yōu)化過程如下。
1)目標(biāo)
考慮詳細的水輪機調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng),求其階躍響應(yīng)函數(shù),以機組一次調(diào)頻動作至穩(wěn)態(tài)值的80%所需時間最短為目標(biāo)。
2)約束條件
調(diào)速器參數(shù)需保證每臺機組向系統(tǒng)提供正阻尼,同時調(diào)速器參數(shù)需在合理的范圍內(nèi)。
3)特征值靈敏度方法求解
根據(jù)所關(guān)心的超低頻振蕩模式下特征值相對于每臺機組調(diào)速系統(tǒng)PID參數(shù)的靈敏度的大小和正負,以單機階躍響應(yīng)時間最快為目標(biāo)、阻尼比ξ>0為約束條件,進行迭代計算。
根據(jù)所提方法,對云南電網(wǎng)主要水電廠機組調(diào)速器參數(shù)進行優(yōu)化,受篇幅限制,這里僅列出3個電廠優(yōu)化前后的參數(shù)及響應(yīng)時間對比如表1所示。
表1 參數(shù)優(yōu)化前后響應(yīng)情況Table 1 Corresponding situation before and after parameter optimization
采用優(yōu)化參數(shù)在2017年各種運行方式下進行頻域與時域驗證,超低頻振蕩模式的阻尼均能滿足工程要求。由此可知,本文所提優(yōu)化方法,在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下,能夠明顯減小調(diào)速器響應(yīng)時間,使其動態(tài)性能得到優(yōu)化,加速系統(tǒng)頻率的恢復(fù)。
2017年7月31日普僑直流系統(tǒng)發(fā)生單極閉鎖,閉鎖極功率2 500 MW,系統(tǒng)頻率及直流功率的動態(tài)過程如圖4所示。
圖4 優(yōu)化后FLC動作特性Fig.4 Operating characteristics of FLC after optimization
由圖4可知,異步聯(lián)網(wǎng)后,在云南電網(wǎng)開展上述優(yōu)化工作后,直流閉鎖后的動態(tài)過程顯著改善,頻率質(zhì)量達到較高的控制水平。
本文以云南異步聯(lián)網(wǎng)為背景,研究了FLC的調(diào)頻特性及應(yīng)用策略,主要結(jié)論如下。
1)分析了大功率擾動下FLC與一次調(diào)頻的動態(tài)調(diào)節(jié)過程。結(jié)果表明,在大功率擾動下FLC將優(yōu)先承擔(dān)擾動功率,顯著降低頻率峰值;隨后由調(diào)速器調(diào)節(jié)機組功率釋放FLC調(diào)節(jié)量。且FLC死區(qū)一定程度上決定了一次調(diào)頻備用的有效容量,而機組調(diào)速器PID參數(shù)決定了一次調(diào)頻備用的調(diào)用速度,從而直接影響FLC的復(fù)歸快慢。
2)基于FLC與一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)配合關(guān)系,結(jié)合暫態(tài)頻率控制要求,綜合考慮頻率穩(wěn)定限制、控制效果以及直流經(jīng)濟運行,提出了FLC備用安排、死區(qū)配合方案,以及調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化方法,并投入實際運行,取得了良好的運行效果。
為減少送受端的相互影響,簡化協(xié)調(diào)配合策略,目前僅投入了直流送端的FLC功能。南方電網(wǎng)東部主網(wǎng)作為多直流饋入的受端電網(wǎng),如何發(fā)揮FLC對受端系統(tǒng)的功率支援作用,協(xié)調(diào)好送受端的相互影響將在后續(xù)研究中展開。
本文由南方電網(wǎng)公司科技項目(ZDKJXM20160001)資助,特此感謝!
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
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