美丽山特高压直流Ⅱ期工程附加控制功能设计
南京南瑞继保电气有限公司的研究人员李林、吕彦北、龚飞、王永平，在2020年第6期《电气技术》杂志上撰文，针对巴西美丽山直流Ⅱ期工程两端交流电网的特点，开展了附加控制功能设计。
首先介绍了两种频率控制器的原理和特点，并对联网和孤岛运行方式下的频率控制器进行了选型和参数设计，利用美丽山Ⅱ期直流的频率控制功能，当电网发生故障时，有利于稳定电网频率。其次介绍了功率振荡阻尼控制的原理以及控制器设计方法，开展了控制器设计和参数设计，并在RTDS上进行了仿真试验，验证了阻尼效果。最后介绍了当交流电网发生故障时，需要紧急功率提升/回降美丽山Ⅱ期直流，开展了与安稳接口功能的设计。
通过现场运行和试验表明，上述设计行之有效，对其他直流工程附加控制功能设计，有一定的参考和借鉴意义。
特高压直流输电在电网中的应用越来越广泛，在电力系统中的地位更加重要。附加控制是高压/特高压直流输电系统中的一种稳定控制方法，当与直流系统相连接的交流系统受到扰动时，附加控制功能通过调节直流系统的传输功率使交流系统恢复到稳定。不同的直流工程接入的交流系统不同，附加控制功能的设计也不尽相同，需要根据所接入的交流系统的特点开展设计。
附加控制功能包括功率紧急提升/回降、频率控制、功率振荡阻尼控制、抑制次同步振荡控制。功率紧急提升/回降功能主要是用于与安稳接口，将直流运行及故障信息送至安稳，同时执行安稳发来的功率提升/回降命令。频率控制通过采集电网频率，调节直流功率实现电网频率的稳定。
功率振荡阻尼控制主要通过提高系统区域间振荡模式阻尼的手段来抑制大电网区域间的振荡。抑制次同步振荡控制通过对直流系统电流控制器的电流指令进行调制，使直流系统相对发电机组的次同步振荡模态起到正阻尼作用，多用于大型火电厂通过直流输电送出的场合。
巴西美丽山±800kV直流输电工程包含两回±800kV双极双落点直流，用于将巴西北部的能源中心与东南部的负荷中心相连，构建巴西电网南北互联的大通道，满足东南部地区的用电需求。
第一回（美丽山Ⅰ回）北部起于欣古换流站，南部止于埃斯特雷多换流站，输电距离2084km，已于2018年建成。第二回（美丽山Ⅱ回）直流北部起于欣古换流站，止于巴西东南部里约换流站，输电距离2542km，已于2019年建成。
每回直流输送容量均为4000MW，直流额定电流2.5kA。北方丰水期时，欣古换流站作为整流运行，里约作为逆变运行，为功率正送方式；北方旱期时，里约换流站作为整流运行，欣古作为逆变运行，为功率反送方式。
北部电网除通过直流通道与东南部电网实现互联外，还通过一条交流通道与东南部电网实现互联，为交流直流并联电网。欣古换流站通过两条交流线路与北部主网相连，当两条交流线路断开时，欣古换流站存在孤岛运行方式。
本文根据巴西美丽山直流Ⅱ期工程两端电网的特点，开展了附加控制功能设计，并在RTDS上进行了仿真试验，对附加控制功能进行了验证，对其他直流工程附加控制功能设计，有一定的参考和借鉴意义。
1 美丽山直流Ⅱ期工程两侧交流电网及附加控制功能设计需求
1.1 巴西电网概况
巴西国家电网（SIN）包括五大同步互联的区域电网：北部电网（North）、东北部电网（Northeast）、中西部电网（Midwest）、东南部电网（Southeast）、南部电网（South），由巴西国家电力调度中心（ONS）统一调度，巴西北部电网与东南部电网的互联结构如图1所示。
通过图1可以看出，北部电网，通过美丽山Ⅰ回和美丽山Ⅱ回直流，以及一条交流通道与东南部电网实现互联，为交流直流并联电网结构。
1.2 欣古侧的北部电网结构
美丽山Ⅰ和Ⅱ回直流的配套电源是美丽山水电厂（Belo Monte），共18台机组，总容量11000MW，通过5回500kV线路接入欣古（Xingu）换流站。
图1 巴西北部电网与东南部电网互联结构
图2 欣古侧的电网结构
欣古换流站目前仅通过欣古（Xingu）—图库鲁伊（Tucurui）2回500kV线路与主网相连。欣古—图库鲁伊线路双向送电，若北电南送，且美丽山水电厂开机较多，由Xingu送电Tucurui；若北电南送，且美丽山水电厂开机较少，由Tucurui送电Xingu。欣古—图库鲁伊交流线路N2故障时，将引发美丽山直流欣古侧孤岛运行。
1.3 里约侧的东南部电网结构
美丽山二回直流T. Rio换流站分别通过2回500kV线路接入N. Iguacu变电站，通过2回500kV线路接入Adrianopolis变电站，通过1回500kV线路接入CSN（C. Paulista）变电站，通过1回500kV线路接入Resende变电站。
1.4 附加控制功能设计需求
当北部电网与东南部电网的交流通道故障断开时，两侧交流电网的频率将越限，利用美丽山Ⅱ期直流的频率控制功能，将有利于系统频率稳定。
当欣古换流站与北部主网相连的两条交流线路断开时，将出现孤岛运行方式，进入孤岛以及孤岛运行时，系统频率稳定问题突出，利用美丽山Ⅱ期直流的频率控制功能，将有利于系统频率稳定。
经巴西国调研究，欣古侧交流电网发生故障或受到较大的扰动时，交流线路功率出现振荡，需利用美丽山Ⅱ期直流的功率控制功能，提高系统区域间振荡模式阻尼抑制振荡。
当美丽山直流Ⅰ期工程故障时，或是水电厂机组故障时，或是南北交流通道故障时，或是欣古换流站到图库鲁伊的联络线故障时，都需要通过提升/回降直流，保证系统的稳定性。因此，美丽山直流Ⅱ工程需设计与安稳接口，执行紧急功率提升/回降。
美丽山Ⅱ期直流工程为大型水电送出工程，由于水电机组轴系较短，不存在次同步振荡的问题，因此不配置抑制次同步振荡的功能。
2 频率控制功能设计
2.1 频率控制器设计基本要求
直流频率控制器设计基本原则：①不应改变主网频率控制的基本原则；②不能激发两侧交流系统的振荡；③不应导致交流电网的关键断面出现功率越限。
频率控制器参数整定要求：①频率控制器的死区、惯性时间常数的设定既要避免功率调制过快，导致超调现象；又要防止响应速度过慢，从而错失对系统频率进行控制的时机；②频率控制器功率调制范围既要保证不因实施功率支援而导致直流换相失败，又要在直流半功率或小功率时，充分利用直流输送能力。
2.2 频率控制器选型
频率控制器主要有基于一阶惯性环节和基于比例积分环节两类。
1）基于一阶惯性环节的频率控制器
控制器特点有：①为有差调节，相当于一次调频；②与比例积分环节相比，调节速度相对较慢、超调量小。
基于一阶惯性环节的频率控制器的传递函数通常如图3所示。首先计算出频差，然后经过惯性环节、死区环节、比例环节和限幅环节，得到频率控制器的调制量。
图3 基于一阶惯性环节的频率控制器
2）基于比例积分环节的频率控制器
控制器特点有：①为无差调节，相当于二次调频；②由于积分环节的存在，控制速度较快，但超调量也较大；③积分器需及时清空，避免直流输送功率偏移设置的功率定值。
基于比例积分环节的频率控制器的传递函数通常如图4所示。首先计算出频差，然后经过惯性环节、死区环节、比例环节和限幅环节，得到频率控制器的调制量。
图4 基于比例积分环节的频率控制器
带积分环节的频率控制器，需要注意的是，积分器具有保持功能，如果积分器不清零，直流系统输送功率将偏移运行人员设置的功率定值，给后续操作带来安全隐患。清零有主动和被动两种方法。
主动方法是在积分器清零的同时，更新功率定值，使功率定值与输送功率一致；被动方法是在积分器上增加反馈环节，随着系统二次调频的作用，积分器的输出逐渐减小到零，直流功率恢复的之前输入的功率上去。
3）频率控制器选择
频率控制器模型的选择应根据系统强度、系统频率特性以及协调适应性等因素综合确定。
（1）联网方式下的频率控制器选择。欣古换流站通过两回交流线路与图库鲁伊水电厂相连，从而接入北部主网，属于较强系统，对频率控制器调节速度要求不高，其功能定位为发电机一次调频辅助措施，间接提高断面输电能力，即有差调节。因此，推荐采用一阶惯性环节的频率控制器。
（2）欣古侧孤岛运行方式下的频率控制器选择。当欣古换流站与图库鲁伊水电厂相连的两回交流线路跳开时，欣古换流站所处的交流系统较弱，比例积分环节频率控制器由于积分环节的存在，可以保证频率控制的快速、准确，其控制目的是实现对系统的无差调节。推荐采用比例积分环节频率控制器。
2.3 频率控制器参数整定
在工程上，关于频率控制器参数整定，首先根据以往工程的经验，确定一套初始参数，利用仿真软件搭建交直流电网详细模型，模拟电网故障试验，检查频率控制器的响应情况，根据频率控制器的响应情况调整控制器参数，最终确定一套最优的参数，使得控制器对频率的变化能迅速响应，并平滑跟踪，超调量小。
本工程不同参数的仿真比较试验主要由巴西国调开展，相关参数由巴西国调提供。
1）频率控制器死区的选择
频率控制器的比例增益系数K、死区DB具有较强的正相关性，在控制器输出相同的条件下，DB取值越小，K取值也可相应减小；反之亦然。巴西电网一次调频任务仍然由主力发电机组承担，直流频率控制器作为提升调频能力的重要补充，死区DB应大于机组一次调频死区。同时，结合巴西国调的仿真研究，现阶段频率控制器死区设置为0.5Hz。
2）频率控制器增益选择
为适应频率控制器的输出限幅，在直流换流站公共连接点频率偏差为1Hz时，频率控制器输出的直流功率调制量应能够达到控制器的输出限幅。
因此频率控制器增益系数不宜设置太小，否则无法在故障期间向系统提供足够的频率支撑，同时考虑一定裕度。根据巴西国调的仿真研究，现阶段频率控制器增益系数设置为666MW/Hz。惯性环节时间常数按0.01s设置，积分环节常数按10s设置。
3 功率振荡阻尼控制功能设计
3.1 功率振荡阻尼控制基本原理
电力系统中发电机经输电线并列运行时，在扰动下会发生发电机转子间的相对摇摆，并在缺乏阻尼时引起持续振荡。此时，输电线上的功率也会发生相应振荡。
附加阻尼控制功能主要通过提高系统区域间振荡模式阻尼的手段来抑制大电网区域间的振荡。其基本原理是从并联交流联络线上或从两端交流系统中提取反映交流联络线路异常的信号，用以调节直流输电线路传输的功率，使之快速吸收或补偿交流联络线的功率过剩或缺额，起到阻尼振荡的作用。
3.2 功率振荡阻尼控制器设计
通过设计直流系统功率振荡阻尼控制器来改善系统的性能，其本质上是将校正环节引入直流控制系统。从根轨迹法的角度考虑，在控制系统中加入校正环节，引入新的零、极点，使得校正后的闭环根轨迹，向有利于改善系统性能的方向改变。闭环零、极点得到重新布置，从而满足闭环系统的性能要求。因此，功率振荡阻尼控制器的核心是校正环节，控制器设计的主要工作是选择校正方式，确定合适的校正环节的传递函数。
关于校正方式的选择，一般采用的校正方式是采用补偿法对输出量与输入量之间的相位差增加一定的补偿，得到合适的控制输出。
补偿方法有两种：①滞后补偿法；②超前-滞后补偿法。基于两种补偿方法设计的调制器在配置了合适的参数后，对于抑制系统低频振荡及提高系统暂态稳定性的效果基本相当。根据以往工程经验，在移相角度较小、采用滞后环节可以满足要求的情况下，巴西美丽山Ⅱ期直流选取简单的（滞后+比例）型控制器。
关于调制信号的选取，一方面，两端交流系统的频率信号能够在一定程度上反映出送端和受端电网之间的同步性；另一方面，从调制信号与被控制量的关系上看，双侧频差信号与所需的阻尼转矩是基本同相的。
根据这两个信号进行直流功率调节对与抑制送、受端系统间的低频振荡会有较好的效果。因此，选择两端换流站交流母线的频差作为调制信号。
图5 功率振荡阻尼控制器
关于阻尼控制器增益的选择，通常在相位合适的条件下，阻尼控制器增益越大，直流调制功率也越大，对系统阻尼效果越好。然而，若阻尼控制器增益太大，进一步引起高频振荡。
这是由于过大的增益将导致系统控制模式出现弱阻尼或负阻尼，类似PSS控制器增益整定。通过仿真试验，结合巴西国调的研究，K按1000设置。
美丽山Ⅱ期直流功率振荡阻尼控制器仅在联网方式下投入，即欣古换流站通过与图库鲁伊水电厂相连的两回交流线路运行时投入。当欣古换流站通过与图库鲁伊水电厂相连的两回交流线路断开时，需自动退出功率振荡阻尼控制器。
4 紧急功率提升/回降功能的设计
紧急功率提升/回降直流功能，用于在交直流大电网混合运行时，系统发生某些故障时，通过增加或减少直流传输功率，平衡电网潮流，保证整个系统的稳定性。
对于美丽山直流Ⅱ期工程而言，在美丽山直流Ⅰ期工程故障时，或是水电厂机组故障时，或是南北交流通道故障时，或是欣古换流站到图库鲁伊的联络线故障时，都需要通过提升/回降直流，保证系统的稳定性。
美丽山直流Ⅱ工程控制系统通过与安稳接口实现紧急功率提升/回降功能。安稳装置与控制系统的接口用光纤通信的方式。
安控装置将给控制系统发送功率提升或者回降的功率量；极控系统将直流系统闭锁信号、直流系统最大可调功率量发给安控系统，安控执行提升美丽山一回直流或切除发电机的操作。
由于交流系统相对较弱，美丽山Ⅱ期直流执行紧急提升/回降的速率按8.4×105MW/min设置，与国内直流的速率设置为7.5×106MW/min不同。
在美丽山Ⅱ期直流控制系统站间通信中断时，为了不失去电流裕度，保证直流系统的稳定运行，提升/回降的速率受到限制，不能满足系统的需要。因此，将站间通信中断信号送至安控，当站间通信中断时，安控不再采取提升/回降直流的措施。
5 附加控制功能试验
在RTDS上开展两侧详细交流电网建模，反映整流站和逆变站两侧的交流系统，包括发电机、输电线路、变压器、电容器、电抗器以及交流电网中所包含的其他元件。开机台数，潮流分布均按照巴西国调提供的数据设置。
5.1 孤岛频率控制功能试验
试验工况：双极全压运行，由里约向欣古输送功率1900MW，欣古水电厂三台发电机作为同步调相机运行，欣古换流站通过Xingu—Tucurui两回交流线路向图库鲁伊输送有功400MW。
模拟故障：模拟Xingu—Tucurui双线同时故障，故障后双线跳开，北部电网由联网转孤岛运行，安稳动作，发出回降直流400MW的命令。
试验结果如图6所示，从交流线路故障跳闸到安稳回降直流，有140ms的延时，在此期间，系统有功不平衡，频率越限，超出动作死区，频率控制器动作，调节直流功率，减小了频率波动，稳定系统频率，在安稳动作回降直流后，直流频率控制器的输出逐渐减小到0。
图6 孤岛频率控制功能试验波形
5.2 联网频率控制功能试验
试验工况：双极全压运行，由里约向欣古输送功率400MW，南北交流通道通过两回交流线路由南向北输送功率2100MW。模拟交流南北通道单回线路故障跳闸，功率损失1050MW，安稳动作提升直流1050MW。
试验结果如图7所示，从交流线路故障跳闸到安稳提升直流，以及在直流提升的过程中，频率越限，频率控制器动作，调节直流功率，减小了频率波动，由于联网下的频率控制器没有积分环节，当频差小于0.5Hz时，其输出即为0。
图7 联网频率控制功能试验波形
5.3 功率振荡阻尼控制功能试验
美丽山直流Ⅱ期工程单极全压金属回线运行，功率方向为欣古送里约，功率300MW。投入功率摇摆阻尼功能，在阻尼控制器增益为0MW/Hz和1000MW/Hz条件下，分别施加400MW，持续30s的上阶跃。
在RTDS上的试验结果如图8所示，当直流功率突变时，激发出功率振荡，通过增益为0MW/Hz和1000MW/Hz的结果对比，可以看出，功率振荡阻尼控制器起到了阻尼振荡效果。
图8 RTDS上功率振荡阻尼控制功能试验波形
巴西时间2019年11月30日凌晨，在美丽山直流工程现场开展了同样的试验，试验结果如图9所示，与RTDS试验结果一致，当直流功率突变时，激发出功率振荡，功率振荡阻尼控制器起到了阻尼振荡效果。
图9 现场功率振荡阻尼控制功能试验波形
6 结论
本文介绍了巴西美丽山特高压直流Ⅱ期工程欣古侧和里约侧所接入交流系统的特点，并针对两侧电网的特点，开展了频率控制器的选型和参数设计；介绍了功率振荡阻尼控制的原理，控制器设计及参数选择；介绍了紧急功率提升/回降功能的设计。
通过RTDS仿真试验验证了频率控制器和功率振荡阻尼控制功能。通过现场运行表明，美丽山直流Ⅱ期工程的附加控制功能设计行之有效，对其他直流工程附加控制功能设计，有一定的参考和借鉴意义。