特高壓直流輸電在電網中的應用越來越廣泛，在電力系統中的地位更加重要。附加控制是高壓/特高壓直流輸電系統中的一種穩定控制方法，當與直流系統相連接的交流系統受到擾動時，附加控制功能通過調節直流系統的傳輸功率使交流系統恢復到穩定。不同的直流工程接入的交流系統不同，附加控制功能的設計也不盡相同，需要根據所接入的交流系統的特點開展設計。

附加控制功能包括功率緊急提升/回降、頻率控制、功率振蕩阻尼控制、抑制次同步振蕩控制。功率緊急提升/回降功能主要是用于與安穩接口，將直流運行及故障信息送至安穩，同時執行安穩發來的功率提升/回降命令。頻率控制通過采集電網頻率，調節直流功率實現電網頻率的穩定。

功率振蕩阻尼控制主要通過提高系統區域間振蕩模式阻尼的手段來抑制大電網區域間的振蕩。抑制次同步振蕩控制通過對直流系統電流控制器的電流指令進行調制，使直流系統相對發電機組的次同步振蕩模態起到正阻尼作用，多用于大型火電廠通過直流輸電送出的場合。

巴西美麗山±800kV直流輸電工程包含兩回±800kV雙極雙落點直流，用于將巴西北部的能源中心與東南部的負荷中心相連，構建巴西電網南北互聯的大通道，滿足東南部地區的用電需求。

第一回（美麗山Ⅰ回）北部起于欣古換流站，南部止于埃斯特雷多換流站，輸電距離2084km，已于2018年建成。第二回（美麗山Ⅱ回）直流北部起于欣古換流站，止于巴西東南部里約換流站，輸電距離2542km，已于2019年建成。

每回直流輸送容量均為4000MW，直流額定電流2.5kA。北方豐水期時，欣古換流站作為整流運行，里約作為逆變運行，為功率正送方式；北方旱期時，里約換流站作為整流運行，欣古作為逆變運行，為功率反送方式。

北部電網除通過直流通道與東南部電網實現互聯外，還通過一條交流通道與東南部電網實現互聯，為交流直流并聯電網。欣古換流站通過兩條交流線路與北部主網相連，當兩條交流線路斷開時，欣古換流站存在孤島運行方式。

本文根據巴西美麗山直流Ⅱ期工程兩端電網的特點，開展了附加控制功能設計，并在RTDS上進行了仿真試驗，對附加控制功能進行了驗證，對其他直流工程附加控制功能設計，有一定的參考和借鑒意義。

1 美麗山直流Ⅱ期工程兩側交流電網及附加控制功能設計需求

1.1 巴西電網概況

巴西國家電網（SIN）包括五大同步互聯的區域電網：北部電網（North）、東北部電網（Northeast）、中西部電網（Midwest）、東南部電網（Southeast）、南部電網（South），由巴西國家電力調度中心（ONS）統一調度，巴西北部電網與東南部電網的互聯結構如圖1所示。

通過圖1可以看出，北部電網，通過美麗山Ⅰ回和美麗山Ⅱ回直流，以及一條交流通道與東南部電網實現互聯，為交流直流并聯電網結構。

1.2 欣古側的北部電網結構

美麗山Ⅰ和Ⅱ回直流的配套電源是美麗山水電廠（Belo Monte），共18臺機組，總容量11000MW，通過5回500kV線路接入欣古（Xingu）換流站。

圖1 巴西北部電網與東南部電網互聯結構

圖2 欣古側的電網結構

欣古換流站目前僅通過欣古（Xingu）—圖庫魯伊（Tucurui）2回500kV線路與主網相連。欣古—圖庫魯伊線路雙向送電，若北電南送，且美麗山水電廠開機較多，由Xingu送電Tucurui；若北電南送，且美麗山水電廠開機較少，由Tucurui送電Xingu。欣古—圖庫魯伊交流線路N◆2故障時，將引發美麗山直流欣古側孤島運行。

1.3 里約側的東南部電網結構

美麗山二回直流T. Rio換流站分別通過2回500kV線路接入N. Iguacu變電站，通過2回500kV線路接入Adrianopolis變電站，通過1回500kV線路接入CSN（C. Paulista）變電站，通過1回500kV線路接入Resende變電站。

1.4 附加控制功能設計需求

當北部電網與東南部電網的交流通道故障斷開時，兩側交流電網的頻率將越限，利用美麗山Ⅱ期直流的頻率控制功能，將有利于系統頻率穩定。

當欣古換流站與北部主網相連的兩條交流線路斷開時，將出現孤島運行方式，進入孤島以及孤島運行時，系統頻率穩定問題突出，利用美麗山Ⅱ期直流的頻率控制功能，將有利于系統頻率穩定。

經巴西國調研究，欣古側交流電網發生故障或受到較大的擾動時，交流線路功率出現振蕩，需利用美麗山Ⅱ期直流的功率控制功能，提高系統區域間振蕩模式阻尼抑制振蕩。

當美麗山直流Ⅰ期工程故障時，或是水電廠機組故障時，或是南北交流通道故障時，或是欣古換流站到圖庫魯伊的聯絡線故障時，都需要通過提升/回降直流，保證系統的穩定性。因此，美麗山直流Ⅱ工程需設計與安穩接口，執行緊急功率提升/回降。

美麗山Ⅱ期直流工程為大型水電送出工程，由于水電機組軸系較短，不存在次同步振蕩的問題，因此不配置抑制次同步振蕩的功能。

2 頻率控制功能設計

2.1 頻率控制器設計基本要求

直流頻率控制器設計基本原則：①不應改變主網頻率控制的基本原則；②不能激發兩側交流系統的振蕩；③不應導致交流電網的關鍵斷面出現功率越限。

頻率控制器參數整定要求：①頻率控制器的死區、慣性時間常數的設定既要避免功率調制過快，導致超調現象；又要防止響應速度過慢，從而錯失對系統頻率進行控制的時機；②頻率控制器功率調制范圍既要保證不因實施功率支援而導致直流換相失敗，又要在直流半功率或小功率時，充分利用直流輸送能力。

2.2 頻率控制器選型

頻率控制器主要有基于一階慣性環節和基于比例積分環節兩類。

1）基于一階慣性環節的頻率控制器

控制器特點有：①為有差調節，相當于一次調頻；②與比例積分環節相比，調節速度相對較慢、超調量小。

基于一階慣性環節的頻率控制器的傳遞函數通常如圖3所示。首先計算出頻差，然后經過慣性環節、死區環節、比例環節和限幅環節，得到頻率控制器的調制量。

圖3 基于一階慣性環節的頻率控制器

2）基于比例積分環節的頻率控制器

控制器特點有：①為無差調節，相當于二次調頻；②由于積分環節的存在，控制速度較快，但超調量也較大；③積分器需及時清空，避免直流輸送功率偏移設置的功率定值。

基于比例積分環節的頻率控制器的傳遞函數通常如圖4所示。首先計算出頻差，然后經過慣性環節、死區環節、比例環節和限幅環節，得到頻率控制器的調制量。

圖4 基于比例積分環節的頻率控制器

帶積分環節的頻率控制器，需要注意的是，積分器具有保持功能，如果積分器不清零，直流系統輸送功率將偏移運行人員設置的功率定值，給后續操作帶來安全隱患。清零有主動和被動兩種方法。

主動方法是在積分器清零的同時，更新功率定值，使功率定值與輸送功率一致；被動方法是在積分器上增加反饋環節，隨著系統二次調頻的作用，積分器的輸出逐漸減小到零，直流功率恢復的之前輸入的功率上去。

3）頻率控制器選擇

頻率控制器模型的選擇應根據系統強度、系統頻率特性以及協調適應性等因素綜合確定。

（1）聯網方式下的頻率控制器選擇。欣古換流站通過兩回交流線路與圖庫魯伊水電廠相連，從而接入北部主網，屬于較強系統，對頻率控制器調節速度要求不高，其功能定位為發電機一次調頻輔助措施，間接提高斷面輸電能力，即有差調節。因此，推薦采用一階慣性環節的頻率控制器。

（2）欣古側孤島運行方式下的頻率控制器選擇。當欣古換流站與圖庫魯伊水電廠相連的兩回交流線路跳開時，欣古換流站所處的交流系統較弱，比例積分環節頻率控制器由于積分環節的存在，可以保證頻率控制的快速、準確，其控制目的是實現對系統的無差調節。推薦采用比例積分環節頻率控制器。

2.3 頻率控制器參數整定

在工程上，關于頻率控制器參數整定，首先根據以往工程的經驗，確定一套初始參數，利用仿真軟件搭建交直流電網詳細模型，模擬電網故障試驗，檢查頻率控制器的響應情況，根據頻率控制器的響應情況調整控制器參數，最終確定一套最優的參數，使得控制器對頻率的變化能迅速響應，并平滑跟蹤，超調量小。

本工程不同參數的仿真比較試驗主要由巴西國調開展，相關參數由巴西國調提供。

1）頻率控制器死區的選擇

頻率控制器的比例增益系數K、死區DB具有較強的正相關性，在控制器輸出相同的條件下，DB取值越小，K取值也可相應減小；反之亦然。巴西電網一次調頻任務仍然由主力發電機組承擔，直流頻率控制器作為提升調頻能力的重要補充，死區DB應大于機組一次調頻死區。同時，結合巴西國調的仿真研究，現階段頻率控制器死區設置為0.5Hz。

2）頻率控制器增益選擇

為適應頻率控制器的輸出限幅，在直流換流站公共連接點頻率偏差為1Hz時，頻率控制器輸出的直流功率調制量應能夠達到控制器的輸出限幅。

因此頻率控制器增益系數不宜設置太小，否則無法在故障期間向系統提供足夠的頻率支撐，同時考慮一定裕度。根據巴西國調的仿真研究，現階段頻率控制器增益系數設置為666MW/Hz。慣性環節時間常數按0.01s設置，積分環節常數按10s設置。

3 功率振蕩阻尼控制功能設計

3.1 功率振蕩阻尼控制基本原理

電力系統中發電機經輸電線并列運行時，在擾動下會發生發電機轉子間的相對搖擺，并在缺乏阻尼時引起持續振蕩。此時，輸電線上的功率也會發生相應振蕩。

附加阻尼控制功能主要通過提高系統區域間振蕩模式阻尼的手段來抑制大電網區域間的振蕩。其基本原理是從并聯交流聯絡線上或從兩端交流系統中提取反映交流聯絡線路異常的信號，用以調節直流輸電線路傳輸的功率，使之快速吸收或補償交流聯絡線的功率過剩或缺額，起到阻尼振蕩的作用。

3.2 功率振蕩阻尼控制器設計

通過設計直流系統功率振蕩阻尼控制器來改善系統的性能，其本質上是將校正環節引入直流控制系統。從根軌跡法的角度考慮，在控制系統中加入校正環節，引入新的零、極點，使得校正后的閉環根軌跡，向有利于改善系統性能的方向改變。閉環零、極點得到重新布置，從而滿足閉環系統的性能要求。因此，功率振蕩阻尼控制器的核心是校正環節，控制器設計的主要工作是選擇校正方式，確定合適的校正環節的傳遞函數。

關于校正方式的選擇，一般采用的校正方式是采用補償法對輸出量與輸入量之間的相位差增加一定的補償，得到合適的控制輸出。

補償方法有兩種：①滯后補償法；②超前-滯后補償法。基于兩種補償方法設計的調制器在配置了合適的參數后，對于抑制系統低頻振蕩及提高系統暫態穩定性的效果基本相當。根據以往工程經驗，在移相角度較小、采用滯后環節可以滿足要求的情況下，巴西美麗山Ⅱ期直流選取簡單的（滯后+比例）型控制器。

關于調制信號的選取，一方面，兩端交流系統的頻率信號能夠在一定程度上反映出送端和受端電網之間的同步性；另一方面，從調制信號與被控制量的關系上看，雙側頻差信號與所需的阻尼轉矩是基本同相的。

根據這兩個信號進行直流功率調節對與抑制送、受端系統間的低頻振蕩會有較好的效果。因此，選擇兩端換流站交流母線的頻差作為調制信號。

圖5 功率振蕩阻尼控制器

關于阻尼控制器增益的選擇，通常在相位合適的條件下，阻尼控制器增益越大，直流調制功率也越大，對系統阻尼效果越好。然而，若阻尼控制器增益太大，進一步引起高頻振蕩。

這是由于過大的增益將導致系統控制模式出現弱阻尼或負阻尼，類似PSS控制器增益整定。通過仿真試驗，結合巴西國調的研究，K按1000設置。

美麗山Ⅱ期直流功率振蕩阻尼控制器僅在聯網方式下投入，即欣古換流站通過與圖庫魯伊水電廠相連的兩回交流線路運行時投入。當欣古換流站通過與圖庫魯伊水電廠相連的兩回交流線路斷開時，需自動退出功率振蕩阻尼控制器。

4 緊急功率提升/回降功能的設計

緊急功率提升/回降直流功能，用于在交直流大電網混合運行時，系統發生某些故障時，通過增加或減少直流傳輸功率，平衡電網潮流，保證整個系統的穩定性。

對于美麗山直流Ⅱ期工程而言，在美麗山直流Ⅰ期工程故障時，或是水電廠機組故障時，或是南北交流通道故障時，或是欣古換流站到圖庫魯伊的聯絡線故障時，都需要通過提升/回降直流，保證系統的穩定性。

美麗山直流Ⅱ工程控制系統通過與安穩接口實現緊急功率提升/回降功能。安穩裝置與控制系統的接口用光纖通信的方式。

安控裝置將給控制系統發送功率提升或者回降的功率量；極控系統將直流系統閉鎖信號、直流系統最大可調功率量發給安控系統，安控執行提升美麗山一回直流或切除發電機的操作。

由于交流系統相對較弱，美麗山Ⅱ期直流執行緊急提升/回降的速率按8.4×105MW/min設置，與國內直流的速率設置為7.5×106MW/min不同。

在美麗山Ⅱ期直流控制系統站間通信中斷時，為了不失去電流裕度，保證直流系統的穩定運行，提升/回降的速率受到限制，不能滿足系統的需要。因此，將站間通信中斷信號送至安控，當站間通信中斷時，安控不再采取提升/回降直流的措施。

5 附加控制功能試驗

在RTDS上開展兩側詳細交流電網建模，反映整流站和逆變站兩側的交流系統，包括發電機、輸電線路、變壓器、電容器、電抗器以及交流電網中所包含的其他元件。開機臺數，潮流分布均按照巴西國調提供的數據設置。

5.1 孤島頻率控制功能試驗

試驗工況：雙極全壓運行，由里約向欣古輸送功率1900MW，欣古水電廠三臺發電機作為同步調相機運行，欣古換流站通過Xingu—Tucurui兩回交流線路向圖庫魯伊輸送有功400MW。

模擬故障：模擬Xingu—Tucurui雙線同時故障，故障后雙線跳開，北部電網由聯網轉孤島運行，安穩動作，發出回降直流400MW的命令。

試驗結果如圖6所示，從交流線路故障跳閘到安穩回降直流，有140ms的延時，在此期間，系統有功不平衡，頻率越限，超出動作死區，頻率控制器動作，調節直流功率，減小了頻率波動，穩定系統頻率，在安穩動作回降直流后，直流頻率控制器的輸出逐漸減小到0。

圖6 孤島頻率控制功能試驗波形

5.2 聯網頻率控制功能試驗

試驗工況：雙極全壓運行，由里約向欣古輸送功率400MW，南北交流通道通過兩回交流線路由南向北輸送功率2100MW。模擬交流南北通道單回線路故障跳閘，功率損失1050MW，安穩動作提升直流1050MW。

試驗結果如圖7所示，從交流線路故障跳閘到安穩提升直流，以及在直流提升的過程中，頻率越限，頻率控制器動作，調節直流功率，減小了頻率波動，由于聯網下的頻率控制器沒有積分環節，當頻差小于0.5Hz時，其輸出即為0。

圖7 聯網頻率控制功能試驗波形

5.3 功率振蕩阻尼控制功能試驗

美麗山直流Ⅱ期工程單極全壓金屬回線運行，功率方向為欣古送里約，功率300MW。投入功率搖擺阻尼功能，在阻尼控制器增益為0MW/Hz和1000MW/Hz條件下，分別施加400MW，持續30s的上階躍。

在RTDS上的試驗結果如圖8所示，當直流功率突變時，激發出功率振蕩，通過增益為0MW/Hz和1000MW/Hz的結果對比，可以看出，功率振蕩阻尼控制器起到了阻尼振蕩效果。

圖8 RTDS上功率振蕩阻尼控制功能試驗波形

巴西時間2019年11月30日凌晨，在美麗山直流工程現場開展了同樣的試驗，試驗結果如圖9所示，與RTDS試驗結果一致，當直流功率突變時，激發出功率振蕩，功率振蕩阻尼控制器起到了阻尼振蕩效果。

圖9 現場功率振蕩阻尼控制功能試驗波形

6 結論

本文介紹了巴西美麗山特高壓直流Ⅱ期工程欣古側和里約側所接入交流系統的特點，并針對兩側電網的特點，開展了頻率控制器的選型和參數設計；介紹了功率振蕩阻尼控制的原理，控制器設計及參數選擇；介紹了緊急功率提升/回降功能的設計。

通過RTDS仿真試驗驗證了頻率控制器和功率振蕩阻尼控制功能。通過現場運行表明，美麗山直流Ⅱ期工程的附加控制功能設計行之有效，對其他直流工程附加控制功能設計，有一定的參考和借鑒意義。