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        嵊泗直流輸電工程雙極直流功率不平衡運(yùn)行解決方案

        2011-11-01 07:10:10許繼電氣股份有限公司郭宏光李雪群
        河南科技 2011年12期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        許繼電氣股份有限公司 郭宏光 李雪群

        嵊泗電力公司 顏明波

        許繼電氣股份有限公司 王柏恒

        嵊泗直流輸電工程雙極直流功率不平衡運(yùn)行解決方案

        許繼電氣股份有限公司 郭宏光 李雪群

        嵊泗電力公司 顏明波

        許繼電氣股份有限公司 王柏恒

        本文,筆者結(jié)合嵊泗直流輸電工程運(yùn)行的實(shí)際情況,經(jīng)過仔細(xì)地分析研究,進(jìn)一步明確了造成雙極直流功率不平衡運(yùn)行的關(guān)鍵因素,即站間通信系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及直流場(chǎng)接地極CT(電流互感器)故障導(dǎo)致的雙極電流平衡控制功能失效。實(shí)際運(yùn)行表明,通過采用控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)頻控制策略和雙極電流平衡控制的新方法,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軟件進(jìn)行優(yōu)化的方案是合理、切實(shí)可行的,大大降低了改造成本。

        一、嵊泗直流工程調(diào)頻控制原理

        1.工程概況。嵊泗直流輸電工程是我國(guó)第一條雙極跨海直流輸電工程,是為了解決嵊泗縣電力緊缺以及寶山鋼鐵公司馬跡山港礦山轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭正常生產(chǎn)所需電力而建設(shè)的。自上海市南匯區(qū)的蘆潮港換流站向浙江省嵊泗列島的嵊泗換流站供電,直流額定電壓為±50 kV,直流額定電流為600 A,直流額定功率在正送時(shí)(蘆潮港送嵊泗)雙極為60 MW,單極為30 MW,2002年投入商業(yè)運(yùn)行。2002年嵊泗島內(nèi)的基本負(fù)荷為10 MW,馬跡山礦山碼頭的沖擊負(fù)荷為12 MW,調(diào)頻控制的目的是針對(duì)直流輸電系統(tǒng)受端為弱小系統(tǒng)時(shí)的情況,將受端交流系統(tǒng)頻率作為調(diào)制量,充分利用直流輸電調(diào)節(jié)功率快速的特點(diǎn),滿足受端弱小系統(tǒng)在各種動(dòng)態(tài)情況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。特別是要滿足島內(nèi)所有柴油發(fā)電機(jī)組關(guān)閉、僅靠直流輸電作為電源的“黑網(wǎng)”運(yùn)行的要求。

        2.直流頻率控制系統(tǒng)及其功能。主要包括,受端交流電網(wǎng)頻率的測(cè)量,直流系統(tǒng)起停過程中的頻率干預(yù)功能以及直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的頻率控制功能。直流頻率控制系統(tǒng)如圖1所示。

        (1)受端交流電網(wǎng)頻率的測(cè)量。其原理是,首先將交流同步電壓由正弦波調(diào)整為方波信號(hào),使用高頻計(jì)數(shù)器對(duì)周期進(jìn)行精確計(jì)算,得到逆變側(cè)(受端)交流電網(wǎng)的頻率。然后將頻率信號(hào)通過直流輸電控制系統(tǒng)的快速站間通信通道送到整流側(cè)(送端)。

        (2)直流輸電系統(tǒng)起停過程中的頻率干預(yù)功能。直流系統(tǒng)起停過程和功率升降過程中,如果頻率偏差超過門檻值,將暫時(shí)停止上述過程的執(zhí)行,以盡量減小直流功率變化對(duì)受端電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。待受端電網(wǎng)達(dá)到新的功率平衡后,再繼續(xù)執(zhí)行上述過程的,直到直流功率達(dá)到設(shè)定值。

        (3)直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的頻率控制功能。通過整流側(cè)控制系統(tǒng)判斷逆變側(cè)電網(wǎng)頻率偏差是否超過某一門檻值,一旦超過該值,調(diào)頻控制便發(fā)出調(diào)頻有效信號(hào)。此時(shí),通過開放數(shù)字式頻率調(diào)節(jié)器計(jì)算出的逆變側(cè)交流電網(wǎng)的頻率信號(hào),進(jìn)行調(diào)節(jié)算法,根據(jù)當(dāng)前直流系統(tǒng)的控制模式(功率控制還是電流控制),輸出一個(gè)功率或電流調(diào)制信號(hào),并疊加到設(shè)定的功率或電流參考值,從而使得直流功率的動(dòng)態(tài)地變化。這樣,當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)和負(fù)荷波動(dòng)時(shí),直流系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地改變輸送直流功率的大小,通過直流功率的支持使交流系統(tǒng)隨時(shí)保持動(dòng)態(tài)的平衡。調(diào)頻控制原理如圖2所示。

        二、調(diào)頻控制中的問題及原因分析

        1.根據(jù)嵊泗直流工程控制系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)采用雙極獨(dú)立調(diào)頻方式。這樣做的好處是雙極獨(dú)立配置頻率控制器,雙極之間不需要依賴極間通信進(jìn)行協(xié)調(diào)。該控制策略基于如下考慮。一是在極間通信故障、測(cè)頻環(huán)節(jié)故障或站間通信故障情況下,一極退出調(diào)頻控制,另一極仍能完成系統(tǒng)調(diào)頻功能。二是在發(fā)生雙極調(diào)頻不同步時(shí),由雙極電流平衡控制模塊來保證雙極的平衡運(yùn)行。

        嵊泗直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行初期,由于島內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷及馬跡山礦山碼頭沖擊負(fù)荷較小,雙極直流持續(xù)在小負(fù)荷情況下運(yùn)行,一極因檢修和維護(hù)的原因閉鎖后,另一極仍能滿足全島用電的要求。但是2007年以來,原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)便已無法滿足實(shí)際需求,雙收不平衡運(yùn)行。寶鋼集團(tuán)馬跡山港礦山轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭二期工程上馬后,沖擊負(fù)荷比2002年增加了2倍。同時(shí),隨著嵊泗縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,基本負(fù)荷比2002年增加了2倍多。因此,直流輸電系統(tǒng)一個(gè)極的功率已不能滿足基本負(fù)荷和馬跡山港沖擊負(fù)荷的要求。在雙極不平衡運(yùn)行的情況下,運(yùn)行人員每天需要多次的人工平衡操作,不僅增加了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度,同時(shí)也給直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了不利的影響。

        2.通過對(duì)兩個(gè)換流站現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研、測(cè)試和分析,發(fā)現(xiàn)雙極功率不能平衡運(yùn)行的原因主要有以下兩點(diǎn)。

        (1)由于雙極采用獨(dú)立調(diào)頻方式,兩極頻率控制的控制量均為嵊泗側(cè)電網(wǎng)頻率,該頻率信號(hào)是通過高速站間通信(海纜復(fù)合光纖)送到整流側(cè)頻率控制器。通信路徑是逆變側(cè)極控→TDM設(shè)備→光端機(jī)→復(fù)合光纖通道→光端機(jī)→TDM設(shè)備→整流側(cè)極控,由于兩極的通信通道延時(shí)和誤碼率不完全一致,致使兩極測(cè)頻信號(hào)出現(xiàn)偏差,使得雙極調(diào)頻控制輸出不一致。

        (2)在正常情況下,即使出現(xiàn)雙極功率不平衡,在動(dòng)態(tài)沖擊負(fù)荷的間隙期間,雙極電流平衡控制仍能快速、自動(dòng)地將雙極電流拉回到平衡狀態(tài),并維持總功率不變。但由于接地極引線CT故障率較高,目前已無法工作,使得雙極平衡控制無法發(fā)揮作用。

        三、功能優(yōu)化

        相關(guān)分析表明,雙極聯(lián)合調(diào)頻控制和雙極平衡控制優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決嵊泗直流輸電系統(tǒng)雙極不平衡運(yùn)行的關(guān)鍵。可以在不需要更換新的接地極CT設(shè)備,不需要增加任何硬件設(shè)備的前提下,使用軟件優(yōu)化的方法解決上述問題。

        1.雙極聯(lián)合調(diào)頻控制。

        (1)解決方案的選擇。采用最典型的主導(dǎo)極調(diào)頻方式,即由主導(dǎo)極完成調(diào)頻控制,非主導(dǎo)極不參與調(diào)頻控制,主導(dǎo)極調(diào)頻控制器輸出調(diào)制量經(jīng)過高速極間通信通道同時(shí)送給兩個(gè)極,實(shí)現(xiàn)雙極同步調(diào)頻。但是這種方案的問題是,如果主導(dǎo)極站間通信故障,逆變站的頻率信號(hào)無法傳輸?shù)秸髡?,將使雙極均失去調(diào)頻控制,這對(duì)于在有沖擊負(fù)荷存在下的嵊泗弱小電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常不利的,容易導(dǎo)致嵊泗電網(wǎng)切負(fù)荷甚至造成系統(tǒng)崩潰。

        為了最大限度地滿足嵊泗直流工程調(diào)頻可靠性的要求,雙極調(diào)頻采用新的調(diào)頻控制方案。嵊泗電網(wǎng)在沖擊負(fù)荷作用下,頻率的變化是以s為單位的;而快速測(cè)頻模塊10 ms完成1次頻率計(jì)算,是以ms為單位的,通過高速站間通信通道,10 ms就可以把頻率數(shù)據(jù)送到整流站參與調(diào)頻控制。如果將該頻率信號(hào)送到另一極,快速極間通信也僅增加10 ms的時(shí)間,10 ms期間頻率的變化相對(duì)于嵊泗電力系統(tǒng)來說可以忽略不計(jì)。基于以上基本分析,采用一個(gè)極的頻率信號(hào)作為雙極同步調(diào)頻控制的輸入是合理的。

        (2)具體實(shí)現(xiàn)方案。首先,雙極統(tǒng)一采用一個(gè)極的頻率信號(hào)作為控制量,優(yōu)先采用極一的頻率信號(hào)。然后,再把極間通信和站間通信的狀態(tài)作為選用各極頻率信號(hào)的條件,從而大大減少站間通信系統(tǒng)故障對(duì)調(diào)頻控制的影響。

        (3)頻率信號(hào)的基本選擇策略。如果極一站間通信正常且極間通信正常,則雙極都采用極一的頻率信號(hào);如果極間通信不正常,則各極采用各自的頻率信號(hào);如果極一站間通信不正常,極二站間通信正常,則雙極都采用極二的頻率信號(hào)。通信故障條件下的頻率差處理流程如圖3所示。

        2.雙極電流平衡控制。雙極電流平衡控制是極控系統(tǒng)的基本功能之一。首先,通過過兩個(gè)極的極控分別檢測(cè)接地極引線電流Iee1和Iee2,對(duì)兩個(gè)電流求和,得到Iee。然后,把該信號(hào)輸入PI調(diào)節(jié)器中,并根據(jù)電流定義的方向,將電流大的極減小電流參考值、電流小的極增大電流參考值,直到兩極達(dá)到電流平衡狀態(tài)。

        由于接地極引線CT故障,在不更換該CT的情況下,首先采用極間通信將兩極的極線電流Id1經(jīng)過200 ms平均濾波后進(jìn)行互傳,然后通過對(duì)兩極的Id1和Id1-op進(jìn)行求差,得到Iee,從而計(jì)算出接地極電流,利用原有的雙極電流平衡軟件模塊實(shí)現(xiàn)電流的平衡控制。

        四、試驗(yàn)

        程序修改下載后,進(jìn)行了雙極開機(jī)、模擬極間通信故障、沖擊負(fù)荷等試驗(yàn),并對(duì)正常運(yùn)行情況下的電流平衡能力進(jìn)行了重點(diǎn)觀測(cè)。通過波形分析軟件抽取時(shí)間刻度點(diǎn)的數(shù)據(jù),形成2個(gè)數(shù)據(jù)表格,如表1、表2所示。

        表1 功能優(yōu)化程序修改前電流不平衡數(shù)據(jù)A

        表 2 功能優(yōu)化程序修改后電流不平衡數(shù)據(jù)A

        根據(jù)表1、表2計(jì)算得到:功能程序修改前,雙極不平衡電流絕對(duì)差值的平均值△I1=110.1 A;功能程序修改后,雙極不平衡電流絕對(duì)差值的平均值△I2=22.1 A;△I1/△I2=5。由于實(shí)際負(fù)荷是變化的,無法進(jìn)行同一直流電流運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)對(duì)比,但是控制行為中對(duì)平衡電流能力要求的標(biāo)準(zhǔn)卻是一致的,且不受直流電流大小的影響,因此可以認(rèn)為功能程序修改后的電流平衡能力是修改前的5倍。

        五、結(jié)論

        本文,筆者從嵊泗直流輸電系統(tǒng)雙極不平衡的問題出發(fā),分析問題的關(guān)鍵因素,利用控制系統(tǒng)極間和站間高速數(shù)據(jù)通信通道及其冗余性,提出了雙極聯(lián)合調(diào)頻的新方法和雙極電流平衡控制的新原理。在不增加任何硬件設(shè)備的前提下,通過修改軟件,較好地解決了雙極平衡的問題,不僅可以提高嵊泗直流輸電系統(tǒng)在弱網(wǎng)條件下的可靠性和可用率,還能有效減少閥設(shè)備的無功消耗以及濾波器組的投入,從而更好地滿足了嵊泗直流“黑網(wǎng)”運(yùn)行的要求。

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