楊躍輝+呂亮+戴甲水

摘 要 在交、直流系統(tǒng)故障或者受端負(fù)荷中心負(fù)荷短缺時，直流系統(tǒng)的快速響應(yīng)和過負(fù)荷能力有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和滿足系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)配。分析興安直流的過負(fù)荷能力及限制因素，結(jié)合案例進(jìn)行分析，并對運行日常工作提出合理建議。

關(guān)鍵詞 過負(fù)荷；直流；限制；穩(wěn)定

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0122-03

近年來，隨著多個直流輸電工程的相繼投產(chǎn)，南方電網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了8交6直的規(guī)模，直流輸電在南方電網(wǎng)的作用日趨明顯。興安直流作為南方電網(wǎng)眾多直流工程的一條，具有一定的短時和持續(xù)過負(fù)荷能力，當(dāng)發(fā)生并聯(lián)交流線路短路跳閘或某一極直流系統(tǒng)故障導(dǎo)致閉鎖等故障或擾動時，可以通過中的PSS（Power Swing Stabilization）、PSD（Power Swing Damping）、FLC（Frequency Limit Control）等附加功能，瞬時提高健全直流極的輸送功率，在直流輸電系統(tǒng)過負(fù)荷能力范圍內(nèi)，把故障交、直流線路輸送的部分或全部功率轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的正常運行的直流輸電系統(tǒng)，從而減輕功率轉(zhuǎn)移和功率失衡對交流系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。另外，在負(fù)荷高峰期，受端負(fù)荷緊張時，可以采用過負(fù)荷運行方式，提高直流輸送功率，緩解受端負(fù)荷壓力。

本文以興安直流為依托，詳細(xì)分析了直流過負(fù)荷能力及限制因素，結(jié)合實際案例和運行情況進(jìn)行說明。

1 興安直流過負(fù)荷能力分析

興安直流在額定運行狀態(tài)下，即電壓為±500 kV，雙極功率為3000 MW，在最高的設(shè)計環(huán)境溫度下，冗余冷卻不投入運行，也能滿足運行要求。直流輸電系統(tǒng)過負(fù)荷基于設(shè)計裕度，主要體現(xiàn)在過負(fù)荷幅度及持續(xù)時間，興安直流的過負(fù)荷能力主要與環(huán)境溫度、換流變及平抗冷卻器冗余度有關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度大于40℃時，將不能進(jìn)行任何等級的過負(fù)荷。

圖1 由環(huán)境溫度決定的暫態(tài)過負(fù)荷能力

興安直流過負(fù)荷主要有暫態(tài)過負(fù)荷（秒過負(fù)荷）、短時過負(fù)荷和持續(xù)過負(fù)荷，暫態(tài)過負(fù)荷主要有3 s、5 s和10 s過負(fù)荷，小時級過負(fù)荷包括2小時過負(fù)荷和持續(xù)過負(fù)荷。短時過負(fù)荷和持續(xù)過負(fù)荷可以在工作站上有運行人員進(jìn)行設(shè)置或者由控制功能進(jìn)行調(diào)節(jié)來啟動，而暫態(tài)過負(fù)荷只能由極控系統(tǒng)根據(jù)運行方式來進(jìn)行控制。

1.1 暫態(tài)過負(fù)荷

暫態(tài)過負(fù)荷只取決于環(huán)境溫度，與冷卻系統(tǒng)冗余與否無關(guān)，如圖1所示。從圖中可以看出，在環(huán)境溫度低于25℃時，各個等級的秒過負(fù)荷能均為一條直線，當(dāng)溫度高于25℃時低于40℃時，過負(fù)荷能力與溫度關(guān)系是一條斜率為負(fù)的直線。

1.2 短時過負(fù)荷

興安直流的短時過負(fù)荷主要是指2小時過負(fù)荷，由與環(huán)境溫度和換流變及平抗冷卻器冗余度來決定短時過負(fù)荷的負(fù)荷能力，如圖2。

圖2所示。換流變及平抗冷卻器有冗余和無冗余的過負(fù)荷能趨勢與秒過負(fù)荷類似，只是過負(fù)荷能力略小。在正常的運行過程中，除了冷卻器故障會導(dǎo)致冷卻器失去冗余外，將換流變或者平抗的冷卻器控制方式轉(zhuǎn)為手動控制模式時，系統(tǒng)也判定冷卻器失去冗余，但在手動控制模式下，冗余冷卻器仍然可以根據(jù)溫度來進(jìn)行啟動，并未真正失去冗余。

圖2 冷卻器冗余情況與環(huán)境溫度決定的短時過負(fù)荷能力

1.3 持續(xù)過負(fù)荷

持續(xù)過負(fù)荷與短時過負(fù)荷一樣，主要取決于換流變及平抗的冷卻器冗余程度和環(huán)境溫度值，有所區(qū)別的是不管冷卻器是否失去冗余，持續(xù)過負(fù)荷最大值均為1.2倍額定容量（3600 MW），冷卻器未失去冗余時，當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃而小于38℃時，過負(fù)荷能力與環(huán)境溫度成線性函數(shù)關(guān)系下降，失去冗余冷卻器則是從10℃開始下降，從38℃到40℃時，下降速率增大。

圖3 冷卻器冗余情況和環(huán)境溫度決定的持續(xù)過負(fù)荷能力

1.4 過負(fù)荷級別選擇及持續(xù)時間

1.4.1 暫態(tài)過負(fù)荷選擇及運行時間

秒過負(fù)荷能力選擇主要根據(jù)暫態(tài)負(fù)荷電流決定，具體選擇如下。

1）如果負(fù)荷電流大于3 s過負(fù)荷能力，將按照3 s過負(fù)荷要求限制負(fù)荷，過負(fù)荷負(fù)荷時間為3 s后進(jìn)入2小時過負(fù)荷。

2）如果負(fù)荷大于5 s而小于3 s過負(fù)荷能力，將不限負(fù)荷持續(xù)3 s的秒過負(fù)荷后進(jìn)入2小時過負(fù)荷。

3）如果負(fù)荷大于10 s而小于5 s過負(fù)荷能力，將不限負(fù)荷持續(xù)5 s的秒過負(fù)荷后進(jìn)入2小時過負(fù)荷，10 s過負(fù)荷也是如此。

在每次任一級別的秒過負(fù)荷運行結(jié)束后，必須要間隔2 min才能進(jìn)入下一次的秒過負(fù)荷。

1.4.2 短時過負(fù)荷運行時間

短時過負(fù)荷運行按以下公式進(jìn)行計算：

TOLVD=（I2h – Iact）/（I2h - Icont）*240min+120min（1）

其中：I2h為短時過負(fù)荷能力，Iact為運行的實際電流值，Icont為持續(xù)過負(fù)荷能力。

從前面的分析可知，短時過負(fù)荷運行時，Iact應(yīng)大于Icont而小于I2h，結(jié)合公式（1）中可以看出，當(dāng)實際電流值為短時過負(fù)荷能力時，運行時間最小，為2小時，當(dāng)實際電流值等于持續(xù)過負(fù)荷能力時，運行時間最長，為6小時。在工作監(jiān)控畫面實時顯示短時過負(fù)荷運行TOVLD的計算值，在未執(zhí)行過過負(fù)荷時，通常為359min。

另外，短時過負(fù)荷有兩個時間積分器，一個根據(jù)電流值來計算允許過負(fù)荷時間，并對過負(fù)荷時間進(jìn)行累計。由公式（1）可以看出，短時過負(fù)荷運行時間TOVLD隨著負(fù)荷電流的變化而變化，在軟件邏輯中將TOVLD初始值設(shè)為100%，隨著短時過負(fù)荷運行而逐漸降低，一旦降低為0時，本次過負(fù)荷運行自動結(jié)束。另一個積分器用來計算過負(fù)荷時間間隔，短時過負(fù)荷停止或結(jié)束后12小時將對過負(fù)荷時間累計積分器復(fù)位，重新計時，即過負(fù)荷結(jié)束將閉鎖短時及持續(xù)過負(fù)荷12小時。由于短時過負(fù)荷持續(xù)運行的最短時間為2小時，那么短時過負(fù)荷開始執(zhí)行一個完整的過程（持續(xù)時間由100%降至0）到下一次短時過負(fù)荷啟動，至少要經(jīng)過14小時的間隔。endprint

在興安直流極控系統(tǒng)邏輯中，考慮到閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷水進(jìn)水溫度和換流變及平抗的繞組溫度，若內(nèi)冷水水進(jìn)水溫度大于49.2℃、換流變及平抗繞組溫度大于105℃和冷卻時間任一不滿足要求時，直接將短時過負(fù)荷的可運行時間TOVLD置位為0，閉鎖短時過負(fù)荷。

2 過負(fù)荷限制因素

過負(fù)荷能力只是根據(jù)換流變及平抗的冷卻冗余程度和環(huán)境溫度決定，但實際運行負(fù)荷電流受諸多因素影響，包括內(nèi)冷水進(jìn)水溫度、交流濾波器可用的數(shù)量和類型、運行人員設(shè)置的電流限定值、保護(hù)動作要求降電流、對站電流限制及其他因素，各個因素限制的電流與過負(fù)荷能力電流值進(jìn)行比較，取最小值，下面將對主要因素進(jìn)行分析。

2.1 內(nèi)冷水進(jìn)水溫度限制

圖4 內(nèi)冷水進(jìn)水溫度與電流容量關(guān)系曲線

從圖中我們可以看出內(nèi)冷水進(jìn)水溫度在48.5℃之前它對電流的限制值都為4580 A。當(dāng)內(nèi)冷水進(jìn)水溫度到49.2℃時，電流限制值降到3800 A，當(dāng)內(nèi)冷水溫度升到55℃時，電流限制值則為3000 A，也就是說在內(nèi)冷水進(jìn)水溫度為55℃這個單一條件下只能允許直流在額定值運行。由于興安直流閥冷系統(tǒng)設(shè)置的內(nèi)冷水進(jìn)水溫度告警值49.2℃，跳閘值為55℃，圖中55℃后的曲線在工程中無實際意義，僅針對設(shè)計或者實驗情況。

2.2 交流濾波器限制

換流器在工作過程中將產(chǎn)生大量的非特征諧波并注入交流系統(tǒng)，相對交流系統(tǒng)而言換流器是一個諧波源，同時將吸收大量的無功，這就需要換流站配置一定數(shù)量和型號的交流濾波器來滿足換流器的工作需求。如果部分交流濾波器因故無法維持運行，降至交流濾波器的數(shù)量減少，將限制直流功率的輸送。興安直流針對單/雙極全壓、單/雙極降壓運行時交流濾波器的配置需求不一樣，同樣的故障情況下，不同的運行方式功率受限的程度也不一樣。

2.3 保護(hù)動作限制

在接地極平衡保護(hù)、換流器橋差保護(hù)等多個直流保護(hù)的動作后果中，均有降電流的動作策略。在相關(guān)保護(hù)動作后，將根據(jù)不同要求降低直流系統(tǒng)的Icap（電流容量），當(dāng)Icap小于運行電流值時，將限制直流輸輸送功率。

2.4 其他限制

在直流控制系統(tǒng)中，還涉及降壓運行、潮流反轉(zhuǎn)、站間通信中斷、低負(fù)荷無功優(yōu)化功能啟動、CSD（Controlled Shut Down）功能啟動等對直流輸送容量進(jìn)行限制，根據(jù)要求不同而限制的水平不一樣。

3 實例分析

2013年06月26日18時35分，興安直流極1直流線路故障重啟動成功，故障前雙極平衡運行，功率2500 MW，極1直流線路故障后，由于控制系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)，啟動極2秒級過負(fù)荷運行，最大運行電流達(dá)到4.3 kA，約為額定電流1.4倍，持續(xù)了350 ms，按照過負(fù)荷能力的界定，屬于3 s過負(fù)荷，隨著故障極的恢復(fù)，秒過負(fù)荷也隨之消失，故障錄波見圖5。

圖5 極2故障錄波

由此可見，在直流系統(tǒng)單極故障時，可由控制系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)，通過秒過負(fù)荷來實現(xiàn)短暫的大電流運行，減少了交流系統(tǒng)的運行壓力，故障極重啟動成功后恢復(fù)正常運行，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，從故障錄波可看出，在過負(fù)荷開始和結(jié)束之時，電流均是按照一定的斜率進(jìn)行平緩變化，并非一下變化到某一值，這樣有利于系統(tǒng)的運行性。

4 結(jié)束語

本文針對興安直流過負(fù)荷能力和限制因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，其過負(fù)荷能力主要由換流變及平抗冷卻器冗余情況和環(huán)境溫度決定，但是實際運行的電流容量由內(nèi)冷水進(jìn)水溫度、交流濾波器等諸多因素限制，在進(jìn)行過負(fù)荷時需要進(jìn)行綜合考慮。在過負(fù)荷能力判據(jù)中，將換流變及平抗的繞組溫度、內(nèi)冷水進(jìn)水溫度作為判據(jù)之一，增強了對設(shè)備的保護(hù)，防止在惡劣的運行環(huán)境進(jìn)行過負(fù)荷，增大換流變和換流閥的熱應(yīng)力，降低換流變的性能。在日常的運行維護(hù)工作，還應(yīng)注意以下幾方面的問題。

1）由于換流變和平抗冷卻器在手動控制模式與失去冗余等效，并不是冷卻器真正故障，在運行過程中特別是過負(fù)荷運行期間，保持冷卻器在自動控制模式，保持有較高的短時和持續(xù)過負(fù)荷能力。

2）在運行過程注意對短時過負(fù)荷運行時間TOVLD的監(jiān)視，如果發(fā)現(xiàn)該值有異常，應(yīng)立即排查相關(guān)的限制條件滿足要求。常見的故障多由冷卻器失去冗余、環(huán)境溫度過高、交流濾波器不滿足要求等。

3）換流閥的進(jìn)水溫度和換流變的繞組溫度作為過負(fù)荷啟動的判據(jù)之一，這對相應(yīng)的溫度傳感器的準(zhǔn)確性、靈敏性和穩(wěn)定性提出更高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].中國電力出版社，2004.

[2]Guizhou-Guangdong II Line ±500kV DC Transmission Project，Overload Study Rport.

[3]Guizhou-Guangdong II Line ±500kV DC Transmission Project，Pole Control System Information Manual.

作者簡介

楊躍輝（1983-），男，工程師，從事直流輸電運行維護(hù)工作。

呂亮（1983），男，工程師，從事變電設(shè)計工作。endprint