張忠華,吳曉蓉,王 穎

(東北電力設(shè)計(jì)院,長(zhǎng)春 130021)

近年來(lái),高壓及特高壓直流輸電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用十分廣泛,包括遠(yuǎn)距離、大容量架空輸電工程、背靠背直流聯(lián)網(wǎng)工程等。直流輸電也在我國(guó)西電東送、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)工程中起著關(guān)鍵作用[1-2]。

對(duì)于直流換流站,換流器在運(yùn)行中要消耗大量的無(wú)功功率,額定條件下運(yùn)行時(shí)換流器消耗的無(wú)功功率約為直流功率的30%～ 60%[3]。目前,已經(jīng)投運(yùn)和在建的高壓及特高壓直流換流站中均配置了無(wú)功單元,以補(bǔ)償換流器在運(yùn)行中消耗的無(wú)功。換流站無(wú)功單元一般包括交流濾波器、并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器等不同類型。

為保證換流器的安全可靠運(yùn)行,需保證無(wú)功功率的供給,但無(wú)功功率過(guò)剩或不足將直接造成交流側(cè)電壓的不穩(wěn)定,嚴(yán)重時(shí)危及整個(gè)交、直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行[4]。實(shí)際工程中,換流站通常通過(guò)預(yù)先設(shè)定的無(wú)功控制策略或過(guò)電壓保護(hù)策略投切無(wú)功單元以保證站內(nèi)的無(wú)功交換和交流母線電壓在一定范圍內(nèi)。

文獻(xiàn)[5]～ [8]對(duì)于換流站中無(wú)功單元的容量配置、控制策略、功能設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)方式等進(jìn)行了深入研究,但其研究更多關(guān)注于換流站的直流控制和無(wú)功系統(tǒng)配置本身。本文則重點(diǎn)從換流站接入系統(tǒng)的角度出發(fā),利用 PSASP仿真軟件研究分析換流站接入某地區(qū)電網(wǎng)后,其無(wú)功 /電壓控制策略對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響,特別是對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的影響,并針對(duì)存在的電壓穩(wěn)定問(wèn)題,提出有效的安全穩(wěn)定控制措施及建議。

1 換流站無(wú)功及電壓控制策略

1．1 換流站無(wú)功控制策略

換流站無(wú)功功率控制及策略是集成在控制系統(tǒng)內(nèi)的一個(gè)功能,由多個(gè)子功能組成,每個(gè)子功能按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)和判據(jù)條件實(shí)現(xiàn)其特定的控制功能。某個(gè)子功能發(fā)出的投切指令必須在與更高優(yōu)先級(jí)的子功能的控制要求不產(chǎn)生沖突時(shí)才能被有效執(zhí)行。通過(guò)各個(gè)子功能的有機(jī)配合,達(dá)到優(yōu)化的控制效果,并滿足系統(tǒng)運(yùn)行的基本濾波要求、交流電壓和無(wú)功交換限制等邊界條件。

換流站中無(wú)功的投切一般按優(yōu)先級(jí)排序,按照優(yōu)先級(jí) l最高,優(yōu)先級(jí) 5最低的順序,換流站無(wú)功控制策略見(jiàn)表1。

表1 無(wú)功投切優(yōu)先級(jí)及控制策略

1．1．1 絕對(duì)最小濾波器組控制

絕對(duì)最小濾波器組控制策略在無(wú)功控制中處于最高的優(yōu)先級(jí),其功能是保證換流站具備最基本的濾波條件?？刂乒δ馨凑疹A(yù)先確定的濾波器的類型選擇投入絕對(duì)最小濾波器組,并對(duì)絕對(duì)最小濾波器組條件進(jìn)行監(jiān)視。在判斷其他優(yōu)先級(jí)無(wú)功控制策略提出切除無(wú)功單元的請(qǐng)求,而切除后可能造成絕對(duì)最小濾波器組條件不滿足時(shí),控制功能將閉鎖切除操作的執(zhí)行。

1．1．2 最高電壓限制

最高電壓限制功能在絕對(duì)最小濾波器組控制之后處于無(wú)功控制的第二優(yōu)先級(jí),用以保證在直流系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中與換流站相連的交流系統(tǒng)電壓不超過(guò)其最大和最小限制值。如果在一段預(yù)定的時(shí)間內(nèi)電壓水平超過(guò)了最大限制,將在滿足絕對(duì)最小濾波器要求的前提下,通過(guò)持續(xù)切除濾波器來(lái)限制電壓的進(jìn)一步升高,在保護(hù)允許的范圍內(nèi)保持穩(wěn)態(tài)交流電壓水平。

1．1．3 最大無(wú)功交換限制

最大無(wú)功交換限制通過(guò)監(jiān)視運(yùn)行情況,根據(jù)無(wú)功交換值限制投入系統(tǒng)的濾波器和并聯(lián)電容器組數(shù),通過(guò)限制投入的無(wú)功功率來(lái)改善系統(tǒng)運(yùn)行情況變化時(shí)的系統(tǒng)電壓。計(jì)算出輸出到交流系統(tǒng)的無(wú)功功率后,選取下一個(gè)要投入的濾波器,與預(yù)先設(shè)定的無(wú)功功率限值QN進(jìn)行比較,如果QN大于要投入的濾波器容量,該濾波器就會(huì)被允許投人。如果輸出到交流系統(tǒng)的無(wú)功功率大于無(wú)功功率限值QN,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)切除一組濾波器的指令。

1．1．4 最小濾波器組控制

最小濾波器組控制功能以系統(tǒng)是否滿足換流站的濾波特性為判據(jù),對(duì)最小濾波器組的投切進(jìn)行控制。根據(jù)換流站整流 /逆變運(yùn)行狀態(tài)和直流輸送功率,計(jì)算出滿足諧波濾波性能所需投入的濾波器組的最小數(shù)量和類型。當(dāng)濾波條件不滿足時(shí)選擇符合類型要求的濾波器組并發(fā)出投入指令。但濾波器是否能夠投入,是由更高優(yōu)先級(jí)的無(wú)功控制子功能所設(shè)定的無(wú)功與電壓條件限制。同時(shí)當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)的無(wú)功 /電壓控制判據(jù)對(duì)濾波器組的切除將造成不滿足最小濾波器組條件時(shí),最小濾波器組控制功功能將限制切除濾波器的操作。

1．1．5 無(wú)功 /電壓判據(jù)的無(wú)功控制

無(wú)功 /電壓判據(jù)的無(wú)功控制模式用來(lái)控制與交流電網(wǎng)交換的無(wú)功功率,交換功率應(yīng)該盡量接近預(yù)設(shè)的目標(biāo)值,在目標(biāo)值附近設(shè)置一個(gè)合適的死區(qū)值,死區(qū)值大于最大容量的一組濾波器的一半容量以避免重復(fù)投切,否則會(huì)造成頻繁投切濾波器。

最高電壓限制模式的輸入為交流系統(tǒng)的實(shí)際電壓U和參考電壓Ur,最高電壓限制對(duì)兩者進(jìn)行比較并發(fā)出無(wú)功單元的投切命令,控制換流站交流母線電壓變化處于設(shè)定的Ur±ΔU范圍之內(nèi)。在與換流站相連的交流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較弱的情況下,無(wú)功的增減都將顯著引起交流系統(tǒng)的電壓波動(dòng),所以弱交流系統(tǒng)一般選擇最高電壓限制模式,以便通過(guò)無(wú)功單元的投切對(duì)系統(tǒng)電壓的波動(dòng)進(jìn)行更為直接和有效的限制。

1．2 換流站電壓控制策略

為保持換流站交流側(cè)的電壓穩(wěn)定,防止過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備造成沖擊,換流站通常會(huì)采取過(guò)電壓控制策略,典型換流站中過(guò)電壓控制策略如表2所示。隨著過(guò)電壓出現(xiàn)幅值的不同,濾波器的切除策略隨之調(diào)整。

一般情況下,直流系統(tǒng)的調(diào)制速率為 0～9999 MW/s連續(xù)可調(diào)。當(dāng)直流控制系統(tǒng)接收到直流調(diào)制指令時(shí),會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)完成直流調(diào)制過(guò)程。以直流調(diào)制速率3000 MW/s、回降600 MW功率為例,直流控制系統(tǒng)將在200 ms內(nèi)完成直流回降。直流功率在如此短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化,無(wú)功單元來(lái)不及投切,系統(tǒng)過(guò)電壓幅值很高,直流控制系統(tǒng)將依據(jù)表2所示的電壓控制策略投切無(wú)功單元,以維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。雖然按表2中的過(guò)電壓控制策略能夠保證換流站內(nèi)的電壓保持穩(wěn)定,避免設(shè)備受到高壓損害,但卻對(duì)所在地區(qū)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定帶來(lái)較大的影響。

當(dāng)直流本身故障導(dǎo)致?lián)Q流器閉鎖或收到其他系統(tǒng)(如安全控制系統(tǒng))的閉鎖信號(hào)時(shí),直流控制保護(hù)系統(tǒng)判斷故障類型,完成閉鎖并切除濾波器。對(duì)于直流閉鎖后切除濾波器的方式,可按照過(guò)電壓控制策略逐步予以切除,也可以采取閉鎖后快切全部濾波器的措施,即直流控制系統(tǒng)在完成閉鎖的同時(shí)切除投入運(yùn)行的全部濾波器,全部過(guò)程約 100 ms。

表2 換流站過(guò)電壓控制策略

2 仿真分析

根據(jù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定相關(guān)導(dǎo)則[9-11]的要求,對(duì)某地區(qū)換流站接入系統(tǒng)后的電壓穩(wěn)定情況進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真計(jì)算采用電力系統(tǒng)分析綜合程序(PSASP 6．28),電壓穩(wěn)定仿真過(guò)程采用前述的無(wú)功及電壓控制策略。

2．1 系統(tǒng)條件

某地區(qū)新建 500 kV直流背靠背換流站,各自經(jīng)1回500kV線路連接 A、B電網(wǎng)。換流站 A網(wǎng)側(cè)裝設(shè)1組聯(lián)絡(luò)變壓器與地區(qū) 220 kV系統(tǒng)相連,地區(qū) 220 kV電網(wǎng)為長(zhǎng)約 1100 km的單線大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),且無(wú)大電源接入。

2．2 換流站無(wú)功配置

換流站 A網(wǎng)側(cè)交流濾波器及并聯(lián)電容器分為 2大組,每個(gè)大組包括 5小組,每小組額定容量為50 Mvar。換流站聯(lián)變35 kV側(cè)裝設(shè)1組靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置 (SVC),調(diào)節(jié)范圍為-64 Mvar(感性)～100 Mvar(容性),SVC控制目標(biāo)為換流站 220 kV母線電壓,控制目標(biāo)值為(225± 1)kV。換流站A網(wǎng)側(cè)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)接線示意圖如圖 1所示。圖中HP12/24為12次和24次諧波濾波器,HP3為3次諧波濾波器,SC為并聯(lián)電容器。該換流站中絕對(duì)最小濾波器組數(shù)與直流輸送功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

圖1 換流站A網(wǎng)側(cè)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖

表3 絕對(duì)最小濾波器組數(shù)與直流輸送功率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系

2．3 穩(wěn)態(tài)分析

表4是在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)條件下,當(dāng)換流站輸送不同直流功率時(shí),通過(guò)站內(nèi)無(wú)功單元的投切和 SVC出力的調(diào)整,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓變化情況。

從表4可以看出,隨著直流輸送功率的下降,投入運(yùn)行的無(wú)功單元逐步達(dá)到直流運(yùn)行的最小濾波器組。當(dāng)直流輸送功率達(dá)到200 MW時(shí),在直流運(yùn)行最小濾波器組(2組)的條件限制下,盡管 SVC已經(jīng)提供了最大的感性無(wú)功,但換流站500 kV母線電壓已達(dá)到549．1 kV。如果直流功率進(jìn)一步降低,則換流站500 kV母線電壓將超過(guò)550 kV,超出電氣設(shè)備的電壓耐受水平。

出現(xiàn)上述狀況的主要原因是由于地區(qū) 220 kV系統(tǒng)網(wǎng)架為長(zhǎng)距離大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),比較薄弱,缺乏大電源提供無(wú)功支撐,地區(qū)電壓無(wú)功調(diào)整較為困難。同時(shí)由于直流運(yùn)行對(duì)最小濾波器組數(shù)提出要求,使得換流站的最小直流輸送功率受到一定的限制。

2．4 暫態(tài)分析

在換流站直流功率滿輸送的方式下,不同元件故障時(shí)的系統(tǒng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定情況以及相應(yīng)控制措施和效果如表5所示,主要結(jié)論如下：

表4 不同直流功率條件下系統(tǒng)電壓情況

表5 不同元件故障方式下系統(tǒng)電壓穩(wěn)定情況

圖2 直流閉鎖、分級(jí)切除濾波器

圖3 直流閉鎖、快切全部濾波器

圖4 500kV出線故障

圖5 500kV出線故障、回降直流

圖6 500kV出線故障、閉鎖直流

圖7 500kV聯(lián)絡(luò)變壓器故障

圖8 500kV聯(lián)絡(luò)變壓器故障、回降直流

圖9 220kV單回出線故障

圖10 220kV雙回出線跨線故障

圖11 220kV雙回出線跨線故障、回降直流

a．當(dāng)直流換流器本身發(fā)生故障閉鎖時(shí),無(wú)論采取何種切除濾波器的控制措施,系統(tǒng)電壓均能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行;但分級(jí)切除濾波器電壓回降較慢,而快切全部濾波器則能夠在最短的時(shí)間內(nèi)降低交流系統(tǒng)電壓。

b．當(dāng) 500 kV出線發(fā)生故障時(shí),對(duì)系統(tǒng)沖擊較大,采取回降直流功率、分級(jí)切除濾波器的措施,不能使系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定運(yùn)行,必須采取閉鎖直流、快切全部濾波器的控制措施。

c．當(dāng)500 kV聯(lián)絡(luò)變壓器發(fā)生故障時(shí),對(duì)系統(tǒng)沖擊相對(duì)較小,通過(guò)采取回降直流功率、分級(jí)切除濾波器或閉鎖直流、快切全部濾波器的措施,均能夠使系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定運(yùn)行。

d．當(dāng)220 kV單回出線發(fā)生故障時(shí),不需要采取控制措施,系統(tǒng)電壓能夠保持穩(wěn)定;但當(dāng)220 kV雙回出線發(fā)生跨線故障時(shí),需要采取回降直流功率、分級(jí)切除濾波器的措施以保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

3 建議采取的控制措施

結(jié)合前述安全穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)論,由于換流站所接入的地區(qū)電網(wǎng)較為特殊,無(wú)功調(diào)整較為困難,在換流站既定的無(wú)功和電壓控制策略條件下,某些方式下系統(tǒng)仍存在電壓穩(wěn)定問(wèn)題。針對(duì)換流站接入地區(qū)電網(wǎng)后存在的安全穩(wěn)定問(wèn)題,建議從運(yùn)行方式、安全穩(wěn)定控制裝置配置、系統(tǒng)強(qiáng)化等多方面入手來(lái)保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,主要措施及建議如下：

a．由于地區(qū) 220 kV交流系統(tǒng)與換流站聯(lián)系較弱,無(wú)功變化對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響較大,因此,建議換流站無(wú)功控制選擇最高電壓控制模式。

b．運(yùn)行方式上應(yīng)保證直流輸送的最小功率,避免因直流最小濾波器組數(shù)的限制而造成交流側(cè)電壓過(guò)高。

c．配置雙重化的安全穩(wěn)定控制裝置,作為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的緊急控制措施,主要功能包括：檢測(cè)直流輸送功率及運(yùn)行狀態(tài);檢測(cè) 500 kV出線、聯(lián)絡(luò)變壓器及220 kV出線的運(yùn)行工況及故障信息(包括跨線故障);根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、故障信息及預(yù)先制定的控制策略實(shí)現(xiàn)回降直流和閉鎖直流。

d．當(dāng)直流系統(tǒng)本身故障發(fā)生閉鎖或者接收到安全穩(wěn)定控制裝置發(fā)出的閉鎖信號(hào)時(shí),建議采取快切全部濾波器的措施,以盡快降低交流系統(tǒng)電壓。

e．為抑制直流小方式下交流系統(tǒng)母線電壓過(guò)高,建議在換流站內(nèi)增加配置一定容量的感性無(wú)功補(bǔ)償裝置,降低交流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓。

f．由于 500 kV出線和聯(lián)絡(luò)變壓器均為單一元件,故障后造成地區(qū)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化較大,從而加重了對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的沖擊,建議通過(guò)擴(kuò)建500 kV出線和聯(lián)絡(luò)變壓器等措施,加強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu),減輕由于單一元件故障造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前直流換流站建設(shè)過(guò)程中,往往重點(diǎn)關(guān)注對(duì)換流站本身直流設(shè)備、無(wú)功設(shè)備等方面的設(shè)計(jì)及研究,而忽略了換流站接入系統(tǒng)后對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響,特別是直流輸送功率、無(wú)功電壓控制策略等。深入研究直流換流站無(wú)功配置及控制策略對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響,有利于換流站接入系統(tǒng)后與地區(qū)電網(wǎng)相互適應(yīng)和運(yùn)行安全,對(duì)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1]舒印彪．中國(guó)直流輸電的現(xiàn)狀及展望 [J]．高電壓技術(shù),2004,30(11)：1-2,20．

[2]曾南超．高壓直流輸電在我國(guó)電網(wǎng)發(fā)展中的作用 [J]．高電壓技術(shù),2004,30(11)：11-12．

[3]王聿升．龍-政直流無(wú)功控制介紹 [J]．湖北電力,2003,27(增刊 )：48-51．

[4]張建設(shè),張堯,張志朝,等．直流系統(tǒng)控制方式對(duì)大擾動(dòng)后交直流混合系統(tǒng)電壓和功率恢復(fù)的影響 [J]．電網(wǎng)技術(shù) ,2005,29(5)：20-24．

[5]王海林 ,黎嵐,吳安平．向家壩±800 kV特高壓換流站容性無(wú)功配置研究 [J]．四川電力技術(shù),2008,31(3)：9-11．

[6]彭磊,吳耀武,熊信銀,等．交直流混合輸電系統(tǒng)的無(wú)功優(yōu)化 [J]．繼電器 ,2006,34(4)：35-39．

[7]劉寶宏,殷威揚(yáng),石巖,等．背靠背換流器控制策略的比較與分析 [J]．電網(wǎng)技術(shù) ,2010,34(2)：109-114．

[8]張望,郝俊芳,曹森,等．直流輸電換流站無(wú)功功率控制功能設(shè)計(jì) [J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,37(14)：72-76．

[9]DL755— 2001,電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則 [S]．

[10]DL/T 723— 2000,電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)導(dǎo)則[S]．

[11]SD325—1989,電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力技術(shù)導(dǎo)則[S]．