李　林，趙文強(qiáng)，劉建坤，汪成根(.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京0；.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京03)

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弱送端的高壓直流輸電系統(tǒng)功率回降策略設(shè)計(jì)

李林1，趙文強(qiáng)1，劉建坤2，汪成根2
(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

摘要：當(dāng)與高壓直流輸電系統(tǒng)送端相連的交流系統(tǒng)為弱系統(tǒng)時(shí)，直流系統(tǒng)的調(diào)制功能將發(fā)揮更加重要的作用，直流系統(tǒng)將是穩(wěn)控系統(tǒng)一個(gè)重要的調(diào)制手段。在送端電網(wǎng)損失大電源的情況下，穩(wěn)控系統(tǒng)需回降直流功率，由于直流系統(tǒng)存在最小運(yùn)行功率，當(dāng)需要回降的功率大于直流最大功率回降量時(shí)，即使將直流系統(tǒng)回降至最小運(yùn)行功率，仍會(huì)出現(xiàn)回降量不足的情況，將導(dǎo)致穩(wěn)控系統(tǒng)切除送端電網(wǎng)負(fù)荷。為了盡量避免送端電網(wǎng)事故情況下穩(wěn)控切除負(fù)荷，研究并提出了直流系統(tǒng)雙極緊急回降量不足情況下的調(diào)制策略，并對(duì)直流系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)的接口方式和交換信息進(jìn)行了設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了直流控制系統(tǒng)程序，搭建了RTDS仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了該策略的實(shí)用性和可實(shí)施性，為送端電網(wǎng)為弱系統(tǒng)的直流工程提供有益的參考和借鑒價(jià)值。關(guān)鍵詞：直流輸電；弱送端；穩(wěn)控系統(tǒng)；功率回降；接口

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目：2014CB239501

高壓直流輸電具有輸送功率大、啟動(dòng)和調(diào)速快、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)有功功率輸送和無(wú)功功率消耗均有靈活的調(diào)控能力，可用于快速改善交流系統(tǒng)的運(yùn)行特性[1]。在遠(yuǎn)距離輸電、跨區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)中得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為電網(wǎng)中的一個(gè)重要組成部分，是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素[2，3]。高壓直流輸電系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)之間配合工作，在高壓直流輸電系統(tǒng)送端為弱交流系統(tǒng)的條件下，高壓直流輸電系統(tǒng)的調(diào)制功能發(fā)揮更加重要的作用[4]。

1　弱交流系統(tǒng)定義及功率回降問(wèn)題

與直流系統(tǒng)互連的交流系統(tǒng)有強(qiáng)弱之分，系統(tǒng)越強(qiáng)則越穩(wěn)定。短路比是衡量交流系統(tǒng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，是一種簡(jiǎn)潔、快速評(píng)估直流系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。短路比定義為交流系統(tǒng)短路的容量與直流換流器的額定功率之比[5-7]，即：

交流系統(tǒng)短路容量由下式推出：

式（2）中：Vc為額定功率下的換相母線電壓；Zst是交流系統(tǒng)的戴維南等效阻抗，沒(méi)有考慮無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。

當(dāng)考慮無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的影響時(shí)，采用的是有效短路比，即：

一般認(rèn)為當(dāng)有效短路比大于3時(shí)系統(tǒng)為強(qiáng)系統(tǒng)，當(dāng)有效短路比在2～3之間為弱系統(tǒng)，小于2時(shí)為極弱系統(tǒng)。這種方法主要是根據(jù)交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱來(lái)衡量換流站母線電壓的穩(wěn)定性，也就是把直流輸電作為換流站交流母線的負(fù)載，以短路比大小來(lái)衡量交流系統(tǒng)的帶負(fù)載能力的強(qiáng)弱。在我國(guó)，青藏直流工程拉薩側(cè)為典型的弱交流系統(tǒng)，呼遼直流工程呼倫貝爾側(cè)孤島運(yùn)行時(shí)為極弱交流系統(tǒng)，處于黑啟動(dòng)初期的交流電網(wǎng)為極弱交流系統(tǒng)。在弱交流系統(tǒng)下，直流系統(tǒng)是穩(wěn)控系統(tǒng)的一個(gè)重要的調(diào)制手段，直流系統(tǒng)應(yīng)具備連續(xù)執(zhí)行穩(wěn)控的調(diào)制命令的能力。

直流雙極運(yùn)行時(shí)，存在最小雙極運(yùn)行功率，直流雙極的最大功率回降量等于直流雙極運(yùn)行功率減去最小雙極運(yùn)行功率，若送端電網(wǎng)為弱交流系統(tǒng)，在損失大電源的情況下，穩(wěn)控系統(tǒng)需直流系統(tǒng)回降功率，當(dāng)需回降的功率大于直流最大功率回降量時(shí)，即使將直流系統(tǒng)功率緊急回降至最小運(yùn)行功率，仍會(huì)出現(xiàn)回降量不足的情況，將導(dǎo)致穩(wěn)控系統(tǒng)切除送端電網(wǎng)負(fù)荷。因此，為盡量避免送端電網(wǎng)事故情況下穩(wěn)控系統(tǒng)切除負(fù)荷，應(yīng)研究直流系統(tǒng)雙極緊急回降量不足情況下調(diào)制策略。

2　雙極緊急回降量不足時(shí)的調(diào)制策略

在送端電網(wǎng)發(fā)生主力機(jī)組跳閘等損失功率的故障情況下，穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)損失功率的大小將直流的功率回降量指令發(fā)給直流控制系統(tǒng)，直流控制系統(tǒng)根據(jù)回降量指令的大小采取以下調(diào)制策略。為描述方便，將雙極最大可回降功率定義為P1，將極I最大可回降功率+極II實(shí)時(shí)運(yùn)行功率定義為P2，將極II最大可回降功率+極I實(shí)時(shí)運(yùn)行功率定義為P3，將雙極實(shí)時(shí)運(yùn)行功率定義為P4，將穩(wěn)控發(fā)出的回降量指令定義為P5。

（1）若P5≤P1，直流控制系統(tǒng)根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令緊急回降直流；

（2）若P1

（3）若P2（P3）≤P5

（4）若P4≤P5，直流控制系統(tǒng)緊急閉鎖雙極；

（5）直流控制系統(tǒng)在上述功能緊急閉鎖單極的情況下，應(yīng)避免閉鎖極功率轉(zhuǎn)代至健全極。

3　直流系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)的接口方式設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)雙極緊急回降量不足情況下的調(diào)制策略，需要對(duì)直流系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)的接口方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有的直流工程中，直流控制系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)的接口方式分為硬接點(diǎn)接口方式和光纖通信接口方式[8，9]。

（1）硬接點(diǎn)接口方式。穩(wěn)控裝置通過(guò)硬接點(diǎn)連線送開(kāi)關(guān)量至極控裝置，每一個(gè)開(kāi)入表示一檔，每一檔將提升或回降固定的功率，這樣損失或者補(bǔ)償?shù)墓β示涂赡芘c固定提升回降的功率不一致，造成功率偏差。如果直流兩端的交流系統(tǒng)很強(qiáng)，偏差對(duì)系統(tǒng)影響不大；當(dāng)兩端的系統(tǒng)都較弱時(shí)，偏差對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定影響較大[10]。

（2）光纖通信接口方式。穩(wěn)控裝置與控制系統(tǒng)的接口用光纖直連，可采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC 60044-8協(xié)議或其他通信協(xié)議，穩(wěn)控裝置將給控制系統(tǒng)發(fā)送功率提升或者回降的命令，并發(fā)送具體的數(shù)值；這種光纖直連的連接方式，不僅接線簡(jiǎn)單，且功率調(diào)制是連續(xù)的。

因此，送端與弱交流系統(tǒng)相連的高壓直流輸電系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)的接口應(yīng)選擇光纖通信方式。其通信結(jié)構(gòu)如圖1所示，每套穩(wěn)控裝置分別與極1、極2共4套極控裝置相連。

圖1　直流極控系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)通信連接示意圖

4　直流系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)的交換信息設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)雙極緊急回降量不足情況下的調(diào)制策略，直流極控系統(tǒng)和安控系統(tǒng)之間通過(guò)數(shù)字接口傳輸信息。

4.1極控發(fā)給穩(wěn)控的模擬量信號(hào)（1）單極最大運(yùn)行功率：實(shí)時(shí)電壓×1.1倍額定電流；（2）雙極最大可提升量：（極I實(shí)時(shí)電壓+極II實(shí)時(shí)電壓）×1.1倍額定電流-雙極實(shí)時(shí)運(yùn)行功率；

（3）雙極最大可回降功率：雙極實(shí)時(shí)運(yùn)行功率-（極I實(shí)時(shí)電壓+極II實(shí)時(shí)電壓）×0.1倍額定電流；

（4）極I最大可回降功率+極II實(shí)時(shí)運(yùn)行功率，極I最大可回降功率：極I實(shí)時(shí)運(yùn)行功率-極I實(shí)時(shí)電壓×0.1倍額定電流；

（5）極II最大可回降功率+極I實(shí)時(shí)運(yùn)行功率，極II最大可回降功率：極II實(shí)時(shí)運(yùn)行功率-極II實(shí)時(shí)電壓×0.1倍額定電流；

（6）雙極實(shí)時(shí)運(yùn)行功率。

4.2極控發(fā)給穩(wěn)控的開(kāi)關(guān)量信號(hào)

（1）直流極閉鎖信號(hào)；（2）直流電流可調(diào)信號(hào)；（3）極緊急停運(yùn)信號(hào)；（4）功率方向信號(hào)；（5）雙極控制模式信號(hào)；（6）控制極信號(hào)；（7）值班系統(tǒng)信號(hào)。

4.3穩(wěn)控發(fā)給極控的模擬量信號(hào)

（1）功率提升量（正常發(fā)0）；

（2）功率回降量（正常發(fā)0）。

5　功率回降功能的RTDS試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)直流系統(tǒng)雙極緊急回降量不足時(shí)的調(diào)制策略開(kāi)發(fā)了控制系統(tǒng)程序，搭建了仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　仿真系統(tǒng)示意圖

圖2包含了RTDS、直流控制保護(hù)系統(tǒng)和穩(wěn)控裝置，進(jìn)行了RTDS試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)條件為雙極功率控制，極1、極2功率均為150 MW，電壓均為400 kV，額定電流均為750 A，則單極最小功率為30 MW，P1= 240 MW，P2= 270 MW，P3= 270 MW，P4= 300 MW。

5.1試驗(yàn)項(xiàng)目1

（1）試驗(yàn)項(xiàng)目1。收到穩(wěn)控回降功率指令P5=240 MW，P5≤P1，直流控制系統(tǒng)根據(jù)穩(wěn)控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令緊急回降直流。試驗(yàn)波形如圖3所示。

圖3　P5≤P1時(shí)的極1及極2功率變化波形

（2）試驗(yàn)結(jié)果。極1、極2的功率均由150 MW降至30 MW，與設(shè)計(jì)策略一致。

5.2試驗(yàn)項(xiàng)目2

（1）試驗(yàn)項(xiàng)目2。收到穩(wěn)控回降功率指令P5=250 MW，P1

圖4　P1

（2）試驗(yàn)結(jié)果。極1（控制極）的功率由150 MW降至50 MW，極2（非控制極）閉鎖，功率由150 MW降至0 MW，與設(shè)計(jì)策略一致。

5.3試驗(yàn)項(xiàng)目3

（1）試驗(yàn)項(xiàng)目3。收到穩(wěn)控回降功率指令P5=285 MW，P2（P3）≤P5

（2）試驗(yàn)結(jié)果。極1（控制極）的功率由150 MW降至30 MW，極2（非控制極）閉鎖，功率由150 MW降至0 MW，與設(shè)計(jì)策略一致。

圖5　P2（P3）≤P5

5.4試驗(yàn)項(xiàng)目4

（1）試驗(yàn)項(xiàng)目4。收到穩(wěn)控回降功率指令P5=300 MW，P4≤P5，直流控制系統(tǒng)緊急閉鎖雙極。

（2）試驗(yàn)結(jié)果。極1、極2均閉鎖，功率由150 MW降至0MW，與設(shè)計(jì)策略一致。試驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6　P4≤P5時(shí)的極1及極2功率變化波形

6　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了送端與弱交流系統(tǒng)相連的高壓直流輸電系統(tǒng)雙極功率緊急回降不足時(shí)穩(wěn)控切負(fù)荷的問(wèn)題，提出了直流雙極功率緊急回降量不足時(shí)的調(diào)制策略，并對(duì)直流系統(tǒng)與穩(wěn)控系統(tǒng)的接口方式和交換信息進(jìn)行了設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了直流控制系統(tǒng)程序，搭建了RTDS仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了該策略的實(shí)用性和可實(shí)施性，對(duì)其他類似直流工程與穩(wěn)控系統(tǒng)接口及處理策略提供了參考。

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李林（1980），男，安徽太和人，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娍刂萍夹g(shù)；

趙文強(qiáng)（1985），男，湖北鄂州人，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊娍刂萍夹g(shù)；

劉建坤（1980），男，山東濰坊人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定；

汪成根（1981），男，安徽桐城人，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定。

Design of Runback Strategy for HVDC System with Weak System at Sending end

LI Lin1, ZHAO Wenqiang1, LIU Jiankun2, WANG Chenggen2
(1.Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China；2. Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

Abstract：When the AC system connected with the sending end of HVDC power transmission system is a weak system, the modulation function of HVDC plays an important role. The HVDC system is an important means of modulation for stability control system. In the case of large power loss in the sending end, the stability control system needs to reduce the power HVDC delivered. Because of the minimum operating power limit of the HVDC system, when the power needed to reduce is greater than the maximum power which can be reduced, even if the power HVDC delivered runback to minimum operating power, it is still not enough and can lead to cutting off load in the sending system. In order to avoid cutting off load in the sending end, the modulation strategy for the condition that HVDC bipolar runback is not enough is proposed. The interface mode and information exchange between HVDC and stability control system are designed, and the HVDC control system program is developed. The proposed strategy and developed interface have been verified in RTDS. The simulation results show that the strategy is practical and effective. This research provides a reference for future similar projects.

Key words：HVDC; weak sending end; stability control system; runback; interface

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-10-11；修回日期：2015-11-23

中圖分類號(hào)：TM721.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1009-0665（2016）02-0007-04