覃錦濤，劉洪波

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

隨著高壓直流輸電項(xiàng)目陸續(xù)投入運(yùn)營，大規(guī)模直流跨區(qū)域傳輸和全網(wǎng)交直流混聯(lián)已成為我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要特征之一[1-2]。我國已經(jīng)建成或正在規(guī)劃的直流工程的電壓等級主要分為±500 kV、±800 kV、±1 100 kV，其中已經(jīng)建成并投運(yùn)的±500 kV的直流工程有三峽-廣東直流輸電工程、三峽-上海直流輸電工程等，輸送的容量為3 000 MW[3]。±800 kV電壓等級的直流工程有酒泉-湘潭直流工程、哈密-鄭州直流工程等，額定輸送容量為8 000 MW。2018年底，隨著我國自主設(shè)計(jì)建設(shè)的世界首個(gè)±1 100 kV特高壓直流輸電工程昌吉-古泉特高壓工程成功啟動(dòng)全壓送電，輸送容量已經(jīng)達(dá)到了12 000 MW。隨著直流傳輸容量逐漸增加，當(dāng)直流閉鎖后對送、受端系統(tǒng)造成的功率沖擊也就越大，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)頻率波動(dòng)甚至造成機(jī)組脫網(wǎng)、甩負(fù)荷等，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

直流閉鎖故障后系統(tǒng)頻率失穩(wěn)的問題日益突出，本文對直流閉鎖故障后交流系統(tǒng)頻率特性的研究進(jìn)行了歸納總結(jié)。首先，從直流系統(tǒng)內(nèi)部故障和交流系統(tǒng)外部故障這兩個(gè)方面對造成直流閉鎖的原因進(jìn)行了歸納；其次，通過沖擊功率的三階段分配原理分析了直流閉鎖后影響送、受端系統(tǒng)頻率變化的過程及特性；最后，總結(jié)了目前直流閉鎖后一些調(diào)頻措施的研究，可為交直流系統(tǒng)的規(guī)劃與運(yùn)行起到借鑒作用。

1 直流閉鎖原因

在交直流混合系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)設(shè)備種類繁多且由于設(shè)備老化而出現(xiàn)故障、二次保護(hù)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到系統(tǒng)運(yùn)行中某種特殊情況，以及交直流系統(tǒng)之間的相互影響都有可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)出現(xiàn)閉鎖故障，從而影響交直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過對工程上一些閉鎖故障進(jìn)行分析總結(jié)，將導(dǎo)致閉鎖故障的原因可以分為直流系統(tǒng)內(nèi)部故障和交流系統(tǒng)故障兩個(gè)方面。

1.1 直流系統(tǒng)內(nèi)部故障

a.直流系統(tǒng)主要設(shè)備故障。高壓直流輸電系統(tǒng)主要設(shè)備接線見圖1。如換流器發(fā)生故障、直流線路發(fā)生接地故障、換流站內(nèi)接地開關(guān)故障等都可能觸發(fā)閉鎖信號導(dǎo)致?lián)Q流站退出運(yùn)行。文獻(xiàn)[4]分析了±800 kV普僑直流系統(tǒng)中直流線路故障后引發(fā)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作最后導(dǎo)致直流閉鎖的詳細(xì)過程。文獻(xiàn)[5]通過對天廣直流的運(yùn)行情況進(jìn)行總結(jié)，在一年半的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生的28次直流閉鎖事故中有8次是由于直流線路故障導(dǎo)致直流閉鎖，給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來了較大的威脅。

圖1 高壓直流輸電系統(tǒng)主要設(shè)備接線

b.直流系統(tǒng)二次保護(hù)設(shè)備故障或設(shè)計(jì)不合理。當(dāng)二次保護(hù)設(shè)備故障時(shí)會造成保護(hù)誤動(dòng)作從而發(fā)出閉鎖信號導(dǎo)致閉鎖，另外由于某些二次設(shè)備設(shè)計(jì)不合理從而不能夠正確響應(yīng)直流運(yùn)行中某些特殊情況也會導(dǎo)致直流閉鎖。文獻(xiàn)[6]介紹了興安直流站由于隔離開關(guān)操作對測量信號產(chǎn)生干擾導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作造成閉鎖的過程。文獻(xiàn)[7]分析了換流器橋差保護(hù)的設(shè)計(jì)由于沒有考慮到換流變壓器的合應(yīng)涌流的影響而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作造成閉鎖的過程。

c.直流系統(tǒng)冗余配置同時(shí)故障。如2套直流站保護(hù)系統(tǒng)同時(shí)不工作和A型交流濾波器均不可用等都會發(fā)出閉鎖信號導(dǎo)致直流閉鎖。為了提高直流系統(tǒng)可靠性，直流系統(tǒng)中每站每極均有3套基本一致的直流保護(hù)系統(tǒng)，但直流保護(hù)系統(tǒng)的“三取二”出口邏輯功能模塊僅布置在直流保護(hù)系統(tǒng)1和直流保護(hù)系統(tǒng)2中，如果該直流保護(hù)系統(tǒng)1和2同時(shí)故障時(shí)會導(dǎo)致閉鎖。文獻(xiàn)[8]就對天廣直流兩起極1閉鎖故障進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩次閉鎖故障均是由于極1中直流保護(hù)系統(tǒng)1和保護(hù)系統(tǒng)2同時(shí)故障造成的極1閉鎖。

1.2 交流系統(tǒng)故障

由于換流閥中的晶閘管缺乏自關(guān)斷能力，所以需要交流系統(tǒng)中的換流母線提供一定的反向電壓作用于換流閥，并且每個(gè)換流閥都具有一個(gè)最小關(guān)斷角γmin，當(dāng)換相電壓因?yàn)榻涣鞴收隙到档蜁r(shí)會引起逆變側(cè)直流電壓降低從而使直流電流升高，然而換相電壓的降低和直流電流的升高都會進(jìn)一步造成換流閥關(guān)斷角變小。當(dāng)換流閥關(guān)斷角小于其最小關(guān)斷角時(shí)，就會發(fā)生換相失敗。

當(dāng)交流故障引發(fā)一次換相失敗后高壓直流恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行所需要的時(shí)間為200 ms，而現(xiàn)有的死區(qū)保護(hù)及失靈保護(hù)清除交流故障的時(shí)間為300 ms，在故障或者擾動(dòng)清除之前，高壓直流將會再次發(fā)生換相失敗，并且工程上把首次換相失敗發(fā)生后間隔200 ms如果再次發(fā)生了換相失敗定義為一次連續(xù)換相失敗[9]。由于每次換相失敗都會造成直流功率的傳輸中斷，所以當(dāng)交流故障造成連續(xù)換相失敗時(shí)，如果直流損失的功率大于系統(tǒng)所能承受的臨界沖擊功率，將引發(fā)換相失敗保護(hù)動(dòng)作發(fā)出閉鎖信號造成直流閉鎖。文獻(xiàn)[10]對林楓直流發(fā)生交流故障后引發(fā)的直流閉鎖過程進(jìn)行了分析。

2 直流閉鎖影響交流系統(tǒng)頻率變化的過程及特點(diǎn)

當(dāng)換流站接收到閉鎖信號后，整流器將關(guān)閉觸發(fā)脈沖使直流系統(tǒng)不再傳輸功率。功率的突然變化會對送端電網(wǎng)造成一個(gè)大的功率沖擊引起發(fā)電和負(fù)荷之間的不平衡。因?yàn)殚]鎖后時(shí)間不同，沖擊功率在發(fā)電機(jī)之間的分配情況不同，從而導(dǎo)致機(jī)組電磁功率的改變量不同，并且機(jī)組電磁功率和機(jī)械功率的改變量共同作用決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)頻率特性，因此直流閉鎖對系統(tǒng)頻率的影響可以通過沖擊功率分配的三個(gè)階段來進(jìn)行分析[11]。

首先在直流閉鎖擾動(dòng)瞬間，各個(gè)發(fā)電機(jī)i按照同步功率系數(shù)迅速完成沖擊功率ΔP的分配。其中各個(gè)發(fā)電機(jī)的電磁功率改變量ΔPei為:

(1)

式中：Kik=EiUkBikcosδik為發(fā)電機(jī)i與擾動(dòng)點(diǎn)k的同步功率系數(shù)[12]；Ei、Uk、Bik分別為發(fā)電機(jī)i的電動(dòng)勢、擾動(dòng)點(diǎn)k的節(jié)點(diǎn)電壓、發(fā)電機(jī)與擾動(dòng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移電納；δik為Ei和Uk的相角差；n為發(fā)電機(jī)數(shù)量。

隨后進(jìn)入第二階段，在此階段調(diào)速系統(tǒng)還沒有感受到信號，調(diào)速系統(tǒng)不發(fā)揮作用。此時(shí)各發(fā)電機(jī)組按照轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)進(jìn)行擾動(dòng)量的分配，電磁功率的改變量為:

(2)

式中：TJi為第i臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TJj為第j臺發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

此時(shí)電磁功率瞬間減小，然而由于調(diào)速系統(tǒng)還沒發(fā)揮作用，機(jī)械功率不能突變，此時(shí)機(jī)械功率大于電磁功率，從而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率升高。

最后進(jìn)入第三階段，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的迅速升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化值超過一次調(diào)頻的動(dòng)作死區(qū)，一次調(diào)頻系統(tǒng)開始動(dòng)作并減小機(jī)組出力來改變機(jī)組的機(jī)械功率。經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程使發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率與電磁功率再次相等重新建立平衡，頻率恢復(fù)穩(wěn)定并保持在一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)發(fā)電機(jī)i電磁功率和機(jī)械功率穩(wěn)態(tài)改變量分別為ΔPei(∞)和ΔPmi(∞)，可由式(3)求取(假設(shè)忽略了負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性)。

(3)

式中：σi為發(fā)電機(jī)i的調(diào)差系數(shù)。

一次調(diào)頻過后二次調(diào)頻動(dòng)作，將功率交換恢復(fù)到設(shè)定值使頻率恢復(fù)到設(shè)定的運(yùn)行頻率，以此來保證一次調(diào)頻容量可以再次用來調(diào)頻。直流閉鎖影響送端系統(tǒng)頻率變化的過程見圖2a，其中fn、fs、fd和fmax分別為頻率設(shè)定值、一次調(diào)頻穩(wěn)態(tài)值、一次調(diào)頻動(dòng)作值和頻率最高點(diǎn)。

由于一次調(diào)頻系統(tǒng)要求有6%的限幅環(huán)節(jié)，發(fā)電機(jī)不可能無限制的調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出力，當(dāng)直流閉鎖后一、二次調(diào)頻動(dòng)作仍不能使頻率恢復(fù)到系統(tǒng)所允許的運(yùn)行范圍內(nèi)，并且系統(tǒng)頻率超過51.5 Hz且持續(xù)30 s以上時(shí)高頻切機(jī)保護(hù)動(dòng)作，使頻率最終保持在系統(tǒng)所允許的運(yùn)行范圍內(nèi)。

對于逆變側(cè)而言，閉鎖后逆變器立即投入旁通對來保護(hù)換流閥，停止對交流系統(tǒng)輸送功率，對于逆變側(cè)交流系統(tǒng)而言相當(dāng)于減少了電源供給，此時(shí)受端機(jī)組承受更多的負(fù)荷[13]。同樣可以通過沖擊功率三階段分配原理來分析受端交流系統(tǒng)，只是電磁功率改變量ΔPei變?yōu)檎龜?shù)，其中在第二階段，調(diào)速器沒有起作用，機(jī)械功率保持不變，此時(shí)電磁功率大于機(jī)械功率，導(dǎo)致受端系統(tǒng)頻率降低。最后通過調(diào)頻恢復(fù)到正常運(yùn)行范圍。影響受端系統(tǒng)頻率變化的過程見圖2b，其中fmin為系統(tǒng)頻率最低點(diǎn)。

圖2 直流閉鎖影響送受端系統(tǒng)頻率變化的階段圖

與送端系統(tǒng)一樣，當(dāng)一、二次調(diào)頻動(dòng)作后仍不能使頻率恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)，則當(dāng)頻率低于49.2 Hz的時(shí)間超過0.14 s且頻率變化率低于5 Hz/s將觸發(fā)第一輪低頻減載裝置動(dòng)作，通過降低負(fù)荷功率來使頻率保持在系統(tǒng)允許的運(yùn)行范圍內(nèi)。

3 直流閉鎖后主要調(diào)頻措施研究

由于我國風(fēng)電、光伏等新能源不同于常規(guī)能源的特性以及多饋入直流容量占比持續(xù)增長導(dǎo)致電網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的減小，直流閉鎖故障將對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定帶來很大挑戰(zhàn)，以往的調(diào)頻措施已經(jīng)不能很好的響應(yīng)直流閉鎖故障從而導(dǎo)致頻率失穩(wěn)。針對這種情況，對系統(tǒng)的調(diào)頻措施必須重新進(jìn)行研究。目前針對直流閉鎖故障后的調(diào)頻研究主要為以下幾類。

a.一次調(diào)頻。一次調(diào)頻是系統(tǒng)頻率受到擾動(dòng)后主要調(diào)頻手段之一，但是針對直流閉鎖發(fā)生后，機(jī)組實(shí)際的一次調(diào)頻響應(yīng)情況與理想響應(yīng)情況不相符。主要是因?yàn)檫\(yùn)行過程中汽輪機(jī)調(diào)門過大導(dǎo)致調(diào)節(jié)裕度不足、在閉鎖前小頻差的干擾下一次調(diào)頻已經(jīng)動(dòng)作并且消耗了部分蓄熱，導(dǎo)致直流閉鎖發(fā)生后機(jī)組調(diào)頻性能不足等原因，因此文獻(xiàn)[14]在對錦蘇直流閉鎖后頻率響應(yīng)分析的基礎(chǔ)上提出了機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行需要兼顧一次調(diào)頻性能與機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，在電網(wǎng)需要的時(shí)段上降低汽輪機(jī)調(diào)門開度，適當(dāng)降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性來提高系統(tǒng)的一次調(diào)頻能力并且優(yōu)化完善機(jī)組一次調(diào)頻控制策略。

b.高頻切機(jī)策略。作為電網(wǎng)頻率緊急控制的第三道防線，不合理的高頻切機(jī)策略會導(dǎo)致切機(jī)裝置重復(fù)動(dòng)作，最終導(dǎo)致系統(tǒng)頻率崩潰[15]。然而當(dāng)前切機(jī)參數(shù)主要是參照火電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)計(jì)，但是隨著風(fēng)電、光伏等新能源代替同步機(jī)組接入電網(wǎng)導(dǎo)致系統(tǒng)的調(diào)頻能力持續(xù)減弱，在發(fā)生直流閉鎖故障這種大擾動(dòng)的作用下，以往以常規(guī)機(jī)組為主要的系統(tǒng)切機(jī)方案已經(jīng)不再適用。文獻(xiàn)[16]針對直流閉鎖引起的高頻問題，制定了能夠適應(yīng)風(fēng)光波動(dòng)的風(fēng)光火聯(lián)合高頻切機(jī)方案。

c.直流頻率限制器。充分利用直流短時(shí)間內(nèi)能夠承受1.1倍過負(fù)載的能力，在多饋入直流系統(tǒng)中當(dāng)其中一條直流發(fā)生閉鎖故障后，通過采取直流頻率控制來迅速增加其余直流的傳輸功率，對系統(tǒng)的頻率起到一個(gè)快速支撐的作用。直流頻率控制模型見圖3。其中，ω為被控機(jī)組的角速度；Td和Tf分別為微分環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)和濾波器時(shí)間常數(shù)；ε為引導(dǎo)補(bǔ)償因子；K為調(diào)制增益；Pmax和Pmin分別是直流調(diào)制量的上限和下限；PMOD為輸出的功率附加調(diào)節(jié)量，作用在直流控制系統(tǒng)中的直流功率參考值上。

圖3 直流頻率控制模型

針對閉鎖故障后直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，文獻(xiàn)[17]研究了直流頻率限制器與一次調(diào)頻協(xié)同調(diào)頻策略，提出頻率出現(xiàn)擾動(dòng)后優(yōu)先利用直流系統(tǒng)的頻率限制器來平衡功率，放大機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)作為后備措施的調(diào)頻策略。

d.構(gòu)建頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。多直流饋入的送端電網(wǎng)發(fā)生雙回直流閉鎖故障后頻率降低，當(dāng)受端系統(tǒng)一、二次調(diào)頻性能也難以讓頻率維持在低頻減載動(dòng)作值之上時(shí)，如果不采取額外措施必然導(dǎo)致低頻減載動(dòng)作造成重大事故。針對此類情況，構(gòu)建頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，這套系統(tǒng)主要包括直流緊急功率調(diào)升主站、抽蓄切泵控制主站和精準(zhǔn)負(fù)荷控制主站。當(dāng)直流閉鎖功率達(dá)到門檻值，頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，首先緊急調(diào)升其他多回路直流的功率，當(dāng)控制量不足以讓系統(tǒng)頻率恢復(fù)到允許范圍時(shí)，抽蓄切泵控制主站動(dòng)作切除掉抽水工況的抽蓄機(jī)組，這是因?yàn)楫?dāng)處于低谷時(shí)段，抽水蓄能電廠將運(yùn)行在抽水工況，閉鎖后可以當(dāng)做用電負(fù)荷切除，如果此時(shí)措施量仍不足，此時(shí)精準(zhǔn)負(fù)荷控制主站動(dòng)作，切除掉一些可中斷供電的負(fù)荷來補(bǔ)償功率缺額，最終讓頻率控制在允許運(yùn)行范圍內(nèi)，避免直流閉鎖后的受端系統(tǒng)大面積低頻減載動(dòng)作。文獻(xiàn)[18]對華東電網(wǎng)直流閉鎖后采取的頻率緊急協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了仿真分析，表明在閉鎖故障后頻率緊急協(xié)調(diào)控制能夠盡可能的減少用電負(fù)荷的損失，提高了系統(tǒng)抵抗閉鎖后頻率失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的能力。

隨著大規(guī)模新能源接入電力系統(tǒng)，當(dāng)受到直流閉鎖這種大的功率沖擊時(shí)，系統(tǒng)所采用的單一的調(diào)頻策略已經(jīng)難以具有較好的調(diào)頻能力。面對這種情況，未來應(yīng)該進(jìn)一步充分挖掘風(fēng)力發(fā)電機(jī)的調(diào)頻能力，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)參與調(diào)頻與常規(guī)機(jī)組的一次調(diào)頻相互配合，并同時(shí)利用直流短時(shí)過負(fù)荷能力參與系統(tǒng)調(diào)頻，制定出三者能夠同時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的協(xié)調(diào)控制策略，來使系統(tǒng)調(diào)頻能力能夠改善由于新能源的不斷開發(fā)利用而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)頻能力不足的問題。

4 結(jié)論

本文從直流系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備故障和交流系統(tǒng)故障引發(fā)直流發(fā)生連續(xù)換相失敗而造成換流站閉鎖兩個(gè)方面對直流閉鎖故障的原因進(jìn)行了詳細(xì)的梳理。根據(jù)沖擊功率分配的三階段原理，從閉鎖瞬間、調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作前、調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作后三個(gè)階段分析了直流閉鎖后影響系統(tǒng)頻率變化的過程及特點(diǎn)，由于閉鎖后產(chǎn)生的沖擊功率較大，對于送端系統(tǒng)將會導(dǎo)致頻率的升高而受端系統(tǒng)頻率降低，當(dāng)一、二次調(diào)頻系統(tǒng)動(dòng)作后仍不能將系統(tǒng)頻率恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)時(shí)，送端系統(tǒng)將觸發(fā)高頻切機(jī)，受端系統(tǒng)將觸發(fā)低頻減載。最后對當(dāng)前閉鎖后調(diào)頻策略進(jìn)行總結(jié)，主要從一次調(diào)頻、閉鎖后的切機(jī)策略、直流頻率限制器以及頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)這幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并且隨著新能源的不斷發(fā)展，應(yīng)該制定出風(fēng)機(jī)調(diào)頻、直流系統(tǒng)參與調(diào)頻與常規(guī)機(jī)組一次調(diào)頻的協(xié)調(diào)控制策略，來改善由于新能源的開發(fā)利用而導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)頻能力不足的問題。