謝惠藩，付超，李詩(shī)旸，梅勇，張建新，徐光虎，朱澤翔，周劍，洪潮，邱建

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州510663；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663)

0 引言

特高壓直流輸電技術(shù)在西電東送中的遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面發(fā)揮著重要的作用，而大容量多端直流在能源時(shí)空優(yōu)化配置方面具有特別的優(yōu)勢(shì)[1 - 3]。而直流線(xiàn)路故障是一種常見(jiàn)故障，較為容易導(dǎo)致直流單極或雙極閉鎖，直流恢復(fù)邏輯在直流控制保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)行優(yōu)化研究[4]。一般而言，合理的直流線(xiàn)路故障恢復(fù)設(shè)計(jì)可以減少直流停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，可有效地提高直流輸電的利用率；同時(shí)，直流恢復(fù)過(guò)程需要幾百毫秒時(shí)間，當(dāng)恢復(fù)不成功會(huì)也給系統(tǒng)帶來(lái)不利的影響，影響穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間，特別是直流容量較大時(shí)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響顯著。

南方電網(wǎng)是一個(gè)大容量、遠(yuǎn)距離送電的交直流混合電網(wǎng)，交直流之間相互影響突出。自2016年以來(lái)，云南電網(wǎng)實(shí)施與主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行[5]，有效緩解了南方電網(wǎng)交直流并聯(lián)相互影響問(wèn)題，同時(shí)也帶來(lái)了大容量直流送端云南電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問(wèn)題，當(dāng)發(fā)生特高壓直流單極閉鎖時(shí)需采取穩(wěn)控切機(jī)，才能確保送端云南電網(wǎng)頻率不越限[6]。2020年南方電網(wǎng)投產(chǎn)了±800 kV云南昆北至廣西柳州和廣東龍門(mén)的多端混合直流工程(簡(jiǎn)稱(chēng)昆柳龍直流)，輸送容量8 000 MW[7]，是南方電網(wǎng)輸送容量最大的直流工程。同時(shí)，昆柳龍直流故障后也對(duì)南方電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定特性、故障恢復(fù)邏輯、穩(wěn)定控制措施等方面產(chǎn)生重大影響[8]。

本文以昆柳龍直流工程為例，對(duì)多端直流故障恢復(fù)及在線(xiàn)退站恢復(fù)等過(guò)程的系統(tǒng)穩(wěn)定特性進(jìn)行深入分析，研究恢復(fù)及在線(xiàn)退站時(shí)序、不同極故障、在線(xiàn)退站失敗、不同段直流線(xiàn)路故障、穩(wěn)控措施等多種因素對(duì)送端系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 昆柳龍多端直流工程方案概況

多端直流輸電系統(tǒng)由3個(gè)或3個(gè)以上的換流站及連接換流站的高壓直流輸電線(xiàn)路組成，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)電源、負(fù)荷區(qū)域的輸電，各個(gè)負(fù)荷站之間的功率可以靈活分配，且換流站具備可在線(xiàn)投退，故障后各站之間功率可以轉(zhuǎn)移，能夠充分發(fā)揮直流輸電的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

圖1 昆柳龍多端直流輸電系統(tǒng)接線(xiàn)方式Fig.1 Connection mode of KLL MTDC

昆柳龍多端直流工程依托烏東德水電站，采用±800 kV多端混合直流輸電方案[7]，昆柳龍多端直流系統(tǒng)如圖1所示，送端云南建設(shè)±800 kV、8 000 MW常規(guī)直流換流站(云南昆北換流站)，受端廣東建設(shè)±800 kV、5 000 MW柔性直流換流站(廣東龍門(mén)換流站)，廣西建設(shè)±800 kV、3 000 MW柔性直流換流站(廣西柳州換流站)，送電距離全長(zhǎng)約1 489 km。云南端電網(wǎng)與廣東、廣西電網(wǎng)實(shí)施異步運(yùn)行，廣東和廣西電網(wǎng)保持同步運(yùn)行。

昆柳龍多端直流工程兼具特高壓、多端、混合的特點(diǎn)，其控制功能與以往工程相比，主要有以下幾個(gè)技術(shù)特點(diǎn)[8 - 12]。

1)運(yùn)行方式和控制模式眾多[9 - 10]。根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，昆柳龍直流主要運(yùn)行方式包括云南送電廣東、廣西混合三端方式，云南送電廣東(或廣西)方式、廣西送電廣東方式等兩端運(yùn)行方式，不同運(yùn)行方式下系統(tǒng)控制模式多樣，同樣的線(xiàn)路故障在不同直流運(yùn)行方式的系統(tǒng)穩(wěn)定特性差異較大。

2)直流啟動(dòng)/停運(yùn)策略[11]。常規(guī)直流換流站本質(zhì)上是一個(gè)電流源型的換流器，在控制系統(tǒng)的作用下，可以運(yùn)行于定電壓、定電流和定熄弧角(逆變側(cè))3種模式，穩(wěn)定工作區(qū)非常寬。柔性直流換流站本質(zhì)上是一個(gè)電壓源型的換流器，通常具有定電壓和定電流2種運(yùn)行模式，其特點(diǎn)是控制性能好，而穩(wěn)定運(yùn)行的工作區(qū)相對(duì)較窄。

3)直流故障清除和快速恢復(fù)控制[12]。多端直流系統(tǒng)經(jīng)過(guò)直流線(xiàn)路連接在一起，發(fā)生直流故障的概率較大。在常規(guī)直流中，直流故障的清除和重啟也已經(jīng)是成熟技術(shù)，而換流站仍存在著直流故障清除和快速恢復(fù)問(wèn)題。一方面換流閥不具備常規(guī)閥組的短時(shí)過(guò)流能力，另一方面，柔性直流不能像常規(guī)直流那樣通過(guò)快速移相來(lái)熄滅故障電流。

4)高低閥組的在線(xiàn)投入和退出控制技術(shù)[12]。在特高壓常規(guī)直流系統(tǒng)中，高低閥組的在線(xiàn)投入和退出已經(jīng)是工程中常用的成熟技術(shù)。而在系統(tǒng)中，在線(xiàn)旁路需要解決直流電流控制的問(wèn)題，在線(xiàn)投入過(guò)程中則需要實(shí)現(xiàn)零直流電壓運(yùn)行。

5)第3站在線(xiàn)投入和退出控制技術(shù)[8]。對(duì)柔性直流保護(hù)而言，柳州站和龍門(mén)站閥區(qū)出口配置高速開(kāi)關(guān)(high speed switch, HSS)，該開(kāi)關(guān)不具備開(kāi)斷直流電流能力。直流高速開(kāi)關(guān)HSS主要?jiǎng)幼饔谌诉\(yùn)行轉(zhuǎn)兩端等運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換。

通過(guò)對(duì)比兩端、三端直流的主要技術(shù)特點(diǎn)，在制定昆柳龍三端直流恢復(fù)故障穩(wěn)定控制措施時(shí)，較以往常規(guī)兩端直流會(huì)更為復(fù)雜。為了更好地分析三端直流恢復(fù)穩(wěn)定特性，下面先對(duì)常規(guī)兩端直流恢復(fù)邏輯以及系統(tǒng)穩(wěn)定特性進(jìn)行總結(jié)，并在此基礎(chǔ)對(duì)三端直流恢復(fù)穩(wěn)定特性進(jìn)行研究。

2 常規(guī)兩端直流恢復(fù)邏輯介紹

2.1 常規(guī)兩端直流線(xiàn)路故障恢復(fù)基本原理

直流線(xiàn)路故障，一般以遭受雷擊、污穢等因素造成線(xiàn)路對(duì)地閃絡(luò)，大部分為暫時(shí)性故障。若直接閉鎖故障極會(huì)影響直流輸電能力和不利于送受端系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。為減小直流故障極發(fā)生閉鎖的概率，設(shè)置直流線(xiàn)路故障恢復(fù)功能，主要功能參數(shù)為恢復(fù)次數(shù)、去游離時(shí)間設(shè)置、恢復(fù)電壓等[4]。

對(duì)于直流系統(tǒng)而言，增加故障恢復(fù)次數(shù)、延長(zhǎng)去游離時(shí)間、或降壓恢復(fù)等均有利于直流從線(xiàn)路瞬時(shí)故障中快速恢復(fù)，從而降低直流線(xiàn)路故障引起的極閉鎖概率，提高直流系統(tǒng)輸電的可靠性。

對(duì)交流系統(tǒng)而言，當(dāng)從直流線(xiàn)路發(fā)生故障開(kāi)始，直流故障極接近于零功率，對(duì)交流系統(tǒng)沖擊等效于該極發(fā)生了閉鎖。在直流發(fā)生故障到恢復(fù)完成的整個(gè)過(guò)程中，須經(jīng)過(guò)移相階段、去游離階段、功率恢復(fù)階段共3個(gè)階段[13]。

直流線(xiàn)路故障恢復(fù)(DC fault recovery, DCFR)功能需與穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行配合。當(dāng)直流線(xiàn)路上發(fā)生接地瞬時(shí)故障時(shí)，直流電流升高，電壓跌落。直流控制保護(hù)動(dòng)作后，如果沒(méi)有收到極控系統(tǒng)發(fā)出的ESOF閉鎖信號(hào)，就會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作邏輯發(fā)出直流線(xiàn)路故障恢復(fù)順序指令，對(duì)直流線(xiàn)路進(jìn)行恢復(fù)。如果恢復(fù)成功，直流電壓建立，電流恢復(fù)，直流線(xiàn)路恢復(fù)正常運(yùn)行。直流線(xiàn)路故障恢復(fù)成功，能夠提高直流系統(tǒng)的可利用率；若直流線(xiàn)路故障恢復(fù)失敗，如發(fā)生永久性故障，將會(huì)延長(zhǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)采取控制措施的動(dòng)作時(shí)間，給系統(tǒng)穩(wěn)定帶來(lái)不利的影響，增加系統(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 常規(guī)兩端直流線(xiàn)路故障恢復(fù)邏輯

根據(jù)南方電網(wǎng)已運(yùn)行的特高壓兩端直流恢復(fù)邏輯為例，其中±800 kV楚穗直流運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，恢復(fù)邏輯設(shè)計(jì)最為成熟，在直流線(xiàn)路發(fā)生故障恢復(fù)是否成功與穩(wěn)控系統(tǒng)相關(guān)的時(shí)序邏輯如圖2—3所示[4]，主要信號(hào)包括：直流線(xiàn)路故障恢復(fù)過(guò)程(DC line fault recovery sequence)，極控系統(tǒng)保護(hù)閉鎖(protection block/ESOF)，直流系統(tǒng)運(yùn)行/解鎖信號(hào)(pole status deblocked)，直流系統(tǒng)停運(yùn)/閉鎖信號(hào)(pole status blocked)。

圖2 直流線(xiàn)路故障恢復(fù)時(shí)發(fā)給穩(wěn)控系統(tǒng)的信號(hào)Fig.2 Signals received by SPS in a succeeded DCFR

特高壓常規(guī)兩端直流恢復(fù)的主要邏輯如下。

1)當(dāng)一極BLOCK閉鎖或ESOF緊急停運(yùn)15 min后(時(shí)間可整定)，當(dāng)系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，另一極發(fā)生直流線(xiàn)路故障可以嘗試恢復(fù)若干次(次數(shù)可整定)。

2)當(dāng)一極BLOCK閉鎖或ESOF緊急停運(yùn)15 min內(nèi)(時(shí)間可整定)，當(dāng)系統(tǒng)未進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，另一極發(fā)生直流線(xiàn)路故障應(yīng)立即閉鎖故障極，不再進(jìn)行恢復(fù)。

3)當(dāng)一極發(fā)生直流線(xiàn)路故障正在恢復(fù)過(guò)程中，另一極發(fā)生直流線(xiàn)路故障可以選擇直接閉鎖雙極或者雙極互不干擾的進(jìn)行故障線(xiàn)路恢復(fù)?；謴?fù)過(guò)程中判據(jù)包括直流線(xiàn)路故障后的移相時(shí)間、去游離時(shí)間和功率恢復(fù)時(shí)間。

2.3 兩端直流故障恢復(fù)參數(shù)設(shè)置

南方電網(wǎng)已有的直流恢復(fù)設(shè)置見(jiàn)表1[8]。貴州與廣東為交直流同步聯(lián)網(wǎng)方式，且直流容量一般不超過(guò)3 000 MW，在貴州送廣東的直流工程中(天廣、高肇、興安)，直流線(xiàn)路故障恢復(fù)次數(shù)一般設(shè)置為3次，去游離時(shí)間都設(shè)定為400 ms，第2次恢復(fù)電壓是可選擇降壓恢復(fù)。

由于云南與廣東為異步聯(lián)網(wǎng)方式，主要受制于云南電網(wǎng)頻率穩(wěn)定約束，與貴州送廣東的直流工程略有區(qū)別，在云南送廣東的直流工程中(楚穗、普僑、牛從、金中、永富、新東)，直流線(xiàn)路故障恢復(fù)次數(shù)一般設(shè)置為1次，高壓直流去游離時(shí)間設(shè)定為400 ms，特高壓直流去游離時(shí)間設(shè)定為500 ms，汛期一般按照全壓恢復(fù)，枯水期按照降壓恢復(fù)。

表1 南方電網(wǎng)現(xiàn)有直流工程恢復(fù)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置表Tab.1 Critical parameters setting of DCFR for DC projects in CSG

3 多端直流在線(xiàn)退站及故障恢復(fù)的動(dòng)作時(shí)序分析

3.1 多端直流閉鎖故障后的開(kāi)關(guān)HSS在線(xiàn)退站動(dòng)作時(shí)序

對(duì)柔性直流保護(hù)而言，昆柳龍直流輸電工程中一次主回路與以往工程較大差異在于[10]：1)柳州站和龍門(mén)站閥區(qū)出口配置HSS高速并聯(lián)開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)不具備開(kāi)斷直流電流能力。HSS主要?jiǎng)幼饔?種情況：三端運(yùn)行轉(zhuǎn)兩端運(yùn)行，兩端運(yùn)行轉(zhuǎn)三端運(yùn)行，柳州至龍門(mén)直流線(xiàn)路永久故障或檢修，柳州站及龍門(mén)站站內(nèi)故障或檢修。2)柳州站、龍門(mén)站的橋臂電抗器布置于直流側(cè)，橋臂電流測(cè)點(diǎn)位置布置于閥與橋臂電抗器之間。3)柳州站、龍門(mén)站的啟動(dòng)回路布置于柔直變壓器網(wǎng)側(cè)，新增柔直變壓器網(wǎng)側(cè)電壓測(cè)點(diǎn)和啟動(dòng)電阻支路電流測(cè)點(diǎn)。

在特高壓昆柳龍多端混合直流三端運(yùn)行情況下(云南送廣東廣西方式)[12]，存在著柳州或龍門(mén)換流站在線(xiàn)退站邏輯，對(duì)穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序與兩端模式有所明顯不同，圖4展示了三端運(yùn)行方式下的極閉鎖故障穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序圖。當(dāng)僅有單閥閉鎖時(shí)一般不采取穩(wěn)控動(dòng)作，昆柳龍直流穩(wěn)定分析時(shí)不考慮僅單閥組閉鎖的控制措施[14]。

圖4 昆柳龍直流極閉鎖故障穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)序圖Fig.4 KLL DC pole blocking fault stability control action sequence diagram

當(dāng)柳州換流站或者龍門(mén)換流站發(fā)生極閉鎖，而其他兩端對(duì)應(yīng)極無(wú)需閉鎖的情況，即存在柳州換流站或者龍門(mén)換流站的故障極在線(xiàn)退站情況。在線(xiàn)退站過(guò)程中，三端對(duì)應(yīng)極功率先降到約零，然后通過(guò)HSS開(kāi)關(guān)動(dòng)作進(jìn)行退站操作，若龍門(mén)換流站極故障時(shí)多端直流對(duì)應(yīng)極拓?fù)淝袚Q為昆柳雙端模式后，再恢復(fù)昆北和柳州換流站該極功率；若柳州換流站極故障時(shí)多端直流對(duì)應(yīng)極拓?fù)淝袚Q為昆龍雙端模式后，再恢復(fù)昆北和龍門(mén)換流站該極功率。

當(dāng)HSS開(kāi)關(guān)動(dòng)作成功，穩(wěn)控系統(tǒng)只針對(duì)已發(fā)生極閉鎖的換流站故障采取穩(wěn)定控制措施，從故障發(fā)生到穩(wěn)控動(dòng)作執(zhí)行完成所需時(shí)間約300 ms。HSS開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程將造成系統(tǒng)約600 ms的短時(shí)不平衡功率，待直流恢復(fù)后穩(wěn)控系統(tǒng)對(duì)非故障端不采取控制措施。

當(dāng)HSS開(kāi)關(guān)發(fā)生拒動(dòng)時(shí)，剩余兩端對(duì)應(yīng)極功率恢復(fù)失敗，則閉鎖三端對(duì)應(yīng)極，穩(wěn)控系統(tǒng)收到閉鎖命令后再進(jìn)行穩(wěn)定控制。根據(jù)昆柳龍直流設(shè)計(jì)要求，從三端短時(shí)零功率到兩端功率基本恢復(fù)應(yīng)在500 ms內(nèi)，另考慮直流移相時(shí)間、HSS分合閘時(shí)間共約100 ms，上述柳州或龍門(mén)換流站在線(xiàn)退出過(guò)程耗時(shí)約600 ms，若出現(xiàn)HSS開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)從故障發(fā)生到穩(wěn)控動(dòng)作執(zhí)行完成所需時(shí)間約為900 ms。

對(duì)于發(fā)生兩端模式時(shí)，發(fā)生極閉鎖時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作不受HSS開(kāi)關(guān)影響，則穩(wěn)控系統(tǒng)收到閉鎖命令后直接進(jìn)行穩(wěn)定控制，從故障發(fā)生到穩(wěn)控動(dòng)作執(zhí)行完成所需時(shí)間約為300 ms。

3.2 多端直流線(xiàn)路故障恢復(fù)的動(dòng)作時(shí)序

昆柳龍直流三端運(yùn)行方式下，由于柔性直流端具備在線(xiàn)故障退出功能，給直流故障恢復(fù)時(shí)序中引入了新的特性。由于兩極恢復(fù)時(shí)序和穩(wěn)控配合邏輯基本獨(dú)立，根據(jù)任意一極恢復(fù)過(guò)程以及恢復(fù)是否成功，分為2個(gè)階段進(jìn)行分析，詳見(jiàn)圖5—6。

圖5 昆柳龍多端直流故障恢復(fù)時(shí)序第一階段：恢復(fù)Fig.5 The first stage of KLL-MTDC fault recovery sequence: recovery

圖6 昆柳龍多端直流故障恢復(fù)時(shí)序第二階段：恢復(fù)失敗 (區(qū)分故障位置)Fig.6 The second stage of KLL-MTDC fault recovery sequence: recovery: restore failure (distinguish fault location)

第一階段，考慮昆柳龍直流故障恢復(fù)成功，當(dāng)昆柳龍任意位置發(fā)生線(xiàn)路短路故障后，三端將本極功率控到0，同時(shí)進(jìn)入去游離等待時(shí)間，去游離等待時(shí)間結(jié)束后三端直流嘗試重啟成功，考慮去游離和恢復(fù)過(guò)程總時(shí)間約650 ms。此階段直流恢復(fù)過(guò)程將造成系統(tǒng)約650 ms的短時(shí)不平衡功率，待直流恢復(fù)后穩(wěn)控系統(tǒng)不采取控制措施。具體的動(dòng)作時(shí)序見(jiàn)圖5所示。

第二階段，考慮昆柳龍直流故障恢復(fù)失敗，且恢復(fù)次數(shù)已達(dá)上限，則進(jìn)入第二階段。昆柳龍直流線(xiàn)路分為昆柳段和柳龍段，而昆柳段故障和柳龍段故障有不同的時(shí)序。具體的動(dòng)作時(shí)序如圖6所示。

如果故障極發(fā)生在昆柳段，唯一電源端昆北換流站將無(wú)法供電，只能閉鎖三端對(duì)應(yīng)極。三端極閉鎖信號(hào)將觸發(fā)穩(wěn)控系統(tǒng)，故障后由穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)策略定值動(dòng)作。

如果故障極發(fā)生在柳龍段，僅損失一個(gè)負(fù)荷端(龍門(mén)換流站)，可通過(guò)HSS開(kāi)關(guān)切換至昆柳雙端模式，由昆北換流站繼續(xù)向剩余負(fù)荷端柳州換流站供電，為此，直流控保啟動(dòng)龍門(mén)端故障極在線(xiàn)故障自動(dòng)退出程序。首先，三端對(duì)應(yīng)極再次控功率到零；然后HSS開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將直流故障極三端模式拓?fù)淝袚Q為昆柳雙端模式；最后剩余的昆北、柳州站恢復(fù)功率。

根據(jù)故障極閉鎖邏輯，龍門(mén)換流站在線(xiàn)退出過(guò)程耗時(shí)約600 ms。在龍門(mén)站啟動(dòng)在線(xiàn)退站的同時(shí)，

龍門(mén)換流站也將故障極閉鎖信號(hào)發(fā)到穩(wěn)控系統(tǒng)，由穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)龍門(mén)換流站極閉鎖策略定值動(dòng)作，從故障發(fā)生到穩(wěn)控動(dòng)作執(zhí)行完成所需時(shí)間約950 ms(若恢復(fù)1次)。

若考慮HSS開(kāi)關(guān)發(fā)生拒動(dòng)時(shí)，昆柳段在功率恢復(fù)時(shí)失敗，直流控保將閉鎖三端對(duì)應(yīng)極，同時(shí)極閉鎖信號(hào)也將觸發(fā)穩(wěn)控系統(tǒng)，由穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)昆北換流站極閉鎖策略定值動(dòng)作，從故障發(fā)生到穩(wěn)控動(dòng)作執(zhí)行完成所需時(shí)間約1 550 ms(若恢復(fù)1次)。

4 多端直流故障恢復(fù)穩(wěn)定特性仿真分析

4.1 云南直流閉鎖故障穩(wěn)定特性分析

自2016年云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后[6]，若云南電網(wǎng)送端發(fā)生直流閉鎖，送受端電網(wǎng)中將出現(xiàn)大量不平衡功率，導(dǎo)致送端系統(tǒng)頻率明顯升高，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定成為主要約束問(wèn)題。下文以2020年南方電網(wǎng)夏大極限方式為例，云南電網(wǎng)最高頻率與直流閉鎖功率呈近似線(xiàn)性關(guān)系，變化曲線(xiàn)如圖7所示，功率變化量與頻率變化量比值約為3 500～4 500 MW/Hz，但隨著直流閉鎖功率增加，不平衡功率導(dǎo)致系統(tǒng)最高頻率的上升速率明顯加快[14 - 15]。

4.2 直流三端運(yùn)行單極故障恢復(fù)分析

考慮昆柳龍直流三端2021年已投產(chǎn)，本小節(jié)以2021年夏大方式數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行故障仿真分析[14]，分別考慮線(xiàn)路故障發(fā)生在昆柳段和柳龍段。

圖7 不同直流閉鎖功率下云南電網(wǎng)最高頻率曲線(xiàn)Fig.7 Maximum frequency curve of Yunnan power grid under different HVDC block power

4.2.1 昆柳段單極故障

昆柳龍直流三端運(yùn)行方式及昆柳單極故障設(shè)置示意如圖8所示。

圖8 昆柳龍直流三端運(yùn)行昆柳段單極線(xiàn)路故障示意圖Fig.8 Schematic diagram for single DC line fault in Kunbei-Liuzhou segment under three-terminal mode

分別考慮開(kāi)放恢復(fù)故障恢復(fù)次數(shù)為0～3次，對(duì)比最后一次恢復(fù)成功和恢復(fù)全部失敗，以及是否有穩(wěn)控切機(jī)措施的結(jié)果，主要計(jì)算結(jié)果如圖9所示。昆柳段單極故障恢復(fù)失敗損失功率4 000 MW，若不采取穩(wěn)控切機(jī)措施，云南最高頻率超過(guò)50.6 Hz，已超出頻率穩(wěn)定運(yùn)行允許范圍，因此，三端運(yùn)行昆柳段單極故障應(yīng)采取穩(wěn)控切機(jī)措施。昆柳段單極故障恢復(fù)失敗按策略切機(jī)后，若開(kāi)放2次恢復(fù)全失敗，云南最高頻率也將超過(guò)50.4 Hz，因此，三端運(yùn)行昆柳段單極故障恢復(fù)次數(shù)不應(yīng)超過(guò)1次。

圖9 三端運(yùn)行昆柳段單極故障送端頻率峰值Fig.9 Peak frequency of sending end AC system after single DC line fault in Kunbei-Liuzhou segment under three-terminal mode

4.2.2 柳龍段單極故障

昆柳龍直流三端運(yùn)行方式及柳龍單極故障設(shè)置示意如圖10所示。

圖10 三端運(yùn)行柳龍段單極線(xiàn)路故障示意圖Fig.10 Schematic diagram for single DC line fault in LiuZhou-Longmen segment under three-terminal mode

分別考慮開(kāi)放故障恢復(fù)次數(shù)為0—3次，對(duì)比最后一次恢復(fù)成功和恢復(fù)全部失敗，以及是否有穩(wěn)控切機(jī)措施的結(jié)果，主要計(jì)算結(jié)果如圖11所示。柳龍段單極故障且昆柳段恢復(fù)失敗時(shí)，與昆柳段單極故障云南峰值頻率的分布模式相似，而最高頻率更高。

在3類(lèi)計(jì)算場(chǎng)景下，柳龍段單極故障且昆柳段功率恢復(fù)失敗時(shí)，云南峰值頻率最高，可作為昆柳龍單極線(xiàn)路故障恢復(fù)功能設(shè)計(jì)中考察頻率響應(yīng)的邊界場(chǎng)景。

圖11 三端運(yùn)行柳龍段單極故障(昆柳段恢復(fù)失敗)送端 頻率峰值Fig.11 Peak frequency of sending end AC system after single DC line fault in Liuzhou-Longmen segment under three-terminal mode (DCFR failed)

4.3 直流三端運(yùn)行雙極故障恢復(fù)分析

4.3.1 昆柳段雙極故障

昆柳龍直流三端運(yùn)行方式及昆柳雙極故障設(shè)置示意如圖12所示。

圖12 三端運(yùn)行昆柳段雙極線(xiàn)路相繼故障示意圖Fig.12 Schematic diagram for double DC line fault in Kunbei-Liuzhou segment under three-terminal mode

分別考慮雙極不開(kāi)放恢復(fù)、前故障極開(kāi)放1次恢復(fù)、雙極都開(kāi)放1次恢復(fù)這3種情況，對(duì)比不同故障相繼時(shí)間的仿真結(jié)果如下。

1)昆柳段雙極相繼發(fā)生線(xiàn)路故障，若兩極都開(kāi)放1次恢復(fù)，穩(wěn)控動(dòng)作后云南峰值頻率將可能超過(guò)50.5 Hz，因此，不應(yīng)對(duì)相繼線(xiàn)路故障的兩極都開(kāi)放恢復(fù)功能。

2)昆柳段雙極相繼發(fā)生線(xiàn)路故障，若只開(kāi)放前故障極1次恢復(fù)，或雙極都不開(kāi)放恢復(fù)，兩極線(xiàn)路故障同時(shí)發(fā)生(即相繼0 s)時(shí)云南峰值頻率最高。

3)昆柳段雙極同時(shí)發(fā)生線(xiàn)路故障，若只開(kāi)放前故障極1次恢復(fù)，恢復(fù)失敗穩(wěn)控動(dòng)作后云南峰值頻率超過(guò)50.4 Hz。借鑒現(xiàn)有兩端直流的雙極閉鎖恢復(fù)策略，若前故障極恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生另一極故障，可考慮終止前故障極的恢復(fù)，這將有效降低云南峰值頻率。

4.3.2 柳龍段雙極故障

昆柳龍直流三端運(yùn)行方式及柳龍雙極故障設(shè)置示意如圖13所示。

圖13 三端運(yùn)行柳龍段雙極線(xiàn)路故障示意圖Fig.13 Schematic diagram for double DC line fault in Liuzhou- Longmen segment under three-terminal mode

分別考慮雙極不開(kāi)放恢復(fù)、前故障極開(kāi)放1次恢復(fù)、雙極都開(kāi)放1次恢復(fù)這3種情況，對(duì)比不同故障相繼時(shí)間間隔的結(jié)果。當(dāng)昆柳段恢復(fù)失敗時(shí)送端峰值頻率較高，仿真計(jì)算中以昆柳段功率恢復(fù)失敗為例，對(duì)比不同故障相繼時(shí)間的仿真結(jié)果，具體如下。

1)柳龍段雙極相繼發(fā)生線(xiàn)路故障且昆柳段功率恢復(fù)失敗，與昆柳段雙極相繼發(fā)生線(xiàn)路故障下云南峰值頻率的分布模式相似，而峰值頻率更高。

2)柳龍段雙極同時(shí)發(fā)生線(xiàn)路故障，若只開(kāi)放故障前極一次恢復(fù)，恢復(fù)失敗穩(wěn)控動(dòng)作后，云南峰值頻率將超過(guò)50.5 Hz。前故障極恢復(fù)過(guò)程中發(fā)生另一極故障，可考慮立即終止前極恢復(fù)。

3)針對(duì)昆柳龍直流柳龍段線(xiàn)路故障恢復(fù)失敗后昆柳段嘗試恢復(fù)的特性，在前故障極恢復(fù)失敗后HSS動(dòng)作期間，或昆柳段功率恢復(fù)期間，若發(fā)生另一極發(fā)生線(xiàn)路故障，需立即終止昆柳段恢復(fù)嘗試，這將進(jìn)一步降低的云南峰值頻率。

4)為了保證其他方式下采取穩(wěn)控動(dòng)作后云南峰值頻率不超過(guò)50.5 Hz，可針對(duì)雙極故障調(diào)整穩(wěn)控切機(jī)策略定值，適當(dāng)增加穩(wěn)控動(dòng)作量。

5 結(jié)論

本文基于特高壓昆柳龍直流工程建設(shè)情況，圍繞多端大容量直流特點(diǎn)，對(duì)比分析了與常規(guī)兩端直流的異同點(diǎn)，考慮多端直流HSS退站動(dòng)作時(shí)序，針對(duì)多端之間不同直流線(xiàn)路段故障特性，提出了直流恢復(fù)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定特性及控制措施要求，主要結(jié)論如下。

1)常規(guī)兩端直流發(fā)生極故障后各端功率損失對(duì)稱(chēng)，且不存在在線(xiàn)退站過(guò)程的短時(shí)功率損失影響；而多端直流某一端在線(xiàn)退站對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響明顯，當(dāng)退站成功時(shí)會(huì)給系統(tǒng)造成短時(shí)不平衡功率沖擊，當(dāng)在線(xiàn)退站失敗時(shí)更將影響穩(wěn)控系統(tǒng)切機(jī)動(dòng)作時(shí)間。

2)云南常規(guī)兩端直流極故障主要穩(wěn)定問(wèn)題為送端頻率越限問(wèn)題，一般采取穩(wěn)控切機(jī)措施予以解決；而多端直流發(fā)生極閉鎖后，考慮在線(xiàn)退站、恢復(fù)失敗后需延遲穩(wěn)控切機(jī)時(shí)間，送端頻率穩(wěn)定問(wèn)題將更加突出，是昆柳龍直流線(xiàn)路恢復(fù)功能、穩(wěn)控策略設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的主要穩(wěn)定約束。

3)直流輸電容量越大時(shí)發(fā)生直流極故障后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定影響越明顯，需增加穩(wěn)控措施量；昆柳龍直流單極閉鎖時(shí)送端電網(wǎng)需采取穩(wěn)控切機(jī)措施；當(dāng)線(xiàn)路恢復(fù)次數(shù)越多時(shí)，直流恢復(fù)失敗后對(duì)系統(tǒng)影響越大，建議單極線(xiàn)路故障恢復(fù)次數(shù)不宜超過(guò)1次。

4)昆柳龍直流輸電容量大，同時(shí)在線(xiàn)退站、恢復(fù)失敗均將影響穩(wěn)控切機(jī)時(shí)間；當(dāng)雙極線(xiàn)路故障時(shí)若考慮線(xiàn)路故障恢復(fù)，當(dāng)恢復(fù)失敗后即使采取穩(wěn)控全切機(jī)組的措施后仍存在送端電網(wǎng)頻率越限問(wèn)題，建議雙極線(xiàn)路故障恢復(fù)功能暫不開(kāi)放。

最后通過(guò)實(shí)際方式數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，為多端直流線(xiàn)路恢復(fù)邏輯功能及策略設(shè)計(jì)提供了分析手段和依據(jù)，為多端直流工程對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。