水電站孤島運(yùn)行雙極閉鎖發(fā)生時(shí)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定方法

鄭智燊，梁朝弼

（華能瀾滄江水電有限公司小灣水電廠，云南 大理 675702）

小灣水電站位于云南省大理市南澗縣和臨滄市鳳慶縣交界處的瀾滄江干流上，裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量為700MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量4200MW。小灣電廠以500kV一級(jí)電壓三回出線送出，500kV系統(tǒng)為4/3接線，共有三個(gè)開(kāi)關(guān)串，每串四個(gè)開(kāi)關(guān)，每個(gè)中開(kāi)關(guān)與邊開(kāi)關(guān)之間接入一個(gè)發(fā)變組單元，每?jī)蓚€(gè)中開(kāi)關(guān)之間接一回出線，共6臺(tái)發(fā)電機(jī)、變壓器組，電氣主接線如圖1所示。三回出線，分別是小和線、小楚甲線和小楚乙線，其中小楚甲線、小楚乙線送電至楚雄換流站。

楚雄換流站位于云南省楚雄州祿豐縣，是±800kV云廣特高壓直流輸電工程的送端站，也是目前世界上直流電壓等級(jí)最高的換流站。該換流站主要把小灣、金安橋兩座大型水電站生產(chǎn)的電能輸送到廣東負(fù)荷中心，同時(shí)通過(guò)和平變電站與云南電網(wǎng)聯(lián)結(jié)。

1 雙極閉鎖對(duì)孤島系統(tǒng)的影響

1.1 孤島運(yùn)行方式

孤島電網(wǎng)是指由多組發(fā)電系統(tǒng)相互聯(lián)合構(gòu)建成局域性電網(wǎng)（該局域性電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)公共連接點(diǎn)聯(lián)結(jié)），且與其余電力系統(tǒng)在電氣上分離的一種電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。小灣電廠輸出功率到楚雄換流站，在這個(gè)輸電過(guò)程中，若小灣電廠和楚雄換流站均與其它電力系統(tǒng)沒(méi)有電氣聯(lián)系，那么“小灣電廠→楚雄換流站”輸電系統(tǒng)與其它電力系統(tǒng)便處于電氣上分離的狀態(tài)。這種狀態(tài)即為孤島運(yùn)行方式，其基本特點(diǎn)是電壓和頻率波動(dòng)范圍較大，受負(fù)荷運(yùn)行的影響較為明顯。

1.2 直流雙極閉鎖

直流輸電目前國(guó)內(nèi)都是雙極系統(tǒng)，一個(gè)正極一個(gè)負(fù)極，正負(fù)極同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)其中一個(gè)極的設(shè)備或系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由于目前尚無(wú)可以切斷直流電流的斷路器，所以只能通過(guò)整流閥熄弧角的調(diào)整，閉鎖該極，即整流閥關(guān)斷，流過(guò)的電流為零。當(dāng)兩個(gè)極同時(shí)閉鎖時(shí)，直流系統(tǒng)將無(wú)法送出功率。

1.3 孤島運(yùn)行方式下的雙極閉鎖試驗(yàn)

在孤島運(yùn)行方式下發(fā)生雙極閉鎖事故時(shí)，楚雄換流站直流側(cè)無(wú)法對(duì)外輸出功率，換流站交流側(cè)輸入功率由原先正常運(yùn)行時(shí)較大的功率值向無(wú)功率輸入狀態(tài)過(guò)渡。在這個(gè)電氣狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致“小灣電廠→楚雄換流站”孤島電網(wǎng)系統(tǒng)頻率、電壓升高，并對(duì)孤島電網(wǎng)系統(tǒng)的電氣設(shè)備造成較大的沖擊。

1.3.1 雙極閉鎖試驗(yàn)

直流雙極閉鎖前，小灣電廠處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，小和線、小楚甲線和小楚乙線正常運(yùn)行，3～6號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，帶負(fù)荷1022MW。其中1號(hào)機(jī)組處于停機(jī)態(tài)，2號(hào)機(jī)組與系統(tǒng)解列單獨(dú)帶廠用電運(yùn)行，3～6號(hào)機(jī)組分別出力397MW、396MW、95MW和137MW。

雙極閉鎖后，孤島系統(tǒng)頻率迅速升至55.51Hz，超過(guò)安穩(wěn)控制系統(tǒng)高周切機(jī)動(dòng)作定值，安穩(wěn)控制系統(tǒng)切除3號(hào)機(jī)組。此時(shí)3號(hào)機(jī)組的功率、孤島系統(tǒng)頻率變化情況如圖2所示。

3號(hào)機(jī)組跳閘后，4號(hào)機(jī)組發(fā)出有功功率，處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。5號(hào)、6號(hào)機(jī)組吸收有功功率，處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

隨后，將4號(hào)機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)切換至“手動(dòng)”控制方式，減少4號(hào)機(jī)組有功負(fù)荷。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，孤島系統(tǒng)頻率先下降后又迅速上升至55.15Hz，超過(guò)安穩(wěn)控制系統(tǒng)高周切機(jī)動(dòng)作定值，安穩(wěn)控制系統(tǒng)切除4號(hào)機(jī)組。調(diào)節(jié)過(guò)程中4號(hào)機(jī)組的功率、孤島系統(tǒng)頻率變化情況如圖3所示。

4號(hào)機(jī)組跳閘后，6號(hào)機(jī)組發(fā)出有功功率，而5號(hào)機(jī)組吸收有功功率，處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

接著，將6號(hào)機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)切換至“手動(dòng)”控制方式，減少6號(hào)機(jī)組有功負(fù)荷。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，孤島系統(tǒng)的頻率先下降后又迅速上升至55.1Hz，超過(guò)安穩(wěn)控制系統(tǒng)高周切機(jī)動(dòng)作定值，安穩(wěn)控制系統(tǒng)切除5號(hào)機(jī)組。調(diào)節(jié)過(guò)程中系統(tǒng)的頻率變化情況如圖4所示。

5號(hào)機(jī)組切除后，6號(hào)機(jī)組進(jìn)相深度達(dá)到-330MVar，欠勵(lì)限制動(dòng)作，500kV系統(tǒng)電壓迅速上升，最高升至635kV，基本穩(wěn)定在617kV左右。最后6號(hào)機(jī)組升壓變過(guò)勵(lì)磁保護(hù)動(dòng)作，切除6號(hào)發(fā)變組，500kV系統(tǒng)失壓。

1.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）5號(hào)和6號(hào)機(jī)組作為電動(dòng)機(jī)調(diào)相運(yùn)行的原因

雙極閉鎖后，4號(hào)機(jī)組作為發(fā)電機(jī)帶5號(hào)、6號(hào)兩臺(tái)機(jī)組調(diào)相運(yùn)行，原因在于5號(hào)、6號(hào)機(jī)組的導(dǎo)葉全關(guān)后尚未開(kāi)啟。而5號(hào)、6號(hào)機(jī)組的導(dǎo)葉全關(guān)后未開(kāi)啟，是由于其調(diào)速器的控制邏輯回路中增加了一個(gè)根據(jù)功率上下限來(lái)閉鎖導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)的功能。

孤島運(yùn)行狀態(tài)下，功率、頻率（機(jī)頻）對(duì)導(dǎo)葉控制的閉鎖關(guān)系如下：

當(dāng)功率<1MW 且 機(jī)頻>50Hz時(shí)，當(dāng)前計(jì)算出的導(dǎo)葉給定保持不變，使導(dǎo)葉開(kāi)度不變。

當(dāng)功率>700MW 且 機(jī)頻<50Hz時(shí)，當(dāng)前計(jì)算出的導(dǎo)葉給定保持不變，使導(dǎo)葉開(kāi)度不變。

其余情況導(dǎo)葉給定的計(jì)算公式為：

式中，Gv_Give為導(dǎo)葉開(kāi)度給定；Pgv為監(jiān)控脈沖功率給定（內(nèi)部折算出的導(dǎo)葉開(kāi)度）；Ynld為空載開(kāi)度；Ypid為頻差因素計(jì)算出的PID輸出開(kāi)度。

表1 雙極閉鎖后機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度

雙極閉鎖瞬間，系統(tǒng)頻率迅速上升，3臺(tái)機(jī)組的導(dǎo)葉隨之回關(guān)，導(dǎo)葉開(kāi)度給定根據(jù)頻差計(jì)算。當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)到空載開(kāi)度以下時(shí)5號(hào)機(jī)組和6號(hào)機(jī)組的頻率在50Hz以上，導(dǎo)葉給定計(jì)算為零，而此時(shí)5號(hào)機(jī)組和6號(hào)機(jī)組有功已在1MW以下。這樣滿足了上述閉鎖條件，導(dǎo)葉給定保持為0不變，導(dǎo)葉開(kāi)度一直關(guān)到全關(guān)位置。

而4號(hào)機(jī)組開(kāi)度一開(kāi)始就比較大，調(diào)節(jié)過(guò)程中，功率一直在1MW至700MW之間，不滿足閉鎖條件。導(dǎo)葉給定按公式（1）正常計(jì)算，所以開(kāi)度和頻率也能正常調(diào)節(jié)。

2）減少有功輸入時(shí)導(dǎo)致頻率上升的原因

4號(hào)機(jī)組手動(dòng)關(guān)導(dǎo)葉，造成系統(tǒng)功率下降，系統(tǒng)頻率隨之下降，5號(hào)機(jī)組和6號(hào)機(jī)組調(diào)速器檢測(cè)到機(jī)頻超過(guò)死區(qū)（約48Hz）自動(dòng)開(kāi)啟導(dǎo)葉，加上4號(hào)機(jī)組分配的有功疊加，功率和系統(tǒng)頻率迅速上升，轉(zhuǎn)速超過(guò)115%。由于4號(hào)機(jī)調(diào)速器處于手動(dòng)位置，主配拒動(dòng)信號(hào)上報(bào)監(jiān)控，啟動(dòng)緊急停機(jī)流程，4號(hào)機(jī)組停機(jī)。5號(hào)機(jī)組和6號(hào)機(jī)組未停機(jī)的原因是調(diào)節(jié)模式為“自動(dòng)”，頻率超過(guò)50.5Hz時(shí)導(dǎo)葉自動(dòng)回關(guān)。

4號(hào)機(jī)組停機(jī)后，5號(hào)機(jī)組手動(dòng)關(guān)導(dǎo)葉，造成系統(tǒng)功率下降，系統(tǒng)頻率隨之下降，6號(hào)機(jī)組調(diào)速器檢測(cè)到機(jī)頻超過(guò)死區(qū)（約48Hz）自動(dòng)開(kāi)啟導(dǎo)葉，加上5號(hào)機(jī)組分配的有功疊加，功率和系統(tǒng)頻率迅速上升，轉(zhuǎn)速超過(guò)115%。由于5號(hào)機(jī)調(diào)速器處于手動(dòng)位置，主配拒動(dòng)信號(hào)上報(bào)監(jiān)控，啟動(dòng)緊急停機(jī)流程，5號(hào)機(jī)組停機(jī)。

2 雙極閉鎖時(shí)系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定

2.1 頻率波動(dòng)的抑制方法

通過(guò)對(duì)孤島運(yùn)行方式下直流雙極閉鎖的模擬試驗(yàn)及其對(duì)系統(tǒng)頻率的影響分析，提出以下解決頻率波動(dòng)問(wèn)題的方法。

1）去掉上、下限負(fù)荷閉鎖導(dǎo)葉功能，導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)模式會(huì)根據(jù)類(lèi)似甩負(fù)荷后的空載模式調(diào)節(jié)，保證雙極閉鎖后每臺(tái)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度能夠在空載開(kāi)度附近正常調(diào)節(jié)。這樣就不會(huì)有機(jī)組將導(dǎo)葉閉鎖在全關(guān)位置；也就不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)葉正常調(diào)節(jié)的機(jī)組將系統(tǒng)頻率降低時(shí)，導(dǎo)葉全關(guān)的機(jī)組又突然解除閉鎖將導(dǎo)葉開(kāi)啟，造成系統(tǒng)頻率大幅上升的情況。

2）增加孤島專(zhuān)用裝置，把孤島運(yùn)行信號(hào)及雙極閉鎖信號(hào)送至調(diào)速器。調(diào)速器收到孤島運(yùn)行信號(hào)及雙極閉鎖信號(hào)后，控制系統(tǒng)將自動(dòng)切換為能夠?qū)崿F(xiàn)快速控制的控制參數(shù)，以適應(yīng)孤島運(yùn)行方式下較大的頻率波動(dòng)。

3）修改調(diào)速器控制邏輯。在機(jī)組處于空載工況運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器按照頻率模式調(diào)節(jié)，空載時(shí)PID運(yùn)行參數(shù)為Kp=3.5，Ki=0.12，Kd=2，頻率死區(qū)為E=0.0Hz，Bp=0。在機(jī)組處于聯(lián)網(wǎng)工況運(yùn)行時(shí)，調(diào)速器按照開(kāi)度模式和頻率模式進(jìn)行正常調(diào)節(jié)，若一次調(diào)頻功能未投入運(yùn)行，調(diào)速器執(zhí)行開(kāi)度模式調(diào)節(jié)，PID運(yùn)行參數(shù)為Kp=4，Ki=3，Kd=1，頻率死區(qū)為E=0.5Hz，Bp=4%；若一次調(diào)頻功能投入運(yùn)行，調(diào)速器執(zhí)行開(kāi)度模式、頻率模式調(diào)節(jié)，PID運(yùn)行參數(shù)為Kp=4，Ki=3，Kd=1，頻率死區(qū)為E=0.05Hz，Bp=4%。在調(diào)速器收到孤島運(yùn)行信號(hào)后，進(jìn)入孤島模式，此時(shí)控制程序調(diào)用孤島運(yùn)行參數(shù)，即Kp=3.5、Ki=0.12，Kd=2，頻率死區(qū)為E=0.5Hz，Bp=1%。在調(diào)速器收到雙極閉鎖信號(hào)后，判斷頻率是否變化，當(dāng)頻率超過(guò)50.5Hz時(shí)，控制程序調(diào)用雙極閉鎖運(yùn)行參數(shù)，即Kp=3.5，Ki=0.6，Kd=2，但頻率死區(qū)為E=0.1Hz，Bp=0%，功率給定Pgv的數(shù)值將減至零；待雙極閉鎖調(diào)速器調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，經(jīng)過(guò)180s延時(shí)，調(diào)速器運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)切換到孤島運(yùn)行參數(shù)。

2.2 模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

采用上述方法進(jìn)行雙極閉鎖模擬試驗(yàn)。直流雙極閉鎖前，小灣電廠處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，小和線、小楚甲線和小楚乙線正常運(yùn)行，3～6號(hào)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，帶負(fù)荷1009MW。其中1號(hào)機(jī)組處于停機(jī)態(tài)，2號(hào)機(jī)組與系統(tǒng)解列單獨(dú)帶廠用電運(yùn)行，3～6號(hào)機(jī)組分別出力334MW、339MW、171MW和163MW。

楚雄換流站直流雙極閉鎖后，小灣電廠調(diào)速器控制正確，能夠?qū)⒐聧u系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)到允許范圍內(nèi)，如圖5所示。電廠沒(méi)有出現(xiàn)機(jī)組跳閘情況，4臺(tái)機(jī)組出力維持在空載負(fù)荷左右。孤島系統(tǒng)能夠繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，并最終實(shí)現(xiàn)順利并網(wǎng)。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)兩次孤島雙極閉鎖模擬試驗(yàn)驗(yàn)證表明，采取孤島雙極閉鎖后切換調(diào)速器的控制參數(shù)及控制策略的方法，能夠有效地控制直流雙極閉鎖后孤島系統(tǒng)頻率的上升，使各臺(tái)機(jī)組保持在空載運(yùn)行，并使孤島系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定在基頻（50Hz）左右。本文提出的頻率穩(wěn)定方法可供孤島運(yùn)行的水電廠參考。

[1]李亞男, 馬為民, 般威揚(yáng), 等. 向家壩—上海特高壓直流系統(tǒng)孤島運(yùn)行方式[J]. 高電壓技術(shù), 2010, 36(1):185-189.

[2]吳小辰, 金小明, 趙勇, 等. 云廣直流孤島運(yùn)行的穩(wěn)定特性研究[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2010, 4(1): 7-12.

[3]洪潮, 李巖, 楊煜, 等. 云廣直流系統(tǒng)僅帶小灣電廠孤島運(yùn)行的調(diào)試與分析[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù), 2011, 5(5): 1-6.

[4]魏守平, 盧本捷. 水輪機(jī)調(diào)速器的PID調(diào)節(jié)規(guī)律[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2003(4): 112-118.

[5]楊珩, 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社,2007.