±500 kV興安直流過負荷能力及限制因素研究

楊躍輝+呂亮+戴甲水

摘 要 在交、直流系統(tǒng)故障或者受端負荷中心負荷短缺時，直流系統(tǒng)的快速響應(yīng)和過負荷能力有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和滿足系統(tǒng)的負荷調(diào)配。分析興安直流的過負荷能力及限制因素，結(jié)合案例進行分析，并對運行日常工作提出合理建議。

關(guān)鍵詞 過負荷；直流；限制；穩(wěn)定

中圖分類號：TM862 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0122-03

近年來，隨著多個直流輸電工程的相繼投產(chǎn)，南方電網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了8交6直的規(guī)模，直流輸電在南方電網(wǎng)的作用日趨明顯。興安直流作為南方電網(wǎng)眾多直流工程的一條，具有一定的短時和持續(xù)過負荷能力，當(dāng)發(fā)生并聯(lián)交流線路短路跳閘或某一極直流系統(tǒng)故障導(dǎo)致閉鎖等故障或擾動時，可以通過中的PSS（Power Swing Stabilization）、PSD（Power Swing Damping）、FLC（Frequency Limit Control）等附加功能，瞬時提高健全直流極的輸送功率，在直流輸電系統(tǒng)過負荷能力范圍內(nèi)，把故障交、直流線路輸送的部分或全部功率轉(zhuǎn)移到并聯(lián)的正常運行的直流輸電系統(tǒng)，從而減輕功率轉(zhuǎn)移和功率失衡對交流系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。另外，在負荷高峰期，受端負荷緊張時，可以采用過負荷運行方式，提高直流輸送功率，緩解受端負荷壓力。

本文以興安直流為依托，詳細分析了直流過負荷能力及限制因素，結(jié)合實際案例和運行情況進行說明。

1 興安直流過負荷能力分析

興安直流在額定運行狀態(tài)下，即電壓為±500 kV，雙極功率為3000 MW，在最高的設(shè)計環(huán)境溫度下，冗余冷卻不投入運行，也能滿足運行要求。直流輸電系統(tǒng)過負荷基于設(shè)計裕度，主要體現(xiàn)在過負荷幅度及持續(xù)時間，興安直流的過負荷能力主要與環(huán)境溫度、換流變及平抗冷卻器冗余度有關(guān)，當(dāng)環(huán)境溫度大于40℃時，將不能進行任何等級的過負荷。

圖1 由環(huán)境溫度決定的暫態(tài)過負荷能力

興安直流過負荷主要有暫態(tài)過負荷（秒過負荷）、短時過負荷和持續(xù)過負荷，暫態(tài)過負荷主要有3 s、5 s和10 s過負荷，小時級過負荷包括2小時過負荷和持續(xù)過負荷。短時過負荷和持續(xù)過負荷可以在工作站上有運行人員進行設(shè)置或者由控制功能進行調(diào)節(jié)來啟動，而暫態(tài)過負荷只能由極控系統(tǒng)根據(jù)運行方式來進行控制。

1.1 暫態(tài)過負荷

暫態(tài)過負荷只取決于環(huán)境溫度，與冷卻系統(tǒng)冗余與否無關(guān)，如圖1所示。從圖中可以看出，在環(huán)境溫度低于25℃時，各個等級的秒過負荷能均為一條直線，當(dāng)溫度高于25℃時低于40℃時，過負荷能力與溫度關(guān)系是一條斜率為負的直線。

1.2 短時過負荷

興安直流的短時過負荷主要是指2小時過負荷，由與環(huán)境溫度和換流變及平抗冷卻器冗余度來決定短時過負荷的負荷能力，如圖2。

圖2所示。換流變及平抗冷卻器有冗余和無冗余的過負荷能趨勢與秒過負荷類似，只是過負荷能力略小。在正常的運行過程中，除了冷卻器故障會導(dǎo)致冷卻器失去冗余外，將換流變或者平抗的冷卻器控制方式轉(zhuǎn)為手動控制模式時，系統(tǒng)也判定冷卻器失去冗余，但在手動控制模式下，冗余冷卻器仍然可以根據(jù)溫度來進行啟動，并未真正失去冗余。

圖2 冷卻器冗余情況與環(huán)境溫度決定的短時過負荷能力

1.3 持續(xù)過負荷

持續(xù)過負荷與短時過負荷一樣，主要取決于換流變及平抗的冷卻器冗余程度和環(huán)境溫度值，有所區(qū)別的是不管冷卻器是否失去冗余，持續(xù)過負荷最大值均為1.2倍額定容量（3600 MW），冷卻器未失去冗余時，當(dāng)環(huán)境溫度高于25℃而小于38℃時，過負荷能力與環(huán)境溫度成線性函數(shù)關(guān)系下降，失去冗余冷卻器則是從10℃開始下降，從38℃到40℃時，下降速率增大。

圖3 冷卻器冗余情況和環(huán)境溫度決定的持續(xù)過負荷能力

1.4 過負荷級別選擇及持續(xù)時間

1.4.1 暫態(tài)過負荷選擇及運行時間

秒過負荷能力選擇主要根據(jù)暫態(tài)負荷電流決定，具體選擇如下。

1）如果負荷電流大于3 s過負荷能力，將按照3 s過負荷要求限制負荷，過負荷負荷時間為3 s后進入2小時過負荷。

2）如果負荷大于5 s而小于3 s過負荷能力，將不限負荷持續(xù)3 s的秒過負荷后進入2小時過負荷。

3）如果負荷大于10 s而小于5 s過負荷能力，將不限負荷持續(xù)5 s的秒過負荷后進入2小時過負荷，10 s過負荷也是如此。

在每次任一級別的秒過負荷運行結(jié)束后，必須要間隔2 min才能進入下一次的秒過負荷。

1.4.2 短時過負荷運行時間

短時過負荷運行按以下公式進行計算：

TOLVD=（I2h – Iact）/（I2h - Icont）*240min+120min（1）

其中：I2h為短時過負荷能力，Iact為運行的實際電流值，Icont為持續(xù)過負荷能力。

從前面的分析可知，短時過負荷運行時，Iact應(yīng)大于Icont而小于I2h，結(jié)合公式（1）中可以看出，當(dāng)實際電流值為短時過負荷能力時，運行時間最小，為2小時，當(dāng)實際電流值等于持續(xù)過負荷能力時，運行時間最長，為6小時。在工作監(jiān)控畫面實時顯示短時過負荷運行TOVLD的計算值，在未執(zhí)行過過負荷時，通常為359min。

另外，短時過負荷有兩個時間積分器，一個根據(jù)電流值來計算允許過負荷時間，并對過負荷時間進行累計。由公式（1）可以看出，短時過負荷運行時間TOVLD隨著負荷電流的變化而變化，在軟件邏輯中將TOVLD初始值設(shè)為100%，隨著短時過負荷運行而逐漸降低，一旦降低為0時，本次過負荷運行自動結(jié)束。另一個積分器用來計算過負荷時間間隔，短時過負荷停止或結(jié)束后12小時將對過負荷時間累計積分器復(fù)位，重新計時，即過負荷結(jié)束將閉鎖短時及持續(xù)過負荷12小時。由于短時過負荷持續(xù)運行的最短時間為2小時，那么短時過負荷開始執(zhí)行一個完整的過程（持續(xù)時間由100%降至0）到下一次短時過負荷啟動，至少要經(jīng)過14小時的間隔。endprint

在興安直流極控系統(tǒng)邏輯中，考慮到閥冷系統(tǒng)內(nèi)冷水進水溫度和換流變及平抗的繞組溫度，若內(nèi)冷水水進水溫度大于49.2℃、換流變及平抗繞組溫度大于105℃和冷卻時間任一不滿足要求時，直接將短時過負荷的可運行時間TOVLD置位為0，閉鎖短時過負荷。

2 過負荷限制因素

過負荷能力只是根據(jù)換流變及平抗的冷卻冗余程度和環(huán)境溫度決定，但實際運行負荷電流受諸多因素影響，包括內(nèi)冷水進水溫度、交流濾波器可用的數(shù)量和類型、運行人員設(shè)置的電流限定值、保護動作要求降電流、對站電流限制及其他因素，各個因素限制的電流與過負荷能力電流值進行比較，取最小值，下面將對主要因素進行分析。

2.1 內(nèi)冷水進水溫度限制

圖4 內(nèi)冷水進水溫度與電流容量關(guān)系曲線

從圖中我們可以看出內(nèi)冷水進水溫度在48.5℃之前它對電流的限制值都為4580 A。當(dāng)內(nèi)冷水進水溫度到49.2℃時，電流限制值降到3800 A，當(dāng)內(nèi)冷水溫度升到55℃時，電流限制值則為3000 A，也就是說在內(nèi)冷水進水溫度為55℃這個單一條件下只能允許直流在額定值運行。由于興安直流閥冷系統(tǒng)設(shè)置的內(nèi)冷水進水溫度告警值49.2℃，跳閘值為55℃，圖中55℃后的曲線在工程中無實際意義，僅針對設(shè)計或者實驗情況。

2.2 交流濾波器限制

換流器在工作過程中將產(chǎn)生大量的非特征諧波并注入交流系統(tǒng)，相對交流系統(tǒng)而言換流器是一個諧波源，同時將吸收大量的無功，這就需要換流站配置一定數(shù)量和型號的交流濾波器來滿足換流器的工作需求。如果部分交流濾波器因故無法維持運行，降至交流濾波器的數(shù)量減少，將限制直流功率的輸送。興安直流針對單/雙極全壓、單/雙極降壓運行時交流濾波器的配置需求不一樣，同樣的故障情況下，不同的運行方式功率受限的程度也不一樣。

2.3 保護動作限制

在接地極平衡保護、換流器橋差保護等多個直流保護的動作后果中，均有降電流的動作策略。在相關(guān)保護動作后，將根據(jù)不同要求降低直流系統(tǒng)的Icap（電流容量），當(dāng)Icap小于運行電流值時，將限制直流輸輸送功率。

2.4 其他限制

在直流控制系統(tǒng)中，還涉及降壓運行、潮流反轉(zhuǎn)、站間通信中斷、低負荷無功優(yōu)化功能啟動、CSD（Controlled Shut Down）功能啟動等對直流輸送容量進行限制，根據(jù)要求不同而限制的水平不一樣。

3 實例分析

2013年06月26日18時35分，興安直流極1直流線路故障重啟動成功，故障前雙極平衡運行，功率2500 MW，極1直流線路故障后，由于控制系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)，啟動極2秒級過負荷運行，最大運行電流達到4.3 kA，約為額定電流1.4倍，持續(xù)了350 ms，按照過負荷能力的界定，屬于3 s過負荷，隨著故障極的恢復(fù)，秒過負荷也隨之消失，故障錄波見圖5。

圖5 極2故障錄波

由此可見，在直流系統(tǒng)單極故障時，可由控制系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)，通過秒過負荷來實現(xiàn)短暫的大電流運行，減少了交流系統(tǒng)的運行壓力，故障極重啟動成功后恢復(fù)正常運行，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，從故障錄波可看出，在過負荷開始和結(jié)束之時，電流均是按照一定的斜率進行平緩變化，并非一下變化到某一值，這樣有利于系統(tǒng)的運行性。

4 結(jié)束語

本文針對興安直流過負荷能力和限制因素進行了詳細分析，其過負荷能力主要由換流變及平抗冷卻器冗余情況和環(huán)境溫度決定，但是實際運行的電流容量由內(nèi)冷水進水溫度、交流濾波器等諸多因素限制，在進行過負荷時需要進行綜合考慮。在過負荷能力判據(jù)中，將換流變及平抗的繞組溫度、內(nèi)冷水進水溫度作為判據(jù)之一，增強了對設(shè)備的保護，防止在惡劣的運行環(huán)境進行過負荷，增大換流變和換流閥的熱應(yīng)力，降低換流變的性能。在日常的運行維護工作，還應(yīng)注意以下幾方面的問題。

1）由于換流變和平抗冷卻器在手動控制模式與失去冗余等效，并不是冷卻器真正故障，在運行過程中特別是過負荷運行期間，保持冷卻器在自動控制模式，保持有較高的短時和持續(xù)過負荷能力。

2）在運行過程注意對短時過負荷運行時間TOVLD的監(jiān)視，如果發(fā)現(xiàn)該值有異常，應(yīng)立即排查相關(guān)的限制條件滿足要求。常見的故障多由冷卻器失去冗余、環(huán)境溫度過高、交流濾波器不滿足要求等。

3）換流閥的進水溫度和換流變的繞組溫度作為過負荷啟動的判據(jù)之一，這對相應(yīng)的溫度傳感器的準(zhǔn)確性、靈敏性和穩(wěn)定性提出更高的要求。

參考文獻

[1]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].中國電力出版社，2004.

[2]Guizhou-Guangdong II Line ±500kV DC Transmission Project，Overload Study Rport.

[3]Guizhou-Guangdong II Line ±500kV DC Transmission Project，Pole Control System Information Manual.

作者簡介

楊躍輝（1983-），男，工程師，從事直流輸電運行維護工作。

呂亮（1983），男，工程師，從事變電設(shè)計工作。endprint