±800 k V特高壓直流換流器在線投入失敗案例分析

李國棟，陳龍翔，金一丁，李增輝，董 昱，胡超凡，葛 睿

（國家電力調(diào)度控制中心，北京 100031）

近年來，我國±800 k V特高壓直流輸電工程發(fā)展迅猛，陸續(xù)有云廣Ⅰ（云南楚雄—廣東穗東）、向上（四川向家壩—上海奉賢）、錦蘇（四川裕隆—江蘇同里）、哈鄭（新疆哈密—河南鄭州）、云廣Ⅱ（云南普洱—廣東江門）、溪浙（四川溪洛渡—浙江金華）等6回特高壓直流工程投產(chǎn)，平均輸送距離約2 000 km，最大額定容量達8 000 MW，為我國實現(xiàn)西電東輸、優(yōu)化資源配置起到了重要作用［1－4］。

特高壓直流系統(tǒng)每極應用雙12脈動換流單元串聯(lián)的結構，相對于常規(guī)直流，其靈活性得到大大提高，很大程度上減少了系統(tǒng)停電概率［5－8］。運行中，往往需要在線操作投入或退出單個換流器，很多學者針對特高壓直流換流器的投退策略進行了研究。文獻［9］研究了±800 k V特高壓直流系統(tǒng)單12脈動閥的投退策略，并比較了采取2種不同策略時對交流系統(tǒng)的無功沖擊；文獻［10］提出將單輸入單輸出換流單元模型和離散的控制器模型連接起來，使用一種全新的參數(shù)優(yōu)化方法，改善了整體換流單元模型的暫態(tài)特性；文獻［11，12］基于實時數(shù)字仿真器分別研究了特高壓直流系統(tǒng)單換流器、雙換流器投退策略；文獻［11］研究表明在線投入單換流器時，采用零功率解鎖或小觸發(fā)角解鎖方式均可行，且整流側先解鎖、逆變側先解鎖2種方式均可實現(xiàn)；文獻［12］針對雙換流器解／閉鎖式極控的組織策略進行仿真，具有一定實際應用價值；文獻［13］介紹了云南－廣東±800 k V直流輸電系統(tǒng)采用的一種雙12脈動閥組投退策略具體方案，重點分析了投退策略的優(yōu)缺點，利用仿真平臺與實際控制保護系統(tǒng)相結合的方法對單換流器投退進行仿真分析；文獻［14］提出特高壓直流控制系統(tǒng)的問題運行策略和功能分配策略，實現(xiàn)特高壓直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行和單換流器的投退順序操作。

特高壓直流系統(tǒng)單換流器的投入過程是換流器大角度、大電流的零功率解鎖過程，會增加交流系統(tǒng)無功消耗，造成交流系統(tǒng)電壓跌落或直流換相失敗，嚴重時甚至會產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩［10］。本文在±800 k V某特高壓直流單換流器在線投入失敗過程分析的基礎上進行仿真研究，重點分析換流器投入失敗原因及其過程對近區(qū)交流電網(wǎng)的影響，研究不同短路容量下的特高壓直流單換流器在線投入能力，探討如何改變換流器投入過程控制策略，從而確保換流器能可靠投入，最后從調(diào)度運行、電網(wǎng)規(guī)劃、直流控制保護系統(tǒng)等幾個方面提出相關建議。

1 換流器在線投入基本策略

特高壓直流輸電系統(tǒng)每極由兩個12脈動換流器組成（如圖1所示），與常規(guī)直流相比，采用雙換流器結構的特高壓直流輸電系統(tǒng)通過整流側和逆變側高、低端換流器的不同組合可構成靈活多樣的運行形式。特高壓直流輸電系統(tǒng)的運行要求每組換流器均具備獨立運行和在線投退的能力［14］。

通過對換流閥晶閘管觸發(fā)角的控制與旁通開關分合控制的配合可以實現(xiàn)換流器的在線投退?，F(xiàn)以圖1所示整流側高端換流器在線投入為例，正常運行時低端換流器通過高端換流器的旁路刀閘構成通路（圖1中虛線①）；高端換流器投入時，旁路開關合上，旁路刀閘分開，低端換流器通過高端換流器的旁路開關構成通路（圖1中虛線②）；控制高端換流器以大觸發(fā)角（約85°～90°［11］）解鎖，低端換流器的電流通過高端換流器及高端換流器的旁路開關構成通路（圖1中虛線②、③）；通過合適的控制策略，在流經(jīng)高端換流器旁路開關電流接近0時拉開旁路開關，即實現(xiàn)了高端換流器的在線投入。

圖1 特高壓直流輸電系統(tǒng)單極接線圖

換流器投入關鍵是選取合適的控制策略，將旁路開關的電流“引接”到換流器上，將流經(jīng)旁路開關的電流控制到接近于0，從而為旁路開關的分閘熄弧創(chuàng)造條件。目前，換流器的解鎖控制策略主要有兩種：

（1）換流器以90°觸發(fā)角解鎖，解鎖瞬間流經(jīng)換流器的電流為0；逐漸調(diào)減換流器觸發(fā)角，觸發(fā)角調(diào)減過程中流經(jīng)換流器的電流逐漸增大，流經(jīng)旁通開關的電流逐漸減?。划斄鹘?jīng)旁通開關的電流為0時，發(fā)旁通開關跳閘命令。

（2）在旁通開關觸頭分開進入熄弧階段時，命令換流器閥組以固定的小于90°觸發(fā)角解鎖。若此解鎖觸發(fā)角選取得當，則在閥組解鎖瞬間旁路開關的直流電流將基本被“引接”到其并聯(lián)換流器上，此時流經(jīng)旁路開關的電流接近于0，電弧迅速熄滅，旁路開關被拉開。

第一種解鎖方式的優(yōu)點是安全可靠，但解鎖時間較長，且解鎖過程受控制系統(tǒng)控制特性的影響［10］；第二中解鎖方式的優(yōu)點是解鎖時間短，控制系統(tǒng)設計簡單，但解鎖過程對系統(tǒng)沖擊較大，對旁路開關的動作時刻與換流單元解鎖的配合時序要求苛刻［11］。

2 換流器在線投入失敗案例

2014年8月8日，某特高壓直流極I低端換流器金屬回線方式額定功率2 000 MW運行，整流側操作極I高端換流器在線投入失敗，下面對其過程進行詳細分析。

2.1 過程分析

控制系統(tǒng)發(fā)出投入極I高端換流器在線投入指令后，整流站高端閥組投入后開始正常的換相，極I高端閥組的電流（IDCP、IDCN）達到4 600 A左右，如圖2所示，流經(jīng)BPS的電流（IDCP與IDNC的差值）達600A左右，由于發(fā)BPS開關分位令的條件是BPS電流小于500A（直流系統(tǒng)額定電流的1／10），因此控制系統(tǒng)未發(fā)BPS開關分位令，極I高端換流器經(jīng)內(nèi)部延時500 ms后閉鎖，整流站極I保持單換流器運行。

圖2 整流側極I高端換流器電流波形

此時，逆變站高端閥組投入后開始正常的換相，極I高端閥組的電流（IDCP、IDCN）達到4 100 A左右，如圖3所示，流經(jīng)BPS的電流（IDCP與IDNC的差值）在100A左右，符合BPS拉開條件，逆變站極I高端換流器拉開BPS后投入運行正常，逆變站極I雙換流器運行。逆變側在檢測到整流站單換流器，延時200 ms由兩站閥組不平衡閉鎖高端閥組。

圖3 逆變側極I高端換流器電流波形

由于整流站極I高端換流器投入指令會維持1 s，因此整流站進行了第2次投入操作，投入后IDCP與IDNC電流差值小于500 A，發(fā)出分開BPS指令，整流站極I雙換流器運行，此時逆變站已無投入指令，保持單換流器運行，整流站在檢測到逆變站單換流器運行后，延時200ms由兩站閥組不平衡閉鎖高端閥組。極I高端換流器投入失敗。

2.2 原因分析

整流站投入高端換流器過程中，觸發(fā)角90°左右，且直流電流較大，消耗大量無功。與之相連的交流電網(wǎng)較弱（短路電流約為7 k A），交流電壓被大幅拉低，跌至正常值的0.8p.u.，如圖4所示，系統(tǒng)交流低電壓告警，由于電壓的變化較大，使得控制系統(tǒng)未能很好的控制直流電流，導致高端換流器投入失敗。反觀逆變側，其換相過程同整流側幾乎相同，但由于其交流系統(tǒng)較強，未出現(xiàn)交流電壓大幅跌落現(xiàn)象，高端換流器投入成功。

圖4 整流側交流母線電壓波形

根據(jù)以上分析，本次極I高端換流器投入失敗的根本原因在于整流側的“強直弱交”，交流系統(tǒng)不能為直流系統(tǒng)提供強支撐，直流系統(tǒng)正常方式轉換下的擾動導致交流系統(tǒng)電壓大幅跌落，反過來嚴重威脅直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 仿真分析

為了深入分析特高壓直流單換流器在線投入失敗過程，研究其在線投入與系統(tǒng)何種因素相關，本文擬采用RTDS對故障直流系統(tǒng)進行仿真分析，主要分析在同等條件下，分別針對不同輸送功率運行方式、不同短路電流運行方式、不同換流器個數(shù)運行方式3種對比方式進行討論。

3.1 不同功率方式的仿真分析

2014年8月8日，某特高壓直流單極單換流器金屬回線方式運行（額定電流），為討論不同輸送功率（即不同運行電流）工況下的換流器在線投入情況，通過RTDS仿真了金屬回線運行的3種輸送功率方式下在線投入情況，其結果如表1所示。

從表1中的仿真結果可看出，單換流器金屬回線方式輸送功率越大時，其電壓跌落越明顯，BPS電流越大。輸送額定功率200 MW時，電壓跌落至0.84p.u.，BPS電流達610 A，與實際運行數(shù)據(jù)0.82p.u.、600 A基本一致，表明此仿真數(shù)據(jù)結果有一定可信度。從換流器在線投入情況來看，額定功率下投入失敗，1 500 MW、1 000 MW兩種輸送功率均投入成功，因為后兩種輸送功率對應BPS電流均小于500 A，且電壓跌落均不超過0.1p.u.。

表1 不同功率方式下?lián)Q流器在線投入仿真結果

因此，可看出單換流器金屬回線方式下，直流輸送功率（運行電流）越大，電壓跌落越明顯，流過BPS開關電流越大，越不利于換流器在線投入。

3.2 不同短路電流方式的仿真分析

除了輸送功率（運行電流）對換流器在線投入有影響之外，為進一步驗證短路電流對換流器投入的影響，擬設置不同短路電流條件下（單換流器額定功率運行）進行換流器在線投入仿真分析，其結果如表2所示。

表2 不同短路電流方式下?lián)Q流器在線投入仿真結果

從表2中的仿真結果可看出，不同短路電流的系統(tǒng)環(huán)境下，特高壓直流換流器的在線投入仿真結果有較大差別。單換流器額定功率運行時，與第3部分故障直流一致的7.0 k A短路電流條件下，換流器在線投入失敗，電壓跌落至0.75p.u.，BPS電流達580 A，不滿足BPS開關分開條件。通過提升系統(tǒng)短路電流，可明顯降低母線電壓跌落水平，且BPS電流迅速下降，使得換流器成功投入。

因此，可看出系統(tǒng)短路電流與換流器在線投入密切相關。系統(tǒng)短路電路越大，母線電壓跌落水平程度越小，流過BPS開關的電流也越小，越有利于換流器成功投入。

3.3 不同換流器運行方式的仿真分析

最后，仿真分析了初始運行換流器個數(shù)對在線投入的影響。主要考慮單個換流器、雙換流器、三換流器3種運行方式下的換流器在線投入情況，其仿真結果如表3所示。

表3 不同換流器運行方式下?lián)Q流器在線投入仿真結果

從表3的仿真結果可看出，初始換流器運行個數(shù)對在線投入也有影響。雙換流器、三換流器運行時，可成功在線投入另一個換流器，電壓跌落水平及BPS電流均明顯小于單換流器運行方式，而單換流器運行時，流過BPS電流達580 A，換流器在線投入失敗。

4 結語

本文在介紹某特高壓直流換流器在線投入失敗案例基礎上，仿真分析了在同等條件下，分別模擬不同輸送功率、不同短路電流、不同換流器運行方式條件的換流器在線投入情況，結果表明，輸送功率（運行電流）越大、短路電流越小，越不利于換流器在線投入。最惡劣的運行方式是單換流器額定功率運行時在線投入換流器，無功交換，若近區(qū)電網(wǎng)短路電路不夠大，則易出現(xiàn)投入失敗現(xiàn)象。

在實際電網(wǎng)運行中，應密切關注直流送受端電網(wǎng)短路電流變化，特別是在電網(wǎng)運行方式發(fā)生變化時，可采取在線安全分析手段進行在線計算，實時掌握近區(qū)電網(wǎng)短路電流變化情況，來指導運行方式安排、調(diào)度倒閘操作及電網(wǎng)故障處置等。

在特高壓直流規(guī)劃階段，為了提升換流器在線投入能力，也需要充分考慮直流近區(qū)交流電網(wǎng)建設，避免產(chǎn)生強直弱交的運行方式，導致直流輸電功率受限，造成資源浪費；此外，同步建設配套電源，確保足夠的資源配置與消納能力。

對于特高壓直流自身來說，還可從直流控制保護軟件方面進行深入研究，研討相關定值設置是否妥當?？梢钥紤]改變保護定值或控制邏輯，來提升特高壓直流換流器在線投入能力。

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