多端直流輸電系統(tǒng)第三站在線投退控制策略分析及建議

管宏升，黃勇，李榮濤

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650000）

0 引言

祿高肇直流是世界上首個在原有兩端常規(guī)直流工程（高肇直流）基礎(chǔ)上進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)一座全新送端換流站（祿勸換流站），形成國內(nèi)首個三端±500kV 常規(guī)直流工程[1]。相比于傳統(tǒng)的兩端直流輸電系統(tǒng)，多端直流輸電系統(tǒng)功能更多、運(yùn)行方式更為靈活，有效解決了兩端直流輸電系統(tǒng)只能實現(xiàn)固定兩點間電能傳輸?shù)谋锥耍瑢崿F(xiàn)三點或更多點的功率傳輸，盡可能高的提高清潔能源的利用率，提升不同區(qū)域電網(wǎng)間的互通互濟(jì)，實現(xiàn)多受點、多落點供電，更大程度發(fā)揮直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，助力碳達(dá)峰、碳中和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)實現(xiàn)。

第三站在線投退是指多端直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時，現(xiàn)場某站因突發(fā)性故障或檢修工作需要，將一極或兩極臨時退出，待檢修工作結(jié)束或根據(jù)調(diào)度安排，將停運(yùn)的一極或兩極投入運(yùn)行，整個過程中直流系統(tǒng)始終保持運(yùn)行，有效減小停送電對系統(tǒng)的沖擊和影響。該功能是實現(xiàn)多端直流不同運(yùn)行方式相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵策略。因此。本文以祿高肇直流為例，分析多端常規(guī)直流的第三站在線投退控制策略，并與國內(nèi)外其他多端直流進(jìn)行對比，為后續(xù)多端直流工程建設(shè)提供參考。

1 祿高肇直流第三站在線投入策略

1.1 三端常規(guī)直流輸電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及功能

祿高肇直流工程為LCC 三端并聯(lián)結(jié)構(gòu)[2]，典型接線如圖1 所示。三站中祿勸站固定為送端，肇慶站固定為受端，兩站系統(tǒng)配置與傳統(tǒng)常規(guī)直流換流站保持一致，而高坡站可以進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，既可作為送端換流站，還可作為受端站，故區(qū)域內(nèi)接線較常規(guī)換流站有所區(qū)別，新增匯流母線區(qū)及極性轉(zhuǎn)換區(qū)。匯流母線區(qū)域是不同站點間電氣連接的部分，根據(jù)現(xiàn)場習(xí)慣，祿勸-高坡的直流線路命名為線路1，高坡-肇慶的直流線路命名為線路2[3]，各段線路之間通過高速并列開關(guān)（high speed switch, HSS）連接，每個HSS 開關(guān)兩側(cè)各有一把隔刀配合實現(xiàn)在線投入、退出功能。通過HSS 開關(guān)，調(diào)度可靈活根據(jù)云南水電、貴州火電出力情況，快速實現(xiàn)第三站在線投退功能（唯一送端、唯一受端除外），實時調(diào)節(jié)，減少棄水，實現(xiàn)云貴兩省水火共濟(jì)，加強(qiáng)彼此互聯(lián)；當(dāng)某一站單極故障，通過在線退出功能，可快速推出故障極，保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，如：祿勸站極1 因故障需退出，則通過HSS1 開關(guān)，在線退出祿勸站極1，此后可選擇繼續(xù)保持運(yùn)行于“2+3”模式（極1：高坡、肇慶運(yùn)行，極2：三站均運(yùn)行），或出于減小入地電流對周圍油氣管道影響等因素考慮，繼續(xù)通過HSS1 開關(guān)在線退出祿勸站極2，系統(tǒng)保持高坡送肇慶雙極大地回線模式運(yùn)行。故障消除后通過HSS1 開關(guān)迅速投入祿勸站，恢復(fù)正常三端運(yùn)行，并結(jié)合功率轉(zhuǎn)移策略，有效避免了常規(guī)兩端直流某站單極故障后該極必須停運(yùn)的問題，減小停電范圍，最小化故障對系統(tǒng)的沖擊和影響。

圖1 祿高肇直流典型接線

1.2 在線投入基本原理

HSS 開關(guān)是實現(xiàn)極在線投退功能的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)參數(shù)直接影響控制策略，祿高肇直流HSS 開關(guān)關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 祿高肇直流HSS 開關(guān)關(guān)鍵參數(shù)

現(xiàn)場采用國產(chǎn)化HSS 設(shè)備，具有分合閘快速的優(yōu)點，但同時其分?jǐn)嚯娏髂芰κ芟抻趦啥酥绷麟妷海?dāng)兩端直流電壓為20kV 時其最大分?jǐn)嗄芰?0A。因此，為成功實現(xiàn)極在線投入功能，祿高肇直流場采用運(yùn)行換流站移相降壓重啟降低HSS 開關(guān)兩端電壓差后投入HSS 開關(guān)的策略實現(xiàn)該功能。

考慮到高坡站具備極性反轉(zhuǎn)功能，第三站在線投入策略需對系統(tǒng)運(yùn)行于祿勸-高坡送肇慶（二送一）、祿勸送高坡-肇慶（一送二）兩種情況分別討論。

（1）二送一模式。肇慶站作為逆變站控制電壓，祿勸站和高坡站均為整流站且都控電流，祿勸、高坡兩站的在線投入邏輯完全一致。假定目前運(yùn)行工況為高坡送肇慶一送一，祿勸站雙極需在線投入。首先，運(yùn)行人員要將祿勸站順控操作至閉鎖（即熱備用）狀態(tài)，同時查看監(jiān)盤界面，確認(rèn)HSS1 開關(guān)及其兩側(cè)的隔刀處于分狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行人員下發(fā)祿勸站雙極在線投入命令后，先將兩極HSS1 開關(guān)兩側(cè)的隔刀合上，隨后高坡站雙極移相，肇慶站雙極配合移相，待直流電壓降低到某一定值Ut（可根據(jù)設(shè)備耐壓能力進(jìn)行整定）后，合上HSS1 開關(guān)，控制系統(tǒng)收到HSS1 開關(guān)的合狀態(tài)后，高坡站和肇慶站執(zhí)行重啟，祿勸站延時T 時長后（T 用來消除通信延遲的影響，確保投入站后解鎖）解鎖。

（2）一送二模式。祿勸站作為整流站控電流，高坡站、肇慶站均為逆變站，高坡站控電流，肇慶站控電壓。僅系統(tǒng)為祿勸送高坡一送一時，高坡站較為特殊，做為逆變站控電壓。高坡極性反轉(zhuǎn)（為逆變站，做為受端站）工況下高坡站和肇慶站的投入過程基本一致，區(qū)別在于肇慶站投入時，高坡站會從控電壓切換成控電流。假定工況為祿勸送肇慶，高坡站需雙極在線投入，此時，高坡站的投入過程和二送一模式下祿勸站和高坡站投入過程幾乎相同，在收到HSS2 開關(guān)合位后，以控電流模式延時T 時長后解鎖。假定工況為祿勸送高坡，祿勸站做為整流站控電流，高坡站做為逆變站控電壓，肇慶站雙極在線投入。肇慶站在脈沖使能前投入過程，與高坡站的投入過程一致。在HSS3 開關(guān)合位后，祿勸站與高坡站移相重啟，肇慶站以控電壓模式延時T 時長解鎖，當(dāng)高坡站收到肇慶站的脈沖使能信號后，將調(diào)整電壓電流裕度，從控電壓模式切換為控電流模式。

在第三站投入過程中，若HSS 開關(guān)兩側(cè)隔刀合閘失敗，系統(tǒng)在110s 內(nèi)無法收到其合位信號，系統(tǒng)判定順控故障，第三站解鎖失敗，隔刀返回最初分位狀態(tài)，第三站保持隔離，在運(yùn)站正常運(yùn)行；若HSS 兩側(cè)隔刀在規(guī)定時間內(nèi)合上，兩在運(yùn)站進(jìn)行移相，控制系統(tǒng)在規(guī)定時間（500ms）內(nèi)未收到HSS1 合位狀態(tài)，則執(zhí)行第三站退出邏輯，先分開HSS 開關(guān)，再拉開HSS 開關(guān)兩側(cè)隔刀，隔離第三站。若控制系統(tǒng)在一定時間（500ms）內(nèi)無法收到HSS 開關(guān)分位信號，則直接執(zhí)行三站閉鎖。如投入的站解鎖失敗，同樣執(zhí)行第三站退出邏輯。

2 祿高肇直流第三站在線退出策略

類似地，第三站單極或雙極在線退出需考慮高坡站運(yùn)行工況，分不同情況進(jìn)行討論。

（1）二送一模式下，祿勸、高坡兩站的在線退出邏輯完全一致。假設(shè)目前的系統(tǒng)運(yùn)行方式為祿勸-高坡送肇慶，高坡站需在線退出雙極，具體退出控制策略為：首先，核實系統(tǒng)功率控制模式，若為雙極功率模式，需要先切換成單極電流模式，并將退出站單極或雙極的功率降至最小功率（0.1p.u.）。當(dāng)退出站的功率降至最小功率后，送端站祿勸站移相，待HSS2 開關(guān)的電流滿足分閘條件（電流小于定值）后，自動將HSS2 開關(guān)及兩側(cè)隔刀分開，高坡站閉鎖，送端祿勸站與受端肇慶站同時執(zhí)行移相重啟命令，退出過程中，控制系統(tǒng)在規(guī)定時間（500ms）內(nèi)收到HSS2 開關(guān)分位信號，極控給直流站控發(fā)出分HSS 兩側(cè)隔刀命令，第三站在線退出成功。若此時HSS 開關(guān)兩側(cè)隔刀無法分開，運(yùn)行人員手動操作拉開即可，對另外兩站無影響。若控制系統(tǒng)規(guī)定時間內(nèi)未收到HSS 開關(guān)分位信號，則執(zhí)行三站閉鎖邏輯。

（2）一送二模式下，肇慶站控電壓，高坡站控電流，退出過程存在差異。假定系統(tǒng)運(yùn)行工況需高坡站雙極在線退出。首先，若處于雙極功率控制模式，則需要切換成單極電流模式，并將高坡站的功率降至最小功率。送端站祿勸站移相，等HSS2 開關(guān)的電流滿足分閘條件（電流小于定值）后，自動將HSS2 開關(guān)及兩側(cè)隔刀分開，高坡站閉鎖，在運(yùn)的送端祿勸站重啟，高坡站在線退出成功。假定工況為肇慶站雙極在線退出。肇慶站在線退出命令下達(dá)后，調(diào)整本站的電壓電流裕度，將控制方式由控電壓切換成控電流，同時高坡站調(diào)整電壓電流裕度，將控制方式由控電流切換成控電壓。若處于雙極功率控制模式，則需要切換成單極電流模式，并將肇慶站的功率降至最小功率。送端站祿勸站移相，等HSS3 開關(guān)的電流滿足分閘條件（電流小于定值）后，自動將HSS3 開關(guān)及兩側(cè)隔刀分開，肇慶站閉鎖，在運(yùn)的送端祿勸站重啟，肇慶站在線退出成功。

第三站在線退出過程中，若控制系統(tǒng)規(guī)定時間內(nèi)未收到HSS 開關(guān)分位信號，則執(zhí)行三站閉鎖邏輯；若HSS 開關(guān)能正常分閘但無法順控拉開其兩側(cè)刀閘，運(yùn)行人員手動拉開即可，對另兩站無影響。

3 國內(nèi)外其他工程在線投退策略

目前，隨著各國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對電力需求進(jìn)一步增大，多端直流輸電由于自身技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，發(fā)展迅猛，國內(nèi)外已經(jīng)有多條多端直流投入運(yùn)行。但不同回直流間由于所采用的換流閥、高速斷路器等設(shè)備原理不同，且系統(tǒng)運(yùn)行工況差異較大，同時工程設(shè)計時未全部考慮極在線投退功能，導(dǎo)致具備在線投退功能的不同回直流間原理差異明顯。國內(nèi)外已投運(yùn)的多端直流工程典型參數(shù)對比如表2 所示[4]。

表2 國內(nèi)外已投運(yùn)的多端直流典型參數(shù)對比

梳理國內(nèi)外已經(jīng)投運(yùn)且具備極在線投退功能的多端直流工程，其實現(xiàn)多端直流極在線投退的基本原理主要有3 種。

（1）直流斷路器直接分合。舟山柔直、南澳柔直、張北柔直采用該策略，因為相關(guān)直流工程電壓等級較低，且換流閥采用柔直換流閥，無法控制故障電流大小，需使用具有強(qiáng)分?jǐn)嗄芰Φ闹绷鲾嗦菲鱽矸謹(jǐn)啻箅娏鱗5]。

（2）直接分合HSS 開關(guān)。印度NEA800 直流工程采用該策略，因為其工程換流閥結(jié)構(gòu)特殊，且輸電線路長度較短，不會產(chǎn)生較大的空載感應(yīng)電壓，直接分合HSS開關(guān)對設(shè)備沖擊有限，在可承受范圍內(nèi)。

（3）在運(yùn)換流站移相重啟后再分合HSS 開關(guān)。祿高肇、昆柳龍直流工程均采用該策略。兩個直流工程均具有上千公里的輸電線路，空載感應(yīng)電壓大，設(shè)備無法分?jǐn)啻箅娏?，且昆柳龍直流為混合柔直，具備自主清除故障電流的能力，因此也采用在運(yùn)站先閉鎖以降低HSS兩端電壓差和待切除電流，達(dá)到技術(shù)條件后再分合HSS 開關(guān)實現(xiàn)極在線投退功能。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)分析了祿高肇三端直流的極在線投入退出策略，并結(jié)合現(xiàn)場實際操作，證明在運(yùn)換流站移相重啟后再分合HSS 開關(guān)的策略是多端直流實現(xiàn)不停電情況下極在線投入退出的可行方案，但受限于HSS 開關(guān)的開斷電流等參數(shù)，系統(tǒng)執(zhí)行移相重啟策略，這導(dǎo)致實際投退過程中會出現(xiàn)三站瞬時閉鎖，功率損失，對送受端系統(tǒng)考驗較為嚴(yán)峻。最后，介紹了目前已投運(yùn)多端直流實現(xiàn)該功能的方法，為后續(xù)研究者提供不同的解決思路，供后續(xù)多端直流工程建設(shè)者參考。