嵊泗直流輸電工程雙極直流功率不平衡運行解決方案

許繼電氣股份有限公司 郭宏光 李雪群

嵊泗電力公司 顏明波

許繼電氣股份有限公司 王柏恒

嵊泗直流輸電工程雙極直流功率不平衡運行解決方案

許繼電氣股份有限公司 郭宏光 李雪群

嵊泗電力公司 顏明波

許繼電氣股份有限公司 王柏恒

本文，筆者結合嵊泗直流輸電工程運行的實際情況，經過仔細地分析研究，進一步明確了造成雙極直流功率不平衡運行的關鍵因素，即站間通信系統的不穩定以及直流場接地極CT（電流互感器）故障導致的雙極電流平衡控制功能失效。實際運行表明，通過采用控制系統聯合調頻控制策略和雙極電流平衡控制的新方法，對現場軟件進行優化的方案是合理、切實可行的，大大降低了改造成本。

一、嵊泗直流工程調頻控制原理

1.工程概況。嵊泗直流輸電工程是我國第一條雙極跨海直流輸電工程，是為了解決嵊泗縣電力緊缺以及寶山鋼鐵公司馬跡山港礦山轉運碼頭正常生產所需電力而建設的。自上海市南匯區的蘆潮港換流站向浙江省嵊泗列島的嵊泗換流站供電，直流額定電壓為±50 kV，直流額定電流為600 A，直流額定功率在正送時（蘆潮港送嵊泗）雙極為60 MW，單極為30 MW，2002年投入商業運行。2002年嵊泗島內的基本負荷為10 MW，馬跡山礦山碼頭的沖擊負荷為12 MW，調頻控制的目的是針對直流輸電系統受端為弱小系統時的情況，將受端交流系統頻率作為調制量，充分利用直流輸電調節功率快速的特點，滿足受端弱小系統在各種動態情況下安全、穩定運行的要求。特別是要滿足島內所有柴油發電機組關閉、僅靠直流輸電作為電源的“黑網”運行的要求。

2.直流頻率控制系統及其功能。主要包括，受端交流電網頻率的測量，直流系統起停過程中的頻率干預功能以及直流系統正常運行時的頻率控制功能。直流頻率控制系統如圖1所示。

（1）受端交流電網頻率的測量。其原理是，首先將交流同步電壓由正弦波調整為方波信號，使用高頻計數器對周期進行精確計算，得到逆變側（受端）交流電網的頻率。然后將頻率信號通過直流輸電控制系統的快速站間通信通道送到整流側（送端）。

（2）直流輸電系統起停過程中的頻率干預功能。直流系統起停過程和功率升降過程中，如果頻率偏差超過門檻值，將暫時停止上述過程的執行，以盡量減小直流功率變化對受端電網系統穩定性的影響。待受端電網達到新的功率平衡后，再繼續執行上述過程的，直到直流功率達到設定值。

（3）直流輸電系統正常運行情況下的頻率控制功能。通過整流側控制系統判斷逆變側電網頻率偏差是否超過某一門檻值，一旦超過該值，調頻控制便發出調頻有效信號。此時，通過開放數字式頻率調節器計算出的逆變側交流電網的頻率信號，進行調節算法，根據當前直流系統的控制模式（功率控制還是電流控制），輸出一個功率或電流調制信號，并疊加到設定的功率或電流參考值，從而使得直流功率的動態地變化。這樣，當逆變側交流系統出現擾動和負荷波動時，直流系統能夠動態地改變輸送直流功率的大小，通過直流功率的支持使交流系統隨時保持動態的平衡。調頻控制原理如圖2所示。

二、調頻控制中的問題及原因分析

1.根據嵊泗直流工程控制系統最初設計采用雙極獨立調頻方式。這樣做的好處是雙極獨立配置頻率控制器，雙極之間不需要依賴極間通信進行協調。該控制策略基于如下考慮。一是在極間通信故障、測頻環節故障或站間通信故障情況下，一極退出調頻控制，另一極仍能完成系統調頻功能。二是在發生雙極調頻不同步時，由雙極電流平衡控制模塊來保證雙極的平衡運行。

嵊泗直流輸電系統在運行初期，由于島內基礎負荷及馬跡山礦山碼頭沖擊負荷較小，雙極直流持續在小負荷情況下運行，一極因檢修和維護的原因閉鎖后，另一極仍能滿足全島用電的要求。但是2007年以來，原有系統設計便已無法滿足實際需求，雙收不平衡運行。寶鋼集團馬跡山港礦山轉運碼頭二期工程上馬后，沖擊負荷比2002年增加了2倍。同時，隨著嵊泗縣國民經濟的快速發展，基本負荷比2002年增加了2倍多。因此，直流輸電系統一個極的功率已不能滿足基本負荷和馬跡山港沖擊負荷的要求。在雙極不平衡運行的情況下，運行人員每天需要多次的人工平衡操作，不僅增加了運行人員的工作強度，同時也給直流系統的安全運行帶來了不利的影響。

2.通過對兩個換流站現場的調研、測試和分析，發現雙極功率不能平衡運行的原因主要有以下兩點。

（1）由于雙極采用獨立調頻方式，兩極頻率控制的控制量均為嵊泗側電網頻率，該頻率信號是通過高速站間通信（海纜復合光纖）送到整流側頻率控制器。通信路徑是逆變側極控→TDM設備→光端機→復合光纖通道→光端機→TDM設備→整流側極控，由于兩極的通信通道延時和誤碼率不完全一致，致使兩極測頻信號出現偏差，使得雙極調頻控制輸出不一致。

（2）在正常情況下，即使出現雙極功率不平衡，在動態沖擊負荷的間隙期間，雙極電流平衡控制仍能快速、自動地將雙極電流拉回到平衡狀態，并維持總功率不變。但由于接地極引線CT故障率較高，目前已無法工作，使得雙極平衡控制無法發揮作用。

三、功能優化

相關分析表明，雙極聯合調頻控制和雙極平衡控制優化設計是解決嵊泗直流輸電系統雙極不平衡運行的關鍵?？梢栽诓恍枰鼡Q新的接地極CT設備，不需要增加任何硬件設備的前提下，使用軟件優化的方法解決上述問題。

1.雙極聯合調頻控制。

（1）解決方案的選擇。采用最典型的主導極調頻方式，即由主導極完成調頻控制，非主導極不參與調頻控制，主導極調頻控制器輸出調制量經過高速極間通信通道同時送給兩個極，實現雙極同步調頻。但是這種方案的問題是，如果主導極站間通信故障，逆變站的頻率信號無法傳輸到整流站，將使雙極均失去調頻控制，這對于在有沖擊負荷存在下的嵊泗弱小電網系統的穩定性是非常不利的，容易導致嵊泗電網切負荷甚至造成系統崩潰。

為了最大限度地滿足嵊泗直流工程調頻可靠性的要求，雙極調頻采用新的調頻控制方案。嵊泗電網在沖擊負荷作用下，頻率的變化是以s為單位的；而快速測頻模塊10 ms完成1次頻率計算，是以ms為單位的，通過高速站間通信通道，10 ms就可以把頻率數據送到整流站參與調頻控制。如果將該頻率信號送到另一極，快速極間通信也僅增加10 ms的時間，10 ms期間頻率的變化相對于嵊泗電力系統來說可以忽略不計?；谝陨匣痉治?，采用一個極的頻率信號作為雙極同步調頻控制的輸入是合理的。

（2）具體實現方案。首先，雙極統一采用一個極的頻率信號作為控制量，優先采用極一的頻率信號。然后，再把極間通信和站間通信的狀態作為選用各極頻率信號的條件，從而大大減少站間通信系統故障對調頻控制的影響。

（3）頻率信號的基本選擇策略。如果極一站間通信正常且極間通信正常，則雙極都采用極一的頻率信號；如果極間通信不正常，則各極采用各自的頻率信號；如果極一站間通信不正常，極二站間通信正常，則雙極都采用極二的頻率信號。通信故障條件下的頻率差處理流程如圖3所示。

2.雙極電流平衡控制。雙極電流平衡控制是極控系統的基本功能之一。首先，通過過兩個極的極控分別檢測接地極引線電流Iee1和Iee2，對兩個電流求和，得到Iee。然后，把該信號輸入PI調節器中，并根據電流定義的方向，將電流大的極減小電流參考值、電流小的極增大電流參考值，直到兩極達到電流平衡狀態。

由于接地極引線CT故障，在不更換該CT的情況下，首先采用極間通信將兩極的極線電流Id1經過200 ms平均濾波后進行互傳，然后通過對兩極的Id1和Id1-op進行求差，得到Iee，從而計算出接地極電流，利用原有的雙極電流平衡軟件模塊實現電流的平衡控制。

四、試驗

程序修改下載后，進行了雙極開機、模擬極間通信故障、沖擊負荷等試驗，并對正常運行情況下的電流平衡能力進行了重點觀測。通過波形分析軟件抽取時間刻度點的數據，形成2個數據表格，如表1、表2所示。

表1 功能優化程序修改前電流不平衡數據A

表 2 功能優化程序修改后電流不平衡數據A

根據表1、表2計算得到：功能程序修改前，雙極不平衡電流絕對差值的平均值△I1=110.1 A；功能程序修改后，雙極不平衡電流絕對差值的平均值△I2=22.1 A；△I1/△I2=5。由于實際負荷是變化的，無法進行同一直流電流運行工況下的數據對比，但是控制行為中對平衡電流能力要求的標準卻是一致的，且不受直流電流大小的影響，因此可以認為功能程序修改后的電流平衡能力是修改前的5倍。

五、結論

本文，筆者從嵊泗直流輸電系統雙極不平衡的問題出發，分析問題的關鍵因素，利用控制系統極間和站間高速數據通信通道及其冗余性，提出了雙極聯合調頻的新方法和雙極電流平衡控制的新原理。在不增加任何硬件設備的前提下，通過修改軟件，較好地解決了雙極平衡的問題，不僅可以提高嵊泗直流輸電系統在弱網條件下的可靠性和可用率，還能有效減少閥設備的無功消耗以及濾波器組的投入，從而更好地滿足了嵊泗直流“黑網”運行的要求。