青海—西藏±400 kV直流聯網工程的啟停方法設計

劉寶宏，馬為民，殷威揚

(國家電網公司直流建設分公司，北京市，100052)

0 引言

青海格爾木至西藏拉薩直流聯網工程電壓等級為±400 kV，本期建設完整雙極規模600 MW，遠期通過并聯換流器擴建至1 200 MW，輸送距離1 038 km，全線海拔在2 800 m以上，是目前世界上海拔最高的長距離直流輸電工程，于2011年年底本期雙極投運。與已建常規±500 kV直流工程相比，±400 kV青藏直流聯網工程成套設計問題多、難度大，有其獨特之處。突出特點可以歸結為直流接入弱交流系統的問題［1-5］、遠期換流器并聯運行的問題、設備高海拔應用的問題等方面。本文旨在對接入弱交流系統直流工程的啟停功率和啟停方法［6-9］進行研究，以及提出為滿足該功能要求的直流系統啟停解決方案。

目前，直流接入弱交流系統的研究主要集中于交直流混合系統的安全穩定研究［1-5］，對接入弱交流系統直流的啟停功率和啟停方法研究較少。常規直流工程啟停功率為額定功率的10％，對于青藏直流聯網工程來說，額定功率為600 MW，如果啟停功率單極為30 MW、雙極為60 MW，將對最低負荷約為170 MW的藏中電網產生巨大的沖擊，因此，需要優化研究青藏直流聯網工程的啟停功率和啟停方法，確保直流啟動滿足電網安全穩定運行的要求。

1 西藏中部電網概況

西藏中部地區包括拉薩、日喀則、山南、那曲及林芝五地市。截至2009年底，西藏中部電網裝機容量488.96 MW。2011年建設曲哥、乃瓊及奪底220 kV變電站，形成曲哥—乃瓊—奪底雙回、奪底—曲哥單回三角形環網網架。±400 kV青海—西藏直流聯網工程接入拉薩換流站，拉薩換流站以2回220 kV線路連接至奪底變電站，如圖1所示。

圖1 2011年藏中電網220 kV網架Fig.1 220 kV Tibet power grid in 2011

藏中電網處于發展初期，要求的頻率變化范圍為：拉薩換流站母線正常頻率波動(50±0.5)Hz，暫態頻率偏差49～51 Hz。在青藏直流投產初期的2011年，拉薩換流站最小短路電流只有0.72 kA，短路比為0.48，運行有效短路比為3.2，屬于極弱交流系統。其他設計方式最小短路比如表1所示。青藏直流聯網工程建成后，直流系統的額定容量甚至大于交流系統的短路容量，形成了“大直流小系統”的局面。

2 直流系統啟停功率的限值

在2011年枯小油機全停、系統最弱的方式下，西藏地區負荷僅有170 MW。利用BPA電力系統潮流及暫態穩定分析程序對藏中電網全網數據進行仿真研究［10］，直流系統解鎖功率為7.5 MW時對交流系統的頻率沖擊如圖2所示，在3 s時系統頻率達最大50.5 Hz。直流系統在功率7.5 MW閉鎖時，對交流系統的頻率沖擊如圖3所示，在3 s時系統頻率達最小49.5 Hz。直流系統單極正常解鎖/閉鎖功率不大于7.5 MW，可以保證直流系統啟動/停運時西藏電網正常頻率波動不超過(50±0.5)Hz。因此，青藏直流聯網工程單極啟停功率取為7.5 MW。

3 直流系統最小啟停功率的實現方法

常規直流工程啟停功率為額定功率的10％，而青藏直流聯網工程單極啟停功率為7.5 MW，僅為額定功率的2.5％。為滿足這一特殊要求，需要對直流系統中換流閥、平波電抗器、控制策略等進行與常規直流工程不同的設計［11］。

3.1 平波電抗器的設計

青藏直流聯網工程啟停功率為額定功率的2.5％，如果按照全壓方式啟動，啟動電流只有18.75 A。為了避免直流電流斷續［12-14］，按照式(1)計算平波電抗器電感值，則每站每極的平波電抗器電感值至少為1.8 H。如果采用干式電抗器，每臺電抗器電感值300 mH，每站每極需要6臺平波電抗器串聯；如果采用油浸式電抗器，單臺制造難度很大。2種型式的平波電抗器造價都很高。

為了降低工程造價，推薦直流系統采用25％額定直流電壓、10％額定直流電流啟動，依據式(1)，每站每極的平波電抗器電感值為至少為532 mH，工程中實際采用600mH，選擇2臺300mH干式平波電抗器串聯或者單臺油浸式平波電抗器。

式中：LdR為平波電抗器電感值；UdioNR為換流變閥側額定空載直流電壓；ω為角速度；Idmin為最小直流電流；α為觸發角。

每站每極平波電抗器電感值為600 mH，在直流系統電流0.1 pu(基值為750 A)、直流電壓參考值100 kV時，直流系統的啟停過程如圖4所示，停運和啟動過程平穩，直流電流不斷續。

圖4 直流系統啟停時的運行曲線Fig.4 Operation curves in DC system start-stop process

3.2 換流閥的設計

單極2.5％額定功率解鎖，直流電壓降壓至25％，在充分利用換流變分接頭的條件下，換流閥仍需要運行在74°左右，如圖4所示。計及70％降壓額定電流運行、直流系統2.5％功率運行，兩端換流站換流閥應滿足在表2所示工況參數下長期運行的要求。

換流閥大角度運行產生更大的損耗，主要是晶閘管損耗和阻尼電阻的損耗。根據IEC標準，換流器在α=90°時的運行方式限制以及運行在α=90°時的最長運行時間限制是受換流閥阻尼回路電路中的電阻損耗所決定的，長期運行在α=90°會加劇電阻的老化。理論上閥組件可以在90°觸發角、額定電流下連續運行，但是這樣對閥的冷卻系統提出了更高的要求。青藏直流聯網工程兩端換流閥增加了散熱容量設計，提高了換流閥大角度運行能力，實際大角度運行能力如圖5所示。

表2 兩端換流站用于換流閥設計的參數Tab.2 Parameter of converter valve at both-ends converter stations

圖5 青藏直流工程換流閥運行能力Fig.5 Operation ability of converter valve in Qinghai-Tibet DC project

4 雙極啟動控制策略

青藏直流聯網工程接入的藏中電網系統很弱，受直流系統自身最小啟動功率能力的限制，直流系統應先啟動一極，再啟動另一極，這就涉及到一極運行后如何啟動另一極的問題。有2種方法啟動另一極：方法1是已運行極輸送的功率達到Pd，功率下階躍至Pd/2的同時，另一極直接解鎖至Pd/2，兩極輸送功率相同，達到雙極穩態輸送功率Pd，另一極解鎖前后直流系統輸送功率不變；方法2是運行極維持自身運行狀態不變，另一極從最小啟動功率7.5 MW解鎖，采用25％電壓、10％電流、大角度解鎖，逐漸提升功率，完成雙極啟動。

采用方法1啟動至雙極，極1運行輸送功率42 MW時，直流電壓為280 kV，直流電流為150 A。在極2啟動時，直接解鎖到21 MW功率，直流電壓為－280 kV，直流電流為75A；與此同時極1功率下階躍至21 MW，維持極2解鎖前后直流系統總輸送功率不變，啟動過程如圖6所示。

圖6 方法1的啟動過程Fig.6 Starting process ofmethod No.1

采用方法2最小功率解鎖，2個極先后從7.5 MW功率解鎖，啟停過程可參考圖4。

青藏直流聯網工程同時采用了上述2種雙極啟停方法，均滿足系統正常運行要求。

5 結論

本文提出了與常規直流工程不同的直流系統啟停策略。為了適應弱交流系統，降低直流系統啟動和停運時對藏中電力系統頻率的沖擊，使藏中電網系統頻率維持在要求的范圍內(50±0.5)Hz，直流系統單極啟停功率為7.5 MW，采用25％額定電壓、10％額定電流、大角度方式啟動。為了滿足低電壓、小電流起停方式，需增加直流平波電抗器電感值，提高換流閥大角度運行能力。

受啟停功率限制，需要先啟動一極，再啟動另外一極，最終達到雙極穩態運行。單極啟動至雙極有2種方法：一是2個極先后從7.5 MW解鎖；二是投運極直接解鎖至雙極輸送功率的一半，維持投運極解鎖前后直流輸送總功率不變。2種啟停方法都在青藏直流聯網工程中得以應用，效果良好。

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