高壓直流輸電過負(fù)荷限制功能分析及改進措施

梁天明，翁洪志，袁焯鋒

(南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州 510405)

高壓直流輸電過負(fù)荷限制功能分析及改進措施

梁天明，翁洪志，袁焯鋒

(南方電網(wǎng)超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州 510405)

以南方電網(wǎng)興安直流輸電系統(tǒng)為例，介紹了直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)過負(fù)荷、短時過負(fù)荷及持續(xù)過負(fù)荷等3種過負(fù)荷限制功能，以及3種過負(fù)荷之間轉(zhuǎn)化關(guān)系。針對直流輸電系統(tǒng)持續(xù)過負(fù)荷運行過程中出現(xiàn)的功率受限情況，詳細(xì)闡述了興安直流輸電系統(tǒng)一項過負(fù)荷試驗過程，分析了試驗過程中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，指出了過負(fù)荷限制功能與冷卻能力配合以及環(huán)境溫度采集等方面存在的突出問題。提出了直流系統(tǒng)過負(fù)荷運行及維護建議，改進了環(huán)境溫度采集方法，通過設(shè)置主環(huán)境溫度傳感器和備用環(huán)境溫度傳感器，實現(xiàn)了冗余配置，有效避免了直流雙極不平衡運行。有助于提升高壓直流輸電系統(tǒng)的維護水平及運行穩(wěn)定性，同時為未來直流輸電系統(tǒng)過負(fù)荷功能的設(shè)計提供了有益的參考。

高壓直流輸電;過負(fù)荷;功率波動;環(huán)境溫度;冷卻器

0 引言

高壓直流輸電系統(tǒng)設(shè)計有一定的短時和持續(xù)過負(fù)荷能力，以滿足特殊情況下直流功率輸送的需求。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)交流線路跳閘或某一極直流系統(tǒng)閉鎖等故障或擾動時，可以通過直流輸電系統(tǒng)極控功能，瞬時提高健全直流極的輸送功率。在直流輸電系統(tǒng)過負(fù)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)移到正常運行的直流輸電系統(tǒng)，從而減輕功率損失對交流系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性［1，2］。直流輸電系統(tǒng)對換流站冷卻系統(tǒng)依賴性較強。換流閥冷卻系統(tǒng)是換流站的一個重要組成部分，將換流閥上各晶閘管元件的功耗發(fā)熱量排放到閥廳外，保證晶閘管運行結(jié)溫在正常范圍內(nèi)［3］。直流系統(tǒng)過負(fù)荷運行將導(dǎo)致晶閘管元件溫度迅速上升，循環(huán)水冷系統(tǒng)散熱壓力增大，嚴(yán)重時可能對換流閥造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。另外，環(huán)境溫度過高時可能影響冷卻系統(tǒng)熱交換，造成冷卻效果變差。基于多種因素的考慮，極控系統(tǒng)設(shè)置了過負(fù)荷限制功能。在一定的環(huán)境溫度條件下，充分考慮直流系統(tǒng)備用冷卻設(shè)備是否可用，以及換流器冷卻系統(tǒng)進水溫度等條件，根據(jù)高壓直流輸電系統(tǒng)主設(shè)備的過載能力計算得到直流輸電系統(tǒng)過負(fù)荷能力，從而對極功率/電流輸出的電流進行限制。近年來，由于高峰負(fù)荷期間直流系統(tǒng)持續(xù)大功率輸送，以及發(fā)生交流系統(tǒng)故障時，直流輸電系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的緊急功率支援的需求［4，5］，電網(wǎng)運行方式安排直流系統(tǒng)過負(fù)荷運行的情況經(jīng)常出現(xiàn)。但在實際運行過程中，由于直流輸電過負(fù)荷限制功能與冷卻器冷卻能力的配合上存在問題，導(dǎo)致直流系統(tǒng)持續(xù)過負(fù)荷運行時功率受限的情況時有發(fā)生。

1 直流輸電系統(tǒng)過負(fù)荷限制功能

1.1 直流過負(fù)荷限制功能分類

以興安直流輸電系統(tǒng)為例，興安直流設(shè)置的過負(fù)荷限制功能分為暫態(tài)過負(fù)荷、短時過負(fù)荷、持續(xù)過負(fù)荷 3 種［6］:

(1)暫態(tài)過負(fù)荷

暫態(tài)過負(fù)荷根據(jù)允許過負(fù)荷時間的不同分為3 s，5 s和10 s 3種過負(fù)荷，由于暫態(tài)過負(fù)荷時間相對較短，過負(fù)荷能力僅由環(huán)境溫度決定，與冷卻器是否冗余以及閥內(nèi)冷水溫度等參考量無關(guān)。

(2)短時過負(fù)荷

短時過負(fù)荷根據(jù)環(huán)境溫度、內(nèi)冷水入水溫度和換流變壓器冷卻系統(tǒng)是否有冗余等因素計算得到短時過負(fù)荷電流值和短時過負(fù)荷剩余時間。短時過負(fù)荷剩余時間Tovld計算方法:

Tovld取決于電壓參考值，當(dāng)前直流電流值、環(huán)境溫度、閥冷卻能力等因素［7］。如果該時間耗完，直流系統(tǒng)將切換至低級別的過負(fù)荷。圖1顯示一段虛擬的Tovld(即trem)隨直流電流變化的趨勢，假設(shè)Id2h=1.25 p.u.，Idcont=1.2 p.u.(Id2h為2 h過負(fù)荷電流閾值;Idcont為持續(xù)過負(fù)荷電流閾值)。

圖1 短時過負(fù)荷剩余時間函數(shù)

－1→0 h:直流電流為1.15 p.u.，未啟動過負(fù)荷函數(shù)。

0→2.8 h:直流電流超過Idcont，短時過負(fù)荷啟動，trem不斷減小。

2.8→5.5 h:直流電流低于 Idcont，trem停止計數(shù)。

5.5→5.8 h:直流電流超過 Id2h，trem再次啟動，且下降斜率增大。

5.8→12 h:直流電流低于 Idcont，trem停止計數(shù)。

12→13 h:12 h結(jié)束后，計數(shù)器復(fù)歸，過負(fù)荷剩余時間重新計算。

(3)持續(xù)過負(fù)荷

連續(xù)過負(fù)荷能力即長時間過負(fù)荷能力，一般為直流輸電系統(tǒng)方式安排過負(fù)荷。其過負(fù)荷水平主要與環(huán)境溫度、換流變壓器備用冷卻系統(tǒng)是否投入及內(nèi)冷水入水處溫度決定。

1.2 過負(fù)荷限制激活條件及其轉(zhuǎn)化關(guān)系

3種類型過負(fù)荷邏輯均由極控系統(tǒng)實現(xiàn)，其中持續(xù)過負(fù)荷可長時間實現(xiàn)，而另外兩種過負(fù)荷均有時間限制。除人為提升直流功率至過負(fù)荷水平外，過負(fù)荷一般在特殊方式下由極控自動激活。極控通過監(jiān)測直流電流確定直流過負(fù)荷水平，當(dāng)過負(fù)荷時間超過規(guī)定限制后，極控系統(tǒng)按照“暫態(tài)過負(fù)荷＞短時過負(fù)荷＞長期過負(fù)荷”的邏輯關(guān)系，自動切換至低級別的過負(fù)荷水平［8］。

圖2顯示了直流系統(tǒng)不同性質(zhì)過負(fù)荷之間到相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。直流系統(tǒng)發(fā)生故障，如果過負(fù)荷函數(shù)請求的過負(fù)荷水平x高于3 s過負(fù)荷 (曲線①)，過負(fù)荷函數(shù)將限制負(fù)荷水平在3 s過負(fù)荷;如果X介于水平A和水平B之間 (A＞X＞B)，極控將調(diào)整直流負(fù)荷在水平A運行。暫態(tài)過負(fù)荷結(jié)束后，直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)至短時過負(fù)荷 (曲線④)。

圖2 各類型過負(fù)荷之間轉(zhuǎn)化關(guān)系

2 單極閉鎖引起直流暫態(tài)及短時過負(fù)荷

直流系統(tǒng)過負(fù)荷運行常出現(xiàn)在雙極運行發(fā)生單極故障的時刻。如果雙極功率值高于單極額定功率時，為避免功率損失，故障極的功率將最大限度轉(zhuǎn)移至運行極，使運行極過負(fù)荷運行［9，10］。此時先出現(xiàn)暫態(tài)過負(fù)荷并迅速轉(zhuǎn)化為短時過負(fù)荷。暫態(tài)過負(fù)荷和短時過負(fù)荷同屬于應(yīng)急過負(fù)荷舉措，故此時應(yīng)采用調(diào)度手段，手動降低直流功率至額定水平。

2014年7月7日16時20分，興安直流雙極滿負(fù)荷運行。極2直流線路故障，重啟動不成功導(dǎo)致閉鎖。雙極功率變化錄波圖如圖3所示。

極2閉鎖后，極2直流功率最大限度轉(zhuǎn)移至極1，故極1啟動3 s過負(fù)荷限制功能，根據(jù)當(dāng)前冷卻條件，將極1直流功率限制在2 090 MW。由故障錄波可以看出，3 s后暫態(tài)過負(fù)荷結(jié)束，極控系統(tǒng)自動切換為短時過負(fù)荷，極1直流負(fù)荷進一步下降。直至手動調(diào)整直流功率至額定水平。

圖3 單極閉鎖引起過負(fù)荷故障錄波

3 高壓直流輸電系統(tǒng)持續(xù)過負(fù)荷試驗

持續(xù)過負(fù)荷一般為系統(tǒng)安排過負(fù)荷。直流系統(tǒng)過負(fù)荷運行對環(huán)境因素及系統(tǒng)輔助系統(tǒng)要求較高，故一般情況下不使用其過負(fù)荷能力。在系統(tǒng)緊急需要時，可臨時安排其過負(fù)荷運行，同時應(yīng)注意監(jiān)視換流變與平抗的油溫、線溫，閥冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷水入水溫度的變化趨勢以及環(huán)境溫度變化。如達到報警值，且溫度有上升趨勢，應(yīng)當(dāng)停止過負(fù)荷運行。

3.1 興安直流1.05倍過負(fù)荷試驗過程

過負(fù)荷試驗前，興安直流系統(tǒng)滿負(fù)荷3 000 MW運行，環(huán)境溫度為36.1℃，平抗冷卻器、閥冷卻設(shè)備均正常投入運行。極2換流變Y/Y A相單個風(fēng)扇因存在缺陷處于停運狀態(tài)，其他冷卻器均正常運行。手動調(diào)整功率至3 150 MW，進行1.05倍過負(fù)荷試驗，記錄試驗開始前及2 h后關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 1.05 p.u.過負(fù)荷試驗關(guān)鍵運行參數(shù) ℃

表1中所列溫度均為最高溫度，可以看出:1.05倍過負(fù)荷運行期間各溫度參數(shù)有略微上升，但都在正常范圍內(nèi)。雙極環(huán)境溫度均上升約3.4℃左右，最高至39.5℃。在過負(fù)荷試驗過程中出現(xiàn)一系列異常現(xiàn)象:功率由1.0 p.u.調(diào)至1.05 p.u.過程中，極2短時過負(fù)荷即啟動，短時過負(fù)荷剩余時間值不斷降低，極2暫態(tài)過負(fù)荷激活。隨后，極1短時過負(fù)荷及暫態(tài)過負(fù)荷相繼激活。且隨著環(huán)境溫度的上升，極2功率受限，部分功率轉(zhuǎn)移至極1，雙極不平衡運行，直流功率出現(xiàn)小幅波動。直至手動終止過負(fù)荷試驗，將興安直流功率調(diào)整至2 800 MW運行。

3.2 短時、暫態(tài)過負(fù)荷激活及直流功率波動分析

查閱雙極持續(xù)過負(fù)荷軟件邏輯［16］如圖4所示。

圖4 持續(xù)過負(fù)荷能力－環(huán)境溫度軟件邏輯

根據(jù)PLI6F模塊中12組數(shù)值得到雙極持續(xù)過負(fù)荷能力-溫度曲線，如圖5所示。

圖5 雙極持續(xù)過負(fù)荷-溫度曲線

由表1得到極2初始環(huán)境溫度為36.1℃，由于極2換流變Y/Y A相單個風(fēng)扇故障，極控系統(tǒng)判斷極2冷卻器無冗余，由雙極持續(xù)過負(fù)荷能力－溫度曲線計算得到極2持續(xù)過負(fù)荷能力為1.029 p.u.，低于1.05 p.u.。極1初始環(huán)境溫度為35.8℃，且極1冷卻器有冗余，由雙極持續(xù)過負(fù)荷能力－溫度曲線計算得到極1持續(xù)過負(fù)荷能力為1.125 p.u.，高于1.05 p.u.。故當(dāng)直流功率設(shè)定為1.05 p.u.時，隨著功率上升，極2啟動短時過負(fù)荷，短時過負(fù)荷能力升高為1.1 p.u.左右，而極1維持在持續(xù)過負(fù)荷工況。

極2換流變Y/Y A相單個風(fēng)扇故障，極控系統(tǒng)判斷冷卻器無冗余，故極2短時過負(fù)荷能力較極1略低。雙極短時過負(fù)荷與環(huán)境溫度軟件邏輯關(guān)系［16］如圖 6 所示。

圖6 雙極短時過負(fù)荷能力-環(huán)境溫度軟件邏輯

根據(jù)PLI6F模塊中12組數(shù)值得到雙極短時過負(fù)荷能力-溫度曲線，如圖7所示。

圖7 雙極短時過負(fù)荷-溫度曲線

隨著環(huán)境溫度上升，極2當(dāng)前負(fù)荷率先高于其短時過負(fù)荷閥值，極2暫態(tài)過負(fù)荷啟動。暫態(tài)(10 s)過負(fù)荷時間結(jié)束后，系統(tǒng)自動切換至短時過負(fù)荷。隨著環(huán)境溫度緩慢升高，此時的短時過負(fù)荷水平已經(jīng)低于暫態(tài)過負(fù)荷啟動前的水平，故極2負(fù)荷被限制。該過程周而復(fù)始，每經(jīng)歷1個周期，極2直流功率都會被限制而呈現(xiàn)階梯狀下降。由于直流系統(tǒng)功率控制模式采用雙極定功率控制模式，為維持雙極功率恒定，極2被限制功率轉(zhuǎn)移到極1，極1直流功率迅速被迫抬高，達到極1持續(xù)過負(fù)荷閥值，極1短時過負(fù)荷限制功能激活，導(dǎo)致雙極不平衡運行，雙極直流功率變化錄波如圖8所示。

由圖8可以看出，極1環(huán)境溫度最終穩(wěn)定在39.1℃，功率輸送能力穩(wěn)定在1.075 p.u.左右。極2環(huán)境溫度穩(wěn)定在39.5℃，并小幅下降，功率輸送能力穩(wěn)定在1.025 p.u.。如圖9所示。

圖8 雙極不平衡運行變化趨勢圖

圖9 雙極直流功率輸送能力變化趨勢圖

此時雙極功率輸送能力:

由圖9可以看出，雙極直流功率輸送能力穩(wěn)定在1.05 p.u.左右，與當(dāng)前過負(fù)荷試驗設(shè)定直流功率曲線重合，并隨著環(huán)境溫度變化而對當(dāng)前功率進行限制，導(dǎo)致雙極功率小幅波動，直至手動降低雙極功率。

4 暴露的問題及其改進建議

(1)查閱極控系統(tǒng)各類型過負(fù)荷能力如表2。

表2 各類型過負(fù)荷所允許功率值 p.u.

系統(tǒng)允許過負(fù)荷受環(huán)境溫度影響較大，尤其是在環(huán)境溫度超過38℃時，各類型過負(fù)荷水平在2℃的溫差范圍內(nèi)將迅速降低至1.0 p.u.，即系統(tǒng)不具備過負(fù)荷能力。故在環(huán)境溫度超高38℃時禁止安排系統(tǒng)過負(fù)荷運行，以免造成功率限制，引起功率波動。

(2)單個風(fēng)扇故障，極控系統(tǒng)判斷該極冷卻器無冗余，大幅降低相應(yīng)極過負(fù)荷能力。但從過負(fù)荷運行記錄的關(guān)鍵參數(shù)來看，雖然極2Y/Y A相單個風(fēng)扇故障，但A相換流變壓器油溫和線溫與其他兩相基本相同，即極2Y/Y A相單臺風(fēng)扇故障對整臺換流變油溫、線溫幾乎無影響。如表3所示。

表3 1.05 p.u.過負(fù)荷試驗換流變油溫線溫記錄

當(dāng)出現(xiàn)單個風(fēng)扇故障導(dǎo)致冷卻器無冗余時，盡量避免直流系統(tǒng)過負(fù)荷運行，以免造成短時過負(fù)荷及暫態(tài)過負(fù)荷應(yīng)急啟動，并最終導(dǎo)致直流功率受限或雙極不平衡運行。

修改過負(fù)荷能力計算邏輯，對于暫態(tài)及短時過負(fù)荷計算邏輯可以用油溫、線溫代替冷卻器是否冗余作為過負(fù)荷能力計算的條件。

(3)過負(fù)荷能力計算所使用的環(huán)境溫度是由溫度傳感器采集而來。興安直流輸電工程環(huán)境溫度傳感器安裝于主控樓一樓V型轉(zhuǎn)角地帶，附近裝設(shè)有3臺空調(diào)室外機，該位置環(huán)境溫度受空調(diào)是否啟動影響比較大。加之該位置屬于墻角V型區(qū)域，散熱性差，該位置溫度顯著高于正常環(huán)境溫度。采集的環(huán)境溫度失準(zhǔn)，造成計算所得過負(fù)荷能力降低。這也是在內(nèi)冷水溫度、換流變油溫、線溫等參數(shù)均合格的情況下，卻造成了功率受限的一個重要原因。故建議對該環(huán)境溫度采集裝置重新選址，且在后期直流工程建設(shè)中盡量選取無人機因素干擾的開闊地作為參考環(huán)境溫度的采集地，以提高過負(fù)荷能力計算的精準(zhǔn)度。

(4)同一換流站，雙極處于同一地理位置，環(huán)境溫度無差別。目前雙極環(huán)境溫度采集傳感器安裝同一位置，也是基于這一點考慮。現(xiàn)場信息采集裝置SU200收集室外環(huán)境溫度信號后，通過現(xiàn)場總線送至雙極兩套極控系統(tǒng)，用于過負(fù)荷能力的計算。其溫度采集及傳輸路徑如圖10所示。

圖10 雙極環(huán)境溫度采集及傳輸路徑

此溫度采集方法存在一定的缺陷:

①雙極溫度傳感器容易產(chǎn)生橫向誤差，尤其在環(huán)境溫度較高時，過負(fù)荷能力對環(huán)境溫度的微小變化反應(yīng)敏感。由于雙極環(huán)境溫度測量存在橫向誤差使得雙極計算所得過負(fù)荷能力不同，很容易造成雙極不平衡運行。

②雙極環(huán)境溫度傳感器配置均無冗余。過負(fù)荷運行時，一旦單個傳感器出現(xiàn)故障，單極過負(fù)荷能力計算失誤，容易引起功率跳變或雙極不平衡運行。

建議做如下改進:設(shè)置主環(huán)境溫度傳感器和備用環(huán)境溫度傳感器，如圖11所示。

圖11 改進后雙極環(huán)境溫度采集及傳輸路徑

正常情況下，選擇主環(huán)境溫度傳感器所測得溫度值送至雙極極控系統(tǒng)，備用環(huán)境溫度傳感器作為冗余備用。同時，通過單片機對環(huán)境溫度的有效性進行判斷。當(dāng)傳感器測量的環(huán)境溫度Tamb大于設(shè)定的最大有效值Tmax或小于設(shè)定的最小有效值Tmin以及環(huán)境溫度變化率T1－T2/(t1－t2)大于設(shè)定最大的變化率ΔT/Δt，判斷該環(huán)境溫度傳感器測量故障，自動切換至備用環(huán)境溫度傳感器。也可選擇手動強制切換至備用傳感器。

5 結(jié)論

本文針對直流輸電系統(tǒng)持續(xù)過負(fù)荷運行過程中出現(xiàn)的功率受限情況，通過對高壓直流輸電系統(tǒng)過負(fù)荷試驗暴露出的典型問題的分析，指出了環(huán)境溫度采集，冷卻器冷卻能力判斷方面存在的突出問題，給出了具體的運行維護建議。提出了包括環(huán)境溫度傳感器選址及環(huán)境溫度采集方法等方面的改進建議，有助于改善持續(xù)過負(fù)荷運行時功率受限的情況，提高直流系統(tǒng)過負(fù)荷運行的穩(wěn)定性。

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

［2］周子超．交直流協(xié)調(diào)控制提高電網(wǎng)輸電能力的策略研究［D］．北京:北京交通大學(xué)，2012．

［3］莫文斌，張文，徐攀滕．特高壓換流站閥冷系統(tǒng)隱患分析及整改措施 ［J］．電力科學(xué)與工程，2015，31(3):29－32．

［4］梁天明．交流系統(tǒng)故障對直流系統(tǒng)影響分析及改進措施研究 ［J］．電力建設(shè)，2013，34(12):106－110．

［5］楊衛(wèi)東，薛禹勝，荊勇，等．南方電網(wǎng)中直流輸電系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的緊急功率支援［J］．電力系統(tǒng)自動化，2003，27(17):68－72．

［6］Li J X，Jiang Y，Wu Y Z．Analysis and countermeasure on the lightemitter’s PCB failures in the VBE system of Guizhou—Guangdong LineⅡ HVDC project［J］．Southern Power System Technology，2012，6(2):31－34．

［7］朱韜析，楊帆，王超．直流輸電系統(tǒng)極控軟件故障監(jiān)視功能簡介 ［J］．南方電網(wǎng)技術(shù)，2008，2(1):80－83．

［8］朱韜析，王超．天廣直流輸電系統(tǒng)過負(fù)荷功能研究［J］．廣東電力，2008，21(2):1－4．

［9］徐政，高慧敏，楊靖萍．南方電網(wǎng)中直流緊急功率調(diào)制的作用 ［J］．高電壓技術(shù)，2004，30(11):24－26．

［10］李興源，趙睿，劉天琪，等．傳統(tǒng)高壓直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和控制綜述［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(10):288－300．

Analysis and Improvement on Overload Limit Logic in HVDC System

Liang Tianming，Weng Hongzhi，Yuan Zhuofeng
(Guangzhou Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou 510405，China)

Based on Xing-an HVDC systems in China Southern Power Grid，this paper proposes three kinds of overload limit functions such as transient overload，short-time overload and sustainable overload emphatically expounds an overload test process of Xing-an HVDC system．Deeply analyzes all the abnormal status during the overload test．Moreover，the study points out the problems between the overload limit function and colling capacity，and the environmental temperature acquisition based on the practical knotty problems exposed in the test，gives some suggestions on the DC system overload operation and maintenance，improves the environment temperature acquisition method．By setting the primary environment temperature sensor，and the standby environment temperature sensor，it realizes the redundancy configuration，effectively avoids unbalanced operation．Finally，the results show that the study is not only valuable for improving the maintenance capability and the reliable operation of HVDC system，but also provides useful reference to the design and construction of HVDC transmission projects in China in the future．

HVDC;overload;power fluctuation;ambient temperature;cooler

TM721

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.005

2015－04－21。

梁天明 (1984-)，男，工程師，研究方向為高壓直流輸電系統(tǒng)運行與控制保護研究，E-mail:ltianming@126.com。