HVDC孤島交流系統中水輪機調速器特殊問題分析

張廣濤，程遠楚，鄒吉林

（武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

HVDC孤島交流系統中水輪機調速器特殊問題分析

張廣濤，程遠楚，鄒吉林

（武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

摘要：HVDC（High Voltage Direct Current）送端為巨型水電站或水電站群時，采用孤島運行方式，可以避免HVDC系統故障時對附近交流大電網穩定的不利影響，但在采用孤島方式運行的情況下，一旦發生故障導致極閉鎖引起輸送功率大幅跌落，將會出現關于水輪機調速器控制的新問題。本文指出HVDC孤島水電交流系統的特殊性和研究意義，然后結合云廣直流工程實例，討論與分析了HVDC極閉鎖故障下水電孤島系統調速控制中的特殊問題。

關鍵詞：HVDC；孤島；水輪機調速器；電動機運行

0　引言

HVDC送端為巨型水電站或水電站群時，采用孤島運行方式，可以避免HVDC系統故障時對附近交流大電網穩定的不利影響，該孤島系統可稱直流孤島水電系統。目前，電力系統中孤島運行主要用于由微型水電、風電、光電、柴油發電機組等電源構成的分布式發電系統，具體指一組由旋轉發電機直接與電網連接或電能經逆變器間接與電網連接的分布式發電系統，及電網的一小部分與主電網斷開電氣連接，并在帶電狀態下連續運行的工作模式[1-3]。對孤島運行的研究，主要集中在小容量分布式旋轉發電接入電網和逆變器接入電網兩種類型發電系統在進入孤島后的監測、保護、重聯網等問題。目的為盡量延長孤島系統對用戶的供電時間，降低停電范圍，提高對用戶供電的連續性和可靠性。然而，出于保護大機組特別是火電、核電機組的目的，大容量發電機組孤島運行模式在以往的電力系統運行中比較罕見且一般禁止出現，對可能的大停電發生前的計劃解列控制，有一定研究，但對大容量機組組成的孤島系統的運行控制，缺乏研究。隨著我國西部水電的大力開發，送端巨型電站或電站群通過遠距離大容量HVDC輸電至受端強交流電網的系統將越來越多，對其控制與調節的特殊性應引起關注，并開展相應的研究。

1　HVDC孤島交流系統

HVDC送端電源工作于孤島運行方式，一般有兩種情況。1）設計孤島運行情況：HVDC送端為巨型水電站或水電站群，且電能輸送目的地為遠方城市時，若作為HVDC送端電源的大電站連接到附近交流大電網，則當HVDC系統故障時會對附近交流大電網穩定性造成不利影響，需要限制HVDC輸送容量來降低這種影響。為充分利用HVDC輸電能力，節約珍貴輸電走廊資源，有很多“送端巨型電站或電站群-遠距離大容量HVDC-受端強交流電網”類型的電力系統采用送端正常運行工況為孤島運行方式[4-9]。2）故障導致孤島運行情況:即正常運行時送端電源與附近交流大電網有聯絡線連接，在聯絡線故障切除后被迫進入送端孤島運行方式。以上兩種情況使得任何“送端巨型電站或電站群-遠距離大容量HVDC-受端強交流電網”類型的電網送端交流系統均可能運行于孤島方式，因此，研究HVDC送端電源孤島運行控制具有重要的現實意義。

中國云廣直流輸電工程（以下簡稱云廣直流）是中國第一條設計采用送端孤島運行方式的LCC HVDC系統，為典型的“送端巨型電站或電站群-遠距離大容量HVDC-受端強交流電網”型電力系統。系統連接示意圖如圖1所示，該系統送端為孤島水電交流系統，由小灣水電站（6臺機×700MW額定出力/臺機）和金安橋水電站（4臺機×600MW額定出力/臺機）等兩個巨型水電站組成，經遠距離（高達1 418 km）大容量（額定輸送功率5 000MW）HVDC送至遠方的廣東交流電網負荷中心[10]。小灣水電站經三回500 kV交流線路連接楚雄換流站，包括兩回長248 km的連接至楚雄換流站的500 kV交流線路和一回經長234 km的小和線（小灣-和平交流變電站）與長14 km的和楚線（和平變電站-楚雄換流站）連接到楚雄換流站的500 kV交流線路。金安橋水電站經金楚甲與金楚乙兩回長299 km的500 kV交流線路接入楚雄換流站；楚雄換流站經長1 418 km，額定電壓為±800 kV的雙極直流輸電線路連接到位于廣東增城的穗東換流站；兩端換流站均采用雙12脈動換流閥[11]。和平變電站為送端電源與附近交流大電網接入口，在和平變電站切除楚雄-和平，和小灣-和平聯絡線后，送端系統進入孤島運行，否則送端系統為聯網運行。前期研究表明，送端采用孤島運行方式時，可在不增加設備投資情況下，提高1000MW的HVDC穩定功率輸送容量，并可大大降低直流故障時對送端交流電網的不利影響[10]，因此，該系統送端孤島運行被設計為主要運行方式之一。

圖1云廣直流送端水電孤島系統示意圖

2　直流孤島系統有功與頻率調節

HVDC送端孤島運行時，因送端孤島交流系統一般主要由巨型電站或電站群構成，所帶本地負荷基本為廠用電，送端交流系統較弱。系統頻率有功控制只能依靠該弱交流系統內機組調速器頻率調節及HVDC附加頻率調節，難以獲取大電網情況下遠方機組的直接功率支持。HVDC附加頻率調節主要依靠改變可調直流功率范圍內的有功輸送來輔助調節送端交流系統頻率[12-14]。直流孤島系統頻率穩定在規定范圍內時，主要根據調度指令或計劃調整直流輸送功率和送端機組輸出功率；當由于某些原因導致系統頻率波動超出正常范圍時，將會引起系統的頻率調節。在正常情況下，調速器的頻率調節死區△2設置為大于HVDC附加頻率控制區的調節死區△1，當交流系統頻率波動小于△1時，HVDC附加控制與調速器均不參于調節；當交流系統頻率波動大于△1時，在直流輸電附加頻率，調節起作用范圍內，通過頻率偏差調整直流輸送功率實現對孤島交流系統的頻率調節；當頻率偏差超過調速器調節死區△2時，水輪機調速器通過頻差調整水電機組有功輸出來調節系統頻率。

正常調節時，主要依靠HVDC附加頻率控制，調節速度快，具有較好的調節性能。而當HVDC遇故障導致極閉鎖時，會使可調直流功率范圍縮小，其調節能力將大大降低，此時，系統頻率調節主要依賴于水輪機調節系統。巨型水電機組頻率調節系統，具有大延時、非最小相位、強非線性等特點，基于并聯PID結構的微機調速器在強交流電網內運行得到了廣泛應用[15-16]，但其在弱交流系統內的頻率控制性能，因以往運用較少而很少引起關注。對于大機組孤島這樣的大機小網，其運行特性與控制策略應有別于大機大網或小機小網，需開展專門研究。

3　直流孤島水電系統水輪機調速器特殊問題分析

云廣直流系統從運行初期就開始進行了大量的現場試驗與調試，采用調速器和帶直流附加頻率控制條件下，直流輸送功率因故障而大幅跌落（如直流極閉鎖后），孤島交流系統出現如下問題：

雙極閉鎖或單極閉鎖后，部分機組進入電動機調相狀態，部分機組進入發電機發電狀態。

如在云廣直流運行初期，因金安橋電站投產發電時間較晚，所以先進行了僅帶小灣電廠的極閉鎖試驗，表1為某次雙極閉鎖試驗的部分結果。試驗機組包括小灣電廠3號~6號機組，箭頭前的數據為雙極閉鎖前各機組相應變量的穩態值，箭頭后數據為雙極閉鎖后各機組相應變量的穩態值。

表1雙極閉鎖前機組狀態

系統初始運行于孤島運行方式，3號與4號機組導葉開度穩定在60%左右，帶390MW左右有功負荷；5號與6號機組導葉開度穩定在36%左右，帶145MW左右負荷。雙極閉鎖后，因孤島交流系統頻率升高至50.56Hz，引起高周切機保護動作，將3號機組切除，進入空載態運行；5號機和6號機穩定到電動機狀態，分別從孤島交流系統吸收近50MW有功，導葉被關至全關狀態，水輪機運行于制動或反水泵工況；4號機組則承擔起由4號、5號、6號三臺機組組成的小孤島交流系統的電能供給任務，以32.2%的導葉開度，帶120MW有功，系統在該有功和導葉開度下達到一個新的穩定狀態，頻率穩定到50.06Hz。

而當兩站10機組同時運行帶5 000MW的雙極閉鎖試驗時，金安橋電站機組將進入調相運行，而小灣電站機組則進入發電運行工況。

出現上述問題的原因是：當出現雙極閉鎖時，相當于所有并聯在孤島交流系統中的機組同時甩負荷，隨著機組頻率的上升，調速器會快速關閉導葉，以抑制頻率的上升。鑒于在調速器參與下的交流系統，經受功率沖擊如雙極閉鎖對直流送端孤島系統效果近似為負荷突然降為0，穩定后有。各機組將在各自調速器作用下按照系統頻差進行調節，但由于孤島交流系統中每臺機組調速器可能具有各自不同的速度特性，且閉鎖前的各機組的運行工況可能存在差異。當出現極閉鎖故障時，各機組以各自的速度關閉導葉，對不采用附加控制的情況，在相同的頻率差下，調節較快的機組或帶負荷較少的一批機組在所有機組導葉關至最小前會將導葉開度關至最小值如全關，如表1中的5號、6號機，而調節慢或負載跌落前帶負荷較多的機組則可能在有功降低一部分后，系統頻差縮小而使所有機組調節系統停止調節，從而使得系統穩態成為：調節快或帶負荷少的機組運行在電動機調相態<0，而調節慢或帶負荷多的機組運行在發電態>0。

孤島交流系統機組運行于調相工況時，同步電機作電動機運行，將消耗一定有功，為維持系統穩定必然有更多的有功被發電機運行的機組發出，長時間運行將浪費寶貴水能源。當機組運行在調相模式，轉輪浸沒在導葉全關或極小開度的轉輪室內高速旋轉，水輪機運行在制動或反水泵工況，水流被打在小開度甚至關閉的導葉上，會引起機組的水力振動，降低機組壽命甚至造成安全事故。此外，當孤島交流系統有機組運行于調相工況時，相比運行于空載或帶負荷狀態，將會降低直流系統故障自動重啟后自動增加負荷速度，因調相運行的機組水輪機導葉開度很小甚至全關且巨型機組慣性巨大，將處于調相狀態運行的機組增負荷到一定值，相比空載或已帶負荷機組，需要更多時間，對直流故障重啟恢復不利，甚至可能導致因不能在規定時間內帶上規定負荷而自動重啟失敗。

在實際運行中，應采取相應措施避免機組進入深度調相狀態，一種最簡單的辦法是當孤島直流停運事件發生時，通過強制調速器控制開度輸出到某一整定值并持續某一定時間。但該方法的缺陷是整定較為困難，不能適應運行工況的變化，不同工況的實現效果差異較大。

極閉鎖故障后孤島交流系統穩態頻率偏高。

金安橋和小灣調速器控制框圖基本相同，都為有差特性的PID控制器。如圖2為云廣直流中金安橋電站水輪機調速器控制框圖。

圖2金安橋水輪機調速器控制框圖

交流系統的頻率將高于50 Hz。故障丟棄的負荷越多，交流系統穩態頻差就越大。

對于雙極閉鎖，相當于所有機組同時甩負荷，此時調速器接收到雙極閉鎖或直流停運信號后，可將開度給定置為空載值，使交流系統頻率恢復50 Hz。但對于單極閉鎖，顯然情況不同。由于單極閉鎖時只甩掉了一半的負荷，故障瞬間，系統頻率升高，一方面，HVDC的FLC將增加直流系統輸送功率以達到功率平衡；另一方面，調速器會關小導葉以減小原動機力矩。此時，開度給定應調整的幅度與故障前的直流系統輸送功率密切相關，應進行開度協調控制研究。

圖3和圖4分別是直流5 000MW雙極閉鎖和單極閉鎖時小灣電站1號機與金安橋電站1號機的頻率、力矩與功率曲線。

圖3直流5 000MW雙極閉鎖試驗波形

圖4直流5 000MW單極閉鎖試驗波形

上述兩個主要問題會引起其它問題，如雙極閉鎖或單極閉鎖后的孤島交流系統穩態頻率過高，不利于直流故障自動重啟，甚至可能因頻率超過直流系統整流頻率某限值，導致雙極閉鎖重啟失敗，或單極閉鎖故障加劇為雙極閉鎖；孤島交流系統雙極閉鎖或單極閉鎖后穩態頻率過高，不利于孤島交流系統緊急情況下并入當地交流電網的并網操作，可能導致無法自動并入當地交流電網，從而不能發揮直流故障下利用當地交流電網輸送部分電能功能運用，豐水期造成電能無法外送棄水浪費能源，或當地交流電網需要支援而無法并網提供支援等。

4　結論

本文總結提煉了直流孤島水電系統運行中出現的關于水輪機調速系統的特殊問題，即極閉鎖后部分機組穩定到電動機調相運行，和系統穩態頻率過高問題，指出該問題對電力系統運行特別是對水電機組運行的重大影響，并給出了初步的分析和處理。

參考文獻：

[1]BENYSEK G.Power electronics in smart electrical energy networks[M].London:Springer，2008.

[2]MOHAMAD H，MOKHLISH，BAKAR A H A，et al.A review on islanding operation and control for distribution network connected with smallhydro power plant[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(8):3952-3962.

[3]FUANGFOO P，LEEW J，N IGIM K A.Intentional islanding operation to improve the service reliability of Thailand electric power system[C]//Power Engineering Society GeneralMeeting，2007.IEEE，2007:1-7.

[4]KIM C K，SOOD V K，JANG G S，et al.HVDC transm ission:power conversion applications in power systems[M].John W iley&Sons，2009.

[5]陳亦平，程哲，張昆，等.高壓直流輸電系統孤島運行調頻策略[J].中國電機工程學報，2013，33(4):96-102.

[6]李亞男，馬為民，殷威揚，等.向家壩-上海特高壓直流系統孤島運行方式[J].高電壓技術，2010(1):185-189.

[7]趙良，覃琴，郭強，等.中蒙直流輸電工程送端孤島頻率控制問題[J].電網技術，2008，32(21):22-25.

[8]賈旭東，郭琦，韓偉強，等.孤島方式下云廣直流自動功率調整功能與小灣電廠AGC配合的仿真[J].南方電網技術，2011，5(3):6-9.

[9]洪潮，李巖，賈磊，等.云廣直流帶小灣和金安橋兩個電廠的孤島運行調試與分析[J].南方電網技術，2013，7 (2):10-15.

[10]張建設，韓偉強，張堯，等.含±800kV云廣直流的南方電網交直流系統RTDS仿真研究[J].南方電網技術，2009，3 (1):32-35.

[11]金小明，蔡漢生.云廣特高壓直流系統孤島運行的影響及相應對策[J].南方電網技術，2010，4（2）：15-20.

[12]ARR ILLAGA J，LIU Y H，W ATSON N R.Flexible pow er transm ission:theHVDC options[M].JohnW iley&Sons，2007. [13]M IAO Z，FAN L，OSBORN D，et al.W ind farmsw ith HVDC delivery in inertial response and primary frequency control[J].IEEETransactionson Energy Conversion，2010，25（4）:1171-1178.

[14]LIR，BOZHKO S，ASHER G.Frequency control design for offshore w ind farm grid w ith LCC-HVDC link connection [J].IEEE Transactions on，Power Electronics，2008，23（3）: 1085-1092.

[15]程遠楚，張江濱.水輪機自動調節[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[16]KISOR N，SAINIR P，SINGH SP.A review on hydropower plantmodelsand control[J].Renewable and Sustainable Energy Review s，2007，11(5):776-796.

中圖分類號：TM712

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0056-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.016

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：張廣濤（1987-），男，博士研究生，研究方向：水電機組過渡過程控制與仿真，機電耦合過渡過程研究。