弱送端的高壓直流輸電系統功率回降策略設計

李　林，趙文強，劉建坤，汪成根(.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京0；.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京03)

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弱送端的高壓直流輸電系統功率回降策略設計

李林1，趙文強1，劉建坤2，汪成根2
(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

摘要：當與高壓直流輸電系統送端相連的交流系統為弱系統時，直流系統的調制功能將發揮更加重要的作用，直流系統將是穩控系統一個重要的調制手段。在送端電網損失大電源的情況下，穩控系統需回降直流功率，由于直流系統存在最小運行功率，當需要回降的功率大于直流最大功率回降量時，即使將直流系統回降至最小運行功率，仍會出現回降量不足的情況，將導致穩控系統切除送端電網負荷。為了盡量避免送端電網事故情況下穩控切除負荷，研究并提出了直流系統雙極緊急回降量不足情況下的調制策略，并對直流系統與穩控系統的接口方式和交換信息進行了設計，開發了直流控制系統程序，搭建了RTDS仿真系統，驗證了該策略的實用性和可實施性，為送端電網為弱系統的直流工程提供有益的參考和借鑒價值。關鍵詞：直流輸電；弱送端；穩控系統；功率回降；接口

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目：2014CB239501

高壓直流輸電具有輸送功率大、啟動和調速快、可控性強等優點，對有功功率輸送和無功功率消耗均有靈活的調控能力，可用于快速改善交流系統的運行特性[1]。在遠距離輸電、跨區電網互聯中得到了廣泛應用，已經成為電網中的一個重要組成部分，是影響電網安全穩定運行的一個重要因素[2，3]。高壓直流輸電系統與穩控系統之間配合工作，在高壓直流輸電系統送端為弱交流系統的條件下，高壓直流輸電系統的調制功能發揮更加重要的作用[4]。

1　弱交流系統定義及功率回降問題

與直流系統互連的交流系統有強弱之分，系統越強則越穩定。短路比是衡量交流系統強弱的重要指標，是一種簡潔、快速評估直流系統穩定性的方法。短路比定義為交流系統短路的容量與直流換流器的額定功率之比[5-7]，即：

交流系統短路容量由下式推出：

式（2）中：Vc為額定功率下的換相母線電壓；Zst是交流系統的戴維南等效阻抗，沒有考慮無功補償設備。

當考慮無功補償設備的影響時，采用的是有效短路比，即：

一般認為當有效短路比大于3時系統為強系統，當有效短路比在2～3之間為弱系統，小于2時為極弱系統。這種方法主要是根據交流系統的強弱來衡量換流站母線電壓的穩定性，也就是把直流輸電作為換流站交流母線的負載，以短路比大小來衡量交流系統的帶負載能力的強弱。在我國，青藏直流工程拉薩側為典型的弱交流系統，呼遼直流工程呼倫貝爾側孤島運行時為極弱交流系統，處于黑啟動初期的交流電網為極弱交流系統。在弱交流系統下，直流系統是穩控系統的一個重要的調制手段，直流系統應具備連續執行穩控的調制命令的能力。

直流雙極運行時，存在最小雙極運行功率，直流雙極的最大功率回降量等于直流雙極運行功率減去最小雙極運行功率，若送端電網為弱交流系統，在損失大電源的情況下，穩控系統需直流系統回降功率，當需回降的功率大于直流最大功率回降量時，即使將直流系統功率緊急回降至最小運行功率，仍會出現回降量不足的情況，將導致穩控系統切除送端電網負荷。因此，為盡量避免送端電網事故情況下穩控系統切除負荷，應研究直流系統雙極緊急回降量不足情況下調制策略。

2　雙極緊急回降量不足時的調制策略

在送端電網發生主力機組跳閘等損失功率的故障情況下，穩控系統根據損失功率的大小將直流的功率回降量指令發給直流控制系統，直流控制系統根據回降量指令的大小采取以下調制策略。為描述方便，將雙極最大可回降功率定義為P1，將極I最大可回降功率+極II實時運行功率定義為P2，將極II最大可回降功率+極I實時運行功率定義為P3，將雙極實時運行功率定義為P4，將穩控發出的回降量指令定義為P5。

（1）若P5≤P1，直流控制系統根據穩控系統發來的指令緊急回降直流；

（2）若P1

（3）若P2（P3）≤P5

（4）若P4≤P5，直流控制系統緊急閉鎖雙極；

（5）直流控制系統在上述功能緊急閉鎖單極的情況下，應避免閉鎖極功率轉代至健全極。

3　直流系統與穩控系統的接口方式設計

為了實現雙極緊急回降量不足情況下的調制策略，需要對直流系統與穩控系統的接口方式進行設計，在現有的直流工程中，直流控制系統與穩控系統的接口方式分為硬接點接口方式和光纖通信接口方式[8，9]。

（1）硬接點接口方式。穩控裝置通過硬接點連線送開關量至極控裝置，每一個開入表示一檔，每一檔將提升或回降固定的功率，這樣損失或者補償的功率就可能與固定提升回降的功率不一致，造成功率偏差。如果直流兩端的交流系統很強，偏差對系統影響不大；當兩端的系統都較弱時，偏差對電網的穩定影響較大[10]。

（2）光纖通信接口方式。穩控裝置與控制系統的接口用光纖直連，可采用標準的IEC 60044-8協議或其他通信協議，穩控裝置將給控制系統發送功率提升或者回降的命令，并發送具體的數值；這種光纖直連的連接方式，不僅接線簡單，且功率調制是連續的。

因此，送端與弱交流系統相連的高壓直流輸電系統與穩控系統的接口應選擇光纖通信方式。其通信結構如圖1所示，每套穩控裝置分別與極1、極2共4套極控裝置相連。

圖1　直流極控系統與穩控系統通信連接示意圖

4　直流系統與穩控系統的交換信息設計

為了實現雙極緊急回降量不足情況下的調制策略，直流極控系統和安控系統之間通過數字接口傳輸信息。

4.1極控發給穩控的模擬量信號（1）單極最大運行功率：實時電壓×1.1倍額定電流；（2）雙極最大可提升量：（極I實時電壓+極II實時電壓）×1.1倍額定電流-雙極實時運行功率；

（3）雙極最大可回降功率：雙極實時運行功率-（極I實時電壓+極II實時電壓）×0.1倍額定電流；

（4）極I最大可回降功率+極II實時運行功率，極I最大可回降功率：極I實時運行功率-極I實時電壓×0.1倍額定電流；

（5）極II最大可回降功率+極I實時運行功率，極II最大可回降功率：極II實時運行功率-極II實時電壓×0.1倍額定電流；

（6）雙極實時運行功率。

4.2極控發給穩控的開關量信號

（1）直流極閉鎖信號；（2）直流電流可調信號；（3）極緊急停運信號；（4）功率方向信號；（5）雙極控制模式信號；（6）控制極信號；（7）值班系統信號。

4.3穩控發給極控的模擬量信號

（1）功率提升量（正常發0）；

（2）功率回降量（正常發0）。

5　功率回降功能的RTDS試驗驗證

根據直流系統雙極緊急回降量不足時的調制策略開發了控制系統程序，搭建了仿真系統，仿真系統結構如圖2所示。

圖2　仿真系統示意圖

圖2包含了RTDS、直流控制保護系統和穩控裝置，進行了RTDS試驗驗證。試驗條件為雙極功率控制，極1、極2功率均為150 MW，電壓均為400 kV，額定電流均為750 A，則單極最小功率為30 MW，P1= 240 MW，P2= 270 MW，P3= 270 MW，P4= 300 MW。

5.1試驗項目1

（1）試驗項目1。收到穩控回降功率指令P5=240 MW，P5≤P1，直流控制系統根據穩控系統發來的指令緊急回降直流。試驗波形如圖3所示。

圖3　P5≤P1時的極1及極2功率變化波形

（2）試驗結果。極1、極2的功率均由150 MW降至30 MW，與設計策略一致。

5.2試驗項目2

（1）試驗項目2。收到穩控回降功率指令P5=250 MW，P1

圖4　P1

（2）試驗結果。極1（控制極）的功率由150 MW降至50 MW，極2（非控制極）閉鎖，功率由150 MW降至0 MW，與設計策略一致。

5.3試驗項目3

（1）試驗項目3。收到穩控回降功率指令P5=285 MW，P2（P3）≤P5

（2）試驗結果。極1（控制極）的功率由150 MW降至30 MW，極2（非控制極）閉鎖，功率由150 MW降至0 MW，與設計策略一致。

圖5　P2（P3）≤P5

5.4試驗項目4

（1）試驗項目4。收到穩控回降功率指令P5=300 MW，P4≤P5，直流控制系統緊急閉鎖雙極。

（2）試驗結果。極1、極2均閉鎖，功率由150 MW降至0MW，與設計策略一致。試驗波形如圖6所示。

圖6　P4≤P5時的極1及極2功率變化波形

6　結束語

本文分析了送端與弱交流系統相連的高壓直流輸電系統雙極功率緊急回降不足時穩控切負荷的問題，提出了直流雙極功率緊急回降量不足時的調制策略，并對直流系統與穩控系統的接口方式和交換信息進行了設計，開發了直流控制系統程序，搭建了RTDS仿真系統，驗證了該策略的實用性和可實施性，對其他類似直流工程與穩控系統接口及處理策略提供了參考。

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李林（1980），男，安徽太和人，工程師，研究方向為高壓直流輸電控制技術；

趙文強（1985），男，湖北鄂州人，工程師，研究方向為高壓直流輸電控制技術；

劉建坤（1980），男，山東濰坊人，高級工程師，研究方向為電力系統安全穩定；

汪成根（1981），男，安徽桐城人，工程師，研究方向為電力系統安全穩定。

Design of Runback Strategy for HVDC System with Weak System at Sending end

LI Lin1, ZHAO Wenqiang1, LIU Jiankun2, WANG Chenggen2
(1.Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd., Nanjing 211102, China；2. Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

Abstract：When the AC system connected with the sending end of HVDC power transmission system is a weak system, the modulation function of HVDC plays an important role. The HVDC system is an important means of modulation for stability control system. In the case of large power loss in the sending end, the stability control system needs to reduce the power HVDC delivered. Because of the minimum operating power limit of the HVDC system, when the power needed to reduce is greater than the maximum power which can be reduced, even if the power HVDC delivered runback to minimum operating power, it is still not enough and can lead to cutting off load in the sending system. In order to avoid cutting off load in the sending end, the modulation strategy for the condition that HVDC bipolar runback is not enough is proposed. The interface mode and information exchange between HVDC and stability control system are designed, and the HVDC control system program is developed. The proposed strategy and developed interface have been verified in RTDS. The simulation results show that the strategy is practical and effective. This research provides a reference for future similar projects.

Key words：HVDC; weak sending end; stability control system; runback; interface

作者簡介：

收稿日期：2015-10-11；修回日期：2015-11-23

中圖分類號：TM721.2

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）02-0007-04