特高壓直流調峰運行功率調節范圍評估

李 軍 俞 翔 劉心旸 劉孝輝 張國華

特高壓直流調峰運行功率調節范圍評估

李 軍1俞 翔2劉心旸1劉孝輝1張國華1

（1. 國家電網有限公司直流技術中心，北京 100052； 2. 南京南瑞繼保工程技術有限公司，南京 211102）

隨著新能源裝機占比的提高和火電裝機占比的下降，電力系統調峰面臨較大壓力，利用特高壓直流較強的功率調節能力為電網提供調峰資源具備一定的可行性，但是調峰運行時直流功率的靈活調節會導致有載分接開關和交流濾波器頻繁動作從而減少其壽命。本文首先分析特高壓直流輸電系統參與調峰運行的能力和限制因素，分別分析有載分接開關和交流濾波器動作次數與直流功率的關系，進而提出一種確保特高壓直流調峰運行時有載分接開關和交流濾波器動作次數不越限的功率調節范圍評估方法。最后，利用實時數字仿真儀（RTDS）搭建特高壓直流系統仿真模型，仿真結果驗證了所提方法的正確性和有效性。

特高壓直流（UHVDC）；調峰運行；有載分接開關；交流濾波器；功率調節范圍

0 引言

建設以新能源為主體的新型電力系統是實現“雙碳”目標的重要途徑[1]。隨著大規模新能源的接入和火電占比的逐步下降，系統調峰形勢日益嚴峻，這主要是由于新能源的出力規律通常與負荷相反，呈現反調峰特性，而火電占比下降意味著調峰資源緊缺；同時，饋入電網的特高壓直流目前都是按照計劃運行，功率的調整次數較少，且易出現“直線”甚至“反調峰”計劃，進一步加大了電網的調峰壓力[2-4]。

特高壓直流具有較強的功率調節能力，可充分發揮其調節能力為電網提供調峰資源，具體表現在：①可以利用直流送、受端電網負荷的錯峰特性，通過調整直流功率協調兩者，以降低最大發電容量需求；②可以利用直流送端的大規模水電和火電作為受端電網的調峰電源；③可以利用直流跟蹤送端電網光伏和風電的功率波動，在更大范圍內實現新能源的消納[5-9]。

常規特高壓直流處于調峰模式運行時，直流功率的變化更加頻繁，從而導致站內有載分接開關和交流濾波器動作次數顯著增加（本文所指的交流濾波器包含濾波器和電容器），這將減少有載分接開關和交流濾波器的壽命，影響特高壓直流的安全穩定運行。為解決上述矛盾，一方面需要提升有載分接開關和交流濾波器開關動作的可靠性[10-11]，另一方面可以從控制策略入手進行優化。文獻[12]提出一種有載分接開關和交流濾波器的協調控制策略，可以減少其不必要的動作。文獻[13-14]提出降壓、優化死區和同步策略、直流電壓動態調控等降低有載分接開關動作次數的策略。文獻[15]提出一種調相機與特高壓直流換流站交流濾波器的協調控制策略，在一定程度上可以減少交流濾波器的投切頻次。

本文在不改變特高壓直流基本控制策略、不增加額外設備的前提下，分析特高壓直流的調峰潛力。首先從特高壓直流常規控制策略出發，對特高壓直流參與調峰運行的限制因素展開研究，進而分析有載分接開關和交流濾波器動作次數與直流功率的關系，并提出一種確保特高壓直流調峰運行時有載分接開關和交流濾波器動作次數不越限的功率調節范圍評估方法。以昌吉—古泉±1 100kV特高壓直流輸電工程（以下簡稱吉泉工程）為參照對象，通過實時數字仿真儀（real time digital simulator, RTDS）搭建工程仿真系統驗證該方法在工程中的應用價值。

1 常規特高壓直流調峰能力分析

常規特高壓直流調峰能力主要可以從以下幾個方面進行分析：①可接受的調節速度，即直流運行時能以多快的速度跟隨功率指令變化，以適應新能源的波動和負荷的變化；②日內可提供的調峰容量變化范圍；③日內可接受的調節頻度，即直流能以多高的頻度進行調峰所要求的功率調節。

對于①，考慮到特高壓直流可以在150ms內實現0.5p.u.的功率階躍，其功率調節速度可達到每分鐘百萬兆瓦，而一般新能源功率波動速率為每分鐘幾十兆瓦[16]，因此在調節速度方面，特高壓直流完全可以滿足調峰需求。

對于②和③，其本質可歸結為直流系統在調峰運行時可以接收的日內總功率變化量，圖1為特高壓直流參與調峰的典型兩階段日功率曲線，分別對應兩次功率上升再下降的過程，其功率上升和下降過程的直流功率變化量之和即為日內總功率變化量。該變化量的增大主要會導致換流站內有載分接開關調節次數和交流濾波器投切次數的增加，從而降低設備壽命，影響直流系統的安全穩定運行，因此需分析總功率變化量與有載分接開關和交流濾波器動作次數的關系，從而得到基于上述設備動作次數限制的直流功率調節范圍評估方法。

圖1 特高壓直流參與調峰典型兩階段日功率曲線

2 調峰運行直流功率調節范圍評估方法

2.1 基于有載分接開關動作次數限制的評估方法

以整流側有載分接開關控制觸發角，逆變側有載分接開關控制直流電壓為例（吉泉工程即為此種方式），從簡化計算角度出發，令兩端交流電壓均為額定電壓，整流側和逆變側的分接開關檔位和換流器端口直流電流的關系可統一表示為

基于式（1）和式（2），進一步得到整流側和逆變側的直流電壓關系為

設整流側觸發角為15°，逆變側熄弧角為17°，對整流側分別聯立式（1）～式（3），令直流電流在0.1p.u.～1.0p.u.之間變化，則可得到整流側和逆變側各換流器檔位cp隨直流電流的變化關系。以吉泉工程為例，各換流器檔位隨直流電流變化關系如圖2所示。

圖2 各換流器檔位隨直流電流變化關系

2.2 基于交流濾波器動作次數限制的評估方法

在直流系統正常運行時，交流濾波器主要根據絕對最小濾波器控制、最小濾波器控制和無功控制三種策略進行投切。

絕對最小濾波器是為了防止交流濾波器諧波過負荷而需要投入的最少濾波器組數，絕對最小濾波器控制保證在任何情況下，該組數滿足要求。

最小濾波器控制保證為了滿足濾波性能而投入的濾波器組數滿足要求。

無功控制是為了使換流站和交流系統交互的無功功率在參考值附近而投切濾波器。無功控制具體方法如下：

絕對最小濾波器控制、最小濾波器控制和無功控制的優先級為絕對最小濾波器控制＞最小濾波器控制＞無功控制。在直流功率上升的過程中，絕對最小濾波器控制、最小濾波器控制和無功控制均會投入濾波器，在直流功率下降的過程中，僅由無功控制切除濾波器，但也會受到絕對最小濾波器和最小濾波器組數的限制。此外，對于同種類濾波器，遵循“先投先退，先退先投”原則，從而可使同種類濾波器投切次數均勻。

當以上交流濾波器投切策略確定之后，相應工況的各型交流濾波器的投切功率點實際已大致確定。可通過查閱工程成套設計書的絕對最小濾波器和最小濾波器表，以及結合式（1）、式（3）、式（5）、式（6）確定各型濾波器的投切點，但較為繁瑣。

本文采用更為便捷的方法，即在包含上述交流濾波器控制邏輯的實際工程仿真系統中模擬功率從最小升至額定再降回最小的過程，記錄各種類濾波器個數對應的功率點，對于升功率過程和降功率過程中記錄的相同濾波器個數對應的功率點，取兩者中的較大值作為最終的功率點，圖3為吉泉直流送端BP11/13型濾波器個數與直流功率的關系，對于送、受端其他種類濾波器，也可得到類似關系圖。

圖3 BP11/13型濾波器個數與直流功率關系

2.3 綜合評估方法

綜合2.1節和2.2節方法，得到本文所提特高壓直流調峰運行功率調節范圍評估方法，即設定直流運行方式、日內調節頻次和日內調峰運行最小功率，分別計算直流兩端各分接開關檔位和各種類交流濾波器投切與直流功率的關系，進而分別計算其對應的功率調節范圍限制，取其中的最小值作為調峰運行功率調節范圍限制。功率調節范圍評估方法示意圖如圖4所示。

圖4 功率調節范圍評估方法示意圖

3 仿真分析

為了驗證所提方法的正確性和有效性，以吉泉工程為仿真對象，采用實時數字仿真系統與控制保護設備搭建閉環仿真系統進行測試，控制保護設備程序與現場實際保持一致。具體參數為：額定功率12 000MW，額定直流電壓1 100kV，額定直流電流5 455A，直流線路電阻為9.41W；整流側額定空載直流電壓319kV，相對感性壓降為0.1，額定檔位26檔，檔位級差為0.86%；逆變側為分層接入，高端額定空載直流電壓308.3kV，相對感性壓降為0.11，額定檔位26檔，檔位級差為1.25%；逆變側低端額定空載直流電壓和相對感性壓降與高端相同，額定檔位21檔，檔位級差為0.65%。整流側濾波器配置為：5組BP11/13型濾波器+4組HP24/36型濾波器+3組HP3濾波器+8組電容器。逆變側高端濾波器配置為：8組HP12/24型濾波器+1組HP3濾波器+5組電容器。逆變側低端濾波器配置為：10組BP12/24型濾波器+2組HP3濾波器。

以最常見的雙極全壓運行工況進行校核。考慮光伏出力在日間達到峰值，而風電出力在傍晚到夜間達到峰值，令直流調峰運行時一天功率調節次數為2次，即直流功率波動形式與圖1類似。

首先基于分接開關動作次數限制計算直流功率調節范圍，目前常規特高壓分接頭壽命一般為300 000次/30年，即日均27次，通過計算對比可知，整流站分接頭隨功率調節最為頻繁，約為13.6次/p.u.，故根據式（4）可得日均直流功率最大調節范圍限制約為0.5p.u.。

接著基于交流濾波器動作次數限制計算直流功率調節范圍，小組交流濾波器投切次數限制一般為1 000次/年，即日均2.7次。在搭建的仿真系統中通過2.2節所述方法得到各種類濾波器個數與直流功率的關系，并得出在不同調峰最小功率（0.1p.u.～1.0p.u.）下的功率上調范圍。綜合以上結果，吉泉直流基于分接開關和交流濾波器動作次數限制的功率調節范圍如圖5所示。

圖5 基于分接開關和交流濾波器動作次數限制的功率調節范圍

從圖5可以看出，當調峰最小功率為0.35p.u.和1p.u.時，功率上調范圍基本為0。后者是因為調峰最小功率為1p.u.時，已無上調空間，故功率調節范圍為0，屬于正常現象；而前者是因為調峰最小功率處于逆變側高端HP3濾波器的功率投切點，而該種類濾波器僅有一組，沒有其他同類型濾波器分攤投切次數，因此從此功率點開始反復升降功率將導致該HP3濾波器投切次數越限。綜合來看，逆變側高端HP3濾波器個數太少，成為限制直流調峰能力的最大因素。在制定日前功率曲線時，若功率調節需要穿越該濾波器投切點，則建議減少該日的功率調節頻次。此外，建議盡量選擇功率上調范圍大的功率點作為當日的起始功率點。

綜上所述，圖5即為本文所提方法應用于吉泉直流后得到的功率調節范圍評估結果，在給定直流日內調節次數和最小運行功率后，根據圖5即可得到功率調節范圍。為驗證本文所提方法的有效性，任意選取4個調峰運行最小功率，由圖5得到其對應功率上調范圍，在所搭建的仿真系統中模擬上述直流系統按圖1方式進行功率調節，即在功率調節范圍內完成2次升降，如令調峰運行最小功率為1 300MW，根據圖5得其功率上調最大范圍為2 800MW，則在仿真系統中2次模擬功率從1 300MW到4 100MW再到1 300MW的調節過程，記錄分接開關和交流濾波器的動作次數。試驗結果顯示，分接開關和交流濾波器動作次數均沒有超出限制（分接開關日均動作次數限制為27次，交流濾波器日均動作次數限制為2.7次）。分接開關和交流濾波器最大動作次數見表1。

表1 分接開關和交流濾波器最大動作次數

4 結論

本文在不改變特高壓直流常規控制策略的前提下，基于對有載分接開關和交流濾波器動作次數隨直流功率變化關系的分析，提出了一種基于有載分接開關和交流濾波器動作次數限制的特高壓直流調峰運行功率調節范圍評估方法，通過特高壓工程實例仿真證明了該方法的可行性和有效性。所提方法得出的直流日均最大功率調節范圍可為調峰運行時制定和優化日前直流功率曲線提供參考依據，有利于保障相關設備的安全與壽命。后續將基于本文所提方法進一步研究可以減少分接開關和交流濾波器動作次數的直流功率曲線優化方法。

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Evaluation of power regulation range for UHVDC to participate in peak load regulation

LI Jun1YU Xiang2LIU Xinyang1LIU Xiaohui1ZHANG Guohua1

(1. DC Technology Center of State Grid Corporation of China, Beijing 100052; 2. NR Engineering Co., Ltd, Nanjing 211102)

With the increase of renewable energy and the decrease of thermal power, the power system is under greater pressure to regulate peak load. It is feasible to utilize the strong power regulation capability of ultra high voltage direct current (UHVDC) to provide peaking resources for the grid. However, the fluctuation of DC power during peak load regulation could lead to frequent operation of the on-load tap changers and the AC filters, which would reduce their life. In this paper, the capability and constraint of the UHVDC to participate in peaking load operation is analyzed. The relationship between DC power and the operation frequency of on-load tap changers or AC filters is analyzed respectively. Moreover, a power regulation range evaluation method is proposed to ensure the operation frequency of the on-load tap changers and AC filters does not exceed their limits during peak load regulation. The real time digital simulation test results verify the feasibility and effectiveness of the method.

ultra high voltage direct current (UHVDC); peak load regulation; on-load tap changer; AC filter; power regulation range

國家電網有限公司直流技術中心科技項目（SGTYHT/21-JS-223）

2023-09-19

2023-10-07

李 軍（1987—），男，本科，高級工程師，主要從事直流控制保護和測量裝置研究工作。