提高特高壓直流運(yùn)行可靠性的分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略

馬玉龍, 宋勝利, 王玲, 尹健, 李明, 馬為民, 盧亞軍, 張俊

(1.國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司, 北京市 102209;2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司, 北京市 100031)

0 引 言

換流變分接開(kāi)關(guān)是特高壓直流輸電工程的核心設(shè)備[1-2],用于平抑交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響、調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)功率升降、調(diào)整直流系統(tǒng)運(yùn)行在合理工作區(qū)間[3-5]。

分接開(kāi)關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在有載調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)承受較大的電氣、機(jī)械應(yīng)力[6-8],一旦出現(xiàn)故障輕則造成直流停運(yùn),重則引起換流變等重要設(shè)備損毀,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響[9-11]。

特高壓直流工程輸電過(guò)程中,減少分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)可以減少對(duì)設(shè)備的應(yīng)力沖擊。盡管可以通過(guò)降壓運(yùn)行減少分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù),但這會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)的輸送功率能力大幅減少,直流損耗增加[12-14]。

直流輸電系統(tǒng)是一個(gè)高度可控的系統(tǒng),無(wú)論是送端換流站還是受端換流站,分接開(kāi)關(guān)均與換流器的觸發(fā)角控制相配合,從而實(shí)現(xiàn)功率可控、運(yùn)行穩(wěn)定和設(shè)備安全的目標(biāo)[15-16]。基于現(xiàn)有直流工程的控制保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu),研究可減少分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率的優(yōu)化控制策略,無(wú)疑是提高分接開(kāi)關(guān)以及直流系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的最行之有效手段之一[17-19]。

文獻(xiàn)[20]對(duì)比分析了背靠背直流工程中逆變站的3種控制策略,指出定閥側(cè)空載直流電壓控制在減少換流變壓器分接開(kāi)關(guān)檔位及降低分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)方面存在的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[21]提出了一種適用于弱交流系統(tǒng)的背靠背直流輸電系統(tǒng)改進(jìn)控制策略,可以在減少分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的同時(shí)進(jìn)一步改善直流工程與交流系統(tǒng)之間的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[22]提出了一種通過(guò)分接開(kāi)關(guān)、交流濾波器和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略來(lái)減少分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)。然而上述控制策略或無(wú)法直接應(yīng)用于長(zhǎng)距離直流輸電系統(tǒng),或會(huì)犧牲直流系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

本文首先分析了特高壓直流輸電系統(tǒng)的分接開(kāi)關(guān)基本控制策略,并在此基礎(chǔ)上,分別提出了適用于整流側(cè)和逆變側(cè)的不同分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略,分析了所提優(yōu)化控制策略的原理及影響,最后基于直流主回路計(jì)算、實(shí)時(shí)數(shù)字仿真和工程應(yīng)用效果,對(duì)上述分析進(jìn)行驗(yàn)證。

1 特高壓直流分接開(kāi)關(guān)的基本控制策略

直流輸電系統(tǒng)通過(guò)控制整流器和逆變器的輸出電壓,在直流回路中形成持續(xù)穩(wěn)定的直流電流,從而維持穩(wěn)定的傳輸功率。在正常工作條件下,逆變站維持直流系統(tǒng)的運(yùn)行電壓,而整流站則控制直流電流或功率。直流系統(tǒng)的等效電路如圖1所示。

圖1 直流輸電系統(tǒng)等效電路圖

分接開(kāi)關(guān)控制和觸發(fā)角控制是換流器的兩種調(diào)壓手段,其中換流器的觸發(fā)角控制屬于快速調(diào)節(jié),其響應(yīng)速度可達(dá)到毫秒級(jí);而分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)屬于慢速調(diào)節(jié),其調(diào)節(jié)速度為秒級(jí)。

1.1 送端分接開(kāi)關(guān)控制策略

為簡(jiǎn)化描述,本文中定義“控制死區(qū)”為分接開(kāi)關(guān)控制功能中受控目標(biāo)變量的允許運(yùn)行范圍,當(dāng)受控目標(biāo)變量在此范圍內(nèi)時(shí),分接開(kāi)關(guān)不會(huì)動(dòng)作。整流側(cè)的分接開(kāi)關(guān)控制以觸發(fā)角為控制目標(biāo),當(dāng)觸發(fā)角超出運(yùn)行范圍后將其調(diào)節(jié)回控制死區(qū)內(nèi),保證換流器具備足夠的調(diào)節(jié)裕度,維持換流器運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)區(qū)間。

目前,絕大多數(shù)特高壓直流工程整流側(cè)的分接開(kāi)關(guān)控制目標(biāo)為將觸發(fā)角控制在15°±2.5°。分接開(kāi)關(guān)以這一區(qū)間作為控制目標(biāo)主要是綜合考慮了換流器的角度控制裕度、無(wú)功損耗和諧波含量等因素[23-24]。

1.2 受端分接開(kāi)關(guān)控制策略

1.2.1 預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制

預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制是逆變側(cè)的一種典型基本控制策略,根據(jù)交流電壓、電流指令值、換相電抗計(jì)算得到換相角,從而推算出對(duì)應(yīng)關(guān)斷角指令的觸發(fā)角,屬于間接控制。預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制雖然不能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷角的實(shí)時(shí)控制,但其原理簡(jiǎn)單,無(wú)需關(guān)斷角的實(shí)測(cè)值,具有很好的穩(wěn)態(tài)控制效果,在國(guó)家電網(wǎng)有限公司的直流工程中獲得廣泛應(yīng)用。

逆變側(cè)采用預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制后,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中關(guān)斷角運(yùn)行于指令值,不再具備直流電壓的調(diào)節(jié)能力,直流電壓由逆變側(cè)分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)。逆變側(cè)分接開(kāi)關(guān)控制通過(guò)本站直流母線(xiàn)電壓、直流電流計(jì)算出整流側(cè)直流母線(xiàn)電壓,如果超過(guò)控制死區(qū)則分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作將其調(diào)回控制死區(qū)內(nèi)。由于分接開(kāi)關(guān)的調(diào)檔是逐級(jí)的,直流電壓將會(huì)在一定范圍內(nèi)運(yùn)行。直流電壓運(yùn)行范圍取決于分接開(kāi)關(guān)的調(diào)檔步長(zhǎng)和控制死區(qū),一般分接開(kāi)關(guān)可以將直流電壓誤差控制在額定電壓的1%以?xún)?nèi)。

1.2.2 定直流電壓控制

定直流電壓控制指逆變側(cè)的觸發(fā)角控制以直流電壓為控制目標(biāo)。定直流電壓控制的突出優(yōu)點(diǎn)是換流器觸發(fā)角控制直接參與直流電壓控制,響應(yīng)速度快,直流電壓控制精確高。

逆變側(cè)換流器控制采用定直流電壓控制后,當(dāng)關(guān)斷角超出控制死區(qū)之外時(shí),將通過(guò)分接開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)使其重新回到控制死區(qū)內(nèi),從而保證關(guān)斷角的調(diào)節(jié)裕度和直流系統(tǒng)的性能。逆變側(cè)分接開(kāi)關(guān)的這一控制策略和整流側(cè)的分接開(kāi)關(guān)控制策略類(lèi)似。

2 送端換流站分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略

如果增大送端觸發(fā)角的控制區(qū)間,則當(dāng)交流電壓、功率水平發(fā)生變化時(shí),由于換流器被允許運(yùn)行于更大的范圍,分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)將減少。

(1)

式中:Ud為直流電壓;Udi0為六脈動(dòng)換流器的理想空載直流電壓;α為觸發(fā)角;dx為換流器的相對(duì)感性壓降;dr為換流器的相對(duì)阻性壓降;Id為直流電流;下標(biāo)N意味所指變量為額定值。

直流輸電系統(tǒng)的直流電壓由受端換流器控制,即在受端換流器控制系統(tǒng)的作用下送端直流電壓基本維持為目標(biāo)值。根據(jù)式(1),當(dāng)受端控制送端直流電壓不變時(shí),由于存在換相壓降,直流系統(tǒng)在升功率或升電流的過(guò)程中,送端等效直流電源電壓有下降的趨勢(shì),為了控制直流功率或電流,必然要求送端換流器提高理想空載直流電壓或減小觸發(fā)角。如果解鎖前預(yù)調(diào)送端分接開(kāi)關(guān),使直流最小功率解鎖時(shí)觸發(fā)角運(yùn)行于控制死區(qū)內(nèi)的最大值,則隨著直流功率或電流的增加,觸發(fā)角將單向逐漸減小,直到觸發(fā)角越下限時(shí)分接開(kāi)關(guān)才動(dòng)作。這一策略與以往采用的將觸發(fā)角控制于參考值的策略相比,觸發(fā)角的運(yùn)行范圍更大,因此分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作的次數(shù)也更少,如圖2所示。這種策略雖然解鎖后換流器運(yùn)行于較大角度,換流器消耗的無(wú)功有所增加,但一則小功率時(shí)無(wú)功損耗總體較小,二則隨著功率的增加觸發(fā)角會(huì)逐漸減小,無(wú)功損耗趨于減少,不致引起無(wú)功補(bǔ)償容量不足。

圖2 送端分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略與原策略對(duì)比

綜上分析,為減少送端分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù),提出如下的送端分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略:

1)增大觸發(fā)角控制死區(qū),例如由12.5°～17.5°增大為12.5°～25.0°。

2)解鎖前預(yù)調(diào)分接開(kāi)關(guān)以使解鎖后送端觸發(fā)角運(yùn)行于區(qū)間的上限值。

對(duì)于策略2),初始檔位目標(biāo)值可通過(guò)0.1 pu下的直流電壓、直流電流及觸發(fā)角上限值由式(2)、(3)計(jì)算得出:

Udi0R=[UdR/2n+UT+Udi0NRIdR·(dxR+drR)/IdNR]/cosα

(2)

式中:下標(biāo)R意為所指變量處于整流側(cè);n為一極中的12脈動(dòng)換流器個(gè)數(shù);UT為六脈動(dòng)換流閥的正向壓降。

(3)

式中:Tn為換流變分接開(kāi)關(guān)檔位;UsN為換流變網(wǎng)側(cè)交流線(xiàn)電壓額定值的有效值;nnom為換流變額定變比;η為換流變分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)一檔的步長(zhǎng)。

對(duì)于已投運(yùn)工程,增大分接開(kāi)關(guān)的控制死區(qū)后,換流器將運(yùn)行于更大的范圍,如文獻(xiàn)[1]中給出的觸發(fā)角、換相角與損耗、無(wú)功消耗的數(shù)學(xué)關(guān)系可知,換流器產(chǎn)生的諧波、無(wú)功、運(yùn)行損耗以及承受的應(yīng)力都比原策略略有增加,因此需要重新校核濾波器的定值、性能表,以及換流閥的耐受能力。以賓金工程為例,采用大角度策略額定交流電壓下送端在雙極大地運(yùn)行方式下的無(wú)功功率消耗對(duì)比如表1所示,觸發(fā)角度越大時(shí)無(wú)功消耗越大,最多差別273 Mvar,隨著直流功率的升高,觸發(fā)角逐漸減小,無(wú)功消耗逐漸減小。為避免大功率時(shí)因角度過(guò)大引起無(wú)功補(bǔ)償容量不足,當(dāng)換流站無(wú)功補(bǔ)償容量不足時(shí)觸發(fā)角控制死區(qū)應(yīng)恢復(fù)為原值。

表1 觸發(fā)角改變對(duì)無(wú)功消耗帶來(lái)的變化

在當(dāng)前直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備制造水平下,換流閥運(yùn)行角度放大到25°,不會(huì)提高設(shè)備制造成本。

3 受端換流站分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略

3.1 基于預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制的優(yōu)化控制策略

3.1.1 直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略

為減少特高壓直流因分接開(kāi)關(guān)引起的事故隱患,國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司于2019年首次提出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略[25-26]。該策略中,受端分接開(kāi)關(guān)在全部功率范圍內(nèi)以及電網(wǎng)交流電壓運(yùn)行范圍內(nèi)都幾乎不動(dòng)作[27-28]。

在直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略中,根據(jù)受端交流系統(tǒng)電壓運(yùn)行范圍,通過(guò)主回路計(jì)算得到各種運(yùn)行方式、各種功率水平下可能的直流電壓最小值,并將分接開(kāi)關(guān)控制死區(qū)放大至這一值,以避免分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作,其原理如圖3所示。

圖3 直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略原理圖

直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略?xún)H是改變了分接開(kāi)關(guān)的控制死區(qū),沒(méi)有改變現(xiàn)有直流輸電工程的基本控制保護(hù)策略,僅需調(diào)整分接開(kāi)關(guān)控制死區(qū)以及與分接開(kāi)關(guān)控制相關(guān)的極間同步等功能。由于直流電壓可能在低于額定值水平下運(yùn)行,相同功率水平下直流電流會(huì)增加,換流器產(chǎn)生的諧波水平也與全壓運(yùn)行不同,因此需要校核濾波器投切定值表和性能表。直流控制保護(hù)系統(tǒng)的其他控制策略、保護(hù)定值等均不受影響。

采用直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略后,由于直流電壓可能會(huì)低于額定值,最大輸電功率可能低于額定容量。當(dāng)退出該策略以解除對(duì)直流輸送功率的限制時(shí),分接開(kāi)關(guān)有可能會(huì)連續(xù)動(dòng)作多檔。

3.1.2 改進(jìn)的直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略

當(dāng)直流工程有較大的送電功率需求時(shí),采用直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略會(huì)受到限制。為解決這一問(wèn)題,提出改進(jìn)的直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略,改進(jìn)策略包括:

1)為解決輸送功率能力受限問(wèn)題,在高功率時(shí)應(yīng)退出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略。

2)為解決退出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略時(shí)分接開(kāi)關(guān)短時(shí)間內(nèi)動(dòng)作次數(shù)較多的問(wèn)題,適當(dāng)提高受端分接開(kāi)關(guān)控制中使用的直流電壓下限指令值。

改進(jìn)的直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略的核心思想是在原來(lái)直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略的基礎(chǔ)上提高直流電壓下限指令值,如圖4所示。在直流電流達(dá)到額定值時(shí)退出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略以解除對(duì)輸送功率的限制,為避免擾動(dòng)導(dǎo)致的策略頻繁退出和投入問(wèn)題,投入策略時(shí)的電流指令值需略低于退出時(shí)的功率指令值,如圖5所示。

圖4 改進(jìn)的直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略原理圖

圖5 改進(jìn)的直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略投入退出示意圖

改進(jìn)策略與直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略相比的優(yōu)勢(shì)在于直流輸送功率能夠達(dá)到滿(mǎn)功率,僅需要高功率時(shí)進(jìn)行策略的投退。投退功率點(diǎn)的選擇需綜合考慮交流電壓波動(dòng)范圍以及投退時(shí)的分接開(kāi)關(guān)集中動(dòng)作的情況。如果投退的功率點(diǎn)選擇過(guò)低,策略投退時(shí)分接開(kāi)關(guān)集中動(dòng)作次數(shù)多,對(duì)換流變的安全穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)造成一定的威脅,如選擇過(guò)高,對(duì)于交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)帶來(lái)的分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的抑制效果不明顯。因此通常分接開(kāi)關(guān)控制直流電壓的死區(qū)下限可設(shè)置為額定直流電壓的97%(776 kV),這樣當(dāng)退出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略時(shí)分接開(kāi)關(guān)大約動(dòng)作2～3檔,不致在電流較大時(shí)連續(xù)過(guò)多調(diào)檔。分接開(kāi)關(guān)控制直流電壓的控制死區(qū)為-3%～1%時(shí),對(duì)于受端交流系統(tǒng)電壓在4%以?xún)?nèi)的交流電壓波動(dòng),受端分接開(kāi)關(guān)都將不動(dòng)作,而4%可以覆蓋絕大多數(shù)受端交流系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。

3.2 基于定直流電壓控制的優(yōu)化控制策略

逆變側(cè)采用定直流電壓的控制策略時(shí),觸發(fā)角控制將直流電壓控制在目標(biāo)值,而分接開(kāi)關(guān)則將關(guān)斷角維持在控制死區(qū)內(nèi)。整流側(cè)、逆變側(cè)直流電壓可根據(jù)式(4)、(5)計(jì)算得到:

UdR=UdI+Rd×Id

(4)

式中:Rd為直流線(xiàn)路電阻;下標(biāo)I意為所指變量處于逆變側(cè)。

(5)

式中:γ為關(guān)斷角。

在定直流電壓控制策略中,逆變側(cè)控制整流側(cè)直流電壓,由式(4)、(5)可得到整流側(cè)直流電壓為:

(6)

式(6)也可寫(xiě)為:

Udi0Icosγ+K×Id=Udref

(7)

式中:Udref為直流電壓的目標(biāo)值;K為由主回路參數(shù)計(jì)算得到的常量,即:

(8)

由此建立了定直流電壓控制策略下逆變側(cè)關(guān)斷角和直流電流的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)K的取值不同,有如下3種情況:

1)K>0時(shí),隨著直流電流的增加關(guān)斷角也增加;

2)K=0時(shí),隨著直流電流的增加關(guān)斷角維持不變;

3)K<0時(shí),隨著直流電流的增加關(guān)斷角減小。

定直流電壓控制下的關(guān)斷角特性曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 定直流電壓控制下關(guān)斷角特性曲線(xiàn)

對(duì)于特定的直流工程,在某一主接線(xiàn)運(yùn)行方式(例如全壓/半壓、大地回線(xiàn)/金屬回線(xiàn))下,K是確定的值,則直流解鎖后必然會(huì)遵從式(7)或圖6運(yùn)行。對(duì)于定直流電壓控制,當(dāng)關(guān)斷角超出控制死區(qū)時(shí)分接開(kāi)關(guān)會(huì)動(dòng)作使關(guān)斷角重新回到控制死區(qū)內(nèi)。如果能根據(jù)式(8)在解鎖前甚至是換流變充電前預(yù)調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)檔位,則在功率升高的過(guò)程中關(guān)斷角更易處于控制死區(qū)內(nèi),減少分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù),具體策略如下:

1)K>0時(shí),預(yù)調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)使解鎖時(shí)關(guān)斷角為控制死區(qū)下限值;

2)K=0時(shí),預(yù)調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)使解鎖時(shí)關(guān)斷角為額定值;

3)K<0時(shí),預(yù)調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)使解鎖時(shí)關(guān)斷角為控制死區(qū)上限值。

這種根據(jù)主接線(xiàn)運(yùn)行方式預(yù)調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)的策略最大限度地利用了關(guān)斷角的控制死區(qū)。尤其是對(duì)于策略3),預(yù)調(diào)節(jié)分接開(kāi)關(guān)使解鎖后關(guān)斷角為控制死區(qū)上限,此時(shí)雖然角度大,但由于功率低,故無(wú)功消耗小。隨著功率的增加,關(guān)斷角自然減小,消耗的無(wú)功比同功率時(shí)關(guān)斷角較大的情況要小。近年來(lái)特高壓直流工程的直流線(xiàn)路多采用多分裂、大截面導(dǎo)線(xiàn),線(xiàn)路直流電阻相對(duì)較小,策略3)中K<0的條件容易滿(mǎn)足,因而改進(jìn)的直流電壓動(dòng)態(tài)策略具有更好的實(shí)施條件。

與送端分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略類(lèi)似,本控制策略以不增加換流站無(wú)功補(bǔ)償容量為前提,當(dāng)換流站無(wú)功補(bǔ)償容量不足時(shí)關(guān)斷角控制死區(qū)恢復(fù)為原值。

受端增大關(guān)斷角控制死區(qū)后不會(huì)增加換流閥等設(shè)備的制造成本,除了減少分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的優(yōu)點(diǎn),還可以提高直流系統(tǒng)抵御換相失敗的能力,增強(qiáng)交直流電網(wǎng)的安全性[29-31]。

4 優(yōu)化控制策略驗(yàn)證與工程應(yīng)用

4.1 基于預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制的特高壓直流工程

賓金特高壓直流工程額定直流電壓±800 kV、額定功率8 000 MW,受端采用了預(yù)測(cè)型關(guān)斷角的控制策略。

若送、受端分別采用第2節(jié)和第3.1.2節(jié)中的分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略,當(dāng)功率在0.10～1.00 pu范圍內(nèi)上升或下降時(shí),與常規(guī)控制策略的分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)對(duì)比如表2所示,其中采用優(yōu)化控制策略時(shí)雙極大地回線(xiàn)方式的主回路運(yùn)行特性如表3所示。

表2 功率升降過(guò)程中分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)對(duì)比(基于賓金特高壓直流工程)

采用分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略后,由表2、表3可見(jiàn)在0.10～1.00 pu的功率升降過(guò)程中:

1)送端分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)在雙極大地和單極大地運(yùn)行方式下由8次減少為0次、單極金屬回線(xiàn)方式由8次減少為2次,均顯著減少。

2)受端分接開(kāi)關(guān)共動(dòng)作3次,分別為在0.80 pu動(dòng)作一次、在0.97 pu退出策略時(shí)動(dòng)作2次,雖然總動(dòng)作次數(shù)與常規(guī)策略相同,但當(dāng)功率在0.80 pu以?xún)?nèi)時(shí)分接開(kāi)關(guān)都不動(dòng)作,而0.80 pu的功率限值能夠覆蓋該工程絕大部分的運(yùn)行工況。

為驗(yàn)證上述策略的效果,在實(shí)驗(yàn)室組建了基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital simulation system,RTDS)的閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng),其中控制保護(hù)系統(tǒng)采用了許繼的DPS3000平臺(tái),該套系統(tǒng)與賓金特高壓工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能和性能相同,冗余配置和接口進(jìn)行了簡(jiǎn)化,可全面和準(zhǔn)確地反映直流系統(tǒng)的暫、穩(wěn)態(tài)特性。在該平臺(tái)上同步開(kāi)展了驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與表2、表3相同。

4.2 基于定直流電壓控制的特高壓直流工程

正在建設(shè)中的隴東—山東特高壓直流工程額定直流電壓±800 kV、額定功率8 000 MW,受端采用了定直流電壓的控制策略。

若送、受端分別采用第2節(jié)和第3.2節(jié)中的分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略,當(dāng)功率在0.1～1.0 pu范圍內(nèi)上升或下降時(shí),與常規(guī)控制策略的分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)對(duì)比如表4所示,其中采用優(yōu)化控制策略時(shí)雙極大地回線(xiàn)方式的主回路運(yùn)行特性如表5所示。

表4 功率升降過(guò)程中分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)對(duì)比(基于隴東—山東特高壓直流工程)

表5 優(yōu)化控制策略下雙極大地方式分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作特性(基于隴東—山東特高壓直流工程)

采用分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略后,由表4、表5可見(jiàn)在0.1～1.0 pu的功率升降過(guò)程中:

1)送端分接開(kāi)關(guān)在各種運(yùn)行方式下動(dòng)作次數(shù)均由9次減少為4次,均顯著減少。

2)受端分接開(kāi)關(guān)在雙極大地運(yùn)行方式下由7次減少為3次、單極金屬回線(xiàn)全壓運(yùn)行方式下由6次減少為2次、單極金屬回線(xiàn)半壓運(yùn)行方式下由5次減少為1次,均顯著減少。

在實(shí)驗(yàn)室工程用特高壓直流控制保護(hù)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上同步開(kāi)展了驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與表4、表5相同。

4.3 工程應(yīng)用

本文所提出的分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化策略已在國(guó)家電網(wǎng)有限公司建設(shè)、運(yùn)行的特高壓直流工程中應(yīng)用,其中本文第2節(jié)送端換流站分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略已在青豫等9回特高壓直流工程中應(yīng)用,本文3.1.1節(jié)基于預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制的優(yōu)化控制策略已在祁韶等8回特高壓直流工程中應(yīng)用,本文3.2節(jié)基于定直流電壓控制的優(yōu)化控制策略已在隴東—山東等4回新建特高壓直流工程中應(yīng)用。表6為部分特高壓換流站2022年某一日24 h的分接開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由表4、表5、表6可以看出在交流電壓波動(dòng)或頻繁的功率調(diào)節(jié)過(guò)程中分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)大大減少(甚至不動(dòng)作),本文所提出的策略效果非常明顯。

表6 特高壓換流站分接開(kāi)關(guān)某一日運(yùn)行情況

5 結(jié) 論

本文通過(guò)優(yōu)化直流控制策略減少換流變分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù),進(jìn)而提高分接開(kāi)關(guān)以及特高壓直流工程的運(yùn)行可靠性。

針對(duì)目前特高壓直流工程中已有的分接開(kāi)關(guān)控制策略,本文均提出了相應(yīng)的優(yōu)化控制策略。對(duì)于送端換流站,提出適當(dāng)增大觸發(fā)角控制死區(qū)及解鎖前預(yù)調(diào)分接開(kāi)關(guān)的策略。對(duì)于采用預(yù)測(cè)型關(guān)斷角控制的受端換流站,提出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控策略及其改進(jìn)策略。對(duì)于采用定直流電壓控制的受端換流站,提出適當(dāng)增大關(guān)斷角控制死區(qū)及解鎖前預(yù)調(diào)分接開(kāi)關(guān)的策略。

本文所提出的分接開(kāi)關(guān)優(yōu)化控制策略原理清晰、對(duì)已有控制策略的改動(dòng)小、便于實(shí)施,已應(yīng)用于在運(yùn)、在建的特高壓直流工程中,理論分析、仿真計(jì)算和換流站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)均表明分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)大大減少,具有良好的應(yīng)用前景。