吳琛，李玲芳，張丹，付俊波，王新寶，張玉瓊

(1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

云南多直流線路直流調(diào)制方案研究

吳琛1，李玲芳1，張丹1，付俊波2，王新寶2，張玉瓊2

(1.云南電力調(diào)度控制中心，昆明 650011；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

利用直流附加控制方式，即直流雙側(cè)頻率調(diào)制和直流有功功率調(diào)制方式來增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過直流線路的閉鎖故障和500 kV交流線路的故障對(duì)比，分析得出采取多直流協(xié)同調(diào)制、直流調(diào)制與穩(wěn)控裝置的配合方式能增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定，并可減少系統(tǒng)故障后穩(wěn)控裝置的切機(jī)量，提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

多直流；直流調(diào)制；雙側(cè)頻率調(diào)制；有功功率調(diào)制

0 前言

根據(jù)規(guī)劃，云南將有三回直流線路運(yùn)行。無論是交流系統(tǒng)側(cè)的短路故障，還是直流線路的閉鎖故障，都會(huì)給交流系統(tǒng)帶來較大的故障沖擊。在弱交流強(qiáng)直流的輸電系統(tǒng)中，這種沖擊引起的后果比較嚴(yán)重，往往成為限制交直流系統(tǒng)斷面輸送能力提高的瓶頸。因此通常需要采用附加控制拓展直流系統(tǒng)的控制能力[1]。根據(jù)直流系統(tǒng)附加控制的兩種基本方式：雙側(cè)頻差調(diào)制、直流有功功率調(diào)制，針對(duì)云南電網(wǎng)三回直流系統(tǒng)的地理位置及工作運(yùn)行方式，文中采用電力系統(tǒng)分析工具軟件 (PSD-BPA)對(duì)比分析了2015年系統(tǒng)故障后采取直流附加穩(wěn)控裝置的切機(jī)量和暫態(tài)穩(wěn)定情況，并與無直流調(diào)制措施的對(duì)比分析，說明了直流調(diào)制功能的對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的影響。

1 直流系統(tǒng)附加控制

云南電網(wǎng)三回直流線路總功率為16 400 MW，根據(jù)直流長(zhǎng)期過負(fù)荷1.1倍的能力，三回直流線路在額定功率輸送時(shí)可調(diào)制的功率最大可達(dá)到1 640 MW，在直流線路非滿功率輸送時(shí)可調(diào)制的范圍更廣。因此采用直流調(diào)制將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響。圖1是云南電網(wǎng)在2015年方式下的典型潮流圖，以下分析初始潮流均如圖1所示，三回直流均額定功率運(yùn)行，各換流站無功補(bǔ)償裝置已全部投入，直流功率提升過程中均不再投入或退出。

1.1 直流雙側(cè)頻差調(diào)制

一般在特高壓直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，建議要求直流輸電系統(tǒng)在控制及輔助控制設(shè)計(jì)功能上具有雙側(cè)頻率功率調(diào)制功能。該調(diào)制以整流側(cè)某一母線及逆變側(cè)某一母線的頻率偏差作為輸入信號(hào)，然后分別經(jīng)微分、濾波、導(dǎo)前補(bǔ)償、陷波濾波和放大環(huán)節(jié)加以合成，再經(jīng)限幅器后將其輸出調(diào)節(jié)信號(hào) (%)作為附加功率控制信號(hào)與功率控制指令信號(hào)進(jìn)行綜合，從而對(duì)直流輸出功率進(jìn)行控制，達(dá)到改善交直流混合系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的目的[2]。雙側(cè)頻率調(diào)制的傳遞函數(shù)框圖如圖1所示。

圖1 直流雙側(cè)頻差調(diào)制傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)各變量含義及常規(guī)取值說明如下：fREC、fINV——從整流側(cè)、逆變側(cè)采集到的頻率；

f——系統(tǒng)額定頻率，50 Hz；

Tmes——頻率測(cè)量時(shí)間常數(shù)，一般取時(shí)間為0.01 s；

TWR、TW1——隔直環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，典型取值為10 s，用于濾除信號(hào)中的直流成分；

TF——濾波器參數(shù)，僅整流側(cè)填寫，逆變側(cè)不填；

T1s、T2s——第一個(gè)超前、滯后時(shí)間常數(shù)(秒)；

X2、Y1、Y2、K1、K2——非線性環(huán)節(jié)參數(shù)；

Pmin——直流功率調(diào)制量下限值；

Pmax——直流功率調(diào)制量上限值；

1.2 直流有功功率調(diào)制

直流調(diào)制有多種模型可以使用，在本節(jié)中將使用直流功率調(diào)制模型，常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)具有1.1倍的長(zhǎng)期過載能力和3s的1.5倍短時(shí)過載能力，可供支援直流容量較大，在交、直流遭受嚴(yán)重故障情況下，利用高壓直流的短時(shí)過載能力，可以彌補(bǔ)暫態(tài)過程中送短和受端的功率不平衡量，提高系統(tǒng)的暫態(tài)功角穩(wěn)定性，相應(yīng)的也能改善由于功率失衡而引起的電壓波動(dòng)和低電壓持續(xù)時(shí)間過長(zhǎng)的現(xiàn)象。

在多級(jí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)首擺穩(wěn)定裕度定義如下：

式中：MSA，Pm.SA，Pe.SA分別為單機(jī)無窮大系統(tǒng)的廣義慣性時(shí)間常數(shù)、機(jī)械輸入功率、電磁輸出功率。受擾后發(fā)電機(jī)分為2群，S為嚴(yán)重受擾群，A為剩余群[3-4]。

可見，要想提高功角首擺過程中的穩(wěn)定裕度，就需要提高Pe.SA，而提升直流功率Pd能有效增大Pe.SA，高壓直流輸電的有功功率調(diào)制的提升主要體現(xiàn)在首擺過程中對(duì)Pe.SA的增大效果上。多項(xiàng)研究表明，針對(duì)直流有功功率提升的起始時(shí)刻T對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性的影響是非常明顯的。最佳的功率提升的起始時(shí)刻是故障后15個(gè)周波左右，對(duì)其他時(shí)刻而言，該時(shí)刻提升直流有功擁有較高的暫態(tài)功角裕度和暫態(tài)電壓裕度。

在實(shí)際的直流運(yùn)行中，為了安全起見，將直流運(yùn)行中的提升速率限制在999 MW/m。然而該提升速率對(duì)提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的意義不大，因此在仿真中假使直流功率能在短時(shí)間內(nèi)快速躍升，設(shè)提升速率為999 MW/s。2015年云南電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，有三條直流對(duì)外輸送功率，可供輸送的能量巨大，同時(shí)可以調(diào)節(jié)的能力也非常強(qiáng)。

2 雙側(cè)頻差調(diào)制對(duì)直流閉鎖的影響

2.1 雙側(cè)頻差調(diào)制對(duì)楚穂直流雙極閉鎖影響

楚穂直流雙極額定功率5 000 MW運(yùn)行情況下，發(fā)生雙極閉鎖后，由于大量的功率轉(zhuǎn)移，需要切除小灣機(jī)組，表1分析了糯扎渡直流和溪洛渡直流啟用雙側(cè)頻差調(diào)制前后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

表1 直流調(diào)制功能對(duì)楚穂直流雙極閉鎖的影響

由表1可知，采用直流雙側(cè)頻差調(diào)制可以做到少切除其配套電源的機(jī)組，但需要注意在直流完成調(diào)制后，500 kV線路電壓略有偏低，尤其是云廣斷面的羅平、百色站電壓。

2.2 雙側(cè)頻差調(diào)制對(duì)直流雙極閉鎖影響

當(dāng)糯扎渡直流雙極閉鎖后，由于大量的功率轉(zhuǎn)移，正常情況下，需要切除配套電源糯扎渡電廠的4臺(tái)機(jī)組，表2為楚穂直流和溪洛渡直流啟用雙側(cè)頻差調(diào)制后，對(duì)故障后穩(wěn)控切機(jī)量的影響。

表2 直流調(diào)制功能對(duì)糯扎渡直流雙極閉鎖的影響

由表2可知，糯扎渡雙極閉鎖后，若楚穂直流和溪洛渡直流啟用雙側(cè)頻差調(diào)制，則可以使糯扎渡直流配套電源少切機(jī)2臺(tái)，可減少系統(tǒng)的切機(jī)量。需要注意的是當(dāng)溪洛渡直流和楚穂直流均啟用雙側(cè)頻差控制時(shí)，墨江斷面 (墨江—玉溪+墨江—惠歷+思茅—通寶)潮流較重，需要在系統(tǒng)穩(wěn)定后適當(dāng)降低該斷面的潮流，使其在斷面極限功率以下。

2.3 雙側(cè)頻差調(diào)制對(duì)直流三極、四極閉鎖影響

溪洛渡直流在發(fā)生單極閉鎖、雙極閉鎖后，系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定，但當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三極、四極閉鎖時(shí)，需要采取切其配套電源的措施以保持系統(tǒng)穩(wěn)定。下面將討論在這兩種較嚴(yán)重故障時(shí)另外兩條直流線路的雙側(cè)頻差調(diào)制對(duì)其影響。

當(dāng)溪洛渡直流三級(jí)閉鎖后，由于大量的功率轉(zhuǎn)移，正常情況下，需要切除配套電源溪洛渡電廠2臺(tái)機(jī)組，表3為楚穂直流和溪洛渡直流啟用雙側(cè)頻差調(diào)制后對(duì)穩(wěn)控裝置切機(jī)量的影響。

表3 直流調(diào)制功能對(duì)溪洛渡直流三極閉鎖的影響

當(dāng)溪洛渡直流三級(jí)閉鎖后，通過楚穂直流或糯扎渡直流啟用雙側(cè)頻差調(diào)制轉(zhuǎn)移多余的功率，以此減少配套直流電源的切機(jī)量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致百色站500 kV母線電壓偏低。由于溪洛渡所處的地理位置，當(dāng)楚穂直流多送功率時(shí)，極可能導(dǎo)致仁和—廠口線路功率超過N-1熱穩(wěn)極限。另外溪洛渡少切機(jī)也會(huì)導(dǎo)致多樂永-豐雙線功率達(dá)到斷面功率極限。

故由于受到斷面極限和線路熱穩(wěn)極限的限制，子溪洛渡直流發(fā)生三極、四極閉鎖后不能通過其他兩條直流線路采取雙側(cè)頻差調(diào)制手段減少溪洛渡直流配套電源的切機(jī)量。

3 直流有功功率調(diào)制

直流有功功率調(diào)制主要是利用直流一定的過負(fù)荷能力，提升直流有功功率，給系統(tǒng)留有更高的功角裕度和電壓裕度。以溪洛渡直流雙極閉鎖后采用直流調(diào)制系統(tǒng)最大功角差 (圖3)為例，可知啟用直流調(diào)制功能后系統(tǒng)的最大功角差小于不采用直流調(diào)制時(shí)的功角差，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度得到提高。

圖3 啟用直流調(diào)制前后系統(tǒng)最大功角差

3.1 直流有功調(diào)制對(duì)楚穂直流雙極閉鎖的影響

楚穂直流雙極閉鎖后，不采取直流有功調(diào)制時(shí)需要切除配套直流電源的機(jī)組共計(jì)2 100 MW，下表是糯扎渡直流和溪洛渡直流采取直流有功調(diào)制后系統(tǒng)的切機(jī)量及穩(wěn)定情況。

表4 直流有功調(diào)制對(duì)楚穂直流雙極閉鎖的影響

當(dāng)糯扎渡直流或溪洛渡直流在楚穂直流雙極閉鎖后采取緊急有功調(diào)制，可以少切除金安橋600 MW的機(jī)組一臺(tái)。故障后需要將另外兩條直流線路的傳輸功率緊急提升到額定功率的1.1倍。

3.2 直流有功調(diào)制對(duì)直流雙極閉鎖的影響

糯扎渡雙極閉鎖后，系統(tǒng)有5 000 MW有功不能送出，主要采取措施是直接切除配套直流電源和通過交流通道轉(zhuǎn)移多余的有功，如果楚穂直流和溪洛渡直流均啟用直流有功調(diào)制后將會(huì)在長(zhǎng)期過負(fù)荷的條件下向外多輸送功率，在不啟用直流調(diào)制時(shí)，糯扎渡直流雙極閉鎖需要切除4臺(tái)糯扎渡電廠的機(jī)組，總計(jì)切機(jī)2 600 MW。

表5 直流有功調(diào)制對(duì)糯扎渡直流雙極閉鎖的影響

當(dāng)溪洛渡和楚穂直流啟用有功調(diào)制時(shí)，發(fā)生糯扎渡直流雙極閉鎖后，可以少切一臺(tái)機(jī)。當(dāng)這兩條直流線路不是滿功率輸送時(shí)，直流可調(diào)節(jié)的功率也更大，可以更少的切除配套直流電源的機(jī)組。由于大量的剩余功率通過墨江斷面送出，需要注意該斷面功率不能超過其極限值。

3.3 直流有功調(diào)制對(duì)直流三極、四極閉鎖的影響

表6 直流調(diào)制功能對(duì)溪洛渡直流三極閉鎖的影響

發(fā)生溪洛渡直流三極閉鎖后，因?yàn)橹绷骶€路的調(diào)節(jié)功率有限。楚穂直流和糯扎渡直流中的任一條直流采取調(diào)控措施均不能滿足系統(tǒng)動(dòng)穩(wěn)要求。當(dāng)兩條直流同時(shí)采取有功調(diào)制時(shí)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定。但重載線路 (如仁和—廠口，紅河—硯山)超過N-1熱穩(wěn)，另外百色站500 kV母線電壓偏低，永豐—多樂雙線功率達(dá)到了3 200 MW。故發(fā)生溪洛渡直流三極、四極閉鎖故障后，故通過采用另外兩條直流線路的有功調(diào)制的方法來減少切機(jī)量的思路不能實(shí)現(xiàn)。

4 兩種直流調(diào)制方式的比較

三條直流閉鎖故障下，分別就直流的兩種附加調(diào)制方式雙側(cè)頻差調(diào)制和有功功率調(diào)制對(duì)其影響進(jìn)行了分析，這兩種方式在改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性方面有較好的效果，一條直流故障時(shí)另外兩條直流線路通過這兩種附加控制方式可以減少切機(jī)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

表7分別就楚穂直流、糯扎渡單極閉鎖和溪洛渡直流的雙極閉鎖故障后，直流正常極采用直流有功調(diào)制和雙側(cè)頻差調(diào)制后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)阻尼展開分析，通過對(duì)云南電網(wǎng)對(duì)主網(wǎng)的振蕩模式分析可知，這兩種附加的控制方式都能增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)阻尼[5]，采用雙側(cè)頻差調(diào)制對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)阻尼的影響略優(yōu)于直流有功調(diào)制。

表7 不同附加控制對(duì)楚穂直流雙極閉鎖的影響

本質(zhì)上，兩種直流調(diào)制方式最終目的都是快速的提升或降低直流線路的輸電功率，只是對(duì)輸入量的響應(yīng)時(shí)刻不同，雙側(cè)頻率利用系統(tǒng)的頻率來反應(yīng)直流系統(tǒng)的故障，頻率可以反映全網(wǎng)的有功平衡情況，但一般故障下，頻率的變化量較小，切不同地點(diǎn)監(jiān)測(cè)會(huì)有所差別，故雙側(cè)頻差調(diào)制的兩側(cè)頻率的監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要認(rèn)真斟酌。直流有功功率調(diào)制可以以其他直流線路的功率輸送值作為輸入信號(hào)，也可監(jiān)測(cè)某個(gè)斷面功率，減少穩(wěn)控裝置配的切機(jī)量。故采用何種直流調(diào)制方式或兩種調(diào)制方式如何協(xié)同配合還需要作進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

通過對(duì)云南三條直流工程的直流調(diào)制方案仿真分析后可知，當(dāng)三條直流系統(tǒng)之間有效配合時(shí)，直流雙側(cè)頻差調(diào)制和有功功率調(diào)制都能提高直流系統(tǒng)故障后的穩(wěn)定性。某一條直流線路發(fā)生閉鎖故障后，其他兩回線路的直流調(diào)制 (雙側(cè)頻差調(diào)制和快速有功功率調(diào)制)能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少直流配套電源系統(tǒng)的切機(jī)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。由于切機(jī)量的減少，某些線路或斷面功率可能超過極限，需要及時(shí)對(duì)潮流作出調(diào)整。對(duì)溪洛渡直流閉鎖故障，建議其他兩條直流不采取有功功率調(diào)制措施。

通過對(duì)三條直流線路故障后，其他正常極的兩種附加調(diào)制對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)阻尼的影響可知，直流雙側(cè)頻差調(diào)制和有功功率調(diào)制都能較大幅度的提高云南電網(wǎng)的穩(wěn)定性。采用雙側(cè)頻差調(diào)制對(duì)增強(qiáng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)阻尼的影響略優(yōu)于直流有功調(diào)制方式。

[1] 徐政.含多個(gè)直流換流站的電力系統(tǒng)中交直流相互作用特性綜述 [J].電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(1)：16-19.

[2] 陳漢雄，莫駿.雙側(cè)頻率調(diào)制改善特高壓直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究 [J].中國(guó)電力，2009，42(2)：34-37.

[3] 謝惠藩，王海軍，陳潛.云廣特高壓直流對(duì)南方電網(wǎng)穩(wěn)定性影響 [J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2010，22(6)：130-137.

[4] 束洪春，董俊，孫士云，等.直流調(diào)制對(duì)南方電網(wǎng)交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度的影響 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(20)：29-33.

[5] 荊勇，洪潮，楊晉柏，等.直流調(diào)制抑制南方電網(wǎng)區(qū)域功率振蕩的研究 [J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(20)：53-56.

Study on Yunnan Multiple DC Modulation Scheme

WU Chen1，LI Lingfang1，ZHANG Dan1，F(xiàn)U Junbo2，WANG Xinbao2，ZHANG Yuqiong2
(1.Yunnan Electric Power Dispatching and Controlling Center，Kunming 650011；2.Nanjing Nari Electric co.，LTD.Nanjing 211102)

a method that using DC added control mode，i.e.DC two sides frequency modulation and DC active power modulation，to enhance the system stability is proposed.through the comparison of power grid under 500 kV AC faults and DC blocking faults，a conclude is reached that Coordination control among multi-DC coordination modulation，DC modulation and stability control equipment can enhance the system transient stability，reduce generation shedding quantity and raise the economy benefit of power grid.

DC transmission；HVDC modulation；bilateral frequency modulation；active power modulation

TM75

B

1006-7345(2014)05-0020-05

2014-04-26

吳琛 (1974)，女，碩士，高級(jí)工程師，云南電力調(diào)度控制中心，主要研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制 (e-mail)elfwu＠21cn.com。

李玲芳 (1974)，女，碩士，高級(jí)工程師，云南電力調(diào)度控制中心，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制和電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行。

張丹 (1980)，男，碩士，高級(jí)工程師，云南電力調(diào)度控制中心，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析控制和電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行。