楊蕾，剡文林，曾丕江，張斌，閆凱璐，黃潤(rùn)，楊明亮

(1. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，昆明 650200；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院研究生工作站，昆明 650217)

0 前言

南方電網(wǎng)具有明顯的強(qiáng)直弱交特征[1]。隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜及運(yùn)行要求的提高，對(duì)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的要求越來(lái)越高。能源互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)交流輸電在高比例新能源接入和能源遠(yuǎn)距離輸送方面存在諸多挑戰(zhàn)[2]。互聯(lián)電網(wǎng)遭到擾動(dòng)時(shí)，區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定性受到?jīng)_擊，互聯(lián)電網(wǎng)面臨低頻振蕩、連鎖故障等問(wèn)題[3]。送端電網(wǎng)發(fā)生直流閉鎖故障時(shí)，瞬間產(chǎn)生的大量過(guò)剩有功功率導(dǎo)致其頻率升高。同時(shí)，過(guò)剩有功功率會(huì)轉(zhuǎn)移到正常的交流通道上，造成交流通道過(guò)載[4]。這些穩(wěn)定問(wèn)題限制了交直流系統(tǒng)斷面輸送能力的提高，通常需要采用附加控制拓展直流系統(tǒng)的控制能力[5]。針對(duì)同桿雙回線路跳閘、單一直流雙極(雙回)閉鎖等故障，設(shè)置安全穩(wěn)定控制裝置，故障后進(jìn)行切機(jī)、切負(fù)荷、直流功率調(diào)制等，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[6]。基于柔直電網(wǎng)對(duì)直流電壓的控制，控制策略可分為單點(diǎn)直流電壓控制和多點(diǎn)直流電壓控制，根據(jù)系統(tǒng)是否需要高速通訊，又可分為主從控制、電壓裕度控制和下垂控制[7]。在交流電網(wǎng)發(fā)生較大頻率波動(dòng)時(shí)，本地控制附加頻率控制，可以使其余交流電網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行功率支援[8]。

對(duì)于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題，目前的研究多是從單端直流系統(tǒng)或交直流混合系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題出發(fā)，對(duì)電力電子變流器進(jìn)行優(yōu)化控制，或是僅以改善系統(tǒng)電壓或頻率為目標(biāo)提出控制策略，但是對(duì)于多端直流系統(tǒng)的不同故障情況、不同運(yùn)行方式下的宏觀穩(wěn)定控制研究較少。

昆柳龍直流工程是國(guó)家特高壓多端直流的示范工程。昆柳龍直流的投產(chǎn)，可將云南烏東德右岸電廠為主的電力經(jīng)昆北換流站送往廣西、廣東。為解決昆柳龍直流投產(chǎn)后系統(tǒng)的穩(wěn)定問(wèn)題，需在部分換流站和電廠增加穩(wěn)定控制系統(tǒng)和孤島判別系統(tǒng)。

本文基于昆柳龍直流，詳細(xì)分析了云南送端昆北站的穩(wěn)定控制系統(tǒng)以及多端直流與傳統(tǒng)兩端直流穩(wěn)控系統(tǒng)控制策略的差異性，詳細(xì)介紹了昆柳龍送端系統(tǒng)穩(wěn)定控制方案和策略，分析了昆柳龍接入后云南高周切機(jī)方案的適應(yīng)性，以提高昆柳龍送端電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

1 多端直流工程

昆柳龍直流工程送電距離約1489千米，采用±800 kV多端混合直流輸電方案：送端云南建設(shè)±800 kV、8000 MW常規(guī)直流換流站（昆北換流站），受端廣東建設(shè)±800 kV、5000 MW柔性直流換流站（龍門(mén)換流站），廣西建設(shè)±800 kV、3000 MW柔性直流換流站（柳州換流站）[9]。

昆柳龍直流工程的建設(shè)，可滿足烏東德電站等云南水電開(kāi)發(fā)外送的需要，進(jìn)一步提升云南電力外送通道能力。昆柳龍直流輸電工程運(yùn)行方式靈活多樣，運(yùn)行方式分類(lèi)如圖1所示。

圖1 昆柳龍直流輸電工程運(yùn)行方式

2 直流穩(wěn)控系統(tǒng)

昆柳龍三端直流穩(wěn)控系統(tǒng)，主要功能包括：直流聯(lián)網(wǎng)/孤島閥組閉鎖切機(jī)功能、三閥組以上閉鎖切負(fù)荷控制功能，直流功率速降切機(jī)控制功能，交流線路雙線跳閘保護(hù)控制策略，交流線路過(guò)載回降直流功率等保護(hù)控制策略。昆柳龍直流穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 昆柳龍直流送端穩(wěn)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)序

以三端運(yùn)行情況為例，分析昆柳龍直流穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)序。

2.1.1 直流閉鎖故障穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)序

三端運(yùn)行情況時(shí)，由于有柳州或龍門(mén)換存在退站邏輯，導(dǎo)致穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序與兩端模式有所不同。直流閥閉鎖故障穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序如圖3所示。

圖3 昆柳龍直流閥閉鎖故障穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)序圖

動(dòng)作情況具體描述：

1）當(dāng)僅有單閥閉鎖或者雙閥閉鎖出現(xiàn)在同一閥層情況下，無(wú)需穩(wěn)控動(dòng)作。

2）當(dāng)柳州站或者龍門(mén)站存在退站情況時(shí)，三端對(duì)應(yīng)極功率先降到約零，HSS開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將直流拓?fù)淝袚Q為昆柳或昆龍模式，再恢復(fù)昆北和龍門(mén)（或柳州）站功率。若HSS開(kāi)關(guān)拒動(dòng)功率恢復(fù)失敗，則相應(yīng)極閉鎖，穩(wěn)控收到閉鎖命令后再進(jìn)行補(bǔ)切。

3）其他閥閉鎖情況，穩(wěn)控收到閉鎖命令后直接動(dòng)作切機(jī)。

2.1.2 直流線路故障再啟動(dòng)穩(wěn)控動(dòng)作時(shí)序

三端運(yùn)行方式下，兩極再啟動(dòng)時(shí)序和穩(wěn)控配合邏輯基本獨(dú)立，下面就其中任意一極再啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行描述，如圖4、圖5所示。

圖4 昆柳龍直流線路故障再啟動(dòng)時(shí)序第一階段：再啟動(dòng)

圖5 昆柳龍直流線路故障再啟動(dòng)時(shí)序第二階段：再啟動(dòng)失敗后

動(dòng)作情況具體描述：

1）任意線路發(fā)生短路故障后，三端將本極功率控到零，同時(shí)進(jìn)入去游離階段，500 ms后嘗試重啟。如果再啟動(dòng)失敗，且再啟動(dòng)次數(shù)達(dá)上限，進(jìn)入第二階段。

2）第二階段，昆柳段故障和柳龍段故障時(shí)序不同。如果故障在昆柳段，昆北無(wú)法供電，只能閉鎖全極。觸發(fā)穩(wěn)控后，若損失功率超過(guò)穩(wěn)控定值門(mén)檻，約300 ms后切除相應(yīng)機(jī)組及負(fù)荷。如果故障在柳龍段，僅損失一個(gè)負(fù)荷端（龍門(mén)），可切換至雙端模式繼續(xù)向柳州供電。首先，三端再次控功率到零，HSS開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將直流拓?fù)淝袚Q為昆柳模式，最后昆、柳站恢復(fù)功率。另外，閉鎖龍門(mén)的信號(hào)在觸發(fā)龍門(mén)在線退出的同時(shí)，還將觸發(fā)穩(wěn)控切機(jī)，切機(jī)量?jī)H按損失龍門(mén)考慮。如果上述昆柳段恢復(fù)功率失敗，直流控保閉鎖全極，同時(shí)觸發(fā)穩(wěn)控，按損失全極功率補(bǔ)切機(jī)組及切負(fù)荷。

2.2 昆北換流站直流穩(wěn)定控制策略

昆柳龍直流投產(chǎn)后，昆北換僅作為送端運(yùn)行，直流配套電源穩(wěn)定問(wèn)題主要為：龍開(kāi)口-魯?shù)乩?昆北換三角環(huán)中，龍昆單回線跳閘存在動(dòng)穩(wěn)問(wèn)題，龍昆單線+魯昆雙線三回線任意兩回線跳閘存在功角穩(wěn)定問(wèn)題，需切除龍開(kāi)口和魯?shù)乩姀S，相關(guān)穩(wěn)控策略在昆北換流站實(shí)施。

昆北站投運(yùn)的直流運(yùn)行方式主要分為聯(lián)網(wǎng)三端、聯(lián)網(wǎng)兩端、孤網(wǎng)三端和孤網(wǎng)兩端四種。不同方式的功能邏輯和定值不同。其中，聯(lián)網(wǎng)三端運(yùn)行方式的策略邏輯和定值可兼容聯(lián)網(wǎng)兩端方式，孤島三端運(yùn)行方式的策略邏輯和定值可兼容孤島兩端方式，但在某些方面三端運(yùn)行與兩端運(yùn)行仍存在差異。故本文對(duì)聯(lián)網(wǎng)三端和孤網(wǎng)三端運(yùn)行方式的控制策略進(jìn)行詳細(xì)闡述，并比較三端運(yùn)行和兩端運(yùn)行的差異。

2.2.1 聯(lián)網(wǎng)三端方式下穩(wěn)控策略

發(fā)生直流功率損失故障（閉鎖或速降）時(shí)，穩(wěn)控系統(tǒng)啟動(dòng)條件為：500 kV烏昆甲乙丙線，魯昆甲乙線、龍昆甲線，仁昆換甲乙線，銅昆甲乙線，昆北站換流變突變量啟動(dòng)。此時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)向配套電廠發(fā)送切機(jī)命令，交替切烏東德右岸、龍開(kāi)口、魯?shù)乩姀S，若配套電廠可切量不足時(shí)，向?qū)毞鍏f(xié)調(diào)主站發(fā)送不足部分切機(jī)命令。

當(dāng)在相繼整組時(shí)間內(nèi)發(fā)生直流兩層及以上閥組功率損失故障時(shí)，云南切機(jī)時(shí)的直流功率門(mén)檻按公式（1）計(jì)算：

其中，PDC_kb為相繼整組初始斷面昆北站雙極總功率；Pmk_set21為聯(lián)網(wǎng)三端方式功率損失切機(jī)策略直流功率門(mén)檻值；PDC_kbFLost為相繼整組內(nèi)昆北雙極最終功率累積損失；PLostMk_set21為聯(lián)網(wǎng)三端方式累積故障功率損失門(mén)檻值。

需切量如公式（2）：

其中，DP為相繼整組內(nèi)累積切機(jī)需切量；Kset21_n為切機(jī)系數(shù)，隨方式切換。

廣西、廣東切負(fù)荷時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)向南方羅洞站發(fā)送切負(fù)荷命令，啟動(dòng)需切量計(jì)算的直流功率門(mén)檻條件按公式（3）計(jì)算：

其中，PDC_kb為相繼整組初始斷面昆北站雙極總功率；Pmk_set22為閉鎖故障切負(fù)荷直流功率門(mén)檻值。

需切量如公式（4）：

2.2.2 孤島方式下穩(wěn)控策略

孤島判別系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)昆北換流站、仁和站、銅都站、多樂(lè)站的開(kāi)關(guān)位置信號(hào)，結(jié)合部分電氣量信號(hào)，判別昆柳龍直流送端是處于孤島運(yùn)行還是聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，并將判別結(jié)果送給昆北換流站的穩(wěn)控裝置和直流控制保護(hù)系統(tǒng)。

在昆北換流站已審定的接入系統(tǒng)方案基礎(chǔ)上，昆北換流站可能存在如下兩種孤島運(yùn)行接線方式：

1）昆北換流站斷開(kāi)至仁和雙回線路、同時(shí)斷開(kāi)至銅都雙回線路，昆柳龍直流即轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行方式，如圖6所示。該方式與昆北換流站、仁和變、銅都變接線形式相關(guān)。

圖6 昆柳龍直流孤島接線方式（一）

2）昆北換流站斷開(kāi)至仁和雙回線路、同時(shí)銅都站斷開(kāi)至多樂(lè)雙回線路，昆柳龍直流即轉(zhuǎn)入孤島運(yùn)行方式，如圖7所示。該方式與昆北換流站、仁和變、銅都變、多樂(lè)變接線形式相關(guān)。

圖7 昆柳龍直流孤島接線方式（二）

昆北換孤島判別中所涉及線路連接狀態(tài)的邏輯表達(dá)式如表1所示。

表1 昆北換孤島判別中所涉及線路連接狀態(tài)的邏輯表達(dá)式

昆北換孤島判別可以采用如下兩個(gè)判據(jù)：

1）昆北換與仁和變之間只要有一回線存在，即判為聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)邏輯表達(dá)式為：

2）昆北換與多樂(lè)變之間，當(dāng)昆北換與銅都變之間、銅都變與多樂(lè)變之間均各至少有一回線路時(shí)方為聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)邏輯表達(dá)式為：

根據(jù)上述邏輯表達(dá)式及孤島接線特點(diǎn)，孤島方式邏輯關(guān)系式為：

表達(dá)式結(jié)果為0則判別為孤島狀態(tài)，為1則判別為聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。

孤島方式下發(fā)生直流功率損失故障（閉鎖或速降）時(shí)，穩(wěn)控系統(tǒng)啟動(dòng)條件與聯(lián)網(wǎng)方式相同。

任一直流閥組發(fā)生功率損失故障時(shí)，穩(wěn)控系統(tǒng)向配套電廠發(fā)送切機(jī)命令，交替切烏東德右岸、龍開(kāi)口、魯?shù)乩姀S，或發(fā)孤島全切命令。

孤島內(nèi)配套電廠切機(jī)時(shí)的直流功率門(mén)檻條件為公式（8）：

其中，PDC_kb為次故障前昆北雙極總功率；Pmk_set11為孤島方式閉鎖故障切機(jī)門(mén)檻值。切量計(jì)算方式如圖8所示。

圖8 需切量計(jì)算

其中，Tset_WAS為計(jì)算觀察等待時(shí)間；DP為裝置啟動(dòng)整組累積需切量；PDC_kbFLostAct為裝置啟動(dòng)整組時(shí)間內(nèi)截至當(dāng)前故障，昆北站最終功率累積損失量。

2.2.3 四種運(yùn)行方式下控制策略比較

四種運(yùn)行方式在一些方面存在差異，具體表現(xiàn)如表2所示。

表2 四種運(yùn)行方式下控制策略比較

3 高周切機(jī)方案適應(yīng)性

昆柳龍多端直流投產(chǎn)后，云南電網(wǎng)單極閉鎖最大功率由原來(lái)的2500 MW上升為4000 MW，雙極閉鎖最大功率由原來(lái)的5000 MW上升為8000 MW。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)LC上調(diào)能力1040 MW時(shí)，穩(wěn)控拒動(dòng)，單極閉鎖時(shí)最高頻率由原來(lái)在50.5上升為50.9 Hz，雙極閉鎖時(shí)云南電網(wǎng)最高頻率由51.55 Hz上升為52.07 Hz。為滿足：（1）任一直流雙極閉鎖，采取穩(wěn)控措施后，不導(dǎo)致高周切機(jī)措施動(dòng)作；不考慮穩(wěn)控措施，高周切機(jī)動(dòng)作后系統(tǒng)最高頻率不超過(guò)51.5 Hz；（2）五大直流同時(shí)雙極閉鎖，高周切機(jī)（不含小水電）動(dòng)作后，云南最高頻率不超過(guò)52 Hz；將烏東德電廠的機(jī)組納入切機(jī)范圍，將高周切機(jī)方案的切機(jī)容量由24025 MW升至27425 MW。對(duì)比了烏東德4臺(tái)機(jī)組納入高周前4輪、前4輪切機(jī)量大于后4輪切機(jī)量1000 MW方案和烏東德機(jī)組均勻分配、各輪切機(jī)量均勻分配兩種方案的系統(tǒng)最高頻率如表3和圖9所示。

表3 不同方案系統(tǒng)最高頻率比較

圖9 不同方案系統(tǒng)最高頻率曲線

上述仿真表明，方案一比方案二的頻率偏差更小，高周切機(jī)后系統(tǒng)頻率能否更快恢復(fù)到穩(wěn)定值，考慮到直流FLC的下調(diào)節(jié)裕度大，同時(shí)實(shí)際仿真也表面兩個(gè)方案的系統(tǒng)最低頻率差異不大，推薦采用方案一進(jìn)行工程應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合云南電網(wǎng)“強(qiáng)直弱交”特點(diǎn)，本文以昆柳龍直流工程為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)分析了云南送端昆北站的穩(wěn)定控制系統(tǒng)以及多端直流與傳統(tǒng)兩端直流穩(wěn)控系統(tǒng)控制策略的差異性，指出：

1）三端運(yùn)行情況時(shí)，由于多端直流受端存在退站邏輯，導(dǎo)致穩(wěn)控系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序與兩端直流不同；

2）多端直流不同直流段線路故障再啟動(dòng)與傳統(tǒng)兩端直流穩(wěn)控時(shí)序上存在較大差異。

同時(shí)，本文對(duì)昆柳龍直流聯(lián)網(wǎng)和孤島方式下的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析和梳理，明確部分多端直流策略需要綜合多站信息。分析了昆柳龍接入后，云南高周切機(jī)方案修正的必要性，對(duì)比了不同控制方案的頻率響應(yīng)特性，本文對(duì)昆柳龍接入后云南電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行有一定的指導(dǎo)意義。