許繼電氣股份有限公司 郭宏光 李雪群

嵊泗電力公司 顏明波

許繼電氣股份有限公司 王柏恒

嵊泗直流輸電工程雙極直流功率不平衡運(yùn)行解決方案

許繼電氣股份有限公司 郭宏光 李雪群

嵊泗電力公司 顏明波

許繼電氣股份有限公司 王柏恒

本文，筆者結(jié)合嵊泗直流輸電工程運(yùn)行的實(shí)際情況，經(jīng)過仔細(xì)地分析研究，進(jìn)一步明確了造成雙極直流功率不平衡運(yùn)行的關(guān)鍵因素，即站間通信系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及直流場接地極CT（電流互感器）故障導(dǎo)致的雙極電流平衡控制功能失效。實(shí)際運(yùn)行表明，通過采用控制系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)頻控制策略和雙極電流平衡控制的新方法，對現(xiàn)場軟件進(jìn)行優(yōu)化的方案是合理、切實(shí)可行的，大大降低了改造成本。

一、嵊泗直流工程調(diào)頻控制原理

1.工程概況。嵊泗直流輸電工程是我國第一條雙極跨海直流輸電工程，是為了解決嵊泗縣電力緊缺以及寶山鋼鐵公司馬跡山港礦山轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭正常生產(chǎn)所需電力而建設(shè)的。自上海市南匯區(qū)的蘆潮港換流站向浙江省嵊泗列島的嵊泗換流站供電，直流額定電壓為±50 kV，直流額定電流為600 A，直流額定功率在正送時（蘆潮港送嵊泗）雙極為60 MW，單極為30 MW，2002年投入商業(yè)運(yùn)行。2002年嵊泗島內(nèi)的基本負(fù)荷為10 MW，馬跡山礦山碼頭的沖擊負(fù)荷為12 MW，調(diào)頻控制的目的是針對直流輸電系統(tǒng)受端為弱小系統(tǒng)時的情況，將受端交流系統(tǒng)頻率作為調(diào)制量，充分利用直流輸電調(diào)節(jié)功率快速的特點(diǎn)，滿足受端弱小系統(tǒng)在各種動態(tài)情況下安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。特別是要滿足島內(nèi)所有柴油發(fā)電機(jī)組關(guān)閉、僅靠直流輸電作為電源的“黑網(wǎng)”運(yùn)行的要求。

2.直流頻率控制系統(tǒng)及其功能。主要包括，受端交流電網(wǎng)頻率的測量，直流系統(tǒng)起停過程中的頻率干預(yù)功能以及直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時的頻率控制功能。直流頻率控制系統(tǒng)如圖1所示。

（1）受端交流電網(wǎng)頻率的測量。其原理是，首先將交流同步電壓由正弦波調(diào)整為方波信號，使用高頻計(jì)數(shù)器對周期進(jìn)行精確計(jì)算，得到逆變側(cè)（受端）交流電網(wǎng)的頻率。然后將頻率信號通過直流輸電控制系統(tǒng)的快速站間通信通道送到整流側(cè)（送端）。

（2）直流輸電系統(tǒng)起停過程中的頻率干預(yù)功能。直流系統(tǒng)起停過程和功率升降過程中，如果頻率偏差超過門檻值，將暫時停止上述過程的執(zhí)行，以盡量減小直流功率變化對受端電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。待受端電網(wǎng)達(dá)到新的功率平衡后，再繼續(xù)執(zhí)行上述過程的，直到直流功率達(dá)到設(shè)定值。

（3）直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的頻率控制功能。通過整流側(cè)控制系統(tǒng)判斷逆變側(cè)電網(wǎng)頻率偏差是否超過某一門檻值，一旦超過該值，調(diào)頻控制便發(fā)出調(diào)頻有效信號。此時，通過開放數(shù)字式頻率調(diào)節(jié)器計(jì)算出的逆變側(cè)交流電網(wǎng)的頻率信號，進(jìn)行調(diào)節(jié)算法，根據(jù)當(dāng)前直流系統(tǒng)的控制模式（功率控制還是電流控制），輸出一個功率或電流調(diào)制信號，并疊加到設(shè)定的功率或電流參考值，從而使得直流功率的動態(tài)地變化。這樣，當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)擾動和負(fù)荷波動時，直流系統(tǒng)能夠動態(tài)地改變輸送直流功率的大小，通過直流功率的支持使交流系統(tǒng)隨時保持動態(tài)的平衡。調(diào)頻控制原理如圖2所示。

二、調(diào)頻控制中的問題及原因分析

1.根據(jù)嵊泗直流工程控制系統(tǒng)最初設(shè)計(jì)采用雙極獨(dú)立調(diào)頻方式。這樣做的好處是雙極獨(dú)立配置頻率控制器，雙極之間不需要依賴極間通信進(jìn)行協(xié)調(diào)。該控制策略基于如下考慮。一是在極間通信故障、測頻環(huán)節(jié)故障或站間通信故障情況下，一極退出調(diào)頻控制，另一極仍能完成系統(tǒng)調(diào)頻功能。二是在發(fā)生雙極調(diào)頻不同步時，由雙極電流平衡控制模塊來保證雙極的平衡運(yùn)行。

嵊泗直流輸電系統(tǒng)在運(yùn)行初期，由于島內(nèi)基礎(chǔ)負(fù)荷及馬跡山礦山碼頭沖擊負(fù)荷較小，雙極直流持續(xù)在小負(fù)荷情況下運(yùn)行，一極因檢修和維護(hù)的原因閉鎖后，另一極仍能滿足全島用電的要求。但是2007年以來，原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)便已無法滿足實(shí)際需求，雙收不平衡運(yùn)行。寶鋼集團(tuán)馬跡山港礦山轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭二期工程上馬后，沖擊負(fù)荷比2002年增加了2倍。同時，隨著嵊泗縣國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基本負(fù)荷比2002年增加了2倍多。因此，直流輸電系統(tǒng)一個極的功率已不能滿足基本負(fù)荷和馬跡山港沖擊負(fù)荷的要求。在雙極不平衡運(yùn)行的情況下，運(yùn)行人員每天需要多次的人工平衡操作，不僅增加了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，同時也給直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來了不利的影響。

2.通過對兩個換流站現(xiàn)場的調(diào)研、測試和分析，發(fā)現(xiàn)雙極功率不能平衡運(yùn)行的原因主要有以下兩點(diǎn)。

（1）由于雙極采用獨(dú)立調(diào)頻方式，兩極頻率控制的控制量均為嵊泗側(cè)電網(wǎng)頻率，該頻率信號是通過高速站間通信（海纜復(fù)合光纖）送到整流側(cè)頻率控制器。通信路徑是逆變側(cè)極控→TDM設(shè)備→光端機(jī)→復(fù)合光纖通道→光端機(jī)→TDM設(shè)備→整流側(cè)極控，由于兩極的通信通道延時和誤碼率不完全一致，致使兩極測頻信號出現(xiàn)偏差，使得雙極調(diào)頻控制輸出不一致。

（2）在正常情況下，即使出現(xiàn)雙極功率不平衡，在動態(tài)沖擊負(fù)荷的間隙期間，雙極電流平衡控制仍能快速、自動地將雙極電流拉回到平衡狀態(tài)，并維持總功率不變。但由于接地極引線CT故障率較高，目前已無法工作，使得雙極平衡控制無法發(fā)揮作用。

三、功能優(yōu)化

相關(guān)分析表明，雙極聯(lián)合調(diào)頻控制和雙極平衡控制優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決嵊泗直流輸電系統(tǒng)雙極不平衡運(yùn)行的關(guān)鍵?？梢栽诓恍枰鼡Q新的接地極CT設(shè)備，不需要增加任何硬件設(shè)備的前提下，使用軟件優(yōu)化的方法解決上述問題。

1.雙極聯(lián)合調(diào)頻控制。

（1）解決方案的選擇。采用最典型的主導(dǎo)極調(diào)頻方式，即由主導(dǎo)極完成調(diào)頻控制，非主導(dǎo)極不參與調(diào)頻控制，主導(dǎo)極調(diào)頻控制器輸出調(diào)制量經(jīng)過高速極間通信通道同時送給兩個極，實(shí)現(xiàn)雙極同步調(diào)頻。但是這種方案的問題是，如果主導(dǎo)極站間通信故障，逆變站的頻率信號無法傳輸?shù)秸髡?，將使雙極均失去調(diào)頻控制，這對于在有沖擊負(fù)荷存在下的嵊泗弱小電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常不利的，容易導(dǎo)致嵊泗電網(wǎng)切負(fù)荷甚至造成系統(tǒng)崩潰。

為了最大限度地滿足嵊泗直流工程調(diào)頻可靠性的要求，雙極調(diào)頻采用新的調(diào)頻控制方案。嵊泗電網(wǎng)在沖擊負(fù)荷作用下，頻率的變化是以s為單位的；而快速測頻模塊10 ms完成1次頻率計(jì)算，是以ms為單位的，通過高速站間通信通道，10 ms就可以把頻率數(shù)據(jù)送到整流站參與調(diào)頻控制。如果將該頻率信號送到另一極，快速極間通信也僅增加10 ms的時間，10 ms期間頻率的變化相對于嵊泗電力系統(tǒng)來說可以忽略不計(jì)。基于以上基本分析，采用一個極的頻率信號作為雙極同步調(diào)頻控制的輸入是合理的。

（2）具體實(shí)現(xiàn)方案。首先，雙極統(tǒng)一采用一個極的頻率信號作為控制量，優(yōu)先采用極一的頻率信號。然后，再把極間通信和站間通信的狀態(tài)作為選用各極頻率信號的條件，從而大大減少站間通信系統(tǒng)故障對調(diào)頻控制的影響。

（3）頻率信號的基本選擇策略。如果極一站間通信正常且極間通信正常，則雙極都采用極一的頻率信號；如果極間通信不正常，則各極采用各自的頻率信號；如果極一站間通信不正常，極二站間通信正常，則雙極都采用極二的頻率信號。通信故障條件下的頻率差處理流程如圖3所示。

2.雙極電流平衡控制。雙極電流平衡控制是極控系統(tǒng)的基本功能之一。首先，通過過兩個極的極控分別檢測接地極引線電流Iee1和Iee2，對兩個電流求和，得到Iee。然后，把該信號輸入PI調(diào)節(jié)器中，并根據(jù)電流定義的方向，將電流大的極減小電流參考值、電流小的極增大電流參考值，直到兩極達(dá)到電流平衡狀態(tài)。

由于接地極引線CT故障，在不更換該CT的情況下，首先采用極間通信將兩極的極線電流Id1經(jīng)過200 ms平均濾波后進(jìn)行互傳，然后通過對兩極的Id1和Id1-op進(jìn)行求差，得到Iee，從而計(jì)算出接地極電流，利用原有的雙極電流平衡軟件模塊實(shí)現(xiàn)電流的平衡控制。

四、試驗(yàn)

程序修改下載后，進(jìn)行了雙極開機(jī)、模擬極間通信故障、沖擊負(fù)荷等試驗(yàn)，并對正常運(yùn)行情況下的電流平衡能力進(jìn)行了重點(diǎn)觀測。通過波形分析軟件抽取時間刻度點(diǎn)的數(shù)據(jù)，形成2個數(shù)據(jù)表格，如表1、表2所示。

表1 功能優(yōu)化程序修改前電流不平衡數(shù)據(jù)A

表 2 功能優(yōu)化程序修改后電流不平衡數(shù)據(jù)A

根據(jù)表1、表2計(jì)算得到：功能程序修改前，雙極不平衡電流絕對差值的平均值△I1=110.1 A；功能程序修改后，雙極不平衡電流絕對差值的平均值△I2=22.1 A；△I1/△I2=5。由于實(shí)際負(fù)荷是變化的，無法進(jìn)行同一直流電流運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)對比，但是控制行為中對平衡電流能力要求的標(biāo)準(zhǔn)卻是一致的，且不受直流電流大小的影響，因此可以認(rèn)為功能程序修改后的電流平衡能力是修改前的5倍。

五、結(jié)論

本文，筆者從嵊泗直流輸電系統(tǒng)雙極不平衡的問題出發(fā)，分析問題的關(guān)鍵因素，利用控制系統(tǒng)極間和站間高速數(shù)據(jù)通信通道及其冗余性，提出了雙極聯(lián)合調(diào)頻的新方法和雙極電流平衡控制的新原理。在不增加任何硬件設(shè)備的前提下，通過修改軟件，較好地解決了雙極平衡的問題，不僅可以提高嵊泗直流輸電系統(tǒng)在弱網(wǎng)條件下的可靠性和可用率，還能有效減少閥設(shè)備的無功消耗以及濾波器組的投入，從而更好地滿足了嵊泗直流“黑網(wǎng)”運(yùn)行的要求。