三滬二回±500 kV直流工程二次控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

陳鐵敏,劉 雋,孫佩軍

(1.上海市電力公司超高壓輸變電公司,上海 200063;2.上海市電力公司技術(shù)與發(fā)展中心,上海 200025)

0 引言

三滬二回 ±500 kV直流輸電工程,西起湖北荊門換流站,東至上海楓涇換流站。額定直流電壓為±500 kV,額定容量為3GW,在最適合環(huán)境溫度和最大冗余冷卻設(shè)備投入的條件下,正送功率為3.15GW,直流輸電線路全長(zhǎng)為970 km,是我國(guó)直流輸電技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的重要工程,同時(shí)也為提高直流輸電工程建設(shè)管理水平提供了一個(gè)平臺(tái)[1-2]。三滬二回 ±500 kV直流輸電工程二次控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)的目的,是對(duì)成套設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真校核和對(duì)直流控制保護(hù)廠家的控制設(shè)備的功能和性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 系統(tǒng)概況

三滬二回±500 kV直流輸電工程在荊門換流站和楓涇換流站(以下簡(jiǎn)稱荊門站和楓涇站)均含有雙極,每極一個(gè)12脈動(dòng)換流器,每端換流站都設(shè)置接地極,其系統(tǒng)接線示意圖如圖1所示。系統(tǒng)有三種運(yùn)行方式:雙極運(yùn)行、單極金屬回路運(yùn)行方式、單極大地回路運(yùn)行方式[3-4]。

2 空載加壓試驗(yàn)

空載加壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)在空載加壓狀態(tài)下,電壓控制的正確運(yùn)行,相應(yīng)的空載加壓保護(hù)不應(yīng)誤動(dòng),并檢測(cè)主設(shè)備的絕緣能力。試驗(yàn)項(xiàng)目包括:帶線路和不帶線路的空載加壓試驗(yàn);一極運(yùn)行,另一極帶線路和不帶線路的空載加壓試驗(yàn)。空載加壓試驗(yàn)在整流側(cè)進(jìn)行,分手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。

圖1 三滬二回±500 kV直流輸電系統(tǒng)示意圖

2.1 手動(dòng)空載加壓試驗(yàn)

由試驗(yàn)人員輸入直流電壓的設(shè)定值、直流電壓上升和下降的速率以及直流電壓的限制值。啟動(dòng)空載加壓試驗(yàn)過(guò)程,直流電壓的設(shè)置值可以在0～1.05 pu之間選擇。以荊門站極1帶線路手動(dòng)空載加壓為例,將荊門站設(shè)為熱備用,將楓涇站設(shè)為冷備用。輸入空載電壓參考值為100 kV,電壓上升速率為500 kV/min,手動(dòng)解鎖執(zhí)行空載加壓試驗(yàn),待系統(tǒng)穩(wěn)定到100 kV后,再依次輸入200,300,400和500 kV電壓。每次修改電壓參考值并執(zhí)行后,系統(tǒng)電壓均應(yīng)平穩(wěn)上升至電壓參考值,上升速率應(yīng)與設(shè)置速率一致。

2.2 自動(dòng)空載加壓試驗(yàn)

直流電壓的設(shè)定值、直流電壓升降速率和空載加壓試驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間都已通過(guò)程序設(shè)定,極控系統(tǒng)按照程序預(yù)先設(shè)定的升降速率增加直流電壓到設(shè)定值,經(jīng)過(guò)設(shè)定的持續(xù)時(shí)間之后,自動(dòng)地降低直流電壓,閉鎖換流器。以荊門站帶線路自動(dòng)空載加壓試驗(yàn)為例,將荊門站設(shè)為熱備用,將楓涇站設(shè)為冷備用。執(zhí)行自動(dòng)空載加壓,電壓上升速率為100 kV/m in,大約5m in后上升到500 kV,保持2min,然后以相同速率降為0。

3 正送功率下的試驗(yàn)

3.1 穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)工況的試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證在各種交/直流電壓水平、功率水平下,直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性、穩(wěn)態(tài)控制策略、換流變壓器調(diào)壓抽頭的調(diào)節(jié)是否滿足整體設(shè)計(jì)要求,同時(shí)驗(yàn)證直流啟停、功率升降、運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換、控制模式轉(zhuǎn)換和緊急停運(yùn)的動(dòng)作時(shí)序。

3.1.1 啟停試驗(yàn)

為了使換流站安全、可靠地運(yùn)行,確保直流輸電平穩(wěn)的啟停以及各種運(yùn)行模式之間的平穩(wěn)過(guò)渡,極控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了換流站的啟停順序控制。啟停試驗(yàn)以極1單極大地回線運(yùn)行,定功率控制,整流站為主控站。將極1置于功率控制狀態(tài),功率定值設(shè)為150 MW,功率上升速率為30 MW/m in,然后將直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)為運(yùn)行狀態(tài),解鎖待啟動(dòng)至150 MW后,執(zhí)行閉鎖操作,極啟動(dòng)、閉鎖平穩(wěn)。

3.1.2 功率升降試驗(yàn)

對(duì)極1單極大地回線運(yùn)行進(jìn)行的電流升降試驗(yàn),電流升降速率設(shè)為999 A/min,升電流時(shí)定值從0改為3 kA并執(zhí)行,當(dāng)電流升到1.5 kA時(shí)下達(dá)停止命令,保持18 s后解除停止命令,電流最終升到3 kA。將電流定值由3 kA改為0并執(zhí)行,當(dāng)電流下降到1.493 kA時(shí)下達(dá)停止命令,保持約31 s解除停止命令,電流最后下降到287 A后閉鎖。

3.1.3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)校核

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)校核試驗(yàn)是在雙極運(yùn)行;雙極降壓80%運(yùn)行;雙極降壓70%運(yùn)行;單極大地回路全壓運(yùn)行;單極大地回路降壓80%運(yùn)行;單極大地回路降壓70%運(yùn)行;單極金屬回路全壓運(yùn)行;單極金屬回路降壓80%運(yùn)行;單極金屬回路降壓70%運(yùn)行等工況下進(jìn)行。在各功率點(diǎn)上對(duì)照主回路參數(shù)設(shè)計(jì)值與實(shí)際值,實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值相差較小,穩(wěn)態(tài)工況參數(shù)正確。

3.1.4 運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換

直流運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換是由試驗(yàn)人員啟動(dòng),系統(tǒng)將自動(dòng)完成所有的步驟和順序到達(dá)目標(biāo)狀態(tài),這個(gè)過(guò)程包含站間協(xié)調(diào)和聯(lián)鎖條件的判斷。如果在順序控制過(guò)程中發(fā)生與對(duì)站通信失敗,則需要對(duì)站發(fā)出順控信號(hào)后才能繼續(xù)下一步操作。兩站人員需要手動(dòng)檢查相關(guān)設(shè)備位置指示,如通過(guò)電話聯(lián)絡(luò)。這時(shí)才可通過(guò)下發(fā)“順控繼續(xù)”命令來(lái)旁路這個(gè)條件,繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)順序控制。如極1單極大地回路運(yùn)行,功率正送,電流為3 kA,啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)后,執(zhí)行運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換,改為金屬回路運(yùn)行。

3.1.5 外特性

以極2單極大地回線運(yùn)行,功率正送、定電流控制進(jìn)行此試驗(yàn),整流側(cè)、逆變側(cè)無(wú)功控制、換流器分接頭控制均為手動(dòng),采用描點(diǎn)法在同一坐標(biāo)系中繪制整流側(cè)外特性曲線和逆變側(cè)外特性曲線,如圖2所示。整流側(cè)進(jìn)入VDCL(低壓限流)拐點(diǎn)的電壓為316 kV(0.632 pu),絕對(duì)最小電流為1.5 kA(0.5 pu)。逆變側(cè)進(jìn)入VDCL拐點(diǎn)的電壓為349 kV(0.698 pu),絕對(duì)最小電流為0.184 kA(0.06 pu)。

圖2 功率正送方式下整流側(cè)及逆變側(cè)外特性曲線

3.1.6 緊急停運(yùn)試驗(yàn)

以雙極額定功率運(yùn)行、功率控制和極1整流側(cè)緊急停運(yùn)試驗(yàn)為例:啟動(dòng)雙極到額定功率為3GW,主控站為荊門站,在OWS(運(yùn)行人員工作站)上執(zhí)行極1整流側(cè)的緊急停運(yùn),整流側(cè)先移相至120°,延時(shí)60m s后移相至160°閉鎖,逆變側(cè)觸發(fā)角先下降,后移相至160°閉鎖。極1閉鎖后部分濾波器切除。

3.2 無(wú)站間通信試驗(yàn)

在無(wú)站間通信的條件下,驗(yàn)證直流系統(tǒng)能否正常啟停、完成電流/功率升降。無(wú)站間通信的啟停:人為制造站間通信異常,整流側(cè)和逆變側(cè)均為獨(dú)立控制,先手動(dòng)解鎖逆變側(cè)后,再手動(dòng)解鎖整流側(cè),功率平穩(wěn)升至最小功率為150 MW。電流升降過(guò)程正常,站間通信故障,故障消失后能恢復(fù)到正常狀態(tài)。

3.3 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)的目的,是驗(yàn)證直流工程控制系統(tǒng)的電流、電壓和功率階躍響應(yīng)指標(biāo)以及交流、直流故障后系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間等動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是否滿足工程功能規(guī)范書的要求。

3.3.1 電流指令階躍響應(yīng)試驗(yàn)

以極1電流控制,極2雙極功率控制,0.5 pu工況做電流指令階躍響應(yīng)試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 極1直流電流3 kA在0.5 pu工況下的電流指令階躍響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 電壓指令階躍響應(yīng)試驗(yàn)

以極1電流控制,極2雙極功率控制,0.1 pu工況做電流指令階躍響應(yīng)試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 極1直流電流3 kA,極1電壓值為501 kV, 0.1 pu的電壓指令階躍試驗(yàn)結(jié)果

3.3.3 熄弧角階躍響應(yīng)試驗(yàn)

以極1電流控制,極2雙極功率控制,對(duì)極1做10°的熄弧角指令階躍試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 直流電流3 kA,對(duì)極1做10°的熄弧角指令階躍試驗(yàn)結(jié)果

3.3.4 功率指令階躍響應(yīng)試驗(yàn)

以極1功率控制,極2雙極功率控制,對(duì)極1做0.1 pu的功率指令階躍試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 對(duì)極1做0.1 pu的功率指令階躍試驗(yàn)結(jié)果

3.4 分接頭控制

分接頭控制為手動(dòng)和自動(dòng)控制模式。手動(dòng)控制模式將報(bào)警信號(hào)送至運(yùn)行人員控制層,對(duì)分接頭可以分相單獨(dú)調(diào)節(jié),也可以三相同步調(diào)節(jié)。自動(dòng)控制模式,分接頭升降檔位均為三相同步。分接頭控制試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證在交流電壓波動(dòng)、無(wú)功投切、功率升降過(guò)程中換流變分接頭的位置以及U di0(理想空載直流電壓)值是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 無(wú)功功率控制試驗(yàn)

荊門換流站和楓涇換流站的無(wú)功控制具有5級(jí)優(yōu)先級(jí):優(yōu)先級(jí)1為Abs M in Filter,優(yōu)先級(jí)2為U max,優(yōu)先級(jí)3為Q max,優(yōu)先級(jí)4為M in Filter,優(yōu)先級(jí)5為Qcontrol和Ucontrol功能。

無(wú)功功率控制根據(jù)各子系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí),協(xié)調(diào)由各子功能發(fā)出投切濾波器組的指令。此外,為了獲得更好的控制效果,無(wú)功控制還提供了以下兩項(xiàng)輔助功能:

1)QPC 通過(guò)增大點(diǎn)火角、熄弧角來(lái)增大換流站對(duì)無(wú)功的消耗,避免換流站和交流系統(tǒng)的無(wú)功交換量超過(guò)限制值。

2)Gamma kick 在投切濾波器組時(shí),同時(shí)增大、減小α和γ角,使得電壓變化率減小到規(guī)范書要求的范圍內(nèi)。

無(wú)功功率控制試驗(yàn)的目的,是檢驗(yàn)在各種交流系統(tǒng)、各種運(yùn)行方式下濾波器能否正確投切,同時(shí)檢驗(yàn)無(wú)功控制功能的正確性,即是否能滿足功能規(guī)范書中有關(guān)無(wú)功補(bǔ)償和電壓控制的要求。

4 擾動(dòng)試驗(yàn)

擾動(dòng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證直流控制系統(tǒng)手動(dòng)切換的正確性,以及設(shè)備故障時(shí)控制系統(tǒng)能否正確反應(yīng)。

4.1 有效系統(tǒng)電源故障

在極1單極大地回線運(yùn)行、雙極功率控制和功率定值2 GW的工況下,在楓涇站極1控制系統(tǒng)模擬有效電源故障,主控站為荊門站。楓涇站極1控制系統(tǒng)掉電后,馬上切換到冗余系統(tǒng)B,切換過(guò)程中,直流電壓、直流電流、觸發(fā)角、脈沖等均沒(méi)有明顯的擾動(dòng)。

4.2 測(cè)量板卡故障

測(cè)量板卡故障后極控系統(tǒng)迅速切換到冗余系統(tǒng),經(jīng)短暫擾動(dòng)后恢復(fù)正常。

4.3 總線故障

在極1單極金屬回線運(yùn)行,功率控制,功率定值為2 GW,楓涇站為主控站,極控系統(tǒng)運(yùn)行在A系統(tǒng)。模擬楓涇站極1極控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線故障,極控系統(tǒng)切換到B系統(tǒng),在切換過(guò)程中,直流電壓、直流電流、觸發(fā)角、脈沖等沒(méi)有明顯的擾動(dòng)。

4.4 模擬服務(wù)器故障

在極1單極金屬回線運(yùn)行,功率控制,功率定值為2 GW,楓涇站為主控站,進(jìn)行模擬服務(wù)器故障。關(guān)閉楓涇站服務(wù)器A的前置程序,服務(wù)器自動(dòng)切換到服務(wù)器B的前置程序,極控系統(tǒng)不發(fā)生切換,對(duì)極控系統(tǒng)無(wú)影響,系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

4.5 模擬主機(jī)死機(jī)故障

在極1單極金屬回線運(yùn)行,功率控制,功率定值為2 GW,荊門站為主控站,模擬主機(jī)死機(jī)故障。手動(dòng)使主機(jī)出現(xiàn)硬件故障,極控系統(tǒng)A自動(dòng)切換到冗余系統(tǒng),切換時(shí)直流電壓、直流電流、觸發(fā)角、脈沖等均沒(méi)有明顯的擾動(dòng),系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

4.6 模擬換流變同步電壓丟失故障

在極1單極金屬回線運(yùn)行,功率控制,功率定值為2 GW,主控站為荊門站。模擬楓涇站極1極控系統(tǒng)B的同步電壓丟失,發(fā)生很大擾動(dòng),直流電壓立刻下降,電流、觸發(fā)角等發(fā)生變化,極控系統(tǒng)切換到冗余系統(tǒng),切換后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

三滬二回±500 kV直流輸電工程二次控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn),給出了試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了二次控制系統(tǒng)能夠滿足規(guī)范書的要求,各種性能參數(shù)與工程的成套設(shè)計(jì)一致;重點(diǎn)檢驗(yàn)了控制策略修改的情況,并與其它廠家二次系統(tǒng)的接口,包括與站主時(shí)鐘系統(tǒng)的接口、與保護(hù)及故障錄波子站的接口、與故障錄波裝置的接口以及與換流閥VBE的接口進(jìn)行了配合試驗(yàn),從而保證了設(shè)備的質(zhì)量,加快了工程的建設(shè)進(jìn)程。

[1] 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,2004.

[2] 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和控制[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[3] 三滬二回直流輸電工程極控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范書[R].許繼, 2010.

[4] 三滬二回直流輸電工程直流站控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范書[R].許繼,2010.