天廣直流孤島運(yùn)行測(cè)試與分析

羅 斐，王 健

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641）

天廣直流輸電工程，西起黔、桂交界馬窩換流站，東至廣州市的北郊換流站，線路全長(zhǎng)980千米，是我國(guó)第二條遠(yuǎn)距離、大功率、超高壓直流輸電工程。工程的直流額定電壓為±500kV，額定電流1800A，雙極功率為1800MW。天生橋馬窩換流站一般為整流站運(yùn)行，廣州換流站一般為逆變站運(yùn)行。工程于2000年12月投運(yùn)后，作為西電東送的主要通道，輸送了大量的綠色電能，為廣東經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。但天廣直流在運(yùn)行中也暴露出一些缺陷，尤其是板卡老化日益嚴(yán)重、個(gè)別元件損壞率很高、備品備件供應(yīng)極其困難，控制保護(hù)系統(tǒng)在原理、邏輯方面也暴露出諸多缺陷，多次單極，甚至雙極強(qiáng)迫停運(yùn)，給天廣直流工程的運(yùn)行、維護(hù)和整個(gè)南方電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行帶來了巨大的困難和前所未有的壓力，在控制保護(hù)方面問題較多，影響了系統(tǒng)可靠性［1］。因此，南方電網(wǎng)超高壓輸電公司決定對(duì)天廣直流控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行全面改造。本次孤島試驗(yàn)正是此次改造過程中新的控制保護(hù)系統(tǒng)投入之前的試驗(yàn)。天廣直流控制保護(hù)系統(tǒng)改造后，為驗(yàn)證天廣直流在其整流側(cè)交流元件跳閘后能否平穩(wěn)地由聯(lián)網(wǎng)方式過渡至孤島方式運(yùn)行、孤島運(yùn)行時(shí)能否穩(wěn)定地改變傳輸功率、能否承受較小的擾動(dòng)以及能否平穩(wěn)地由孤島方式過渡至聯(lián)網(wǎng)方式運(yùn)行，所以需要進(jìn)行本次試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

本次孤島試驗(yàn)由天一電廠1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組及4號(hào)機(jī)組作為送端電源形成孤島，送端孤島系統(tǒng)圖見圖1。在直流孤島運(yùn)行方式下，孤島系統(tǒng)較為脆弱，所以天廣直流主要任務(wù)是輸送孤島中的電源發(fā)送功率，盡量避免參與功率調(diào)制等直流調(diào)制，防止發(fā)生大的擾動(dòng)導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。這就需要天廣直流雙側(cè)頻率調(diào)制功能退出，功率限制控制功能退出，功率提升／回降功能退出，雙極線路故障再啟動(dòng)功能退出，低負(fù)荷無功優(yōu)化控制功能退出。設(shè)置馬窩換流站220kV開關(guān)的同期裝置定值，見表1。天一電廠自動(dòng)發(fā)電控制AGC（automatic generation control）退出，確保3臺(tái)機(jī)組調(diào)速器正常投入運(yùn)行。天廣直流頻率限制控制FLC（frequency limit control）功能投入，設(shè)置值設(shè)為“0.15Hz”。馬窩換流站兩套穩(wěn)控裝置僅保留"高周切機(jī)"功能，高周一輪設(shè)置52Hz，高周二輪設(shè)置52.5Hz。馬窩換流站兩套穩(wěn)控裝置與其余廠站穩(wěn)控裝置通信通道物理斷開。

圖1 孤島運(yùn)行試驗(yàn)接線Fig.1 Test wiring scheme of Island operation

表1 整流站220kV開關(guān)同期定值Tab.1 Parameters of 220kV switch synchronization for rectifier station

2 試驗(yàn)內(nèi)容

本次天廣直流孤島試驗(yàn)主要內(nèi)容包括：（1）操作馬窩換流站側(cè)交流開關(guān)，使得天廣直流進(jìn)入孤島運(yùn)行方式；（2）調(diào)整天廣直流功率，觀察孤島系統(tǒng)穩(wěn)定情況；（3）調(diào)整天一電廠機(jī)組出力，觀察孤島系統(tǒng)穩(wěn)定情況；跳開天一電廠出力最小的機(jī)組，觀察孤島系統(tǒng)穩(wěn)定情況；（4）孤島系統(tǒng)并入主系統(tǒng)，天廣直流恢復(fù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。

首先調(diào)整天廣直流雙極輸送功率為270MW，天一電廠＃1、＃2發(fā)電機(jī)組出力均約為30MW，＃4發(fā)電機(jī)組出力約為210MW，轉(zhuǎn)孤島前控制天廣直流功率與天一電廠 ＃1、＃2、＃4機(jī)組總出力之差在±10MW以內(nèi)。操作馬窩換流站側(cè)交流開關(guān)，使得天廣直流于11點(diǎn)54分進(jìn)入孤島運(yùn)行方式。觀察直流系統(tǒng)運(yùn)行工況，核實(shí)FLC調(diào)節(jié)正常、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；觀察天一機(jī)組的運(yùn)行情況，核實(shí)其運(yùn)行穩(wěn)定。

分別于12：35、12：48、13：01、13：19時(shí)刻調(diào)整天廣直流雙極輸送功率為280MW、270MW、360 MW、270MW，速率為25MW／min，上升期間FLC功能退出。每次調(diào)整后運(yùn)行10min左右，觀察直流系統(tǒng)運(yùn)行工況以及天一機(jī)組的運(yùn)行情況，核實(shí)FLC調(diào)節(jié)正常、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

天一電廠 ＃1、＃2、＃4機(jī)組總出力于13：40時(shí)刻緩慢提升至320MW，提升速率為25 MW／min，觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀況，于13：58時(shí)刻天一電廠總出力以同樣的速率降至270MW，觀察系統(tǒng)狀況。等待5min后天一電廠調(diào)整＃2機(jī)組出力約為30MW，天一電廠 ＃1、＃2、＃4機(jī)組總出力仍然維持約270MW，接著于14：30時(shí)刻跳開天一電廠＃2機(jī)組，核實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。天廣直流孤島平穩(wěn)運(yùn)行5min后，控制孤島系統(tǒng)與主網(wǎng)頻率差小于0.2Hz、電壓差小于30kV、相角差小于20°，操作馬窩換流站側(cè)交流開關(guān)，使天廣直流于14：50時(shí)刻恢復(fù)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。15：01至15：21時(shí)間段是對(duì)功率升降的調(diào)試，于15：32時(shí)刻再次進(jìn)入孤島運(yùn)行，并于16：02時(shí)刻再次進(jìn)入聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)。至此，本次試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)于送端孤島系統(tǒng)，孤島運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵是對(duì)送端交流電壓與頻率的調(diào)節(jié)。交流電壓過高或過低會(huì)造成設(shè)備運(yùn)行性能與安全的降低，在直流站控?zé)o功控制異常、機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)異常等情況下，系統(tǒng)無功波動(dòng)較大時(shí)，甚至可能導(dǎo)致孤島系統(tǒng)失壓、孤島系統(tǒng)內(nèi)機(jī)組跳閘風(fēng)險(xiǎn)。頻率的過高或過低也會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)以及其他設(shè)備運(yùn)行性能與安全產(chǎn)生不良影響。

與并入交流電網(wǎng)不同，孤島方式下送端頻率調(diào)節(jié)無法依靠網(wǎng)內(nèi)機(jī)組共同調(diào)節(jié)，主要由機(jī)組自身調(diào)節(jié)，部分依靠直流頻率控制。其中天廣直流送端機(jī)組采用電調(diào)型調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速器由調(diào)節(jié)系統(tǒng)（控制系統(tǒng)）、電液伺服系統(tǒng)和原動(dòng)機(jī)組成，對(duì)于送端孤島系統(tǒng)，除發(fā)電機(jī)組自身具有的一次調(diào)頻能力外，還有必要采取直流頻率控制的附加控制功能［2，3］。頻率控制是利用直流輸電系統(tǒng)功率的快速可控性，當(dāng)送端頻率變化時(shí)，為防止發(fā)生頻率穩(wěn)定破壞事故，通過快速調(diào)整外送功率來達(dá)到控制送端系統(tǒng)頻率的目的［4，5］。同樣，對(duì)于孤島方式下送端交流電壓調(diào)節(jié)無法依靠網(wǎng)內(nèi)機(jī)組以及其他無功設(shè)備共同調(diào)節(jié)，需要由機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)以及直流站控?zé)o功控制共同配合調(diào)節(jié)。

圖2 送端交流電壓趨勢(shì)曲線Fig.2 AC voltage trend curve of sending terminal

圖3 送端頻率趨勢(shì)曲線Fig.3 Frequency trend curve of sending terminal

圖4 送端輸送功率趨勢(shì)曲線Fig.4 Transmission power trend curve of sending terminal

天生橋馬窩換流站的無功控制與天一電廠的發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制交流電壓，而送端的頻率與輸送的有功功率則依靠頻率限制控制（FLC）和天一電廠發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器一起配合進(jìn)行調(diào)節(jié)。送端的交流電壓、頻率、傳輸?shù)挠泄β蔬@三者是分析考察天廣直流孤島試驗(yàn)的關(guān)鍵，如果這三者未出現(xiàn)大的波動(dòng)，就表明孤島試驗(yàn)成功。天廣直流孤島試驗(yàn)結(jié)束后，收取的送端交流電壓趨勢(shì)曲線見圖2，送端交流頻率趨勢(shì)曲線見圖3，天廣直流雙極輸送功率趨勢(shì)曲線見圖4。依據(jù)《電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》［6］《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》［7］，可以看出，天廣直流在其整流側(cè)交流元件跳閘后可以平穩(wěn)地由聯(lián)網(wǎng)方式過渡至孤島方式運(yùn)行，送端交流側(cè)電壓、頻率未發(fā)生較大的波動(dòng)，輸送功率平穩(wěn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；孤島運(yùn)行時(shí)可以穩(wěn)定地改變傳輸功率；小擾動(dòng)諸如30MW機(jī)組跳閘的情況下，頻率及傳送的功率未發(fā)生大的波動(dòng)，較為平穩(wěn)，電壓出現(xiàn)了一定的波動(dòng)，最大值達(dá)到246kV，最小值達(dá)到218.5kV，處于實(shí)用動(dòng)態(tài)安全域PDSR（practical dynamic security regions）［8］內(nèi)，依據(jù)《天廣直流控制保護(hù)系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》［9］，此次波動(dòng)未超出安全穩(wěn)定范圍。

4 結(jié)論

考察天廣直流孤島運(yùn)行性能主要是考察送端的交流電壓、頻率、傳輸?shù)挠泄β剩ㄟ^觀察這3者的趨勢(shì)曲線圖，可以得出天廣直流可以平穩(wěn)地由聯(lián)網(wǎng)方式過渡至孤島運(yùn)行方式，天廣直流孤島運(yùn)行方式下，頻率限制控制功能正常、天一電廠機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)正常、兩者配合也是正常的，在天廣直流及天一電廠功率波動(dòng)在正常范圍內(nèi)，孤島系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。

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