特高壓直流工程的換流器并聯融冰方式與試驗研究

尹健，馬玉龍，蒲瑩

(國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

特高壓直流工程的換流器并聯融冰方式與試驗研究

尹健，馬玉龍，蒲瑩

(國網北京經濟技術研究院，北京市 102209)

輸電線路覆冰災害嚴重影響特高壓直流輸電系統的正常運行。介紹目前特高壓直流輸電工程所使用的線路防冰的運行方式。對換流器并聯融冰運行方式的效果進行分析計算，提出了融冰運行方式下的控制保護策略，并通過基于實時數字仿真器(real time digital simulator，RTDS)高壓直流輸電系統仿真平臺對融冰運行方式進行試驗驗證。在錦蘇特高壓直流輸電工程系統調試階段對換流器并聯融冰運行方式進行了現場試驗。仿真試驗與現場試驗的結果均證明換流器并聯融冰運行方式可行、有效。

特高壓直流輸電；換流器并聯融冰；實時數字仿真器(RTDS)仿真；現場試驗

0 引 言

覆冰是自然界中的一種天氣現象，對于電力系統而言，覆冰一直是威脅架空輸電線路系統安全運行的重要因素之一。在世界范圍內覆冰引起的損失是巨大的，輕則會引起閃絡跳閘，重則導致金具損壞、斷線倒桿(塔)等事故，我國是輸電線路覆冰災害最嚴重的國家之一，冰害事故時有發生。繼1974—1976年全國電力系統發生大面積冰災之后，又發生了多次大面積冰災事故，如2005年2月華中地區、2008年1月華中和華東地區發生的大面積雨雪冰凍天氣，給電網系統造成了大范圍的破壞，造成較大的經濟損失和不良的社會影響[1-4]。

同時我國的特高壓直流輸電工程發展迅速，目前已有云南至廣東、向家壩至上海、錦屏至蘇南3條±800 kV特高壓直流輸電線路建成并投入運行。特高壓直流輸電系統輸送容量大、距離遠，可能穿越多個氣象區。作為西南水電外送工程，向上工程線路途經8個省市，地貌環境復雜，穿越多個覆冰區域。線路在發生冰害事故時，一般氣候惡劣，冰雪封山，交通受阻，通訊中斷，搶修十分困難，極易造成長時間停電，使企業和社會蒙受巨大損失。采用融冰技術，能夠提高特高壓直流工程抵御極端惡劣氣候的能力，提高工程的可靠性[5-8]。

國際上解決輸電線路覆冰問題應用最廣泛的是導線加熱融冰法，該技術與可控硅整流裝置結合，不僅能實現高效率的融冰，還能對系統進行無功補償，適用于500 kV以上線路。例如，俄羅斯直流研究所已成功研制了具有2個不同電壓等級的可控硅整流融冰裝置，該裝置的適用性很強，可根據不同情況對直流融冰電壓進行調節，以適應不同的應用環境，其綜合經濟效益較高。

我國對抗冰防災技術也開展了大量研究，取得了顯著成果。2011年，由湖南大學和湖南電力試驗研究院、國防科技大學等多個機構聯合承擔并完成的“輸電線路新型融冰、除冰技術及裝置”的科研成果在輸電線融冰領域中發揮了重要的作用。他們最新研制出來的先進直流融冰裝置，已經在多條220 kV輸電線路上成功地實現了直流融冰，證明了該直流融冰裝置的應用價值[9-13]。

1 高壓直流輸電線路防冰、融冰方式的比較與適用場合

針對特高壓直流輸電線路上的覆冰嚴重程度不同，可采取防冰或融冰方式予以應對[5-8]。

特高壓直流輸電線路的防冰方式通過對線路施加額定值左右的電流，利用導體產生的熱能阻止覆冰形成，這種方法可作為線路上尚未形成嚴重覆冰時的預防措施。特高壓直流輸電線路的防冰方式可通過改變輸電系統已有的運行方式實現。

1.1 雙極運行方式

雙極運行是直流輸電系統最典型的運行方式。在這種運行方式下可獲得額定大小的電流值。這種方式可對雙極的直流線路進行防冰，但同時直流系統輸送的功率也須維持額定水平。

1.2 單極大地運行方式

當直流輸電系統的一極不可用，或是送端系統無法提供足夠的功率時，可只運行其中的一極，使之維持額定電流，從而對其中一條直流線路進行防冰，此時直流系統輸送的功率為1/2額定水平。

1.3 單極金屬回線運行方式

在額定電流的單極運行方式的基礎上，將整流站的接地極斷開，以另一極的直流線路作為單極系統的電流回路，即可同時用額定電流對雙極直流線路進行防冰。此時直流系統輸送的功率為1/2額定水平。

以上3種運行方式均需要直流系統輸送的功率達到0.5 pu以上，在整流端提供功率不足的情況下，可以通過降低直流線路的運行電壓，以獲得較大的電流。

上述防冰方式的優點是容易實現，但易發覆冰的冬季通常處于枯水期，整流端系統不能提供足夠的功率，直流系統只能運行于低負荷工況，上述方式將不具備可行性。

1.4 雙極功率異向傳輸運行方式

為達到低負荷條件下直流線路流過大電流的目標，可通過改變直流輸電系統雙極的功率輸送方向，使兩極功率方向異向。增大每一極的電流，即增大每一極的輸送功率，雙極輸送功率之和并不會相應的增加，從而實現低直流輸送功率，高直流線路電流的效果。

這種防冰方式的特點是：

(1)防冰電流為直流系統的2 h過負荷值，約1.1 pu左右，但需校核無功配置是否滿足要求；

(2)在與交流系統交換較小功率的情況下，直流線路中通過較大電流，阻冰效果明顯；

(3)無須增加一次設備，或改變一次回路的接線方式，可實施性高；

(4)保護系統改造少，但一極異常停運后與交流系統交換的功率瞬間增加很多，應立即停運另一極。

1.5 換流器并聯融冰運行方式

當已經無法利用額定電流阻止線路上覆冰時，需要提高線路上流過電流強度以獲得更多焦耳熱進行融冰。在一定的環境條件下，融冰所需要的熱能決定于需要融冰線路的導線截面及導線長度。由于特高壓直流輸電系統電壓導線截面積大，線路距離長，傳統的移動式融冰設備分段融冰及外接電源分段融冰的方法無法對全線路進行快速融冰。

針對特高壓直流輸電系統的特點，通過操作直流場對應的開關和跳線來改變系統接線，使系統每站中的2個12脈動換流器并聯運行，從而提高直流線路電流，達到融冰的目的。根據換流器位置的不同，融冰接線方案可分為2種：(1)單極兩12脈動換流器并聯；(2)雙極兩12脈動換流器并聯。對于方案(2)，若兩極低端換流器并聯，則由于兩極通過中性線互相連接，2個低端換流器兩端電壓的極性必然相反，2換流器將構成1個回路，不能達到使電流加倍的目的，因此雙極并聯的兩換流單元中必須至少有1個為高端換流器。

目前向上工程和錦蘇工程中所采用的融冰方式均為雙極高端換流器并聯的融冰方式。以錦蘇工程為例，采用雙換流器并聯融冰的方式，理論上可以使線路上的融冰電流達到最大2.0 pu，即9 000 A，可以起到很好的融冰效果。

2 換流器并聯融冰的控制保護策略

2.1 基本控制策略

融冰方式下的控制策略采用了并聯多端直流系統的電流裕度控制，由極Ⅰ高端整流器作為電壓控制端，極Ⅱ高端整流器及雙極高端逆變器運行在定電流控制模式下。系統作為兩端特高壓直流系統正常運行時的控制策略為兩端電流裕度控制，由整流側控制電流，逆變側控制電壓。當系統轉為融冰方式運行時，通過修改控制軟件中各換流器電流指令值來改變各換流器的控制模式。修改前后各換流器電流指令值見表1。

表1 修改前后融冰方式下各換流器電流指令值

從表1可以看出，修改前2個控壓逆變器均具有0.1 pu的電流裕度，而修改后2個逆變器電流指令值均增至1.0 pu，轉為定電流控制。極Ⅰ高端整流器電流指令值增至1.2 pu，控制模式轉為定電壓控制。

2.2 無功控制策略

無功控制屬于換流母線的交換無功控制或電壓控制，與直流系統的控制方式無關。由于換流器的容量等參數未發生變化，現有無功控制設備容量滿足要求，不需要重新設計。

2.3 保護策略

融冰運行方式下，由于使用導線將雙極中性線電流引至對極極母線，使得該區域原有的保護失去意義，因此需要將相關保護如雙極中性線差動保護、備用站接地過流保護、極Ⅱ的金屬回線橫差保護的功能閉鎖，以防止保護誤動。其他大部分站內保護無需改動，如差動類、應力類保護。融冰運行相較正常運行方式而言對直流線路保護影響較大，若考慮線路重啟涉及面較廣。因此直流線路發生故障后應直接雙極閉鎖。單一換流器發生故障后另一換流器也應立刻停運。

3 實驗室仿真

利用實時數字仿真器(real time digital simulator, RTDS)及錦蘇工程的控制保護仿真系統進行了換流器并聯方式融冰的仿真。一次系統建模包括兩側交流系統、交流濾波器、換流閥、平抗、直流濾波器、直流線路、開關等，主回路參數與實際工程相一致。

3.1 啟動

先以最小電流450 A解鎖極I，極I解鎖后，再以最小電流指令解鎖極Ⅱ。圖1所示為啟動過程的錄波波形。

注：UDN為直流中性線電壓；UDL為直流母線電壓；IDL為直流母線電流；αALPHA_CV1為高端換流器的觸發角實測值。

圖1仿真試驗換流器并聯融冰方式下啟動過程錄波

Fig.1Startprocessrecorderunderde-icingmodeofparallelconvertersinsimulationtest

3.2 提高電流至額定值

兩極解鎖成功，運行穩定后，可將極I電流參考值增大；當極I達到最大電流后，極Ⅱ開始升高電流至最大值。理論上換流器最大電流為額定電流，考慮到受換流器最大允許的觸發角、關斷角等限制，該值一般約為0.9 pu。

3.3 停運

2個極均降至為小電流450 A后，將控制模式由聯合控制切換為獨立控制。在整流站閉鎖極Ⅱ，極Ⅱ閉鎖后，在整流站閉鎖極I。然后在逆變站先閉鎖極Ⅱ，再閉鎖極Ⅰ。最后將獨立控制轉為聯合控制，試驗完成。圖2所示為停運過程波形圖。

圖2 仿真試驗換流器器并聯融冰運行方式下停運過程錄波

試驗實現了特高壓直流輸電仿真系統的并聯融冰方式運行，線路最大電流為8.04 kA，線路壓降為91 kV，直流線路損耗功率為1 480 MW。

4 現場試驗

在錦蘇工程現場系統調試期間，對雙極高端換流器并聯融冰的運行方式進行了試驗，試驗中極I最大電流指令為530 A，極Ⅱ最大電流指令為600 A。

4.1 試驗步驟

(1)極I執行最小電流指令450 A解鎖。

解鎖后電流大于500 A，約3 s后降至450 A，解鎖波形與運行人員操作界面見圖3。其中的運行人員操作界面直觀展示了換流站內主設備的運行狀態，深色表示運行設備或處于合位的開關，淺色表示非運行設備或處于分位的開關。

(2)極Ⅱ執行最小電流指令450 A解鎖。

解鎖后電流為450 A。解鎖波形與運行人員操作界面見圖4。

(3)極Ⅱ電流由運行人員升至550 A，直流系統運行穩定。

圖3 現場試驗換流器并聯融冰運行方式下解鎖極I

圖4 現場試驗換流器并聯融冰運行方式下解鎖極Ⅱ

(4)極I電流指令輸入500 A，極I電流升降完成后，在500～550 A間振蕩，約20 min后，電流穩定在530 A。

(5)極Ⅱ電流由運行人員升至600 A，極Ⅱ功率上升平穩。

(6)極I電流指令輸入530 A，實際電流由530 A升至545 A，此時同里站極I電流為530 A。

(7)極Ⅱ、極I電流由運行人員分別降至450 A，升降完成后進行極閉鎖。

(8)極Ⅱ、極I閉鎖波形如圖5所示。

圖5 現場試驗換流器并聯融冰運行方式下停運過程

4.2 試驗現象分析

(1)極Ⅰ解鎖時實際電流比指令電流偏大，達到598 A。分析為逆變站電流控制器配合問題，但解鎖約3 s后電流降至450 A，因此解鎖過程未對系統造成大的影響。

(2)極Ⅰ電流在500～550 A有輕微振蕩，最后穩定在530 A。因融冰模式下，整流站極Ⅰ控制直流電壓，其他3個閥組為直流電流控制，極Ⅰ振蕩原因應為換流器間電流指令協調配合問題。

5 結 論

(1)并聯換流器的融冰方式充分利用了特高壓直流工程的特點，只需對現有主回路、控制保護進行少量改動即可實現近2倍額定直流電流的直流線路融冰電流，具有很好的融冰效果。

(2)利用RTDS搭建的閉環實時仿真系統對雙換流器并聯的融冰方法進行試驗，試驗電流達到了2倍線路額定電流的最大理想值，且直流系統運行穩定，效果良好。

(3)錦蘇工程現場試驗的結果表明，這種融冰方法易于實施，運行穩定，具備可行性。

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(編輯：張媛媛)

De-icingModeofParallelConvertersinUHVDCTransmissionandItsTestStudy

YIN Jian, MA Yulong, PU Ying

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

Icing disaster on transmission line has seriously affected the normal operation of UHV DC transmission system. This paper introduced the operational mode of anti-icing in UHV DC transmission system, analyzed the effect of de-icing mode of parallel converters, and proposed control and protection strategies for this operation mode. Then, the de-icing mode was tested on the simulation platform of UHV DC transmission system based on RTDS (real time digital simulator). The field test of de-icing mode of parallel converters was carried out during the commissioning stage of Jin-Su UHV DC transmission project. Both simulation test results and field test results prove that the deicing mode of parallel converters is feasible and effective.

UHV DC transmission; de-icing mode of parallel converters; real time digital simulator (RTDS)simulation; field test

國家電網公司科技項目 (B3443412K004)。

TM 77

： A

： 1000-7229(2014)06-0081-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.015

2013-12-05

：2013-12-24

尹健(1984)，男，工學碩士，工程師，主要從事直流輸電工程設計及研究工作，Email：yinjian@chinasperi.sgcc.com.cn；

馬玉龍(1975)，男，工學博士，高級工程師，主要從事直流輸電工程設計及研究工作，Email：mayulong@chinasperi.sgcc.com.cn；

蒲瑩(1973)，女，工學博士，高級工程師，主要從事直流輸電工程設計及研究工作，Email：puying@chinasperi.sgcc.com.cn。