高壓直流輸電過負荷限制功能分析及改進措施

梁天明，翁洪志，袁焯鋒

(南方電網超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州 510405)

高壓直流輸電過負荷限制功能分析及改進措施

梁天明，翁洪志，袁焯鋒

(南方電網超高壓輸電公司 廣州局，廣東 廣州 510405)

以南方電網興安直流輸電系統為例，介紹了直流輸電系統暫態過負荷、短時過負荷及持續過負荷等3種過負荷限制功能，以及3種過負荷之間轉化關系。針對直流輸電系統持續過負荷運行過程中出現的功率受限情況，詳細闡述了興安直流輸電系統一項過負荷試驗過程，分析了試驗過程中出現的異常現象，指出了過負荷限制功能與冷卻能力配合以及環境溫度采集等方面存在的突出問題。提出了直流系統過負荷運行及維護建議，改進了環境溫度采集方法，通過設置主環境溫度傳感器和備用環境溫度傳感器，實現了冗余配置，有效避免了直流雙極不平衡運行。有助于提升高壓直流輸電系統的維護水平及運行穩定性，同時為未來直流輸電系統過負荷功能的設計提供了有益的參考。

高壓直流輸電;過負荷;功率波動;環境溫度;冷卻器

0 引言

高壓直流輸電系統設計有一定的短時和持續過負荷能力，以滿足特殊情況下直流功率輸送的需求。當發生并聯交流線路跳閘或某一極直流系統閉鎖等故障或擾動時，可以通過直流輸電系統極控功能，瞬時提高健全直流極的輸送功率。在直流輸電系統過負荷能力范圍內，把故障交、直流線路輸送的部分或全部功率轉移到正常運行的直流輸電系統，從而減輕功率損失對交流系統的沖擊，提高系統運行的穩定性［1，2］。直流輸電系統對換流站冷卻系統依賴性較強。換流閥冷卻系統是換流站的一個重要組成部分，將換流閥上各晶閘管元件的功耗發熱量排放到閥廳外，保證晶閘管運行結溫在正常范圍內［3］。直流系統過負荷運行將導致晶閘管元件溫度迅速上升，循環水冷系統散熱壓力增大，嚴重時可能對換流閥造成不可逆轉的損傷。另外，環境溫度過高時可能影響冷卻系統熱交換，造成冷卻效果變差。基于多種因素的考慮，極控系統設置了過負荷限制功能。在一定的環境溫度條件下，充分考慮直流系統備用冷卻設備是否可用，以及換流器冷卻系統進水溫度等條件，根據高壓直流輸電系統主設備的過載能力計算得到直流輸電系統過負荷能力，從而對極功率/電流輸出的電流進行限制。近年來，由于高峰負荷期間直流系統持續大功率輸送，以及發生交流系統故障時，直流輸電系統對交流系統的緊急功率支援的需求［4，5］，電網運行方式安排直流系統過負荷運行的情況經常出現。但在實際運行過程中，由于直流輸電過負荷限制功能與冷卻器冷卻能力的配合上存在問題，導致直流系統持續過負荷運行時功率受限的情況時有發生。

1 直流輸電系統過負荷限制功能

1.1 直流過負荷限制功能分類

以興安直流輸電系統為例，興安直流設置的過負荷限制功能分為暫態過負荷、短時過負荷、持續過負荷 3 種［6］:

(1)暫態過負荷

暫態過負荷根據允許過負荷時間的不同分為3 s，5 s和10 s 3種過負荷，由于暫態過負荷時間相對較短，過負荷能力僅由環境溫度決定，與冷卻器是否冗余以及閥內冷水溫度等參考量無關。

(2)短時過負荷

短時過負荷根據環境溫度、內冷水入水溫度和換流變壓器冷卻系統是否有冗余等因素計算得到短時過負荷電流值和短時過負荷剩余時間。短時過負荷剩余時間Tovld計算方法:

Tovld取決于電壓參考值，當前直流電流值、環境溫度、閥冷卻能力等因素［7］。如果該時間耗完，直流系統將切換至低級別的過負荷。圖1顯示一段虛擬的Tovld(即trem)隨直流電流變化的趨勢，假設Id2h=1.25 p.u.，Idcont=1.2 p.u.(Id2h為2 h過負荷電流閾值;Idcont為持續過負荷電流閾值)。

圖1 短時過負荷剩余時間函數

－1→0 h:直流電流為1.15 p.u.，未啟動過負荷函數。

0→2.8 h:直流電流超過Idcont，短時過負荷啟動，trem不斷減小。

2.8→5.5 h:直流電流低于 Idcont，trem停止計數。

5.5→5.8 h:直流電流超過 Id2h，trem再次啟動，且下降斜率增大。

5.8→12 h:直流電流低于 Idcont，trem停止計數。

12→13 h:12 h結束后，計數器復歸，過負荷剩余時間重新計算。

(3)持續過負荷

連續過負荷能力即長時間過負荷能力，一般為直流輸電系統方式安排過負荷。其過負荷水平主要與環境溫度、換流變壓器備用冷卻系統是否投入及內冷水入水處溫度決定。

1.2 過負荷限制激活條件及其轉化關系

3種類型過負荷邏輯均由極控系統實現，其中持續過負荷可長時間實現，而另外兩種過負荷均有時間限制。除人為提升直流功率至過負荷水平外，過負荷一般在特殊方式下由極控自動激活。極控通過監測直流電流確定直流過負荷水平，當過負荷時間超過規定限制后，極控系統按照“暫態過負荷＞短時過負荷＞長期過負荷”的邏輯關系，自動切換至低級別的過負荷水平［8］。

圖2顯示了直流系統不同性質過負荷之間到相互轉換關系。直流系統發生故障，如果過負荷函數請求的過負荷水平x高于3 s過負荷 (曲線①)，過負荷函數將限制負荷水平在3 s過負荷;如果X介于水平A和水平B之間 (A＞X＞B)，極控將調整直流負荷在水平A運行。暫態過負荷結束后，直流系統轉至短時過負荷 (曲線④)。

圖2 各類型過負荷之間轉化關系

2 單極閉鎖引起直流暫態及短時過負荷

直流系統過負荷運行常出現在雙極運行發生單極故障的時刻。如果雙極功率值高于單極額定功率時，為避免功率損失，故障極的功率將最大限度轉移至運行極，使運行極過負荷運行［9，10］。此時先出現暫態過負荷并迅速轉化為短時過負荷。暫態過負荷和短時過負荷同屬于應急過負荷舉措，故此時應采用調度手段，手動降低直流功率至額定水平。

2014年7月7日16時20分，興安直流雙極滿負荷運行。極2直流線路故障，重啟動不成功導致閉鎖。雙極功率變化錄波圖如圖3所示。

極2閉鎖后，極2直流功率最大限度轉移至極1，故極1啟動3 s過負荷限制功能，根據當前冷卻條件，將極1直流功率限制在2 090 MW。由故障錄波可以看出，3 s后暫態過負荷結束，極控系統自動切換為短時過負荷，極1直流負荷進一步下降。直至手動調整直流功率至額定水平。

圖3 單極閉鎖引起過負荷故障錄波

3 高壓直流輸電系統持續過負荷試驗

持續過負荷一般為系統安排過負荷。直流系統過負荷運行對環境因素及系統輔助系統要求較高，故一般情況下不使用其過負荷能力。在系統緊急需要時，可臨時安排其過負荷運行，同時應注意監視換流變與平抗的油溫、線溫，閥冷卻系統內冷水入水溫度的變化趨勢以及環境溫度變化。如達到報警值，且溫度有上升趨勢，應當停止過負荷運行。

3.1 興安直流1.05倍過負荷試驗過程

過負荷試驗前，興安直流系統滿負荷3 000 MW運行，環境溫度為36.1℃，平抗冷卻器、閥冷卻設備均正常投入運行。極2換流變Y/Y A相單個風扇因存在缺陷處于停運狀態，其他冷卻器均正常運行。手動調整功率至3 150 MW，進行1.05倍過負荷試驗，記錄試驗開始前及2 h后關鍵參數如表1所示。

表1 1.05 p.u.過負荷試驗關鍵運行參數 ℃

表1中所列溫度均為最高溫度，可以看出:1.05倍過負荷運行期間各溫度參數有略微上升，但都在正常范圍內。雙極環境溫度均上升約3.4℃左右，最高至39.5℃。在過負荷試驗過程中出現一系列異常現象:功率由1.0 p.u.調至1.05 p.u.過程中，極2短時過負荷即啟動，短時過負荷剩余時間值不斷降低，極2暫態過負荷激活。隨后，極1短時過負荷及暫態過負荷相繼激活。且隨著環境溫度的上升，極2功率受限，部分功率轉移至極1，雙極不平衡運行，直流功率出現小幅波動。直至手動終止過負荷試驗，將興安直流功率調整至2 800 MW運行。

3.2 短時、暫態過負荷激活及直流功率波動分析

查閱雙極持續過負荷軟件邏輯［16］如圖4所示。

圖4 持續過負荷能力－環境溫度軟件邏輯

根據PLI6F模塊中12組數值得到雙極持續過負荷能力-溫度曲線，如圖5所示。

圖5 雙極持續過負荷-溫度曲線

由表1得到極2初始環境溫度為36.1℃，由于極2換流變Y/Y A相單個風扇故障，極控系統判斷極2冷卻器無冗余，由雙極持續過負荷能力－溫度曲線計算得到極2持續過負荷能力為1.029 p.u.，低于1.05 p.u.。極1初始環境溫度為35.8℃，且極1冷卻器有冗余，由雙極持續過負荷能力－溫度曲線計算得到極1持續過負荷能力為1.125 p.u.，高于1.05 p.u.。故當直流功率設定為1.05 p.u.時，隨著功率上升，極2啟動短時過負荷，短時過負荷能力升高為1.1 p.u.左右，而極1維持在持續過負荷工況。

極2換流變Y/Y A相單個風扇故障，極控系統判斷冷卻器無冗余，故極2短時過負荷能力較極1略低。雙極短時過負荷與環境溫度軟件邏輯關系［16］如圖 6 所示。

圖6 雙極短時過負荷能力-環境溫度軟件邏輯

根據PLI6F模塊中12組數值得到雙極短時過負荷能力-溫度曲線，如圖7所示。

圖7 雙極短時過負荷-溫度曲線

隨著環境溫度上升，極2當前負荷率先高于其短時過負荷閥值，極2暫態過負荷啟動。暫態(10 s)過負荷時間結束后，系統自動切換至短時過負荷。隨著環境溫度緩慢升高，此時的短時過負荷水平已經低于暫態過負荷啟動前的水平，故極2負荷被限制。該過程周而復始，每經歷1個周期，極2直流功率都會被限制而呈現階梯狀下降。由于直流系統功率控制模式采用雙極定功率控制模式，為維持雙極功率恒定，極2被限制功率轉移到極1，極1直流功率迅速被迫抬高，達到極1持續過負荷閥值，極1短時過負荷限制功能激活，導致雙極不平衡運行，雙極直流功率變化錄波如圖8所示。

由圖8可以看出，極1環境溫度最終穩定在39.1℃，功率輸送能力穩定在1.075 p.u.左右。極2環境溫度穩定在39.5℃，并小幅下降，功率輸送能力穩定在1.025 p.u.。如圖9所示。

圖8 雙極不平衡運行變化趨勢圖

圖9 雙極直流功率輸送能力變化趨勢圖

此時雙極功率輸送能力:

由圖9可以看出，雙極直流功率輸送能力穩定在1.05 p.u.左右，與當前過負荷試驗設定直流功率曲線重合，并隨著環境溫度變化而對當前功率進行限制，導致雙極功率小幅波動，直至手動降低雙極功率。

4 暴露的問題及其改進建議

(1)查閱極控系統各類型過負荷能力如表2。

表2 各類型過負荷所允許功率值 p.u.

系統允許過負荷受環境溫度影響較大，尤其是在環境溫度超過38℃時，各類型過負荷水平在2℃的溫差范圍內將迅速降低至1.0 p.u.，即系統不具備過負荷能力。故在環境溫度超高38℃時禁止安排系統過負荷運行，以免造成功率限制，引起功率波動。

(2)單個風扇故障，極控系統判斷該極冷卻器無冗余，大幅降低相應極過負荷能力。但從過負荷運行記錄的關鍵參數來看，雖然極2Y/Y A相單個風扇故障，但A相換流變壓器油溫和線溫與其他兩相基本相同，即極2Y/Y A相單臺風扇故障對整臺換流變油溫、線溫幾乎無影響。如表3所示。

表3 1.05 p.u.過負荷試驗換流變油溫線溫記錄

當出現單個風扇故障導致冷卻器無冗余時，盡量避免直流系統過負荷運行，以免造成短時過負荷及暫態過負荷應急啟動，并最終導致直流功率受限或雙極不平衡運行。

修改過負荷能力計算邏輯，對于暫態及短時過負荷計算邏輯可以用油溫、線溫代替冷卻器是否冗余作為過負荷能力計算的條件。

(3)過負荷能力計算所使用的環境溫度是由溫度傳感器采集而來。興安直流輸電工程環境溫度傳感器安裝于主控樓一樓V型轉角地帶，附近裝設有3臺空調室外機，該位置環境溫度受空調是否啟動影響比較大。加之該位置屬于墻角V型區域，散熱性差，該位置溫度顯著高于正常環境溫度。采集的環境溫度失準，造成計算所得過負荷能力降低。這也是在內冷水溫度、換流變油溫、線溫等參數均合格的情況下，卻造成了功率受限的一個重要原因。故建議對該環境溫度采集裝置重新選址，且在后期直流工程建設中盡量選取無人機因素干擾的開闊地作為參考環境溫度的采集地，以提高過負荷能力計算的精準度。

(4)同一換流站，雙極處于同一地理位置，環境溫度無差別。目前雙極環境溫度采集傳感器安裝同一位置，也是基于這一點考慮。現場信息采集裝置SU200收集室外環境溫度信號后，通過現場總線送至雙極兩套極控系統，用于過負荷能力的計算。其溫度采集及傳輸路徑如圖10所示。

圖10 雙極環境溫度采集及傳輸路徑

此溫度采集方法存在一定的缺陷:

①雙極溫度傳感器容易產生橫向誤差，尤其在環境溫度較高時，過負荷能力對環境溫度的微小變化反應敏感。由于雙極環境溫度測量存在橫向誤差使得雙極計算所得過負荷能力不同，很容易造成雙極不平衡運行。

②雙極環境溫度傳感器配置均無冗余。過負荷運行時，一旦單個傳感器出現故障，單極過負荷能力計算失誤，容易引起功率跳變或雙極不平衡運行。

建議做如下改進:設置主環境溫度傳感器和備用環境溫度傳感器，如圖11所示。

圖11 改進后雙極環境溫度采集及傳輸路徑

正常情況下，選擇主環境溫度傳感器所測得溫度值送至雙極極控系統，備用環境溫度傳感器作為冗余備用。同時，通過單片機對環境溫度的有效性進行判斷。當傳感器測量的環境溫度Tamb大于設定的最大有效值Tmax或小于設定的最小有效值Tmin以及環境溫度變化率T1－T2/(t1－t2)大于設定最大的變化率ΔT/Δt，判斷該環境溫度傳感器測量故障，自動切換至備用環境溫度傳感器。也可選擇手動強制切換至備用傳感器。

5 結論

本文針對直流輸電系統持續過負荷運行過程中出現的功率受限情況，通過對高壓直流輸電系統過負荷試驗暴露出的典型問題的分析，指出了環境溫度采集，冷卻器冷卻能力判斷方面存在的突出問題，給出了具體的運行維護建議。提出了包括環境溫度傳感器選址及環境溫度采集方法等方面的改進建議，有助于改善持續過負荷運行時功率受限的情況，提高直流系統過負荷運行的穩定性。

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Analysis and Improvement on Overload Limit Logic in HVDC System

Liang Tianming，Weng Hongzhi，Yuan Zhuofeng
(Guangzhou Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou 510405，China)

Based on Xing-an HVDC systems in China Southern Power Grid，this paper proposes three kinds of overload limit functions such as transient overload，short-time overload and sustainable overload emphatically expounds an overload test process of Xing-an HVDC system．Deeply analyzes all the abnormal status during the overload test．Moreover，the study points out the problems between the overload limit function and colling capacity，and the environmental temperature acquisition based on the practical knotty problems exposed in the test，gives some suggestions on the DC system overload operation and maintenance，improves the environment temperature acquisition method．By setting the primary environment temperature sensor，and the standby environment temperature sensor，it realizes the redundancy configuration，effectively avoids unbalanced operation．Finally，the results show that the study is not only valuable for improving the maintenance capability and the reliable operation of HVDC system，but also provides useful reference to the design and construction of HVDC transmission projects in China in the future．

HVDC;overload;power fluctuation;ambient temperature;cooler

TM721

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.005

2015－04－21。

梁天明 (1984-)，男，工程師，研究方向為高壓直流輸電系統運行與控制保護研究，E-mail:ltianming@126.com。