多端直流輸電系統第三站在線投退控制策略分析及建議

管宏升，黃勇，李榮濤

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650000）

0 引言

祿高肇直流是世界上首個在原有兩端常規直流工程（高肇直流）基礎上進行規劃和建設一座全新送端換流站（祿勸換流站），形成國內首個三端±500kV 常規直流工程[1]。相比于傳統的兩端直流輸電系統，多端直流輸電系統功能更多、運行方式更為靈活，有效解決了兩端直流輸電系統只能實現固定兩點間電能傳輸的弊端，實現三點或更多點的功率傳輸，盡可能高的提高清潔能源的利用率，提升不同區域電網間的互通互濟，實現多受點、多落點供電，更大程度發揮直流輸電系統的經濟性和靈活性，助力碳達峰、碳中和可持續發展目標實現。

第三站在線投退是指多端直流系統正常運行時，現場某站因突發性故障或檢修工作需要，將一極或兩極臨時退出，待檢修工作結束或根據調度安排，將停運的一極或兩極投入運行，整個過程中直流系統始終保持運行，有效減小停送電對系統的沖擊和影響。該功能是實現多端直流不同運行方式相互轉換的關鍵策略。因此。本文以祿高肇直流為例，分析多端常規直流的第三站在線投退控制策略，并與國內外其他多端直流進行對比，為后續多端直流工程建設提供參考。

1 祿高肇直流第三站在線投入策略

1.1 三端常規直流輸電系統基本結構及功能

祿高肇直流工程為LCC 三端并聯結構[2]，典型接線如圖1 所示。三站中祿勸站固定為送端，肇慶站固定為受端，兩站系統配置與傳統常規直流換流站保持一致，而高坡站可以進行極性轉換，既可作為送端換流站，還可作為受端站，故區域內接線較常規換流站有所區別，新增匯流母線區及極性轉換區。匯流母線區域是不同站點間電氣連接的部分，根據現場習慣，祿勸-高坡的直流線路命名為線路1，高坡-肇慶的直流線路命名為線路2[3]，各段線路之間通過高速并列開關（high speed switch, HSS）連接，每個HSS 開關兩側各有一把隔刀配合實現在線投入、退出功能。通過HSS 開關，調度可靈活根據云南水電、貴州火電出力情況，快速實現第三站在線投退功能（唯一送端、唯一受端除外），實時調節，減少棄水，實現云貴兩省水火共濟，加強彼此互聯；當某一站單極故障，通過在線退出功能，可快速推出故障極，保證系統繼續運行，如：祿勸站極1 因故障需退出，則通過HSS1 開關，在線退出祿勸站極1，此后可選擇繼續保持運行于“2+3”模式（極1：高坡、肇慶運行，極2：三站均運行），或出于減小入地電流對周圍油氣管道影響等因素考慮，繼續通過HSS1 開關在線退出祿勸站極2，系統保持高坡送肇慶雙極大地回線模式運行。故障消除后通過HSS1 開關迅速投入祿勸站，恢復正常三端運行，并結合功率轉移策略，有效避免了常規兩端直流某站單極故障后該極必須停運的問題，減小停電范圍，最小化故障對系統的沖擊和影響。

圖1 祿高肇直流典型接線

1.2 在線投入基本原理

HSS 開關是實現極在線投退功能的關鍵設備，其技術參數直接影響控制策略，祿高肇直流HSS 開關關鍵參數如表1 所示。

表1 祿高肇直流HSS 開關關鍵參數

現場采用國產化HSS 設備，具有分合閘快速的優點，但同時其分斷電流能力受限于兩端直流電壓，當兩端直流電壓為20kV 時其最大分斷能力為20A。因此，為成功實現極在線投入功能，祿高肇直流場采用運行換流站移相降壓重啟降低HSS 開關兩端電壓差后投入HSS 開關的策略實現該功能。

考慮到高坡站具備極性反轉功能，第三站在線投入策略需對系統運行于祿勸-高坡送肇慶（二送一）、祿勸送高坡-肇慶（一送二）兩種情況分別討論。

（1）二送一模式。肇慶站作為逆變站控制電壓，祿勸站和高坡站均為整流站且都控電流，祿勸、高坡兩站的在線投入邏輯完全一致。假定目前運行工況為高坡送肇慶一送一，祿勸站雙極需在線投入。首先，運行人員要將祿勸站順控操作至閉鎖（即熱備用）狀態，同時查看監盤界面，確認HSS1 開關及其兩側的隔刀處于分狀態。當運行人員下發祿勸站雙極在線投入命令后，先將兩極HSS1 開關兩側的隔刀合上，隨后高坡站雙極移相，肇慶站雙極配合移相，待直流電壓降低到某一定值Ut（可根據設備耐壓能力進行整定）后，合上HSS1 開關，控制系統收到HSS1 開關的合狀態后，高坡站和肇慶站執行重啟，祿勸站延時T 時長后（T 用來消除通信延遲的影響，確保投入站后解鎖）解鎖。

（2）一送二模式。祿勸站作為整流站控電流，高坡站、肇慶站均為逆變站，高坡站控電流，肇慶站控電壓。僅系統為祿勸送高坡一送一時，高坡站較為特殊，做為逆變站控電壓。高坡極性反轉（為逆變站，做為受端站）工況下高坡站和肇慶站的投入過程基本一致，區別在于肇慶站投入時，高坡站會從控電壓切換成控電流。假定工況為祿勸送肇慶，高坡站需雙極在線投入，此時，高坡站的投入過程和二送一模式下祿勸站和高坡站投入過程幾乎相同，在收到HSS2 開關合位后，以控電流模式延時T 時長后解鎖。假定工況為祿勸送高坡，祿勸站做為整流站控電流，高坡站做為逆變站控電壓，肇慶站雙極在線投入。肇慶站在脈沖使能前投入過程，與高坡站的投入過程一致。在HSS3 開關合位后，祿勸站與高坡站移相重啟，肇慶站以控電壓模式延時T 時長解鎖，當高坡站收到肇慶站的脈沖使能信號后，將調整電壓電流裕度，從控電壓模式切換為控電流模式。

在第三站投入過程中，若HSS 開關兩側隔刀合閘失敗，系統在110s 內無法收到其合位信號，系統判定順控故障，第三站解鎖失敗，隔刀返回最初分位狀態，第三站保持隔離，在運站正常運行；若HSS 兩側隔刀在規定時間內合上，兩在運站進行移相，控制系統在規定時間（500ms）內未收到HSS1 合位狀態，則執行第三站退出邏輯，先分開HSS 開關，再拉開HSS 開關兩側隔刀，隔離第三站。若控制系統在一定時間（500ms）內無法收到HSS 開關分位信號，則直接執行三站閉鎖。如投入的站解鎖失敗，同樣執行第三站退出邏輯。

2 祿高肇直流第三站在線退出策略

類似地，第三站單極或雙極在線退出需考慮高坡站運行工況，分不同情況進行討論。

（1）二送一模式下，祿勸、高坡兩站的在線退出邏輯完全一致。假設目前的系統運行方式為祿勸-高坡送肇慶，高坡站需在線退出雙極，具體退出控制策略為：首先，核實系統功率控制模式，若為雙極功率模式，需要先切換成單極電流模式，并將退出站單極或雙極的功率降至最小功率（0.1p.u.）。當退出站的功率降至最小功率后，送端站祿勸站移相，待HSS2 開關的電流滿足分閘條件（電流小于定值）后，自動將HSS2 開關及兩側隔刀分開，高坡站閉鎖，送端祿勸站與受端肇慶站同時執行移相重啟命令，退出過程中，控制系統在規定時間（500ms）內收到HSS2 開關分位信號，極控給直流站控發出分HSS 兩側隔刀命令，第三站在線退出成功。若此時HSS 開關兩側隔刀無法分開，運行人員手動操作拉開即可，對另外兩站無影響。若控制系統規定時間內未收到HSS 開關分位信號，則執行三站閉鎖邏輯。

（2）一送二模式下，肇慶站控電壓，高坡站控電流，退出過程存在差異。假定系統運行工況需高坡站雙極在線退出。首先，若處于雙極功率控制模式，則需要切換成單極電流模式，并將高坡站的功率降至最小功率。送端站祿勸站移相，等HSS2 開關的電流滿足分閘條件（電流小于定值）后，自動將HSS2 開關及兩側隔刀分開，高坡站閉鎖，在運的送端祿勸站重啟，高坡站在線退出成功。假定工況為肇慶站雙極在線退出。肇慶站在線退出命令下達后，調整本站的電壓電流裕度，將控制方式由控電壓切換成控電流，同時高坡站調整電壓電流裕度，將控制方式由控電流切換成控電壓。若處于雙極功率控制模式，則需要切換成單極電流模式，并將肇慶站的功率降至最小功率。送端站祿勸站移相，等HSS3 開關的電流滿足分閘條件（電流小于定值）后，自動將HSS3 開關及兩側隔刀分開，肇慶站閉鎖，在運的送端祿勸站重啟，肇慶站在線退出成功。

第三站在線退出過程中，若控制系統規定時間內未收到HSS 開關分位信號，則執行三站閉鎖邏輯；若HSS 開關能正常分閘但無法順控拉開其兩側刀閘，運行人員手動拉開即可，對另兩站無影響。

3 國內外其他工程在線投退策略

目前，隨著各國經濟蓬勃發展，對電力需求進一步增大，多端直流輸電由于自身技術、經濟等優勢，發展迅猛，國內外已經有多條多端直流投入運行。但不同回直流間由于所采用的換流閥、高速斷路器等設備原理不同，且系統運行工況差異較大，同時工程設計時未全部考慮極在線投退功能，導致具備在線投退功能的不同回直流間原理差異明顯。國內外已投運的多端直流工程典型參數對比如表2 所示[4]。

表2 國內外已投運的多端直流典型參數對比

梳理國內外已經投運且具備極在線投退功能的多端直流工程，其實現多端直流極在線投退的基本原理主要有3 種。

（1）直流斷路器直接分合。舟山柔直、南澳柔直、張北柔直采用該策略，因為相關直流工程電壓等級較低，且換流閥采用柔直換流閥，無法控制故障電流大小，需使用具有強分斷能力的直流斷路器來分斷大電流[5]。

（2）直接分合HSS 開關。印度NEA800 直流工程采用該策略，因為其工程換流閥結構特殊，且輸電線路長度較短，不會產生較大的空載感應電壓，直接分合HSS開關對設備沖擊有限，在可承受范圍內。

（3）在運換流站移相重啟后再分合HSS 開關。祿高肇、昆柳龍直流工程均采用該策略。兩個直流工程均具有上千公里的輸電線路，空載感應電壓大，設備無法分斷大電流，且昆柳龍直流為混合柔直，具備自主清除故障電流的能力，因此也采用在運站先閉鎖以降低HSS兩端電壓差和待切除電流，達到技術條件后再分合HSS 開關實現極在線投退功能。

4 結語

本文詳細分析了祿高肇三端直流的極在線投入退出策略，并結合現場實際操作，證明在運換流站移相重啟后再分合HSS 開關的策略是多端直流實現不停電情況下極在線投入退出的可行方案，但受限于HSS 開關的開斷電流等參數，系統執行移相重啟策略，這導致實際投退過程中會出現三站瞬時閉鎖，功率損失，對送受端系統考驗較為嚴峻。最后，介紹了目前已投運多端直流實現該功能的方法，為后續研究者提供不同的解決思路，供后續多端直流工程建設者參考。