孤島方式下雙極閉塞事件的分析

孤島方式下雙極閉塞事件的分析

0云廣直流系統(tǒng)直接孤島運(yùn)營(yíng)可以解決網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中大型雙極封閉趨勢(shì)的轉(zhuǎn)移帶來(lái)的主網(wǎng)絡(luò)的暫時(shí)穩(wěn)定問(wèn)題，這對(duì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高傳輸能力具有重要意義。f.。但在孤島方式下,送端電網(wǎng)的系統(tǒng)慣量和短路比較小,承受擾動(dòng)能力較弱。因此孤島系統(tǒng)的頻率、電壓控制及對(duì)各類穩(wěn)定問(wèn)題的應(yīng)對(duì)措施與傳統(tǒng)大系統(tǒng)相比存在很大的不同［２］。云廣直流是中國(guó)首個(gè)在設(shè)計(jì)階段就考慮采用孤島方式的直流輸電系統(tǒng)。由于小灣、金安橋電廠距離送端楚雄換流站在250km以上,云廣直流送端孤島系統(tǒng)十分薄弱,在額定輸送功率下屬于極低有效短路比系統(tǒng),如何確保這一系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,在世界上沒(méi)有先例。文獻(xiàn)研究了孤島系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)策略,提出了雙極閉鎖時(shí)過(guò)電壓抑制措施。文獻(xiàn)研究了孤島系統(tǒng)的頻率控制策略,解釋了雙極閉鎖時(shí)部分機(jī)組出現(xiàn)調(diào)相運(yùn)行的原因和應(yīng)對(duì)措施。這些研究大都集中在孤島雙極閉鎖后的控制策略,對(duì)于直流單極閉鎖后孤島系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性缺乏深入的研究。在云廣直流2013年“5·26”孤島調(diào)試中,進(jìn)行單極閉鎖試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了預(yù)料之外的雙極閉鎖事件。深入分析這一事件,對(duì)于理解孤島方式下單極閉鎖后頻率、電壓變化過(guò)程,分析直流系統(tǒng)無(wú)功控制及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的響應(yīng)特性,進(jìn)而完善孤島系統(tǒng)電壓控制策略有著重要的意義。1交流母線電壓及過(guò)流保護(hù)2013年5月26日16:42:02,云廣直流孤島調(diào)試進(jìn)行極Ⅰ單極保護(hù)出口閉鎖試驗(yàn)。試驗(yàn)中孤島系統(tǒng)安排9機(jī)(小灣5機(jī)×530MW、金安橋4機(jī)×600MW)5線(小楚甲乙線、小和線+和楚甲線、金楚甲乙線)方式,直流功率4905MW運(yùn)行,云廣直流孤島接線方式如圖1所示。從16:42:02.32單極閉鎖到16:42:21.72雙極閉鎖的過(guò)程中,云廣直流輸送功率、楚雄站交流母線電壓、孤島系統(tǒng)頻率的波形變化如圖2所示。為了分析方便,以單極閉鎖時(shí)刻16:42:02.32作為初始時(shí)刻t０,即t０=0。事件具體過(guò)程分析如下。t０=0s,人工設(shè)置直流低電壓保護(hù)(27DC)使極Ⅰ閉鎖。t１=0.09s,因直流功率大幅降低,楚雄換流站交流母線電壓快速升高至峰值627kV。t２=0.2s,極Ⅱ(單極大地回線運(yùn)行)進(jìn)入1.4倍過(guò)負(fù)荷,可持續(xù)3s。直流功率由極Ⅰ閉鎖前的4905MW快速降到3500MW,減少了1405MW。極Ⅰ換流變壓器吸收無(wú)功功率由1250Mvar下降到120Mvar,極Ⅱ換流變壓器吸收無(wú)功功率則由1250Mvar上升到2710Mvar,故直流系統(tǒng)總無(wú)功消耗增加了330Mvar。此時(shí)楚雄站母線電壓略有下降,至603kV。t３=1.22s,由于楚雄站母線電壓一直在600kV以上,滿足交流母線電壓UＡＣ>588kV(標(biāo)幺值為1.12,基值為525kV)超過(guò)1s的交流過(guò)電壓保護(hù)邏輯第Ⅰ段啟動(dòng)條件,直流站控發(fā)跳小組交流濾波器命令,第1組D型交流濾波器切除,母線電壓由612kV下降到605kV。接著,在相對(duì)時(shí)刻1.38,1.55,1.71s,繼續(xù)切除3小組D型交流濾波器,每切一小組交流濾波器,母線電壓就下降約7kV。t４=1.75s,楚雄站交流母線電壓被控制到581kV,低于588kV,不再繼續(xù)切除交流濾波器小組。t５=3.21s,極Ⅱ在3s時(shí)1.4倍過(guò)負(fù)荷結(jié)束,極Ⅱ功率降為1.1倍過(guò)負(fù)荷(2750MW),瞬時(shí)功率下降750MW。直流系統(tǒng)無(wú)功消耗出現(xiàn)短時(shí)上升隨即下降的過(guò)程:經(jīng)0.02s,即t=3.23s,由2740Mvar達(dá)到峰值3208Mvar;又經(jīng)0.08s,即t=3.31s,下降到2570Mvar,相比極Ⅱ1.4倍過(guò)負(fù)荷結(jié)束時(shí)減少了170Mvar。t６=3.30s,楚雄站交流母線電壓快速升高,由582kV升至峰值625kV,并在接下來(lái)的2s時(shí)間內(nèi)保持在612kV左右。t８=5.27s,極Ⅱ進(jìn)入1.1倍過(guò)負(fù)荷約2s,楚雄站運(yùn)行中的全部8小組A,B型交流濾波器因過(guò)流保護(hù)(定值為超過(guò)1.3倍額定電流,延時(shí)2s)相繼動(dòng)作跳閘,母線電壓下降到530kV。t９=6.70s,由于所有A,B型交流濾波器均切除,直流運(yùn)行不滿足最小交流濾波器要求(1A+1B),極Ⅱ啟動(dòng)換流器快速關(guān)斷順序(FASOF):0.15s后,即t１０=6.85s,極Ⅱ開(kāi)始降功率,經(jīng)12.55s后,即t１１=19.40s,極Ⅱ閉鎖。至此,云廣直流雙極均閉鎖。2直接鎖定器分析2.1動(dòng)態(tài)特性分析為了進(jìn)一步深入分析“5·26”單極閉鎖后孤島系統(tǒng)頻率、電壓的變化情況,將其與2013年“3·30”直流孤島雙極閉鎖試驗(yàn)(9機(jī)5線,直流功率4905MW,工況相同)進(jìn)行對(duì)比,曲線如圖3所示。在孤島直流雙極閉鎖(“3·30”)情況下,孤島電壓在經(jīng)歷了最初90ms的電壓突增后即快速下降,由于直流控制保護(hù)系統(tǒng)在故障后120ms將直流系統(tǒng)與孤島系統(tǒng)隔離(跳開(kāi)換流變壓器),隨后的孤島系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程由機(jī)組的勵(lì)磁、調(diào)速特性決定。而單極閉鎖(“5·26”)情況下,直流系統(tǒng)不會(huì)隔離,仍將參與孤島調(diào)節(jié)。從圖3中可知,單極閉鎖后惡劣的頻率和電壓水平持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)直流系統(tǒng)的一次設(shè)備耐受能力、控制保護(hù)適應(yīng)性以及閥冷等輔助系統(tǒng)均提出了更為苛刻的要求。2.2pss反調(diào)和雙極封閉下的發(fā)電機(jī)電壓波動(dòng)單極閉鎖后6s內(nèi)孤島系統(tǒng)持續(xù)過(guò)電壓的原因是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)反調(diào)。小灣電廠和金安橋電廠都采用的是圖4所示的PSS2B加速功率型PSS。發(fā)生單極(或雙極)閉鎖時(shí),由于機(jī)組出力快速下降,形成加速功率,轉(zhuǎn)速增加,發(fā)電機(jī)PSS輸出將迅速達(dá)到并在直流閉鎖后的頻率上升階段保持上限輸出(+0.1(標(biāo)幺值)),從而提高發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓,導(dǎo)致孤島系統(tǒng)內(nèi)9臺(tái)機(jī)組的機(jī)端電壓全部達(dá)到1.1(標(biāo)幺值),即圖3中2s至8s的過(guò)程。這就是單極閉鎖后的PSS反調(diào)問(wèn)題,對(duì)孤島系統(tǒng)的工頻過(guò)電壓控制帶來(lái)十分不利的影響。當(dāng)頻率爬升至峰值,機(jī)組原動(dòng)機(jī)功率在調(diào)速器作用下開(kāi)始下降時(shí),PSS輸出又迅速下降至下限輸出(-0.1(標(biāo)幺值)),機(jī)組的機(jī)端電壓又全部調(diào)節(jié)至0.9(標(biāo)幺值),從而導(dǎo)致了孤島系統(tǒng)電壓的大幅波動(dòng),即圖3中8s至10s的過(guò)程。為了減小PSS反調(diào)對(duì)過(guò)電壓控制的不利影響,目前采取的措施是當(dāng)發(fā)電機(jī)功率降低為0.1(標(biāo)幺值)以下時(shí),閉鎖PSS輸出。在直流大功率雙極閉鎖時(shí)由于直流功率降為0,機(jī)組出力都快速降至0.1以下,這種措施能夠有效發(fā)揮作用。但單極閉鎖或機(jī)組出力分配不均情況下的雙極閉鎖［７］時(shí),機(jī)組出力無(wú)法降低到0.1以下,該措施不能發(fā)揮作用?？梢?jiàn),通過(guò)設(shè)置機(jī)組出力閾值閉鎖PSS的措施對(duì)不同運(yùn)行方式和不同故障的適應(yīng)性較差。2.3交流特性保護(hù)直流側(cè)應(yīng)對(duì)交流電壓變化的控制環(huán)節(jié)主要包括應(yīng)對(duì)正常電壓變化的無(wú)功控制和應(yīng)對(duì)交流過(guò)電壓的過(guò)電壓保護(hù)［８］。直流無(wú)功控制包括Q模式和U模式,為提高孤島穩(wěn)定性,孤島方式下優(yōu)先采用U模式。在U模式下,當(dāng)交流母線電壓UＡＣ<Uｓｅｔ_ｍｉｎ延遲5s,自動(dòng)投入濾波器小組,Uｓｅｔ_ｍｉｎ為電壓下限整定值;當(dāng)UＡＣ>Uｓｅｔ_ｍａｘ延遲5s,自動(dòng)切除濾波器小組,Uｓｅｔ_ｍａｘ為電壓上限整定值。目前孤島方式下Uｓｅｔ_ｍａｘ為530kV,Uｓｅｔ_ｍｉｎ為510kV。由于延時(shí)較長(zhǎng),在單極閉鎖情況下不會(huì)快速響應(yīng)。交流過(guò)電壓保護(hù)(59AC)分為2級(jí),如圖5所示。第1級(jí),當(dāng)交流母線電壓UＡＣ>1.12,延時(shí)1s跳小組交流濾波器;當(dāng)UＡＣ>1.204,延時(shí)300ms跳小組交流濾波器,當(dāng)UＡＣ>1.288,延時(shí)100ms跳小組交流濾波器。第2級(jí),如果過(guò)電壓水平較高,禁止切除濾波器小組,以防止斷口恢復(fù)電壓損壞濾波器小組,當(dāng)UＡＣ>1.34延時(shí)90ms或UＡＣ>1.40延時(shí)20ms,將切除大組交流濾波器,但是要保證最小濾波器(1A+1B)不能切除,以便于直流功率的恢復(fù)和提升。在“5·26”單極閉鎖試驗(yàn)中,單極閉鎖后依靠交流過(guò)電壓保護(hù)切除4小組交流濾波器,但在極Ⅱ由1.4倍過(guò)負(fù)荷降為1.1倍過(guò)負(fù)荷后,由于系統(tǒng)頻率超出PSD的適應(yīng)范圍,交流過(guò)電壓保護(hù)出口無(wú)法切除小組濾波器。小組交流濾波器開(kāi)關(guān)就地控制邏輯如圖6所示。最后交流濾波器過(guò)流保護(hù)動(dòng)作,由于過(guò)流保護(hù)不通過(guò)PSD,故能將交流濾波器切除。交流濾波器呈容性,電流有效值,其中ω為角頻率,f為頻率,C為電容值,U為線電壓。I與頻率、電壓成正比,故過(guò)流保護(hù)在高頻、高壓條件下達(dá)到動(dòng)作條件。3交流濾波器過(guò)流保護(hù)針對(duì)“5·26”試驗(yàn)暴露的問(wèn)題,開(kāi)展了云廣直流控制保護(hù)、輔助系統(tǒng)應(yīng)對(duì)頻率、電壓大幅波動(dòng)的適應(yīng)性排查工作。目前控制、保護(hù)的頻率適應(yīng)范圍大都在50±2Hz,僅部分廠家產(chǎn)品具有頻率跟蹤功能,能適應(yīng)孤島系統(tǒng)頻率波動(dòng),相關(guān)措施仍在研究中。目前采取的應(yīng)對(duì)孤島單極閉鎖的措施包括。1)單極閉鎖聯(lián)切一臺(tái)機(jī),控制動(dòng)態(tài)最大頻率偏差。2)將PSD設(shè)備允許的最高和最低頻率改為50±4Hz。3)優(yōu)化交流濾波器過(guò)流時(shí)間延時(shí),保證交流過(guò)壓保護(hù)優(yōu)先動(dòng)作。在2013年7月14日重新進(jìn)行了孤島單極閉鎖試驗(yàn),未再發(fā)生雙極跳閘,試驗(yàn)中孤島系統(tǒng)頻率、電壓曲線如圖7所示。從頻率控制來(lái)看,在采取切機(jī)措施后將動(dòng)態(tài)最大頻率偏差控制在54Hz,超過(guò)52Hz的時(shí)間控制在20s內(nèi)。由于切機(jī)會(huì)降低孤島系統(tǒng)短路比,影響運(yùn)行的穩(wěn)定性,進(jìn)一步切機(jī)的措施并不可取,需要進(jìn)一步研究頻率控制措施并提高孤島系統(tǒng)應(yīng)對(duì)頻率大幅波動(dòng)的適應(yīng)能力。從電壓控制來(lái)看,直流站控過(guò)電壓保護(hù)在極Ⅰ閉鎖后切除4小組D型交流濾波器,楚雄站電壓控制在583kV左右。在極Ⅱ在3s時(shí)過(guò)負(fù)荷結(jié)束后,繼續(xù)切除4組濾波器,交流母線電壓降低至576kV左右。隨后由于PSS輸出由正變負(fù),孤島電壓經(jīng)歷了近100kV的下降,在單極閉鎖后11~28s內(nèi)出現(xiàn)了由電壓控制先投入3組濾波器后切除3組濾波器,最終楚雄站交流母線電壓穩(wěn)定至534kV左右。由于交流濾波器切除后需要7min的放電時(shí)間,經(jīng)歷上述頻繁投切后已無(wú)冗余可用交流濾波器,一旦出現(xiàn)相繼擾動(dòng),無(wú)功控制已無(wú)應(yīng)對(duì)能力?！?·14”單極閉鎖試驗(yàn)雖然沒(méi)有再導(dǎo)致雙極閉鎖,但從試驗(yàn)結(jié)果可以看到,閉鎖后電壓?jiǎn)栴}仍然存在,電壓偏高而且變化劇烈,需要進(jìn)一步深入研究孤島單極閉鎖后動(dòng)態(tài)過(guò)電壓的控制措施。4單極閉合后的動(dòng)態(tài)過(guò)載控制的改善措施4.1動(dòng)態(tài)電壓試驗(yàn)分析云廣±800kV特高壓直流工程技術(shù)規(guī)范中對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)電壓限值作出如下規(guī)定［３，９］。1)直流輸電部分或完全中斷時(shí)不應(yīng)在換流器的交流母線處產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間超過(guò)5個(gè)周期、大于(1130×550/3)kV的工頻電壓,且電壓變化不會(huì)超過(guò)擾動(dòng)之前的電壓的30%。2)從導(dǎo)致輸電中斷的干擾產(chǎn)生時(shí)起2s之內(nèi),工頻電壓應(yīng)在500ms之內(nèi)降到(1.15×550/3)kV以下,并在2s之內(nèi)降至擾動(dòng)前電壓的105%或者所有電容性分組都被切除后所能達(dá)到的電壓水平(以兩者中的較大值為準(zhǔn))。動(dòng)態(tài)過(guò)電壓(標(biāo)幺值)波形的限值如圖8所示。此處的電壓基準(zhǔn)值為550kV。從“5·26”“7·14”試驗(yàn)分析中可以發(fā)現(xiàn),目前動(dòng)態(tài)過(guò)電壓控制的主要問(wèn)題包括:PSS反調(diào),無(wú)法發(fā)揮機(jī)組進(jìn)相能力抑制過(guò)電壓,而且導(dǎo)致電壓大幅波動(dòng)和濾波器頻繁投切;過(guò)于依賴直流側(cè)無(wú)功控制,僅依靠交流濾波器的投切,沒(méi)有發(fā)揮發(fā)電機(jī)的電壓控制能力,應(yīng)對(duì)3s過(guò)負(fù)荷結(jié)束后第2輪功率回降引起過(guò)電壓的能力不足。本節(jié)針對(duì)這2個(gè)問(wèn)題,分別提出了廣域PSS和高壓側(cè)電壓控制的技術(shù)思路,并在PSCAD/EMTDC中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。4.2pss反調(diào)措施根據(jù)2.2節(jié)的分析,導(dǎo)致孤島單極閉鎖后電壓控制越限的主要原因是PSS反調(diào),退出PSS后能夠使楚雄站動(dòng)態(tài)過(guò)電壓水平下降50~60kV,處于580kV以下,避免過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作,如圖9所示。但PSS退出可能導(dǎo)致孤島系統(tǒng)阻尼水平降低。替代方案是采用基于機(jī)組轉(zhuǎn)速差的廣域PSS［１０，１１］,該措施能夠阻尼機(jī)間振蕩模式,同時(shí)在功率擾動(dòng)導(dǎo)致的頻率動(dòng)態(tài)中不會(huì)錯(cuò)誤動(dòng)作,能夠在不惡化系統(tǒng)阻尼的前提下解決PSS反調(diào)問(wèn)題［１２］。采用廣域PSS后孤島直流單極閉鎖電壓如圖10所示。4.3采用高壓側(cè)電壓控制交流濾波器的投切是離散控制,而且不能頻繁動(dòng)作。孤島系統(tǒng)過(guò)電壓控制中還需要充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的電壓控制能力。解決PSS反調(diào)后孤島單極閉鎖后楚雄站電壓仍在550kV以上,這是由于云廣直流極弱有效短路比的特性決定的。為解決這一問(wèn)題,需要進(jìn)一步改善發(fā)電機(jī)電壓控制策略,考慮在自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器定機(jī)端電壓控制基礎(chǔ)上引入高壓側(cè)電壓控制的策略［１３－１４］。在發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器輸入端引入負(fù)載補(bǔ)償單元,可以補(bǔ)償?shù)舨糠肿儔浩麟娍?設(shè)補(bǔ)償度為k,一般為50%~80%),則擾動(dòng)后,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制維持變壓器內(nèi)部某點(diǎn)電壓恒定,固定電勢(shì)和換流站之間的阻抗變?yōu)?1-k)倍的變壓器阻抗加上線路阻抗,阻抗減小,短路比增加,可以有效降低直流故障后的過(guò)電壓水平。根據(jù)測(cè)算,云廣直流孤島運(yùn)行時(shí),小灣和金安橋到楚雄換流站的阻抗中,變壓器阻抗占比約為30%~40%(和具體運(yùn)行方式有關(guān)),如果采用高壓側(cè)電壓控制補(bǔ)償80%的變壓器電抗,則短路比可以提高32%~47%,短路比提高非常明顯,直流故障后的過(guò)電壓水平可以進(jìn)一步降低約20kV。同時(shí)采用廣域PSS和高壓側(cè)電壓控制時(shí),孤島直流單極閉鎖電壓曲線如圖11所示。采用廣域PSS加高壓側(cè)電壓控制后,能夠僅依靠機(jī)組勵(lì)磁作用將單極閉鎖后動(dòng)態(tài)過(guò)電壓水平控制在580kV內(nèi)(楚雄500kV母線電壓約560kV