制約葛南直流大負荷精準控制的關鍵因素

付廣旭 王永平 羅金輝

制約葛南直流大負荷精準控制的關鍵因素

付廣旭 王永平 羅金輝

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

2023年，葛南直流工程進行了控保及換流閥改造。試運行期間，系統出現過負荷限制電流導致功率未達到1 160MW的異常情況。為此，首先對改造后直流線路在大負荷情況下運行時送端直流電壓無法達到額定電壓的原因進行分析，并在此基礎上分析制約大負荷精準控制的關鍵因素，包括交流電壓低或換流變檔位低、控制中設定的相對直流感性壓降值高于實際值、熄弧角運行在額定參考值之上；然后簡要分析直流電壓的測量誤差、直流線路電阻及換流閥正向壓降的偏差對直流功率精準控制的影響；最后，提出具有針對性的解決措施并通過實時數字仿真平臺進行驗證。

直流輸電；精準控制；過負荷限制；大負荷；線路改造

0 引言

葛南直流工程于1989年建成投產，為國內第一條超高壓直流線路，創造了國內電力領域多項第一，開啟了我國高壓直流建設的序幕。工程建設所涉及的一、二次設備均由國外ABB等公司提供，屬于完全引進的高壓直流項目[1-2]。2005年，葛南直流工程完成二次核心控保設備全面國產化改造，標志著國內設備廠商已完全掌握了控保核心技術，為后期國內直流工程的建設奠定了堅實基礎[3-4]。2010年，葛南直流系統完成直流線路改造工作，直流線路傳輸容量得到提升，但受其他一次設備能力的限制，直流受端容量未獲提升，而送端容量由額定值1 200MW限制到1 160MW[5-7]。

2023年6月11日，葛南直流自主可控控保系統改造完成，標志著全國產化芯片級控保核心設備已走出實驗室[8]，首次成功應用于超高壓直流系統，解決了龍政直流改造主機所用的非全國產化芯片卡脖子問題[9]。但是，改造后直流系統在試運行期間多次出現過負荷限制直流電流，導致實際功率未能達到目標功率設定值1 160MW的情況。因此，本文對制約直流大負荷精準控制的關鍵因素進行全面深入的研究，以期為解決工程實際問題提供可行方案，保證直流系統具備大負荷精準控制的能力。

1 直流線路改造對送端直流電壓的限制

葛南直流線路同塔改造后，線路電阻較原設計電阻減小一半，導致線路壓降減小一半。直流線路壓降的減小，必然導致送、受端直流電壓特性的改變。送、受端直流電壓的關系為

式中：dR為送端直流電壓；dI為受端直流電壓；d為直流電流；L為線路電阻。

由式（1）可知，由于線路電阻L變小，直流電流d不變，若想保證送端直流電壓dR不變，則需提高受端直流電壓dI。受端直流電壓計算公式為

葛南直流工程的換流變分接頭采用定di0控制策略，即直流運行中換流變分接頭是不變的，直流的調節均由觸發角來完成。直流線路改造后，額定理想空載直流電壓di0N未獲提升，僅能依靠減小熄弧角來獲取更高的受端直流電壓。

由式（2）可知，受端直流電壓與直流負荷呈恒負載關系，不利于直流穩定控制[10]，即若想直流電壓不變，負荷越大，所需熄弧角越小。線路改造后，為獲得更高的受端直流電壓，需更小的熄弧角。在直流大負荷運行時，所需熄弧角超出電壓控制器的調節下限，被最大觸發角（MAX）控制限制在成套設計給定的額定參考值[11]，無法滿足送端直流電壓的控制要求，即線路改造后，大負荷運行時，葛南直流受端控制策略已由原控制電壓轉變為控制熄弧角。由此可知，直流線路改造后，必然導致送端直流電壓受限，無法達到額定500kV直流電壓。由于葛南直流系統無過負荷能力，在額定直流1 200A運行時，送端直流最大功率指令被限制在1 160WM。

2 制約直流大負荷精準控制的關鍵因素

由上述分析結論可知，送端直流功率無法達到目標指令1 160MW的直接原因為送端直流電壓低。受端無法獲得更高的直流電壓，對送端直流電壓的支撐不足，是無法達到目標功率指令的根本原因。

由式（2）可知，制約受端直流電壓大小的關鍵因素包括理想空載直流電壓、熄弧角及相對感性直流壓降。相對阻性直流壓降影響較小，忽略不計。本文著重對上述關鍵因素進行理論與數值分析。

2.1 受端理想空載直流電壓的制約

表1 受端理想空載電壓與直流電壓的關系

由表1可知，di0大小決定著直流端電壓的大小。若想確定直流功率的穩態低值，需要確定di0的穩態低值。di0可由式（3）確定。

式中：AC為交流電壓；ACN為額定交流電壓；CN為額定換流變檔位；CP為換流變檔位；CSTEP為換流變調節步長。

式（3）表明，di0與交流電壓的標幺值、換流變檔位CP及調節步長CSTEP有關。

在ACN=230kV，di0N=267.4kV，CN=16，CSTEP=0.01，調檔死區為2.1kV的條件下，根據式（3）可計算出di0與交流電壓的關系見表2。

由表2可知，265.3kV為di0穩態最低值，與其對應的交流電壓為228.2kV，換流變檔位為16檔。在上述交流電壓及檔位條件下，計算出的送端直流電壓為482.3kV，直流功率為1 157.5MW，為直流功率的穩態最低值。實際上，由于檔位調節時間在5s左右，動態交流電壓可能出現低于228.2kV的情況，送端直流功率被限制在更低的數值。

上述分析表明，受端交流電壓運行在較低值是送端無法達到目標功率1 160MW的主要原因。

2.2 受端換相電抗的制約

換相電抗是制約直流電壓的關鍵因素之一。理論上，換流變的換相電抗越小，在換相期間的換相壓降越小，可獲得的直流端電壓越高。實際上，換相電抗決定著控制系統中的相對感性直流壓降，其值大于實際值，不僅不會提高直流端電壓，反而會降低直流端電壓?？刂浦惺褂玫淖畲笥|發角MAX公式為

式中：0為直流電流指令值；為工程系數。

式（4）中，相對感性直流壓降x與換相電抗存在著對應關系。額定相對感性直流壓降xN可利用式（5）計算。

式中：K為短路阻抗百分數，與阻抗電壓百分數是等效的[12]；PLC為電力線載波（power line carrier, PLC）濾波器電感相對壓降。對換流站的6臺單相三繞組換流變銘牌信息進行梳理，列出額定檔位時的換流變阻抗電壓見表3。

表3 額定檔位時的換流變阻抗電壓 單位: %

表3中的阻抗電壓百分數即為短路阻抗百分數，取中位值14.7%作為實際的短路阻抗百分數。受端換流站的PLC濾波器已拆除，根據式（5）可計算短路阻抗百分數K為14.7%、15%時，對應的相對感性直流壓降分別為7.35%、7.5%。

在額定條件下，根據式（4）可計算出對應的最大觸發角控制輸出角度分別為143.519 2°、143.231 1°?？梢?，相對感性直流壓降值設置偏大將使觸發角減小，熄弧角增大，不利于直流端電壓的提高。

成套設計以熄弧角為參量的直流電壓公式來計算受端直流電壓，但熄弧角并非換流閥的實際觸發角度，利用式（2）無法有效分析換相電抗對直流電壓的綜合影響。若想進一步分析，需利用直接體現觸發角的直流電壓公式，即

式中：為觸發角；為疊弧角；t為換相電抗。

式（6）中，t一般無法通過換流變銘牌查出，但可以根據式（7）計算得到[13]。

式中：l、l分別為閥側額定線電壓、線電流；x為短路電抗百分數。

換流變的負載損耗組成復雜[14]，其相較于換流變容量非常小，可忽略不計。因此，短路電抗百分數等效于短路阻抗百分數[15]。在閥側額定線電壓l=198kV，線電流l=1 006A的條件下，根據式（7）可計算出短路阻抗百分數K=14.7%時，對應的換相電抗t=16.704 6Ω。

在t=16.704 6Ω，di0及d均為額定值的條件下，將短路阻抗百分數K為14.7%、15%時計算出的觸發角分別代入式（6），可計算出對應的直流電壓為468.293 4kV、466.689 1kV?？刂葡到y中設定的相對感性直流值偏大，將導致直流電壓降低。

2.3 受端熄弧角的制約

熄弧角是制約直流電壓的關鍵因素之一。理論上，在大負荷運行時，熄弧角被最大觸發角控制限制在額定熄弧角參考值附近。實際上，大負荷運行時，熄弧角常處于額定熄弧角參考值18°以上，因此有必要對熄弧角與直流控制的關系進行深入研究。在直流控制系統中，熄弧角是作為計算值而非實際的觸發角存在的，其值為

由式（8）可知，熄弧角與觸發角、疊弧角存在此消彼長的關系，其中觸發角才是真正對控制系統起決定作用的關鍵控制量，在大負荷運行時，其值受最大觸發角限制?？紤]實際情況，工程上使用的最大觸發角MAXen為

式中：PLL為基于鎖相環的觸發角測量值；MEAS為基于交流電網的觸發角測量值。

式（9）可以劃分為如下3個影響因子：

實際上，由于存在漏電流，影響因子1和影響因子2使觸發角提前0.238 8°，導致直流電壓降低。

最大觸發角控制中3個影響因子的影響疊加起來，將導致觸發角提前0.538 8°。在疊弧角不變的情況下，熄弧角將在額定熄弧角參考值上增大相應的角度。

2.4 受端疊弧角的制約

疊弧角是制約直流電壓的關鍵因素之一。在直流控制中，疊弧角的計算依賴換相電壓-時間區域面積的大小。由于受端觸發處于正弦電壓后半周，若觸發角減小，即觸發時刻提前，換相電壓-時間區域面積不變的情況下，將導致疊弧角提前的結束時刻超出觸發提前的時刻。而熄弧角采用換相電壓過零點時刻減去換相結束時刻來計算，觸發角的減小將從自身及疊弧角兩方面導致熄弧角增大。

工程上，可通過調整疊弧角的計算系數使熄弧角的計算更加準確，其對觸發無實質影響?？刹捎檬剑?0）評估相對感性直流壓降對疊弧角計算的影響。

由式（10）可知，增大相對感性直流壓降值，可以增大疊弧角。根據熄弧角的計算式（8）可知，觸發角不變，則間接減小熄弧角，用以補償由于工程應用帶來的熄弧角偏大的影響。

2.5 其他因素的制約

在工程改造中涉及測量、線路、閥等一次設備，其產生的微小誤差難以準確計量，本文僅予以簡要分析。

線路阻值偏差是影響直流電壓的因素之一。同塔并架改造后，直流線路電阻的理論標稱值為14.427 3Ω，受線路長度、塔距等計算誤差及天氣等因素的影響，成套設計給出線路電阻最小值為11.767 2Ω、最大值為15.308 9Ω。以額定電阻計算的送端直流電壓存在不確定性。

測量誤差也是不容忽略的因素之一。即使按2‰的誤差來算，額定直流電壓500kV的測量值也可能存在1kV的誤差，額定直流電流1 200A的情況下，能達到2.4MW的功率誤差。

換流閥的正向壓降等因素同樣也會影響直流電壓大小。

2.6 小結

在新建工程設計時，成套設計的裕度足以避免上述各關鍵因素的偏差對直流電壓造成的影響。線路改造后，在受端額定交流電壓及額定直流線路電阻條件下計算出的送端直流目標功率值存在裕度不足的問題。

由于工程不具備過負荷能力，無法通過增大直流電流來解決電壓受限所帶來的功率受限問題。因此，在受端交流電壓擾動時，易出現直流電流過負荷受限而無法達到功率目標值的情況。

3 提升大負荷精準控制的措施

本文針對制約大負荷精準控制的二次控制關鍵因素，提出對應的提升措施如下：

1）現場踏勘的換流變銘牌信息中，阻抗電壓小于成套給定參數，可調整控制系統中相對感性直流壓降與實際值一致，以提升直流電壓。

2）換流閥已改造為可控電網換相換流閥（controllable line commutated converter, CLCC），可有效防止換相失敗，理論上可以無限減小熄弧角，但受設備過應力的限制，可考慮降低1°，以提升直流電壓。

3）熄弧角計算值偏大于參考值，可考慮提高疊弧角計算系數，以使熄弧角計算值穩定在參考值附近。

4 仿真試驗

為了驗證本文所述結論及提升大負荷精準控制措施的有效性，在實時數字仿真（real time digital simulation, RTDS）平臺進行系列試驗。

4.1 模擬交流電壓變化試驗

在RTDS平臺上，模擬受端交流電壓在額定檔位調檔區間內變化對送端直流最大功率的影響。受端交流電壓與送端直流功率的關系如圖1所示。

圖1 受端交流電壓與送端直流功率的關系

由圖1可知，試驗結果與2.1節中所論述觀點一致，即受端交流電壓制約送端最大直流功率，當交流電壓低至一定程度時，送端直流功率無法達到目標功率。

4.2 模擬相對感性直流壓降變化試驗

在RTDS平臺上，模擬受端相對感性直流壓降在額定值與實際值區間內變化對送端直流最大功率的影響。受端相對感性直流壓降與送端直流功率的關系如圖2所示。

圖2 受端相對感性直流壓降與送端直流功率的關系

由圖2可知，試驗結果驗證了提升大負荷精準控制措施1）的有效性，降低相對感性直流壓降，可以提升送端直流功率。

4.3 模擬熄弧角參考值變化試驗

在RTDS平臺上，模擬受端熄弧角參考值在額定參考值附近區間內變化對送端直流最大功率的影響。受端熄弧角參考值與送端直流功率的關系如圖3所示。

圖3 受端熄弧角參考值與送端直流功率的關系

由圖3可知，試驗結果驗證了提升措施2）的有效性，降低熄弧角參考值，可以提升送端直流功率。

4.4 模擬疊弧角計算系數變化試驗

在RTDS平臺上，模擬疊弧角計算系數在額定參考值附近區間內變化對熄弧角的影響。受端疊弧角計算系數與熄弧角運行值的關系如圖4所示。

由圖4可知，試驗結果驗證了提升措施3）的有效性，提高疊弧角計算系數，可以降低熄弧角運行值。

圖4 受端疊弧角計算系數與熄弧角運行值的關系

5 結論

本文通過對直流系統相關計算公式的理論分析，闡述了制約葛南直流系統大負荷精準控制的關鍵因素，并結合工程實際數據計算出理論數值，對所提結論進行了驗證。在此基礎上，提出優化措施，并在RTDS平臺驗證了優化措施的有效性。本文研究結論可為深入理解高壓直流工程中各參量在實際控制系統中的作用提供參考，并為解決實際工程問題提供思路。

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Key factors restricting accurate control of high load in Ge-Nan direct current project

FU Guangxu WANG Yongping LUO Jinhui

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In 2023, Ge-Nan DC project carried out the renovation of control, protection and converter valves. During the trial operation, there was an abnormal situation where the power did not reach 1 160MW due to overload limiting current. Therefore, the reason why the DC voltage at the sending end cannot reach the rated voltage during high load operation after the renovation of DC line is analyzed firstly. On this basis, the key factors restricting accurate control of high load are analyzed, including low AC voltage or low converter gear, higher relative DC inductive voltage drop set in the control than the actual value, and extinction angle operating above the rated reference value. Subsequently, a brief analysis is conducted on the impact of measurement error of DC voltage, deviation of DC line resistance and forward pressure drop of converter valve on accurate control of DC power. Finally, targeted solutions are proposed and validated through the real-time digital simulation platform.

DC transmission; accurate control; overload limitation; high load; line renovation

2023-11-13

2023-12-04

付廣旭（1987—），男，吉林蛟河人，碩士，工程師，主要從事特高壓直流輸電控制保護技術研發工作。