许继电气股份有限公司 郭宏光 李雪群

嵊泗电力公司 颜明波

许继电气股份有限公司 王柏恒

嵊泗直流输电工程双极直流功率不平衡运行解决方案

许继电气股份有限公司 郭宏光 李雪群

嵊泗电力公司 颜明波

许继电气股份有限公司 王柏恒

本文，笔者结合嵊泗直流输电工程运行的实际情况，经过仔细地分析研究，进一步明确了造成双极直流功率不平衡运行的关键因素，即站间通信系统的不稳定以及直流场接地极CT（电流互感器）故障导致的双极电流平衡控制功能失效。实际运行表明，通过采用控制系统联合调频控制策略和双极电流平衡控制的新方法，对现场软件进行优化的方案是合理、切实可行的，大大降低了改造成本。

一、嵊泗直流工程调频控制原理

1.工程概况。嵊泗直流输电工程是我国第一条双极跨海直流输电工程，是为了解决嵊泗县电力紧缺以及宝山钢铁公司马迹山港矿山转运码头正常生产所需电力而建设的。自上海市南汇区的芦潮港换流站向浙江省嵊泗列岛的嵊泗换流站供电，直流额定电压为±50 kV，直流额定电流为600 A，直流额定功率在正送时（芦潮港送嵊泗）双极为60 MW，单极为30 MW，2002年投入商业运行。2002年嵊泗岛内的基本负荷为10 MW，马迹山矿山码头的冲击负荷为12 MW，调频控制的目的是针对直流输电系统受端为弱小系统时的情况，将受端交流系统频率作为调制量，充分利用直流输电调节功率快速的特点，满足受端弱小系统在各种动态情况下安全、稳定运行的要求。特别是要满足岛内所有柴油发电机组关闭、仅靠直流输电作为电源的“黑网”运行的要求。

2.直流频率控制系统及其功能。主要包括，受端交流电网频率的测量，直流系统起停过程中的频率干预功能以及直流系统正常运行时的频率控制功能。直流频率控制系统如图1所示。

（1）受端交流电网频率的测量。其原理是，首先将交流同步电压由正弦波调整为方波信号，使用高频计数器对周期进行精确计算，得到逆变侧（受端）交流电网的频率。然后将频率信号通过直流输电控制系统的快速站间通信通道送到整流侧（送端）。

（2）直流输电系统起停过程中的频率干预功能。直流系统起停过程和功率升降过程中，如果频率偏差超过门槛值，将暂时停止上述过程的执行，以尽量减小直流功率变化对受端电网系统稳定性的影响。待受端电网达到新的功率平衡后，再继续执行上述过程的，直到直流功率达到设定值。

（3）直流输电系统正常运行情况下的频率控制功能。通过整流侧控制系统判断逆变侧电网频率偏差是否超过某一门槛值，一旦超过该值，调频控制便发出调频有效信号。此时，通过开放数字式频率调节器计算出的逆变侧交流电网的频率信号，进行调节算法，根据当前直流系统的控制模式（功率控制还是电流控制），输出一个功率或电流调制信号，并叠加到设定的功率或电流参考值，从而使得直流功率的动态地变化。这样，当逆变侧交流系统出现扰动和负荷波动时，直流系统能够动态地改变输送直流功率的大小，通过直流功率的支持使交流系统随时保持动态的平衡。调频控制原理如图2所示。

二、调频控制中的问题及原因分析

1.根据嵊泗直流工程控制系统最初设计采用双极独立调频方式。这样做的好处是双极独立配置频率控制器，双极之间不需要依赖极间通信进行协调。该控制策略基于如下考虑。一是在极间通信故障、测频环节故障或站间通信故障情况下，一极退出调频控制，另一极仍能完成系统调频功能。二是在发生双极调频不同步时，由双极电流平衡控制模块来保证双极的平衡运行。

嵊泗直流输电系统在运行初期，由于岛内基础负荷及马迹山矿山码头冲击负荷较小，双极直流持续在小负荷情况下运行，一极因检修和维护的原因闭锁后，另一极仍能满足全岛用电的要求。但是2007年以来，原有系统设计便已无法满足实际需求，双收不平衡运行。宝钢集团马迹山港矿山转运码头二期工程上马后，冲击负荷比2002年增加了2倍。同时，随着嵊泗县国民经济的快速发展，基本负荷比2002年增加了2倍多。因此，直流输电系统一个极的功率已不能满足基本负荷和马迹山港冲击负荷的要求。在双极不平衡运行的情况下，运行人员每天需要多次的人工平衡操作，不仅增加了运行人员的工作强度，同时也给直流系统的安全运行带来了不利的影响。

2.通过对两个换流站现场的调研、测试和分析，发现双极功率不能平衡运行的原因主要有以下两点。

（1）由于双极采用独立调频方式，两极频率控制的控制量均为嵊泗侧电网频率，该频率信号是通过高速站间通信（海缆复合光纤）送到整流侧频率控制器。通信路径是逆变侧极控→TDM设备→光端机→复合光纤通道→光端机→TDM设备→整流侧极控，由于两极的通信通道延时和误码率不完全一致，致使两极测频信号出现偏差，使得双极调频控制输出不一致。

（2）在正常情况下，即使出现双极功率不平衡，在动态冲击负荷的间隙期间，双极电流平衡控制仍能快速、自动地将双极电流拉回到平衡状态，并维持总功率不变。但由于接地极引线CT故障率较高，目前已无法工作，使得双极平衡控制无法发挥作用。

三、功能优化

相关分析表明，双极联合调频控制和双极平衡控制优化设计是解决嵊泗直流输电系统双极不平衡运行的关键。可以在不需要更换新的接地极CT设备，不需要增加任何硬件设备的前提下，使用软件优化的方法解决上述问题。

1.双极联合调频控制。

（1）解决方案的选择。采用最典型的主导极调频方式，即由主导极完成调频控制，非主导极不参与调频控制，主导极调频控制器输出调制量经过高速极间通信通道同时送给两个极，实现双极同步调频。但是这种方案的问题是，如果主导极站间通信故障，逆变站的频率信号无法传输到整流站，将使双极均失去调频控制，这对于在有冲击负荷存在下的嵊泗弱小电网系统的稳定性是非常不利的，容易导致嵊泗电网切负荷甚至造成系统崩溃。

为了最大限度地满足嵊泗直流工程调频可靠性的要求，双极调频采用新的调频控制方案。嵊泗电网在冲击负荷作用下，频率的变化是以s为单位的；而快速测频模块10 ms完成1次频率计算，是以ms为单位的，通过高速站间通信通道，10 ms就可以把频率数据送到整流站参与调频控制。如果将该频率信号送到另一极，快速极间通信也仅增加10 ms的时间，10 ms期间频率的变化相对于嵊泗电力系统来说可以忽略不计。基于以上基本分析，采用一个极的频率信号作为双极同步调频控制的输入是合理的。

（2）具体实现方案。首先，双极统一采用一个极的频率信号作为控制量，优先采用极一的频率信号。然后，再把极间通信和站间通信的状态作为选用各极频率信号的条件，从而大大减少站间通信系统故障对调频控制的影响。

（3）频率信号的基本选择策略。如果极一站间通信正常且极间通信正常，则双极都采用极一的频率信号；如果极间通信不正常，则各极采用各自的频率信号；如果极一站间通信不正常，极二站间通信正常，则双极都采用极二的频率信号。通信故障条件下的频率差处理流程如图3所示。

2.双极电流平衡控制。双极电流平衡控制是极控系统的基本功能之一。首先，通过过两个极的极控分别检测接地极引线电流Iee1和Iee2，对两个电流求和，得到Iee。然后，把该信号输入PI调节器中，并根据电流定义的方向，将电流大的极减小电流参考值、电流小的极增大电流参考值，直到两极达到电流平衡状态。

由于接地极引线CT故障，在不更换该CT的情况下，首先采用极间通信将两极的极线电流Id1经过200 ms平均滤波后进行互传，然后通过对两极的Id1和Id1-op进行求差，得到Iee，从而计算出接地极电流，利用原有的双极电流平衡软件模块实现电流的平衡控制。

四、试验

程序修改下载后，进行了双极开机、模拟极间通信故障、冲击负荷等试验，并对正常运行情况下的电流平衡能力进行了重点观测。通过波形分析软件抽取时间刻度点的数据，形成2个数据表格，如表1、表2所示。

表1 功能优化程序修改前电流不平衡数据A

表 2 功能优化程序修改后电流不平衡数据A

根据表1、表2计算得到：功能程序修改前，双极不平衡电流绝对差值的平均值△I1=110.1 A；功能程序修改后，双极不平衡电流绝对差值的平均值△I2=22.1 A；△I1/△I2=5。由于实际负荷是变化的，无法进行同一直流电流运行工况下的数据对比，但是控制行为中对平衡电流能力要求的标准却是一致的，且不受直流电流大小的影响，因此可以认为功能程序修改后的电流平衡能力是修改前的5倍。

五、结论

本文，笔者从嵊泗直流输电系统双极不平衡的问题出发，分析问题的关键因素，利用控制系统极间和站间高速数据通信通道及其冗余性，提出了双极联合调频的新方法和双极电流平衡控制的新原理。在不增加任何硬件设备的前提下，通过修改软件，较好地解决了双极平衡的问题，不仅可以提高嵊泗直流输电系统在弱网条件下的可靠性和可用率，还能有效减少阀设备的无功消耗以及滤波器组的投入，从而更好地满足了嵊泗直流“黑网”运行的要求。