云南多直流线路直流调制方案研究

吴琛，李玲芳，张丹，付俊波，王新宝，张玉琼

(1.云南电力调度控制中心，昆明 650011；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102)

云南多直流线路直流调制方案研究

吴琛1，李玲芳1，张丹1，付俊波2，王新宝2，张玉琼2

(1.云南电力调度控制中心，昆明 650011；2.南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102)

利用直流附加控制方式，即直流双侧频率调制和直流有功功率调制方式来增强系统的稳定性。通过直流线路的闭锁故障和500 kV交流线路的故障对比，分析得出采取多直流协同调制、直流调制与稳控装置的配合方式能增强系统的暂态稳定，并可减少系统故障后稳控装置的切机量，提高电网的经济效益。

多直流；直流调制；双侧频率调制；有功功率调制

0 前言

根据规划，云南将有三回直流线路运行。无论是交流系统侧的短路故障，还是直流线路的闭锁故障，都会给交流系统带来较大的故障冲击。在弱交流强直流的输电系统中，这种冲击引起的后果比较严重，往往成为限制交直流系统断面输送能力提高的瓶颈。因此通常需要采用附加控制拓展直流系统的控制能力[1]。根据直流系统附加控制的两种基本方式：双侧频差调制、直流有功功率调制，针对云南电网三回直流系统的地理位置及工作运行方式，文中采用电力系统分析工具软件 (PSD-BPA)对比分析了2015年系统故障后采取直流附加稳控装置的切机量和暂态稳定情况，并与无直流调制措施的对比分析，说明了直流调制功能的对系统的稳定性的影响。

1 直流系统附加控制

云南电网三回直流线路总功率为16 400 MW，根据直流长期过负荷1.1倍的能力，三回直流线路在额定功率输送时可调制的功率最大可达到1 640 MW，在直流线路非满功率输送时可调制的范围更广。因此采用直流调制将会对电网产生较大的影响。图1是云南电网在2015年方式下的典型潮流图，以下分析初始潮流均如图1所示，三回直流均额定功率运行，各换流站无功补偿装置已全部投入，直流功率提升过程中均不再投入或退出。

1.1 直流双侧频差调制

一般在特高压直流系统设计时，建议要求直流输电系统在控制及辅助控制设计功能上具有双侧频率功率调制功能。该调制以整流侧某一母线及逆变侧某一母线的频率偏差作为输入信号，然后分别经微分、滤波、导前补偿、陷波滤波和放大环节加以合成，再经限幅器后将其输出调节信号 (%)作为附加功率控制信号与功率控制指令信号进行综合，从而对直流输出功率进行控制，达到改善交直流混合系统暂态稳定性的目的[2]。双侧频率调制的传递函数框图如图1所示。

图1 直流双侧频差调制传递函数

传递函数各变量含义及常规取值说明如下：fREC、fINV——从整流侧、逆变侧采集到的频率；

f——系统额定频率，50 Hz；

Tmes——频率测量时间常数，一般取时间为0.01 s；

TWR、TW1——隔直环节时间常数，典型取值为10 s，用于滤除信号中的直流成分；

TF——滤波器参数，仅整流侧填写，逆变侧不填；

T1s、T2s——第一个超前、滞后时间常数(秒)；

X2、Y1、Y2、K1、K2——非线性环节参数；

Pmin——直流功率调制量下限值；

Pmax——直流功率调制量上限值；

1.2 直流有功功率调制

直流调制有多种模型可以使用，在本节中将使用直流功率调制模型，常规高压直流输电系统具有1.1倍的长期过载能力和3s的1.5倍短时过载能力，可供支援直流容量较大，在交、直流遭受严重故障情况下，利用高压直流的短时过载能力，可以弥补暂态过程中送短和受端的功率不平衡量，提高系统的暂态功角稳定性，相应的也能改善由于功率失衡而引起的电压波动和低电压持续时间过长的现象。

在多级系统中，系统首摆稳定裕度定义如下：

式中：MSA，Pm.SA，Pe.SA分别为单机无穷大系统的广义惯性时间常数、机械输入功率、电磁输出功率。受扰后发电机分为2群，S为严重受扰群，A为剩余群[3-4]。

可见，要想提高功角首摆过程中的稳定裕度，就需要提高Pe.SA，而提升直流功率Pd能有效增大Pe.SA，高压直流输电的有功功率调制的提升主要体现在首摆过程中对Pe.SA的增大效果上。多项研究表明，针对直流有功功率提升的起始时刻T对系统的暂态稳定性的影响是非常明显的。最佳的功率提升的起始时刻是故障后15个周波左右，对其他时刻而言，该时刻提升直流有功拥有较高的暂态功角裕度和暂态电压裕度。

在实际的直流运行中，为了安全起见，将直流运行中的提升速率限制在999 MW/m。然而该提升速率对提高系统暂态稳定性方面的意义不大，因此在仿真中假使直流功率能在短时间内快速跃升，设提升速率为999 MW/s。2015年云南电网结构下，有三条直流对外输送功率，可供输送的能量巨大，同时可以调节的能力也非常强。

2 双侧频差调制对直流闭锁的影响

2.1 双侧频差调制对楚穂直流双极闭锁影响

楚穂直流双极额定功率5 000 MW运行情况下，发生双极闭锁后，由于大量的功率转移，需要切除小湾机组，表1分析了糯扎渡直流和溪洛渡直流启用双侧频差调制前后对系统稳定性的影响。

表1 直流调制功能对楚穂直流双极闭锁的影响

由表1可知，采用直流双侧频差调制可以做到少切除其配套电源的机组，但需要注意在直流完成调制后，500 kV线路电压略有偏低，尤其是云广断面的罗平、百色站电压。

2.2 双侧频差调制对直流双极闭锁影响

当糯扎渡直流双极闭锁后，由于大量的功率转移，正常情况下，需要切除配套电源糯扎渡电厂的4台机组，表2为楚穂直流和溪洛渡直流启用双侧频差调制后，对故障后稳控切机量的影响。

表2 直流调制功能对糯扎渡直流双极闭锁的影响

由表2可知，糯扎渡双极闭锁后，若楚穂直流和溪洛渡直流启用双侧频差调制，则可以使糯扎渡直流配套电源少切机2台，可减少系统的切机量。需要注意的是当溪洛渡直流和楚穂直流均启用双侧频差控制时，墨江断面 (墨江—玉溪+墨江—惠历+思茅—通宝)潮流较重，需要在系统稳定后适当降低该断面的潮流，使其在断面极限功率以下。

2.3 双侧频差调制对直流三极、四极闭锁影响

溪洛渡直流在发生单极闭锁、双极闭锁后，系统均能保持稳定，但当系统发生三极、四极闭锁时，需要采取切其配套电源的措施以保持系统稳定。下面将讨论在这两种较严重故障时另外两条直流线路的双侧频差调制对其影响。

当溪洛渡直流三级闭锁后，由于大量的功率转移，正常情况下，需要切除配套电源溪洛渡电厂2台机组，表3为楚穂直流和溪洛渡直流启用双侧频差调制后对稳控装置切机量的影响。

表3 直流调制功能对溪洛渡直流三极闭锁的影响

当溪洛渡直流三级闭锁后，通过楚穂直流或糯扎渡直流启用双侧频差调制转移多余的功率，以此减少配套直流电源的切机量时，会导致百色站500 kV母线电压偏低。由于溪洛渡所处的地理位置，当楚穂直流多送功率时，极可能导致仁和—厂口线路功率超过N-1热稳极限。另外溪洛渡少切机也会导致多乐永-丰双线功率达到断面功率极限。

故由于受到断面极限和线路热稳极限的限制，子溪洛渡直流发生三极、四极闭锁后不能通过其他两条直流线路采取双侧频差调制手段减少溪洛渡直流配套电源的切机量。

3 直流有功功率调制

直流有功功率调制主要是利用直流一定的过负荷能力，提升直流有功功率，给系统留有更高的功角裕度和电压裕度。以溪洛渡直流双极闭锁后采用直流调制系统最大功角差 (图3)为例，可知启用直流调制功能后系统的最大功角差小于不采用直流调制时的功角差，系统的暂态稳定裕度得到提高。

图3 启用直流调制前后系统最大功角差

3.1 直流有功调制对楚穂直流双极闭锁的影响

楚穂直流双极闭锁后，不采取直流有功调制时需要切除配套直流电源的机组共计2 100 MW，下表是糯扎渡直流和溪洛渡直流采取直流有功调制后系统的切机量及稳定情况。

表4 直流有功调制对楚穂直流双极闭锁的影响

当糯扎渡直流或溪洛渡直流在楚穂直流双极闭锁后采取紧急有功调制，可以少切除金安桥600 MW的机组一台。故障后需要将另外两条直流线路的传输功率紧急提升到额定功率的1.1倍。

3.2 直流有功调制对直流双极闭锁的影响

糯扎渡双极闭锁后，系统有5 000 MW有功不能送出，主要采取措施是直接切除配套直流电源和通过交流通道转移多余的有功，如果楚穂直流和溪洛渡直流均启用直流有功调制后将会在长期过负荷的条件下向外多输送功率，在不启用直流调制时，糯扎渡直流双极闭锁需要切除4台糯扎渡电厂的机组，总计切机2 600 MW。

表5 直流有功调制对糯扎渡直流双极闭锁的影响

当溪洛渡和楚穂直流启用有功调制时，发生糯扎渡直流双极闭锁后，可以少切一台机。当这两条直流线路不是满功率输送时，直流可调节的功率也更大，可以更少的切除配套直流电源的机组。由于大量的剩余功率通过墨江断面送出，需要注意该断面功率不能超过其极限值。

3.3 直流有功调制对直流三极、四极闭锁的影响

表6 直流调制功能对溪洛渡直流三极闭锁的影响

发生溪洛渡直流三极闭锁后，因为直流线路的调节功率有限。楚穂直流和糯扎渡直流中的任一条直流采取调控措施均不能满足系统动稳要求。当两条直流同时采取有功调制时系统暂态稳定。但重载线路 (如仁和—厂口，红河—砚山)超过N-1热稳，另外百色站500 kV母线电压偏低，永丰—多乐双线功率达到了3 200 MW。故发生溪洛渡直流三极、四极闭锁故障后，故通过采用另外两条直流线路的有功调制的方法来减少切机量的思路不能实现。

4 两种直流调制方式的比较

三条直流闭锁故障下，分别就直流的两种附加调制方式双侧频差调制和有功功率调制对其影响进行了分析，这两种方式在改善系统的暂态稳定、动态稳定性方面有较好的效果，一条直流故障时另外两条直流线路通过这两种附加控制方式可以减少切机量，提高经济效益。

表7分别就楚穂直流、糯扎渡单极闭锁和溪洛渡直流的双极闭锁故障后，直流正常极采用直流有功调制和双侧频差调制后，系统的动态阻尼展开分析，通过对云南电网对主网的振荡模式分析可知，这两种附加的控制方式都能增强系统动态阻尼[5]，采用双侧频差调制对增强系统动态阻尼的影响略优于直流有功调制。

表7 不同附加控制对楚穂直流双极闭锁的影响

本质上，两种直流调制方式最终目的都是快速的提升或降低直流线路的输电功率，只是对输入量的响应时刻不同，双侧频率利用系统的频率来反应直流系统的故障，频率可以反映全网的有功平衡情况，但一般故障下，频率的变化量较小，切不同地点监测会有所差别，故双侧频差调制的两侧频率的监测点需要认真斟酌。直流有功功率调制可以以其他直流线路的功率输送值作为输入信号，也可监测某个断面功率，减少稳控装置配的切机量。故采用何种直流调制方式或两种调制方式如何协同配合还需要作进一步研究。

5 结束语

通过对云南三条直流工程的直流调制方案仿真分析后可知，当三条直流系统之间有效配合时，直流双侧频差调制和有功功率调制都能提高直流系统故障后的稳定性。某一条直流线路发生闭锁故障后，其他两回线路的直流调制 (双侧频差调制和快速有功功率调制)能提高系统稳定性，减少直流配套电源系统的切机量，提高经济效益。由于切机量的减少，某些线路或断面功率可能超过极限，需要及时对潮流作出调整。对溪洛渡直流闭锁故障，建议其他两条直流不采取有功功率调制措施。

通过对三条直流线路故障后，其他正常极的两种附加调制对系统动态阻尼的影响可知，直流双侧频差调制和有功功率调制都能较大幅度的提高云南电网的稳定性。采用双侧频差调制对增强系统动态阻尼的影响略优于直流有功调制方式。

[1] 徐政.含多个直流换流站的电力系统中交直流相互作用特性综述 [J].电网技术，1998，22(1)：16-19.

[2] 陈汉雄，莫骏.双侧频率调制改善特高压直流输电系统暂态稳定性研究 [J].中国电力，2009，42(2)：34-37.

[3] 谢惠藩，王海军，陈潜.云广特高压直流对南方电网稳定性影响 [J].电力系统及其自动化学报，2010，22(6)：130-137.

[4] 束洪春，董俊，孙士云，等.直流调制对南方电网交直流混联输电系统暂态稳定裕度的影响 [J].电网技术，2006，30(20)：29-33.

[5] 荆勇，洪潮，杨晋柏，等.直流调制抑制南方电网区域功率振荡的研究 [J].电网技术，2005，29(20)：53-56.

Study on Yunnan Multiple DC Modulation Scheme

WU Chen1，LI Lingfang1，ZHANG Dan1，FU Junbo2，WANG Xinbao2，ZHANG Yuqiong2
(1.Yunnan Electric Power Dispatching and Controlling Center，Kunming 650011；2.Nanjing Nari Electric co.，LTD.Nanjing 211102)

a method that using DC added control mode，i.e.DC two sides frequency modulation and DC active power modulation，to enhance the system stability is proposed.through the comparison of power grid under 500 kV AC faults and DC blocking faults，a conclude is reached that Coordination control among multi-DC coordination modulation，DC modulation and stability control equipment can enhance the system transient stability，reduce generation shedding quantity and raise the economy benefit of power grid.

DC transmission；HVDC modulation；bilateral frequency modulation；active power modulation

TM75

B

1006-7345(2014)05-0020-05

2014-04-26

吴琛 (1974)，女，硕士，高级工程师，云南电力调度控制中心，主要研究方向：电力系统稳定分析控制 (e-mail)elfwu＠21cn.com。

李玲芳 (1974)，女，硕士，高级工程师，云南电力调度控制中心，从事电力系统稳定分析控制和电网调度运行。

张丹 (1980)，男，硕士，高级工程师，云南电力调度控制中心，从事电力系统稳定分析控制和电网调度运行。