陳銳，劉靜佳，董華梁，曾杰，張弛

(1. 南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣州510680；2. 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京100085)

0 引言

送端為常規(guī)換流站、受端為柔直換流站、采用雙極雙閥組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)[1 - 3]，將常規(guī)直流換流站和柔性直流換流站并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補(bǔ)[4 - 6]，尤其是可避免換相失敗，并為電網(wǎng)提供動(dòng)態(tài)無功支持；且雙閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)第二個(gè)閥組的投退，運(yùn)行方式更靈活，單一閥組故障對系統(tǒng)的運(yùn)行影響更小[7 - 8]。

目前兩個(gè)閥組串聯(lián)僅用于特高壓常規(guī)直流輸電工程中，無特高壓柔直應(yīng)用先例，更無特高壓多端混合直流輸電工程的應(yīng)用先例。因此特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)在工程實(shí)施時(shí)，勢必面臨一系列嶄新的技術(shù)問題，而某一閥組故障退出的隔離控制方法即是其中之一。

特高壓直流輸電工程肩負(fù)著大容量的電能輸送任務(wù)，任一閥組的故障、隔離、檢修，都不希望影響與其相連的正常閥組的功率輸送。因此，需要研究適用于特高壓多端混合直流輸電工程的閥組故障退出控制方法，保證在任一閥組故障后，對系統(tǒng)的影響最小。

目前針對特高壓混合多端直流輸電工程的研究較少，且大多集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略等方面，偶有閥組的計(jì)劃投退控制研究[9 - 16]，尚無專門針對特高壓多端混合直流系統(tǒng)閥組故障退出控制策略。因此，亟須研究適用于特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的閥組故障退出控制方法，保證閥組故障后控制系統(tǒng)快速反應(yīng)，平穩(wěn)進(jìn)入新的運(yùn)行模式，避免大量功率傳輸中斷，為工程建設(shè)提供一定的借鑒。

針對目前研究現(xiàn)狀，本文提出一種適用于特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)的閥組故障退出控制方法，并在其RTDS硬件閉環(huán)測試平臺上驗(yàn)證了該控制方法的有效性及可行性。

1 柔性直流閥組基本控制策略介紹

一種典型的特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中送端采用傳統(tǒng)LCC型換流站，兩個(gè)受端采用柔直換流站，其橋臂為混合型模塊化多電平換流器(MMC)結(jié)構(gòu)(每個(gè)橋臂由全橋模塊和半橋模塊串聯(lián)構(gòu)成)，在滿足控制功能的同時(shí)，又能兼顧經(jīng)濟(jì)性[7]。

圖1 特高壓三端混合直流輸電工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Chart of three-terminal hybrid UHVDC system

該混合橋結(jié)構(gòu)中的半橋型MMC模塊端口電壓Udc與模塊電容電壓Uc存在固定的比例關(guān)系Udc=mUc(m為半橋模塊數(shù))；全橋型MMC模塊Udc=knUc(k為直流調(diào)制系數(shù)，且0≤k≤1；n為全橋模塊數(shù))， 通過改變系統(tǒng)k，保證Udc不隨Uc變化，模塊端口電壓與子模塊電容電壓解耦，完全實(shí)現(xiàn)二者的獨(dú)立控制[16 - 17]。

兩個(gè)受端換流站的混合橋結(jié)構(gòu)中，全橋模塊占70%，閥具有輸出負(fù)向電壓的能力，這為柔性直流閥組故障隔離時(shí)需要的零電壓大電流運(yùn)行提供了基礎(chǔ)[7,18 - 20]。

圖1所示特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)有多種運(yùn)行方式，基于我國產(chǎn)用不均的現(xiàn)狀，一送二的運(yùn)行方式更為常用。在此運(yùn)行方式下，容量較大的柔直換流站控制直流電壓其余兩站控制直流功率的控制方法更利于維持系統(tǒng)穩(wěn)定[13,21 - 22]。本文基于該運(yùn)行方式及控制模式，研究閥組故障后的退出控制策略。

2 閥組故障退出后運(yùn)行分析及控制策略

2.1 特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)閥組故障分析

三端混合直流輸電系統(tǒng)中，閥組故障分為常規(guī)換流站閥組故障和柔直換流站閥組故障兩大類。

2.1.1 常規(guī)換流站閥組故障運(yùn)行分析

常規(guī)換流站的某一閥組故障后，觸發(fā)其相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作，立即閉鎖故障閥組，將導(dǎo)致直流電壓和直流電流降低，為維持直流電流，與之串聯(lián)的另一個(gè)閥組降低觸發(fā)角至最小值；因直流電流實(shí)際值小于指令值，控直流電壓的柔性直流換流站將迅速切換至定直流電流模式，直流電壓下降至原來的一半，最終柔直站雙閥組半壓運(yùn)行，而閥組半壓運(yùn)行并非工程的正常運(yùn)行狀態(tài)。

2.1.2 柔直換流站閥組故障運(yùn)行分析

柔直換流站的某一閥組故障后，觸發(fā)其相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作，立即閉鎖故障閥組，此時(shí)直流線路中儲(chǔ)存的能量繼續(xù)涌向該故障換流站，導(dǎo)致閥組子模塊電容電壓立即上升；送端輸出功率全部流入無故障的柔直換流站，迫使無故障柔直站的直流電壓迅速上升，出現(xiàn)過壓風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致閥組一次設(shè)備損壞。

由此可見，如果無對應(yīng)的閥組故障退出控制，三個(gè)站的任何一個(gè)閥組故障后，都將進(jìn)入到不正常運(yùn)行工況中，因此必須采取協(xié)調(diào)控制措施，以保證系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

2.2 特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)閥組故障控制

2.2.1 常規(guī)換流站閥組故障后控制

為避免出現(xiàn)上述雙閥組、半壓運(yùn)行的非正常運(yùn)行狀態(tài)，本文提出如下控制策略：利用站間通信在常規(guī)換流站閥組故障閉鎖后，迅速通知其余受端換流站，按閥組計(jì)劃退出策略退出對應(yīng)閥組[23]，使各站閥組同步隔離，以降低輸送功率的代價(jià)換取系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。例如常規(guī)換流站高閥組故障，具體控制過程如下。

1)送端站高閥組發(fā)生故障，相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)閉鎖流程，閉合旁路開關(guān)(bypass switch,BPS)、隔離高閥組；

2)送端站低閥組移相至逆變狀態(tài)，以降低故障電流，待高閥組BPS閉合后，切換回正常控制；

3)兩個(gè)受端站收到送端站高閥組的故障閉鎖信號，迅速降低高閥組直流調(diào)制系數(shù)k，調(diào)節(jié)高閥組直流電壓至0；待其直流電壓為0后，閉合旁路開關(guān)BPS；待收到BPS合位狀態(tài)后閉鎖，進(jìn)入三站單閥組運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)站間通信中斷時(shí)，送端站故障閥組閉鎖，BPS閉合后，直流電壓將降低一半，兩個(gè)受端站可根據(jù)半壓、雙閥組運(yùn)行狀態(tài)，自行切除其中一個(gè)閥組，使系統(tǒng)進(jìn)入三站單閥組運(yùn)行模式。

圖2 RTDS閉環(huán)試驗(yàn)平臺示意圖Fig.2 Schematic diagram of RTDS closed-loop test platform

2.2.2 柔直換流站閥組故障后控制

為避免柔直換流站閥組故障后受端換流站直流過壓，控制系統(tǒng)應(yīng)在故障后迅速降低送端功率，降低受端過壓程度?；诖?，本文提出如下控制策略：受端站閥組故障后，送端站立即增大觸發(fā)角至90 °～180 °，運(yùn)行在逆變狀態(tài)，以迅速降低輸送功率，并泄放掉直流線路中的能量，保護(hù)一次設(shè)備；待線路上直流電壓、直流電流降低后，各站的故障對應(yīng)閥組退出，三站轉(zhuǎn)單閥組運(yùn)行狀態(tài)，將功率損失減小到最小。柔直站高閥組故障的控制過程如下。

1)受端2站高閥組發(fā)生故障，立即閉鎖；

2)通知本站低閥組閉鎖，以防止低閥組模塊過壓；

3)送端站收到受端2站高閥組故障閉鎖信號后，高、低閥組均移相至逆變狀態(tài)；待直流電流降至0后，高閥組合BPS、低閥組保持逆變狀態(tài)；閉合高閥組BPS后，高閥組閉鎖、低閥組恢復(fù)正?？刂?；

4)受端2站確認(rèn)送端站移相后，高閥組開關(guān)BPS、隔離故障閥組；待高閥組BPS閉合后，受端2站低閥組重新解鎖，恢復(fù)正常控制；

5)受端1站高閥組確認(rèn)送端站移相后立即調(diào)節(jié)直流調(diào)制系數(shù)k，將直流電壓降至0，合旁路開關(guān)BPS后閉鎖；受端1站低閥組維持正常運(yùn)行。

當(dāng)站間通信中斷時(shí)，故障后無法通知其他站閉鎖配合，可同時(shí)閉鎖本站另一閥組以隔離故障，使故障站退出運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入兩站雙閥組運(yùn)行模式。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的特高壓多端混合直流輸電系統(tǒng)閥組故障退出控制方法的正確性，本文在特高壓三端混合直流輸電系統(tǒng)的RTDS硬件閉環(huán)測試平臺上，測試所提方法的控制效果。圖2為RTDS硬件閉環(huán)測試平臺的系統(tǒng)示意圖。

圖2中左側(cè)為控制保護(hù)裝置，右側(cè)為RTDS仿真設(shè)備。其中，控制保護(hù)裝置包括監(jiān)控層、雙極控層、極控層、閥組層，各裝置全部采用高性能多核DSP+大容量FPGA集成技術(shù)，可對特高壓多端系統(tǒng)所需的大量信號進(jìn)行高速、高精度的處理；RTDS仿真設(shè)備實(shí)現(xiàn)圖1所示主回路模型，接收來自控制保護(hù)裝置的控制指令，快速完成一次回路的模擬計(jì)算，并將實(shí)時(shí)變量輸出至控制保護(hù)裝置和錄波裝置，其中一次回路參數(shù)如表1所示。

表1 RTDS測試平臺參數(shù)Tab.1 Parameter of RTDS test platform

本文在上述測試平臺上，分別對三端混合特高壓直流輸電系統(tǒng)的三個(gè)站極1高閥組進(jìn)行故障退出測試，并在站間通信中斷時(shí)，測試受端2站高閥組故障退出。因特高壓直流工程中，兩個(gè)極相互獨(dú)立，以下測試過程僅在極1進(jìn)行，極2不受影響。

3.1 常規(guī)直流閥組故障退出試驗(yàn)

三端極1雙閥組穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)定功率目標(biāo)值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，觸發(fā)送端站極1高閥組故障閉鎖。

圖3為送端站極1高閥組故障退出試驗(yàn)波形。送端站高閥組發(fā)生故障，閉鎖、合BPS開關(guān)；兩個(gè)受端站收到送端站高閥組故障閉鎖信號，迅速降低調(diào)制系數(shù)，將高閥組直流電壓降至0，然后閉合BPS開關(guān)，收到BPS合位狀態(tài)后閉鎖。

圖3 送端站高閥組故障退出試驗(yàn)波形Fig.3 Test waveforms of high-valve group fault exit test of sending-end station

送站高閥組故障后，各站密切配合，隔離對應(yīng)閥組，在300 ms內(nèi)其余閥組恢復(fù)穩(wěn)定輸送功率。

3.2 控直流電壓受端換流站閥組故障退出試驗(yàn)

三端極1雙閥組穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)定功率目標(biāo)值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，觸發(fā)受端2站極1高閥組故障閉鎖。

圖4為受端2站極1高閥組故障退出試驗(yàn)波形。受端2站高閥組故障閉鎖后，通知低閥組閉鎖，及其他兩站；送端站雙閥組移相至120 °，高閥組合BPS，低閥組待直流電流降低至0后，移相至164 °，待高閥組BPS閉合后，高閥組閉鎖，低閥組恢復(fù)正常控制；受端2站確認(rèn)送端站移相后，高閥組合BPS旁路，低閥組待高閥組旁路開關(guān)BPS閉合后，解鎖恢復(fù)正常運(yùn)行；受端1站確認(rèn)送端站移相后，將直流電壓降至0，合BPS后閉鎖，退出高閥組。受端2站高閥組故障后，各站密切配合，隔離對應(yīng)閥組，在300 ms內(nèi)其余閥組恢復(fù)穩(wěn)定輸送功率。

圖4 受端2站高閥組故障退出試驗(yàn)波形Fig.4 Test waveforms of high-valve group fault exit test of receiving-end station2

3.3 控直流功率受端換流站閥組故障退出試驗(yàn)

三端極1雙閥組穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)定功率目標(biāo)值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，觸發(fā)受端1站極1高閥組故障閉鎖。

圖5為受端1站極1高閥組故障退出試驗(yàn)波形。受端1站高閥組故障后立即閉鎖，通知低閥組閉鎖，及送端站、受端2站；送端站高、低閥組觸發(fā)角移相至120 °，高閥組合BPS，低閥組待直流電流降低0后，移相至164，待高閥組BPS閉合后，高閥組閉鎖，低閥組恢復(fù)正常控制；受端2站高閥組確認(rèn)送端站移相后快速退閥組，將直流電壓降0，合BPS后閉鎖，低閥組保持正常運(yùn)行；受端1站高閥組確認(rèn)送端站移相后，合BPS旁路閥組，低閥組待高閥組旁路開關(guān)BPS閉合后，解鎖恢復(fù)運(yùn)行。受端1站高閥組故障后，各站密切配合，隔離對應(yīng)閥組，在300 ms內(nèi)其余閥組恢復(fù)穩(wěn)定輸送功率。

圖5 受端1站高閥組故障退出試驗(yàn)波形Fig.5 Test waveforms of high-valve group fault exit test of receiving-end station1

3.4 站間通信中斷時(shí)，控直流電壓受端換流站閥組故障退出試驗(yàn)

三端極1雙閥組穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)定功率目標(biāo)值為送端至受端1站1 500 MW、送端至受端2站2 500 MW，站間通信中斷時(shí)觸發(fā)受端2站極1高閥組故障閉鎖。

圖6為站間通信中斷時(shí)，受端2站極1高閥組故障退出試驗(yàn)波形。受端2站高閥組故障閉鎖后，通知低閥組閉鎖；因站間通信中斷，低閥組收到高閥組故障閉鎖信號后，直接閉鎖，受端2站本極退出運(yùn)行，進(jìn)入送端至受端1站的兩站運(yùn)行方式。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于特高壓多端混合直流輸電工程的閥組故障退出控制方法，并詳細(xì)分析和介紹了某一閥組故障退出時(shí)，各站的協(xié)調(diào)配合關(guān)系、執(zhí)行操作順序，以最大程度保證系統(tǒng)穩(wěn)定、保護(hù)閥組安全、并將損失功率降至最小。

該控制方法在RTDS硬件閉環(huán)測試平臺上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果證明，該控制方法能快速隔離故障閥組，最大程度減小功率損失，并快速恢復(fù)正常閥組的功率輸送，為工程建設(shè)奠定基礎(chǔ)。