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摘要: 特高压直流输电在正常运行时无功控制由直流站控管理,当直流站控系统失去功能后无功控制交由极控系统管以及就地控制单元管理,允许直流系统在无站控的情况下继续运行两个小时。若两小时内没能恢复直流站控系统的正常运行,则极控系统 就会按照一定的速率降低功率,直至直流系统闭锁。此功能包含后备无功控制策略以及就地控制中滤波器切除策略。本文详细的研究了普侨直流的后备无功功能,并对滤波器切除策略进行研究,并提出改进意见。
关键词:特高压直流;后备无功控制;直流站控;滤波器
Study on Backup Reactive Power Control of
±800kV UHVDC converter station
LIU Xiang-Hong
(Kunming Bureau, CSG EHV Transmission Company, Kunming650300, China)
Abstract: During HVDC System normally operation ,reactive power is controlled by the DC station control, when the DC station control system loses function the reactive power ware control by pole control system and local control unit ,which allows the DC system in the case of non-station control continue to run for two hours. If DC station control system can’t able to recover normal operation within two hours the pole control system will reduce the power according to a certain rate until the DC system Blocked. This feature includes backup reactive power control strategy and local control of filter removal policies. This detailed study of the general reserve overseas DC reactive functions, and filter removal strategy study and suggest improvements
Key words: UHVDC; Backup RPC; DC SC;Filter Blocking
特高压直流输电工程具有输送容量大、送电距离远的有点; 一般用于向电力负荷中心送电。楚穗直流是世界上第一个±800kV直流输电工程,输送容量5000MW,负责将金安桥电站和小湾电站的生产的清洁水电送往广东电网。工程采用的是双十二脉动串联结构。
由于在换流过程中,换流器会消耗大量的無功、产生大量的谐波,故换流站都会配置一定数量的滤波器和无功补偿设备。根据直流运行工况的不同,整流站换流器消耗的无功约占直流输电容量的40-60%。换流站的无功控制一般由按照双重化配置的直流站控完成,按照当前的运行方式和功率水平来控制滤波器的投入和退出,以达到换流站无功平衡、滤除谐波、控制母线电压的目的。
楚穗直流工程整流站配置了17小组滤波器,每小组的容量为187MW。这些滤波器小组的投入和退出一般由直流站控系统按照预设的直流功率水平点来控制,这些点都是在考虑系统无功平衡和谐波要求的前提下,通过仿真计算得到。
一、无功控制方式
交流滤波器控制是换流站无功控制的一个重要环节。换流器在运行时会产生大量的谐波,同时也会消耗大量的无功,直流站控中的无功控制功能就是根据直流的运行状况合理的安排滤波器组合以达到消除谐波、实现全站无功供消平衡维持交流母线电压在合理水平,并在特殊情况下保护设备。换流站无功控制主要通过直流站控对无功补偿设备的投入和退出控制来实现,控制原则如下:
1)控制交流母线电压在规定范围内;
2)滤除谐波的最优组合;
3)维持换流站无功平衡。
优先级别1)>2)>3)。
1)维持母线电压在最大允许范围内
维持母线电压在最大允许范围内在站无功控制中享有最高优先级,如图所示。
2)满足全站谐波性能要求
首先将计算得到的实际双极功率值折算成100%全压时的直流功率值PHar,按照不同运行方式,根据编制好的谐波投切表,在对应功率时投入相应组合滤波器。当小组滤波器按谐波要求投入时,无功和母线电压可能会超出定无功和定电压控制设定的范围,导致定无功或定电压要求切除小组滤波器造成频繁投切。为了防止这种情况发生,谐波要求投入小组滤波器后,谐波控制模块会发谐波禁止切命令,禁止无功和电压要求切滤波器。谐波性能只要求投入滤波器,不参与滤波器切除控制。当此条件满足时无论此时换流站是否无功过剩都会自动投入设定的滤波器小组,以滤除系统谐波。
3) 维持换流站无功平衡
此控制方法有定交流母线电压和定系统无功两种模式可以选择。
定交流母线电压控制模式时,运行人员在HMI上设定交流母线电压的上、下限值Umax和Umin,当交流母线电压U>Umax时,延时5S直流站控会自动退出小组滤波器,降低母线电压;当UUACF3>UACF2>UACF1,当高优先级的电压测量故障时,由低优先级的电压代替;高优先级的电压恢复后,控制系统自动切换回高优先级电压。
定无功控制时,为了避免小组滤波器的频繁投切,程序中还设定了一个调节裕度值QMargin。定无功控制原理如下:
当 QSYS >QMin+ QNext + QMargin延时5s,系统会发投入小组滤波器命令;
当Qsys Qsys为系统还需要的无功,计算方法如下: Qsys=Qconverter﹣QFilter ,其中QFilter为直流站控通过现场总线收集的所有已经投入的小组滤波器实时产生的无功之和;Qconverter为直流站控控制总线收集四个阀组控制系统送来的换流变消耗的无功之和;QNext为每小组滤波器产生的实时无功QNext= ;QMin为换流站允许向交流系统输送的无功;Qmax为换流站允许从交流系统吸收的最大无功。楚雄站QMin=-210Mvar ,QMargin=40Mvar,Qmax=30Mvar。
二、控制系统分级
特高压直流输电系统一般分为四个控制层:SCADA层、控制保护层、现场层、设备层,在控制保护层中根据控制级别又分为站控、极控、组控三个控制级别,其中站控管理双极相关的控制过程,极控主要管理极级换流器控制,组控主要处理阀组极单12脉动相关的控制过程;现场层主要处理间隔内设备相关的测量、控制过程。
在无功控制过程中,SCADA层主要负责无功控制模式如:手动、自动控制模式设定;定电压和定无功的控制模式设定;无功最大、最小、裕度设定;最大、最小电压设定,与控制层的通信主要依靠LAN网。
控制保护层中组控主要收集四个阀组换流变消耗的无功Qconverter;极控主要负责收集组控上送的换流变消耗的无功并上送给站控;站控主要负责采集所有滤波器小组的状态信息、四大组交流滤波器母线电压测量、滤波器投入退出逻辑、滤波器小组投入退出命令输出。控制层各设备之间的通信主要依靠控制总线、TDM测量总线,与现场层的通信主要依靠现场总线Field-bus。当直流站控运行正常时,直流站控作为滤波器设备现场层通信的主站,负责协调现场层设备的通信,现场层上送的小组滤波器投入、退出状态以及实时无功信息都会反馈给直流站控;当直流站控系统异常运行时,极控接口屏会接替直流站控的部分功能,作为滤波器小组现场层通信的主站,接受滤波器小组的投入和退出状态,以便于后背无功控制功能的启动。
现场层主要作用为收集小组滤波器电压电流信息计算实时无功、通过现场总线接受控制层下发的控制命令、通过硬接线输出命令设备层。每个滤波器小组都有一套间隔控制单元,负责收集本小组内的各种状态信息,并与控制保护层交换信息。
设备层主要作用为接受现场层输出命令,完成小组滤波器的状态转换,此类设备主要是刀闸、开关。
以定无功控制时整个系统的运行流程为例:
当 QSYS >QMin+ QNext + QMargin延时5s,站控系统软件会发投入小组滤波器命令;此命令经过内部处理后经现场总线传输给现场层,现场层判断本滤波器小组满足投入条件时,通过硬接线发命令给相应的小组开关,完成小组的投入过程。
3、后备无功控制功能简介
全站的无功控制均由直流站控系统调节,当直流站控系统故障或失去与现场层的通信时,直流站控将失去对无功的管理。由于特高压直流输送功率较大,当发生站控系统故障时,若采取紧急停运或闭锁策略,则对电网冲击较大,且此时若采取一些限制措施,可以维持直流系统稳定运行,给电网调整时间。此时采取的控制策略就叫做后备无功控制。
3.1后备无功控制原理
当直流站控系统失去对无功的控制时,后备无功控制策略将启动。启动后的策略如下:
1)启动后极1极控接口屏将接管现场层无功控制通信主站,将现场滤波器投入信号经现场总线传给极1极控,然后极控统计已投入的滤波器组数计算当前产生的无功功率可支撑的直流输送功率容量,然后除以双极电压值,得到电流限定值Ilimit,则功能启动期间,正常情况下直流输送电流小于Ilimit,也即禁止调整直流功率上升,防止发生无功支撑不足和谐波超标发生。若当前的直流电流大于Ilimit,则直流电流参考值会快速降到Ilimit;若当前电流小于Ilimit,则维持当前电流不变。
2)按照Ilimit的限值,维持当前的直流功率水平两小时,两小时之内若直流站控恢复对无功的控制能力,则直流系统恢复正常运行。
3)若两小时之内,直流站控仍然无法恢复对无功的控制则按照104A/min的速率降低直流电流(电压在此期间维持不变),直至电流降低到最小电流313A维持不动,然后由运行人员手动闭锁。
4)将直流的有功控制模式变为定电流控制模式,以方便极控系统调整本极的电流指令。
5)现场层设备将接管滤波器的控制,将会按照预定的过电压条件逐步切除小组滤波器。
由表1和表3可知,现场层设备切除滤波器的条件也是按照滤波器过压后保护设备为目的设置的定值,但是由于切除电压设置的最小值为588kV,当直流功率降低后交流母线电压会逐渐上升,直至电压大于588kV后,现场层设备才会按照预设的程序切除滤波器小组,切除一组后,若电压低于588kV则不会继续切除滤波器,会有一部分小组滤波器继续运行与此电压下并向交流系统输送大量的无功。考虑这种情况交流滤波器设备会因此而长时间承受较高1.12倍的过电压,这样既不利于设备的安全运行,也不利于交流系统的电压稳定。
4.解决方法及建议
1)修改在后备无功功能启动时,现场层设备过压保护动作定值。考虑到交流系统的稳定,定值可以参照云广工程主回路参数研究报告中交流系统稳态电压要求修改,将过电压1段的定值改为550kV,过电压2段改为588kV,过电压3段改为632kV。
2)增加后备无功启动信号至现场层,现场层按照此启动信号切换过电压定值。正常情况下按照表3中的数据执行,后备无功启动后按照表5中的数据执行。
这样就可以有效的减小后备无功启动造成的交流系统的过电压问题,同时也可以减少换流站向交流系统输送的无功。
三 结论
本文对特高压直流输电工程中的后备无功控制原理进行了详尽细致的分析,發现后备无功启动后有可能造成交流系统过电压问题,并提出按照工程研究报告中提出的系统稳态最大电压修改现场层过电压保护定值的方案。
参考文献
[1] 云广工程直流站控系统设计规范书ED4 321 CS-C[Z]. 广州:南方电网技术研究中心, 2007.
[2] 云广工程直流极控系统设计规范书ED4 341 CS-C[Z]. 广州:南方电网技术研究中心. 2007.
[2] 云广工程直流极控系统设计规范书ED4 341 CS-C[Z]. 广州:南方电网技术研究中心. 2007.
作者简介:刘相宏(1987),男。助理工程师,工学学士,主要从事特高压直流输电的运行维护工。
关键词:特高压直流;后备无功控制;直流站控;滤波器
Study on Backup Reactive Power Control of
±800kV UHVDC converter station
LIU Xiang-Hong
(Kunming Bureau, CSG EHV Transmission Company, Kunming650300, China)
Abstract: During HVDC System normally operation ,reactive power is controlled by the DC station control, when the DC station control system loses function the reactive power ware control by pole control system and local control unit ,which allows the DC system in the case of non-station control continue to run for two hours. If DC station control system can’t able to recover normal operation within two hours the pole control system will reduce the power according to a certain rate until the DC system Blocked. This feature includes backup reactive power control strategy and local control of filter removal policies. This detailed study of the general reserve overseas DC reactive functions, and filter removal strategy study and suggest improvements
Key words: UHVDC; Backup RPC; DC SC;Filter Blocking
特高压直流输电工程具有输送容量大、送电距离远的有点; 一般用于向电力负荷中心送电。楚穗直流是世界上第一个±800kV直流输电工程,输送容量5000MW,负责将金安桥电站和小湾电站的生产的清洁水电送往广东电网。工程采用的是双十二脉动串联结构。
由于在换流过程中,换流器会消耗大量的無功、产生大量的谐波,故换流站都会配置一定数量的滤波器和无功补偿设备。根据直流运行工况的不同,整流站换流器消耗的无功约占直流输电容量的40-60%。换流站的无功控制一般由按照双重化配置的直流站控完成,按照当前的运行方式和功率水平来控制滤波器的投入和退出,以达到换流站无功平衡、滤除谐波、控制母线电压的目的。
楚穗直流工程整流站配置了17小组滤波器,每小组的容量为187MW。这些滤波器小组的投入和退出一般由直流站控系统按照预设的直流功率水平点来控制,这些点都是在考虑系统无功平衡和谐波要求的前提下,通过仿真计算得到。
一、无功控制方式
交流滤波器控制是换流站无功控制的一个重要环节。换流器在运行时会产生大量的谐波,同时也会消耗大量的无功,直流站控中的无功控制功能就是根据直流的运行状况合理的安排滤波器组合以达到消除谐波、实现全站无功供消平衡维持交流母线电压在合理水平,并在特殊情况下保护设备。换流站无功控制主要通过直流站控对无功补偿设备的投入和退出控制来实现,控制原则如下:
1)控制交流母线电压在规定范围内;
2)滤除谐波的最优组合;
3)维持换流站无功平衡。
优先级别1)>2)>3)。
1)维持母线电压在最大允许范围内
维持母线电压在最大允许范围内在站无功控制中享有最高优先级,如图所示。
2)满足全站谐波性能要求
首先将计算得到的实际双极功率值折算成100%全压时的直流功率值PHar,按照不同运行方式,根据编制好的谐波投切表,在对应功率时投入相应组合滤波器。当小组滤波器按谐波要求投入时,无功和母线电压可能会超出定无功和定电压控制设定的范围,导致定无功或定电压要求切除小组滤波器造成频繁投切。为了防止这种情况发生,谐波要求投入小组滤波器后,谐波控制模块会发谐波禁止切命令,禁止无功和电压要求切滤波器。谐波性能只要求投入滤波器,不参与滤波器切除控制。当此条件满足时无论此时换流站是否无功过剩都会自动投入设定的滤波器小组,以滤除系统谐波。
3) 维持换流站无功平衡
此控制方法有定交流母线电压和定系统无功两种模式可以选择。
定交流母线电压控制模式时,运行人员在HMI上设定交流母线电压的上、下限值Umax和Umin,当交流母线电压U>Umax时,延时5S直流站控会自动退出小组滤波器,降低母线电压;当U
当 QSYS >QMin+ QNext + QMargin延时5s,系统会发投入小组滤波器命令;
当Qsys
二、控制系统分级
特高压直流输电系统一般分为四个控制层:SCADA层、控制保护层、现场层、设备层,在控制保护层中根据控制级别又分为站控、极控、组控三个控制级别,其中站控管理双极相关的控制过程,极控主要管理极级换流器控制,组控主要处理阀组极单12脉动相关的控制过程;现场层主要处理间隔内设备相关的测量、控制过程。
在无功控制过程中,SCADA层主要负责无功控制模式如:手动、自动控制模式设定;定电压和定无功的控制模式设定;无功最大、最小、裕度设定;最大、最小电压设定,与控制层的通信主要依靠LAN网。
控制保护层中组控主要收集四个阀组换流变消耗的无功Qconverter;极控主要负责收集组控上送的换流变消耗的无功并上送给站控;站控主要负责采集所有滤波器小组的状态信息、四大组交流滤波器母线电压测量、滤波器投入退出逻辑、滤波器小组投入退出命令输出。控制层各设备之间的通信主要依靠控制总线、TDM测量总线,与现场层的通信主要依靠现场总线Field-bus。当直流站控运行正常时,直流站控作为滤波器设备现场层通信的主站,负责协调现场层设备的通信,现场层上送的小组滤波器投入、退出状态以及实时无功信息都会反馈给直流站控;当直流站控系统异常运行时,极控接口屏会接替直流站控的部分功能,作为滤波器小组现场层通信的主站,接受滤波器小组的投入和退出状态,以便于后背无功控制功能的启动。
现场层主要作用为收集小组滤波器电压电流信息计算实时无功、通过现场总线接受控制层下发的控制命令、通过硬接线输出命令设备层。每个滤波器小组都有一套间隔控制单元,负责收集本小组内的各种状态信息,并与控制保护层交换信息。
设备层主要作用为接受现场层输出命令,完成小组滤波器的状态转换,此类设备主要是刀闸、开关。
以定无功控制时整个系统的运行流程为例:
当 QSYS >QMin+ QNext + QMargin延时5s,站控系统软件会发投入小组滤波器命令;此命令经过内部处理后经现场总线传输给现场层,现场层判断本滤波器小组满足投入条件时,通过硬接线发命令给相应的小组开关,完成小组的投入过程。
3、后备无功控制功能简介
全站的无功控制均由直流站控系统调节,当直流站控系统故障或失去与现场层的通信时,直流站控将失去对无功的管理。由于特高压直流输送功率较大,当发生站控系统故障时,若采取紧急停运或闭锁策略,则对电网冲击较大,且此时若采取一些限制措施,可以维持直流系统稳定运行,给电网调整时间。此时采取的控制策略就叫做后备无功控制。
3.1后备无功控制原理
当直流站控系统失去对无功的控制时,后备无功控制策略将启动。启动后的策略如下:
1)启动后极1极控接口屏将接管现场层无功控制通信主站,将现场滤波器投入信号经现场总线传给极1极控,然后极控统计已投入的滤波器组数计算当前产生的无功功率可支撑的直流输送功率容量,然后除以双极电压值,得到电流限定值Ilimit,则功能启动期间,正常情况下直流输送电流小于Ilimit,也即禁止调整直流功率上升,防止发生无功支撑不足和谐波超标发生。若当前的直流电流大于Ilimit,则直流电流参考值会快速降到Ilimit;若当前电流小于Ilimit,则维持当前电流不变。
2)按照Ilimit的限值,维持当前的直流功率水平两小时,两小时之内若直流站控恢复对无功的控制能力,则直流系统恢复正常运行。
3)若两小时之内,直流站控仍然无法恢复对无功的控制则按照104A/min的速率降低直流电流(电压在此期间维持不变),直至电流降低到最小电流313A维持不动,然后由运行人员手动闭锁。
4)将直流的有功控制模式变为定电流控制模式,以方便极控系统调整本极的电流指令。
5)现场层设备将接管滤波器的控制,将会按照预定的过电压条件逐步切除小组滤波器。
由表1和表3可知,现场层设备切除滤波器的条件也是按照滤波器过压后保护设备为目的设置的定值,但是由于切除电压设置的最小值为588kV,当直流功率降低后交流母线电压会逐渐上升,直至电压大于588kV后,现场层设备才会按照预设的程序切除滤波器小组,切除一组后,若电压低于588kV则不会继续切除滤波器,会有一部分小组滤波器继续运行与此电压下并向交流系统输送大量的无功。考虑这种情况交流滤波器设备会因此而长时间承受较高1.12倍的过电压,这样既不利于设备的安全运行,也不利于交流系统的电压稳定。
4.解决方法及建议
1)修改在后备无功功能启动时,现场层设备过压保护动作定值。考虑到交流系统的稳定,定值可以参照云广工程主回路参数研究报告中交流系统稳态电压要求修改,将过电压1段的定值改为550kV,过电压2段改为588kV,过电压3段改为632kV。
2)增加后备无功启动信号至现场层,现场层按照此启动信号切换过电压定值。正常情况下按照表3中的数据执行,后备无功启动后按照表5中的数据执行。
这样就可以有效的减小后备无功启动造成的交流系统的过电压问题,同时也可以减少换流站向交流系统输送的无功。
三 结论
本文对特高压直流输电工程中的后备无功控制原理进行了详尽细致的分析,發现后备无功启动后有可能造成交流系统过电压问题,并提出按照工程研究报告中提出的系统稳态最大电压修改现场层过电压保护定值的方案。
参考文献
[1] 云广工程直流站控系统设计规范书ED4 321 CS-C[Z]. 广州:南方电网技术研究中心, 2007.
[2] 云广工程直流极控系统设计规范书ED4 341 CS-C[Z]. 广州:南方电网技术研究中心. 2007.
[2] 云广工程直流极控系统设计规范书ED4 341 CS-C[Z]. 广州:南方电网技术研究中心. 2007.
作者简介:刘相宏(1987),男。助理工程师,工学学士,主要从事特高压直流输电的运行维护工。