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800kV特高壓直流換流器在線投入失敗案例分析

文檔作者：李國棟陳龍翔金一丁李增輝董昱胡超凡葛睿文檔來源：國家電力調(diào)度控制中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月27日
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218 電力與能源 第36卷第2期
2015年4月
±800 kV特高壓直流換流器在線
投入失敗案例分析
李國棟，陳龍翔，金一丁，李增輝，董 昱，胡超凡，葛 睿
(國家電力調(diào)度控制中心，北京100031)
摘要：針對一起±800 kV特高壓直流單換流器在線投入失敗事件展開分析，詳細(xì)介紹換流器在線投入過程
的基礎(chǔ)上，分析投入失敗原因與交流系統(tǒng)短路電流、母線電壓密切相關(guān)。基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(RTDS)對其投
入過程復(fù)現(xiàn)與討論，重點(diǎn)分析換流器投入失敗原因及其過程對近區(qū)交流電網(wǎng)的影響，論證了不同輸送功率、不
同短路電流、不同換流器運(yùn)行個(gè)數(shù)等方式下的特高壓直流單換流器在線投人情況。仿真結(jié)果表明，同等條件
下，輸送功率(運(yùn)行電流)越大、短路電流越小、在運(yùn)換流器越少，越不利于換流器在線投入。從調(diào)度運(yùn)行、電網(wǎng)
規(guī)劃、直流控制保護(hù)系統(tǒng)等幾個(gè)方面提出相關(guān)建議。
關(guān)鍵詞：特高壓直流；換流器；在線投入；短路電流；無功消耗
作者簡介：李國棟(1985)，男，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、電網(wǎng)調(diào)度控制等，從事電力調(diào)度工作。
中圖分類號：TM723 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095—1256(2015)02—0218一O5
Case Analysis of±800 kV UHVDC Converter On-Line Deblocking Failure
I I Guo—dong，CHEN Long—xiang，JIN Yi—ding，I I Zeng—hui，DONG Yu，HU Chao—fan，GE Rui
(National Electric Power Dispatching and Control(；enter，Beijing 100031，China}
Abstract：This paper presents one on—line deblocking failure event of± 800 kV UHVDC converter．Based on
the detailed introduction of converter onTline deblocking process，it analyzed the close correlation of the de—
blocking failure with AC system short-circuit current and bus voltage level，and then repeated and discussed
the on-line deblocking process based on real time digital simulation (RTDS)． Emphasis was laid on the influ—
enee of converter deblocking failure process to the nearby AC grid，as wel1 as the U HVDC converter on-line
deblocking under different transmission power，different short—circuit current and different converter operation
number modes． Simulation results show that，under the same conditions，the more power or running current，
the smaller short—circuit current and less converters in operation，which is not conducive to converter on—line
deblocking． Finally，som e related research proposals and ideas are put forward from the aspects of dispatching
operation，power grid planning，DC control and protection system，etc．
Key words：U HVDC；converter；on—line deblocking；short—circuit current；reactive power consumption
近年來，我國±800 kV特高壓直流輸電工程
發(fā)展迅猛，陸續(xù)有云廣工(云南楚雄一廣東穗東)、
向上(四川向家壩一上海奉賢)、錦蘇(四川裕隆一
江蘇同里)、哈鄭(新疆哈密一河南鄭州)、云廣Ⅱ
(云南普洱一廣東江門)、溪浙(四川溪洛渡一浙江
金華)等6回特高壓直流工程投產(chǎn)，平均輸送距離
約2 000 km，最大額定容量達(dá)8 000 MW ，為我國
實(shí)現(xiàn)西電東輸、優(yōu)化資源配置起到了重要作
用 ]。
特高壓直流系統(tǒng)每極應(yīng)用雙12脈動(dòng)換流單
元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，相對于常規(guī)直流，其靈活性得到大
大提高，很大程度上減少了系統(tǒng)停電概率 ]。運(yùn)
行中，往往需要在線操作投入或退出單個(gè)換流器，
很多學(xué)者針對特高壓直流換流器的投退策略進(jìn)行
了研究。文獻(xiàn)[9]研究了±800 kV特高壓直流系
統(tǒng)單12脈動(dòng)閥的投退策略，并比較了采取2種不
同策略時(shí)對交流系統(tǒng)的無功沖擊；文獻(xiàn)[1o]提出
將單輸人單輸出換流單元模型和離散的控制器模
型連接起來，使用一種全新的參數(shù)優(yōu)化方法，改善
了整體換流單元模型的暫態(tài)特性；文獻(xiàn)[11，12]基
于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器分別研究了特高壓直流系統(tǒng)單
換流器、雙換流器投退策略；文獻(xiàn)[11]研究表明在
線投入單換流器時(shí)，采用零功率解鎖或小觸發(fā)角
解鎖方式均可行，且整流側(cè)先解鎖、逆變側(cè)先解鎖
李國棟，等：士800 kV特高壓直流換流器在線投入失敗案例分析 219
2種方式均可實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)E123針對雙換流器解／閉
鎖式極控的組織策略進(jìn)行仿真，具有一定實(shí)際應(yīng)
用價(jià)值；文獻(xiàn)[13-1介紹了云南一廣東±800 kV直
流輸電系統(tǒng)采用的一種雙12脈動(dòng)閥組投退策略
具體方案，重點(diǎn)分析了投退策略的優(yōu)缺點(diǎn)，利用仿
真平臺與實(shí)際控制保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的方法對單換
流器投退進(jìn)行仿真分析；文獻(xiàn)E14]提出特高壓直
流控制系統(tǒng)的問題運(yùn)行策略和功能分配策略，實(shí)
現(xiàn)特高壓直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和單換流器的投退
順序操作。
特高壓直流系統(tǒng)單換流器的投入過程是換流
器大角度、大電流的零功率解鎖過程，會增加交流
系統(tǒng)無功消耗，造成交流系統(tǒng)電壓跌落或直流換
相失敗，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生系統(tǒng)振蕩l】 。本文在
±800 kV某特高壓直流單換流器在線投入失敗
過程分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真研究，重點(diǎn)分析換流
器投入失敗原因及其過程對近區(qū)交流電網(wǎng)的影
響，研究不同短路容量下的特高壓直流單換流器
在線投入能力，探討如何改變換流器投入過程控
制策略，從而確保換流器能可靠投入，最后從調(diào)度
運(yùn)行、電網(wǎng)規(guī)劃、直流控制保護(hù)系統(tǒng)等幾個(gè)方面提
出相關(guān)建議。
l 換流器在線投入基本策略
特高壓直流輸電系統(tǒng)每極由兩個(gè)12脈動(dòng)換
流器組成(如圖1所示)，與常規(guī)直流相比，采用雙
換流器結(jié)構(gòu)的特高壓直流輸電系統(tǒng)通過整流側(cè)和
逆變側(cè)高、低端換流器的不同組合可構(gòu)成靈活多
樣的運(yùn)行形式。特高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行要求
每組換流器均具備獨(dú)立運(yùn)行和在線投退的能
力 。
通過對換流閥晶閘管觸發(fā)角的控制與旁通開
關(guān)分合控制的配合可以實(shí)現(xiàn)換流器的在線投退。
現(xiàn)以圖1所示整流側(cè)高端換流器在線投入為例，
正常運(yùn)行時(shí)低端換流器通過高端換流器的旁路刀
閘構(gòu)成通路(圖1中虛線①)；高端換流器投入時(shí)，
旁路開關(guān)合上，旁路刀閘分開，低端換流器通過高
端換流器的旁路開關(guān)構(gòu)成通路(圖1中虛線②)；
控制高端換流器以大觸發(fā)角(約85。～9O。『“])解
鎖，低端換流器的電流通過高端換流器及高端換
流器的旁路開關(guān)構(gòu)成通路(圖1中虛線② 、③)；通
過合適的控制策略，在流經(jīng)高端換流器旁路開關(guān)
電流接近0時(shí)拉開旁路開關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了高端換流
器的在線投入。
圖l 特高壓直流輸電系統(tǒng)單極接線
換流器投入關(guān)鍵是選取合適的控制策略，將
旁路開關(guān)的電流“引接”到換流器上，將流經(jīng)旁路
開關(guān)的電流控制到接近于0，從而為旁路開關(guān)的
分閘熄弧創(chuàng)造條件。目前，換流器的解鎖控制策
略主要有兩種：
(1)換流器以9O。觸發(fā)角解鎖，解鎖瞬間流經(jīng)
換流器的電流為0；逐漸調(diào)減換流器觸發(fā)角，觸發(fā)
角調(diào)減過程中流經(jīng)換流器的電流逐漸增大，流經(jīng)
旁通開關(guān)的電流逐漸減??；當(dāng)流經(jīng)旁通開關(guān)的電
流為0時(shí)，發(fā)旁通開關(guān)跳閘命令。
(2)在旁通開關(guān)觸頭分開進(jìn)入熄弧階段時(shí)，命
令換流器閥組以固定的小于9O。觸發(fā)角解鎖。若
此解鎖觸發(fā)角選取得當(dāng)，則在閥組解鎖瞬間旁路
開關(guān)的直流電流將基本被“引接”到其并聯(lián)換流器
上，此時(shí)流經(jīng)旁路開關(guān)的電流接近于0，電弧迅速
熄滅，旁路開關(guān)被拉開。
第一種解鎖方式的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，但解鎖
時(shí)間較長，且解鎖過程受控制系統(tǒng)控制特性的影
響 明；第二中解鎖方式的優(yōu)點(diǎn)是解鎖時(shí)間短，控
制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，但解鎖過程對系統(tǒng)沖擊較大，對
旁路開關(guān)的動(dòng)作時(shí)刻與換流單元解鎖的配合時(shí)序
要求苛刻_】 。
2 換流器在線投入失敗案例
2014年8月8日，某特高壓直流極I低端換
流器金屬回線方式額定功率2 000 MW 運(yùn)行，整
流側(cè)操作極I高端換流器在線投入失敗，下面對
其過程進(jìn)行詳細(xì)分析。
2．1 過程分析
控制系統(tǒng)發(fā)出投入極I高端換流器在線投入
指令后，整流站高端閥組投入后開始正常的換相，
極I高端閥組的電流(IDCP、IDCN)達(dá)到4 600 A
220 李國棟，等：土800 kV特高壓直流換流器在線投人失敗案例分析
左右，如圖2所示，流經(jīng)BPS的電流(IDCP與
IDNC的差值)達(dá)600A左右，由于發(fā)BPS開關(guān)分
位令的條件是BPS電流小于500A(直流系統(tǒng)額
定電流的1／10)，因此控制系統(tǒng)未發(fā)BPS開關(guān)分
位令，極I高端換流器經(jīng)內(nèi)部延時(shí)500 ms后閉
鎖，整流站極I保持單換流器運(yùn)行。
圖2 整流側(cè)極I商端換沉器電流渡彤
此時(shí)，逆變站高端閥組投入后開始正常的換
相，極I高端閥組的電流(IDCP、IDCN)達(dá)到4
100 A左右，如圖3所示，流經(jīng)BPS的電流(IDCP
與IDNC的差值)在100A左右，符合BPS拉開條
件，逆變站極I高端換流器拉開BPS后投入運(yùn)行
正常，逆變站極I雙換流器運(yùn)行。逆變側(cè)在檢測
到整流站單換流器，延時(shí)200 ms由兩站閥組不平
衡閉鎖高端閥組。
一2：lDCP
～ 3：Ⅱ)CN
? ? ? 4：IDNC
圖3 逆變側(cè)極I高端換流器電流波形
由于整流站極I高端換流器投入指令會維持
1 s，因此整流站進(jìn)行了第2次投入操作，投入后
IDCP與IDNC電流差值小于500 A，發(fā)出分開
BPS指令，整流站極I雙換流器運(yùn)行，此時(shí)逆變站
已無投人指令，保持單換流器運(yùn)行，整流站在檢測
到逆變站單換流器運(yùn)行后，延時(shí)200ms由兩站閥
組不平衡閉鎖高端閥組。極I高端換流器投入失
敗。
2．2 原因分析
整流站投入高端換流器過程中，觸發(fā)角9O。
左右，且直流電流較大，消耗大量無功。與之相連
的交流電網(wǎng)較弱(短路電流約為7 kA)，交流電壓
被大幅拉低，跌至正常值的0．8p．u．，如圖4所
示，系統(tǒng)交流低電壓告警，由于電壓的變化較大，
使得控制系統(tǒng)未能很好的控制直流電流，導(dǎo)致高
端換流器投入失敗。反觀逆變側(cè)，其換相過程同
整流側(cè)幾乎相同，但由于其交流系統(tǒng)較強(qiáng)，未出現(xiàn)
交流電壓大幅跌落現(xiàn)象，高端換流器投入成功。
≤
髂
圖4 整流側(cè)交流母線電壓坡彤
根據(jù)以上分析，本次極I高端換流器投人失
敗的根本原因在于整流側(cè)的“強(qiáng)直弱交”，交流系
統(tǒng)不能為直流系統(tǒng)提供強(qiáng)支撐，直流系統(tǒng)正常方
式轉(zhuǎn)換下的擾動(dòng)導(dǎo)致交流系統(tǒng)電壓大幅跌落，反
過來嚴(yán)重威脅直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
3 仿真分析
為了深入分析特高壓直流單換流器在線投入
失敗過程，研究其在線投入與系統(tǒng)何種因素相關(guān)，
本文擬采用RTDS對故障直流系統(tǒng)進(jìn)行仿真分
析，主要分析在同等條件下，分別針對不同輸送功
率運(yùn)行方式、不同短路電流運(yùn)行方式、不同換流器
個(gè)數(shù)運(yùn)行方式3種對比方式進(jìn)行討論。
3．1 不同功率方式的仿真分析
2014年8月8日，某特高壓直流單極單換流
器金屬回線方式運(yùn)行(額定電流)，為討論不同輸
送功率(即不同運(yùn)行電流)工況下的換流器在線投
入情況，通過RTDS仿真了金屬回線運(yùn)行的3種
輸送功率方式下在線投人情況，其結(jié)果如表1所
示。
從表1中的仿真結(jié)果可看出，單換流器金屬
回線方式輸送功率越大時(shí)，其電壓跌落越明顯，
BPS電流越大。輸送額定功率200 MW 時(shí)，電壓
跌落至0．84p．u．，BPS電流達(dá)610 A，與實(shí)際運(yùn)
O∞ O∞ O∞ O∞ O∞ 0∞ O O∞
6 5 4 3 2 l l
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O吣 O吣 O O∞ O O∞ O O∞
6 5 4 3 2 l 1
《露
李國棟，等：+8O0 kV 特高壓直流換流器在線投入失敗案例分析 221
行數(shù)據(jù)0．82p．u．、600 A 基本一致，表明此仿真
數(shù)據(jù)結(jié)果有一定可信度。從換流器在線投人情況
來看，額定功率下投入失敗，1 500 Mw、
1 000 Mw 兩種輸送功率均投入成功，因?yàn)楹髢?
種輸送功率對應(yīng)BPS電流均小于500 A，且電壓
跌落均不超過0．1P．U．。
表1 不同功率方式下?lián)Q流器在線投入仿真結(jié)果
因此，可看出單換流器金屬回線方式下，直
流輸送功率(運(yùn)行電流)越大，電壓跌落越明顯，
流過BPS開關(guān)電流越大，越不利于換流器在線
投入。
3．2 不同短路電流方式的仿真分析
除了輸送功率(運(yùn)行電流)對換流器在線投入
有影響之外，為進(jìn)一步驗(yàn)證短路電流對換流器投
入的影響，擬設(shè)置不同短路電流條件下(單換流器
額定功率運(yùn)行)進(jìn)行換流器在線投入仿真分析，其
結(jié)果如表2所示。
表2 不同短路電流方式下?lián)Q流器在線投入仿真結(jié)果
從表2中的仿真結(jié)果可看出，不同短路電流
的系統(tǒng)環(huán)境下，特高壓直流換流器的在線投入仿
真結(jié)果有較大差別。單換流器額定功率運(yùn)行時(shí)，
與第3部分故障直流一致的7．0 kA短路電流條
件下，換流器在線投入失敗，電壓跌落至0．75p．
U．，BPS電流達(dá)580 A，不滿足BPS開關(guān)分開條
件。通過提升系統(tǒng)短路電流，可明顯降低母線電
壓跌落水平，且BPS電流迅速下降，使得換流器
成功投入。
因此，可看出系統(tǒng)短路電流與換流器在線投
入密切相關(guān)。系統(tǒng)短路電路越大，母線電壓跌落
水平程度越小，流過BPS開關(guān)的電流也越小，越
有利于換流器成功投入。
3．3 不同換流器運(yùn)行方式的仿真分析
最后，仿真分析了初始運(yùn)行換流器個(gè)數(shù)對在
線投入的影響。主要考慮單個(gè)換流器、雙換流器、
三換流器3種運(yùn)行方式下的換流器在線投入情
況，其仿真結(jié)果如表3所示。
表3 不同換流器運(yùn)行方式下?lián)Q流器在線投入仿真結(jié)果
從表3的仿真結(jié)果可看出，初始換流器運(yùn)行
個(gè)數(shù)對在線投入也有影響。雙換流器、三換流器
運(yùn)行時(shí)，可成功在線投入另一個(gè)換流器，電壓跌落
水平及BPS電流均明顯小于單換流器運(yùn)行方式，
而單換流器運(yùn)行時(shí)，流過BPS電流達(dá)580 A，換流
器在線投入失敗。
4 結(jié)語
本文在介紹某特高壓直流換流器在線投入失
敗案例基礎(chǔ)上，仿真分析了在同等條件下，分別模
擬不同輸送功率、不同短路電流、不同換流器運(yùn)行
方式條件的換流器在線投入情況，結(jié)果表明，輸送
功率(運(yùn)行電流)越大、短路電流越小，越不利于換
流器在線投入。最惡劣的運(yùn)行方式是單換流器額
定功率運(yùn)行時(shí)在線投入換流器，無功交換，若近區(qū)
電網(wǎng)短路電路不夠大，則易出現(xiàn)投入失敗現(xiàn)象。
在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，應(yīng)密切關(guān)注直流送受端
電網(wǎng)短路電流變化，特別是在電網(wǎng)運(yùn)行方式發(fā)生
變化時(shí)，可采取在線安全分析手段進(jìn)行在線計(jì)算，
實(shí)時(shí)掌握近區(qū)電網(wǎng)短路電流變化情況，來指導(dǎo)運(yùn)
行方式安排、調(diào)度倒閘操作及電網(wǎng)故障處置等。
在特高壓直流規(guī)劃階段，為了提升換流器在
線投入能力，也需要充分考慮直流近區(qū)交流電網(wǎng)
建設(shè)，避免產(chǎn)生強(qiáng)直弱交的運(yùn)行方式，導(dǎo)致直流輸
電功率受限，造成資源浪費(fèi)；此外，同步建設(shè)配套
電源，確保足夠的資源配置與消納能力。
對于特高壓直流自身來說，還可從直流控制
保護(hù)軟件方面進(jìn)行深入研究，研討相關(guān)定值設(shè)置
是否妥當(dāng)?？梢钥紤]改變保護(hù)定值或控制邏輯，
來提升特高壓直流換流器在線投入能力。
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收稿日期：2015—01—21
(本文編輯：嚴(yán)加)
上海首季受電量占總用電量比例近三成
2015年4月16日，國網(wǎng)上海電力公司組織召開了上海電網(wǎng)2015年一季度電力市場信息發(fā)布會。上海電力交易中
心發(fā)布了上海電網(wǎng)2015年一季度電網(wǎng)生產(chǎn)、運(yùn)行、檢修、調(diào)度、交易等各方面的情況 2015年一季度，上海電網(wǎng)最大用
電負(fù)荷2 313．4萬kW 同比增長4．9％ ；總用電量345．92億kW ·h，同比增長2．84 ；總發(fā)電量244．9億kw ·h，同比
減少2．94 ；2015年一季度上海電網(wǎng)總受電量101．02億kW ·h，同比增長2O．18 ，總受電量占總用電量的比例為
29．2 。
(本刊訊)

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