小开机方式下滇西北送广东±800 kV特高压直流被动进入孤岛过电压研究

施健,贾磊,蔡汉生,董旭柱,刘刚,胡上茂,胡泰山  

(直流输电技术国家重点实验室,南方电网科学研究院,广东省 广州市 510063)

摘要

为使滇西北送广东±800 kV特高压直流输变电工程投运后尽快满送功率,在送端电厂机组长期处于开机量较小的情况下,需云南主网增加外送滇西北直流功率。针对送端小开机方式下直流被动进入孤岛后的系统过电压展开了风险分析,提出了提升直流输送能力的过电压抑制措施并进行了现场调试验证。计算表明:若以传统的过电压保护策略,送端电厂开2机和5机情况下直流输送功率极限分别为1500 MW和3300 MW;采取直流被动进入孤岛后采用先全切交流滤波器组、切断成功后延时闭锁直流的过电压抑制措施后,可以将直流输能力提升至额定功率,并使系统过电压水平满足要求。

关键词 : 滇西北;特高压直流;滤波器组;孤岛;过电压

0 引言

滇西北至广东±800 kV特高压直流输变电工程是“十三五”期间中国南方电网公司西电东送的重点工程之一,是国家能源局为推进大气污染防治行动、加快建设速度的十二条输电通道之一,该工程额定输送功率为5000 MW,额定电流为3125 A。为使滇西北直流工程投运后尽快满送功率,需要增加送端电厂开机台数增加装机容量,才能够满足直流孤岛运行期间对设备过电压水平的要求。但由于送端电厂投产时序与直流投产进度存在不同步,送端电厂机组长期处于开机量较小的情况,需云南主网增加外送滇西北直流功率,此时云南主网与换流站之间的交流联络线N-1运行期间,若发生接地故障,重合闸不成功情况下跳开最后一回联络线,滇西北直流被动进入孤岛。当直流送端失去了大部分功率,直流发生双极闭锁故障时,送端电站内的水电机组甩负荷,形成了机组通过空载线路带换流站交流滤波器及电容器组等容性负荷的情况,此时将可能出现以下过电压问题 [1-7] 

1)换流站交流母线上的过电压水平及持续时间可能超标,使得母线上的电力设备难以承受。

2)换流站A型避雷器吸收能量可能会超出允许的通流能力。

3)切除滤波器组和电容器组时,断路器断口恢复电压较高,可能会引起断路器重燃。

针对被动进入孤岛的过电压问题往往更加严重,目前针对孤岛运行系统,推荐的控制措施为:直流双极甩负荷后快速切除所有滤波器和并联电容器,控制所有换流变断路器落后于滤波器跳闸,利用换流变的励磁饱和特性短时限制暂时过电压 [8-12] 。但是,该措施仍可能造成直流闭锁期间,由于滤波器组/电容器组尚未切除导致的过电压较高的问题。本文提出的新措施是在直流被动进入孤岛后先将滤波器组切除,因此,直流双极闭锁期间,不会有太大过电压。

论文针对送端不同小开机方式下直流输送功率极限,直流被动进入孤岛后的不同故障工况进行了过电压风险分析,提出了送端小开机方式下提升新东直流输送能力的应对措施并进行了现场调试验证。计算工具采用电磁暂态计算软件PSCAD/EMTDC。

1 主要设备参数

本文的研究对象为送端换流站被动进入孤岛后的过电压问题,因此建立的模型中需对送端系统内的线路、发电机等设备进行详细建模,而受端交流系统则采用一般的等值电源进行代替,不做具体分析。研究中保留了送端苗尾和大华侨两个电厂的部分机组,通过大华桥—苗尾、苗尾—新松500 kV交流线路连接至送端新松换流站,而云南主网与直流通过黄坪—新松500 kV交流线路连接,送端交流系统仿真接线如图1所示。线路采用Bergeron模型,典型参数如表1所示。

图1 送端系统接线图等值接线图 
Fig.1 Schematic layout of AC system at the sending terminal

表1 500 kV线路参数 
Table 1 Main parameters of 500 kV AC lines

送端系统内本研究中送端孤岛系统内保留的500 kV高压并联电抗器及其参数如表2所示。

表2 500 kV高压并联电抗器参数 
Table 2 Main parameters of 500 kV shunt reactors

送端大华桥、苗尾电站发电机额定功率分别为230 MW、350 MW;大华桥电站升压变额定容量为256 MVA,额定变比:550 kV/15.75 kV,短路比15%;苗尾电站升压变额定容量为390 MVA,额定变比:550 kV/18.0 kV,短路比15%。新松换流站换流变额定容量为248.6 MVA,考虑换流变压器在工频暂态过电压下的励磁饱和特性,典型换流变饱和特性曲线如图2所示。

图2 高端YY换流变压器饱和特性曲线 
Fig.2 Typical saturated curve of YY-type transformer

直流输电系统在整流或逆变过程中会产生大量的谐波,为了避免谐波侵入交流系统,需要在换流站交流场安装不同滤波次数的交流滤波器(AC filter,ACF);同时,滤波器组中的电容器部分的电容量都较大,可以为换流站提供无功补偿。新松换流站交流滤波器ACF和电容器组SC共16小组,分为4个大组,各个大组的组合方式分别为ABBD、AABD、ABDD和ABDD,每小组额定容量均为184 Mvar,如图3所示。

新松换流站A型避雷器可以抑制500 kV交流母线、换流变高压端、站用变高压侧操作过电压水平,典型参数如表3所示。

图3 新松换流站小组交流滤波器和电容器结构示意图 
Fig.3 Schematic layout of AC filters at the Xinsong station

表3 A型氧化锌避雷器伏安特性参数(U 3mA =578 kV) 
Table 3 Volt-current parameters of A type ZnO arrester

2 计算判据

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(GB/T 50064—2014)规程规定,500 kV交流系统的2%统计操作过电压水平不宜超过2.0 pu(基准值1 pu= 550 kV);线路断路器的变电所侧及线路侧的工频暂时过电压应分别不超过系统最高运行相电压(550  kV)的1.3倍和1.4倍。如果系统的操作过电压及工频暂时过电压超过上述要求,应采取措施予以降低。

在我国±500 kV高压直流工程技术规范中对工频暂时过电压限值一般规定如下:

1)直流输电部分或者完全中断不应在换流器的交流母线处产生持续时间超过5个周波、高于  的工频电压,且电压变化不会超过扰动之前的电压的30%。

2)从导致输电中断的干扰产生时起2 s之内,工频电压应在500 ms以内降到  或以下,并在2 s之内降至扰动前电压的105%或交流母线电压。

工频暂时过电压波形的限值如图4所示。

图4 工频暂时过电压限值 
Fig.4 Power frequency transient overvoltage requirements

滇西北直流工程新松站设备暂时过电压的设备招标技术规范书要求为:承受1.40 pu的工频过电压持续时间不超过120 ms,1.60 pu工频过电压持续时间不超过60 ms。电厂侧设备暂时过电压按GB/T 50064《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中要求的不超过1.3 pu作为判别依据。

A型避雷器标称吸收能量9 MJ,滤波器断路器断口暂态恢复电压1470 kV [13-14] 

3 计算结果

一般情况下,直流控制保护系统发出闭锁信号后,直流控制系统控制触发角快速移相,直流功率迅速下降至零,当直流功率突然下降时,若交流滤波器组/电容器组一直连接在换流站母线上时,会提高换流站母线的工频电压,需要及时切除,一般可以在几十毫秒内快速切除所有小组交流滤波器/电容器,文中从严考虑,闭锁命令发出后120 ms内全切除所有小组滤波器/电容器组,所得计算结果较为保守。同时,延时切除换流变,利用换流变的励磁饱和特性短时限制工频暂时过电压,并在直流控制系统中增设过电压后备保护功能。

表4为考虑不同小开机及不同直流功率下过电压仿真工况,其中方式1~方式6采用的过电压保护策略为:直流被动进入孤岛后,直流站控发出双极闭锁命令,依次切除换流站交流滤波器组/电容器组、换流变以及电站全部机组。

表4 开机方式及系统运行条件 
Table 4 Conditions of generators and DC operation mode

方式1 ~ 方式6下的系统过电压水平和A型避雷器吸收能量计算结果如表5所示。

1)方式1~方式3。

苗尾电站开2台机,直流双极低阀组运行时,输送功率在1500 MW以内,直流被动进入孤岛后发生双极Block时最大操作过电压水平1.59 pu,满足规程不超过2.0 pu的要求;暂时过电压水平1.38 pu,在设备招标技术规范 (1.40 pu持续时间120 ms和1.60 pu持续时间60 ms)的要求之内;A型避雷器最大吸收能量为1996 kJ,与标称吸收能量相比裕度为77.8%;滤波器断路器最大暂态恢复电压1254 kV,在技术规范1470 kV范围内。电厂500 kV交流母线暂时过电压水平1.27 pu,满足国标要求。

当输送功率为1700 MW时,暂时过电压水平1.41 pu,持续时间120 ms,超出设备招标技术规范(1.40 pu持续时间120 ms和1.60 pu持续时间60 ms)的要求。

2)方式4~方式6。

苗尾电站开4台机,大华桥电站开1台机,直流四阀组运行,输送功率在3300 MW以内时,直流被动进入孤岛后发生双极Block时最大操作过电压水平1.61 pu,暂时过电压水平1.396 pu;A型避雷器最大吸收能量为3019 kJ,与标称吸收能量相比裕度为66.5%;滤波器断路器最大暂态恢复电压1211 kV,皆满足要求,方式5下的新松换流站母线过电压波形如图5所示。

表5 被动进入孤岛后发生双极Block时过电压水平和避雷器吸收能量计算结果 
Table 5 System overvoltage and absorbing energy of A type arrester under isolated DC operation mode

注:表中过电压结果单位为标幺值,操作过电压和工频暂时过电压的基准值分别为1  kV。

表6 被动进入孤岛后先采取切除交流滤波器、后触发直流双极闭锁时过电压水平和避雷器吸收能量计算结果 
Table 6 System overvoltage and absorbing energy of A type arrester under isolated DC operation mode

图5 开机方式5下过电压计算结果(四阀组) 
Fig.5 Overvoltage waveforms with Mode 5 (four valve group mode)

当输送功率为3500 MW时,暂时过电压水平1.41 pu,持续时间120 ms,超出设备招标技术规范(1.40 pu持续时间120 ms和1.60 pu持续时间60 ms)的要求。

可见,在送端电厂开机2台和5台情况下,直流输送功率极限分别约为1500 MW、3300 MW。为满足受端的负荷需求,需要提高直流输送功率,此时,进一步采取过电压限制措施十分必要。

4 过电压抑制

当滇西北直流被动进入孤岛,失去了云南交流主网送入系统的较大功率,若直流直接闭锁,立即将直流功率降至零时,交流滤波器组/电容器组具有较大电容,会引起换流站母线工频电压偏高,为降低闭锁期间过电压,可以先切除交流滤波器组/电容器组,后延时30 ms闭锁直流,由于闭锁期间无电容器升压作用,进而可以达到降低过电压的目的。

表6计算了方式7和方式8下送端电厂分别开2机、5机,功率分别增加至2500 MW、4400 MW时的过电压情况,并且考虑了一组滤波器拒动的情况,从计算结果可以看出:

1)苗尾电站开2台机,直流双阀组运行,输送功率在2500 MW直流被动进入孤岛后120 ms内全切交流滤波器组、切断成功后延时30 ms双极闭锁直流,考虑一小组滤波器拒动时,最大操作过电压水平1.40 pu,暂时过电压水平为1.19 pu,电厂500 kV交流母线暂时过电压水平1.17 pu,皆满足要求。

2)苗尾电站开4台机,大华桥电站开1台机,直流四阀组运行,输送功率在4400 MW直流被动进入孤岛后300 ms内全切交流滤波器组、切断成功后延时30 ms双极闭锁直流,考虑一小组滤波器拒动时的最大操作过电压水平1.46 pu,暂时过电压水平为1.15 pu,电厂500 kV交流母线暂时过电压水平1.11 pu,皆满足要求。

采取过电压抑制措施后的换流站母线典型过电压波形如图6所示,由图可见,当直流被动进入孤岛后,若不立即闭锁直流,换流站母线电压会有一定程度下降,滤波器组切除以后,母线电压会进一步下降,延迟30 m s直流闭锁后,由于直流功率急剧下降,换流站母线电压才有所上升。整个过程中操作过电压水平和暂时过电压水平均满足国标和技术规范要求。当直流被动进入孤岛后,换流站母线电压下降的原因为:机组被迫瞬间加载,机组会通过强励增加功率输出,从而增加了机组内电势水平(如果此时直接闭锁直流,换路站母线过电压水平较主动孤岛运行方式会更高)。

若不考虑云南电网外送直流的功率上限制,理论上即使直流送出功率升至额定值,只要采取先切除滤波器组后闭锁直流的措施,被动进入孤岛后的过电压水平都不会太高。

5 现场验证

图6 开机方式8下过电压计算结果(四阀组,300 ms切除ACF,后延时闭锁,一组ACF拒动) 
Fig.6 Overvoltage waveforms with Mode 8 (four valve group mode, ACFs cut off before blocking DC system, one ACF was failed to cut off)

图7 整流侧新松换流站母线电压波形 
Fig.7 Overvoltage waveforms of AC bus at Xinsong substation in rectifier side

为验证过电压抑制措施是否正确动作并产生如期的效果,开展了新东直流被动跳入孤岛验证试验,新松换流站交流母线三相电压波形如图7所示。现场试验结果表明:新东直流被动跳入孤岛后约139 ms内直流站控切除全部小组交流滤波器,全切交流滤波器后延时约30 ms直流启动闭锁,孤岛方式低功率双极闭锁试验逻辑时序正确,直流跳入孤岛全切交流滤波器、延时双极闭锁后,新松站操作过电压为1.24 pu,满足规程不超过2.0 pu的要求,新松站暂时过电压为1.09 pu,在设备招标技术规范要求之内(1.40 pu持续时间120 ms、1.60 pu持续时间60 ms);苗尾电站暂时过电压水平为1.08 pu,满足国标要求,试验结果在仿真结果的范围之内。

6 结论

1)在送端电厂开机2台时,直流输送功率最大按不超过1500 MW来安排,送端电厂开5台机时,直流输送功率按不超过3300 MW来安排。此时直流被动进入孤岛后发生双极B lock时系统最大操作过电压水平满足规程要求、暂时过电压水平满足设备招标技术规范要求、A型避雷器最大吸收能量裕度较大、滤波器断路器最大暂态恢复电压满足技术规范要求。

2)为提升直流输送功率,需采取直流被动进入孤岛后先切除交流滤波器、延迟闭锁直流的措施。若不考虑云南电网外送直流的功率限制,理论上可以将直流送出功率升至额定值,同时保证整个动作过程中操作过电压和暂时过电压水平均满足国标和技术规范要求。

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Study on Overvoltage of ±800 kV Northwest Yunnan-Guangdong UHVDC Project Under Isolated Island Mode with Small Amount of Hydropower Generators

SHI Jian, JIA Lei, CAI Hansheng, DONG Xuzhu, LIU Gang, HU Shangmao, HU Taishan 
(State Key Laboratory of HVDC, Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510063, Guangdong Province, China)

Abstract: To achieve full power transmission through the± 800 kV No rthw est Yunnan - Guangdong UHVDC transmission and transformation project as soon as possible after putting into operation, it is necessary to increase the power output from Yunnan power grid to this project due to a small amount of generators putting into operation at the hydropower stations for a long period.Overvoltage risk analyses were carried out after the DC system entering into isolated islands operation mode, and overvoltage suppression measures to improve the DC transmission capacity were proposed and field commissioning verification was carried out.Calculations show that if the traditional overvoltage protection strategy is adopted,the DC transmission power limits of would be 1500 MWand 3300 MWwith two generators and five generators putting into operation at the hydropower stations, respectively.A fter taking the overvoltage suppression measure, which is cutting off all AC filter banks after the DC system entering into isolated island operation mode, and then blocking DC operation, the over-voltage will always meet the requirements, even if under rated DC power.

Keywords: Northwest Yunnan; UHVDC; AC filters; isolated island; overvoltage


施健

作者简介:

施健(1987),男,博士,主要从事电力系统电磁暂态仿真及过电压计算工作,E-mail:shijian@csg.cn。

贾磊(1982),男,工程师,博士,主要从事电力系统电磁暂态仿真及过电压计算工作,E-mail:jialei@csg.cn;

蔡汉生(1963),男,高级工程师,硕士,主要从事电力系统电磁暂态仿真及过电压计算工作。

(责任编辑 张鹏)

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    图1