天广直流孤岛运行测试与分析

罗 斐，王 健

（华南理工大学电力学院，广州 510641）

天广直流输电工程，西起黔、桂交界马窝换流站，东至广州市的北郊换流站，线路全长980千米，是我国第二条远距离、大功率、超高压直流输电工程。工程的直流额定电压为±500kV，额定电流1800A，双极功率为1800MW。天生桥马窝换流站一般为整流站运行，广州换流站一般为逆变站运行。工程于2000年12月投运后，作为西电东送的主要通道，输送了大量的绿色电能，为广东经济发展作出了巨大的贡献。但天广直流在运行中也暴露出一些缺陷，尤其是板卡老化日益严重、个别元件损坏率很高、备品备件供应极其困难，控制保护系统在原理、逻辑方面也暴露出诸多缺陷，多次单极，甚至双极强迫停运，给天广直流工程的运行、维护和整个南方电网的安全可靠运行带来了巨大的困难和前所未有的压力，在控制保护方面问题较多，影响了系统可靠性［1］。因此，南方电网超高压输电公司决定对天广直流控制保护系统进行全面改造。本次孤岛试验正是此次改造过程中新的控制保护系统投入之前的试验。天广直流控制保护系统改造后，为验证天广直流在其整流侧交流元件跳闸后能否平稳地由联网方式过渡至孤岛方式运行、孤岛运行时能否稳定地改变传输功率、能否承受较小的扰动以及能否平稳地由孤岛方式过渡至联网方式运行，所以需要进行本次试验。

1 试验前准备

本次孤岛试验由天一电厂1号机组、2号机组及4号机组作为送端电源形成孤岛，送端孤岛系统图见图1。在直流孤岛运行方式下，孤岛系统较为脆弱，所以天广直流主要任务是输送孤岛中的电源发送功率，尽量避免参与功率调制等直流调制，防止发生大的扰动导致运行不稳定。这就需要天广直流双侧频率调制功能退出，功率限制控制功能退出，功率提升／回降功能退出，双极线路故障再启动功能退出，低负荷无功优化控制功能退出。设置马窝换流站220kV开关的同期装置定值，见表1。天一电厂自动发电控制AGC（automatic generation control）退出，确保3台机组调速器正常投入运行。天广直流频率限制控制FLC（frequency limit control）功能投入，设置值设为“0.15Hz”。马窝换流站两套稳控装置仅保留"高周切机"功能，高周一轮设置52Hz，高周二轮设置52.5Hz。马窝换流站两套稳控装置与其余厂站稳控装置通信通道物理断开。

图1 孤岛运行试验接线Fig.1 Test wiring scheme of Island operation

表1 整流站220kV开关同期定值Tab.1 Parameters of 220kV switch synchronization for rectifier station

2 试验内容

本次天广直流孤岛试验主要内容包括：（1）操作马窝换流站侧交流开关，使得天广直流进入孤岛运行方式；（2）调整天广直流功率，观察孤岛系统稳定情况；（3）调整天一电厂机组出力，观察孤岛系统稳定情况；跳开天一电厂出力最小的机组，观察孤岛系统稳定情况；（4）孤岛系统并入主系统，天广直流恢复联网运行。

首先调整天广直流双极输送功率为270MW，天一电厂＃1、＃2发电机组出力均约为30MW，＃4发电机组出力约为210MW，转孤岛前控制天广直流功率与天一电厂 ＃1、＃2、＃4机组总出力之差在±10MW以内。操作马窝换流站侧交流开关，使得天广直流于11点54分进入孤岛运行方式。观察直流系统运行工况，核实FLC调节正常、系统运行稳定；观察天一机组的运行情况，核实其运行稳定。

分别于12：35、12：48、13：01、13：19时刻调整天广直流双极输送功率为280MW、270MW、360 MW、270MW，速率为25MW／min，上升期间FLC功能退出。每次调整后运行10min左右，观察直流系统运行工况以及天一机组的运行情况，核实FLC调节正常、系统运行稳定。

天一电厂 ＃1、＃2、＃4机组总出力于13：40时刻缓慢提升至320MW，提升速率为25 MW／min，观察系统运行状况，于13：58时刻天一电厂总出力以同样的速率降至270MW，观察系统状况。等待5min后天一电厂调整＃2机组出力约为30MW，天一电厂 ＃1、＃2、＃4机组总出力仍然维持约270MW，接着于14：30时刻跳开天一电厂＃2机组，核实系统运行稳定。天广直流孤岛平稳运行5min后，控制孤岛系统与主网频率差小于0.2Hz、电压差小于30kV、相角差小于20°，操作马窝换流站侧交流开关，使天广直流于14：50时刻恢复联网运行。15：01至15：21时间段是对功率升降的调试，于15：32时刻再次进入孤岛运行，并于16：02时刻再次进入联网试验。至此，本次试验结束。

3 试验结果分析

对于送端孤岛系统，孤岛运行稳定的关键是对送端交流电压与频率的调节。交流电压过高或过低会造成设备运行性能与安全的降低，在直流站控无功控制异常、机组励磁调节异常等情况下，系统无功波动较大时，甚至可能导致孤岛系统失压、孤岛系统内机组跳闸风险。频率的过高或过低也会对发电机以及其他设备运行性能与安全产生不良影响。

与并入交流电网不同，孤岛方式下送端频率调节无法依靠网内机组共同调节，主要由机组自身调节，部分依靠直流频率控制。其中天广直流送端机组采用电调型调速系统，调速器由调节系统（控制系统）、电液伺服系统和原动机组成，对于送端孤岛系统，除发电机组自身具有的一次调频能力外，还有必要采取直流频率控制的附加控制功能［2，3］。频率控制是利用直流输电系统功率的快速可控性，当送端频率变化时，为防止发生频率稳定破坏事故，通过快速调整外送功率来达到控制送端系统频率的目的［4，5］。同样，对于孤岛方式下送端交流电压调节无法依靠网内机组以及其他无功设备共同调节，需要由机组的励磁调节以及直流站控无功控制共同配合调节。

图2 送端交流电压趋势曲线Fig.2 AC voltage trend curve of sending terminal

图3 送端频率趋势曲线Fig.3 Frequency trend curve of sending terminal

图4 送端输送功率趋势曲线Fig.4 Transmission power trend curve of sending terminal

天生桥马窝换流站的无功控制与天一电厂的发电机组励磁调节控制交流电压，而送端的频率与输送的有功功率则依靠频率限制控制（FLC）和天一电厂发电机组的调速器一起配合进行调节。送端的交流电压、频率、传输的有功功率这三者是分析考察天广直流孤岛试验的关键，如果这三者未出现大的波动，就表明孤岛试验成功。天广直流孤岛试验结束后，收取的送端交流电压趋势曲线见图2，送端交流频率趋势曲线见图3，天广直流双极输送功率趋势曲线见图4。依据《电网运行准则》［6］《电力系统安全稳定导则》［7］，可以看出，天广直流在其整流侧交流元件跳闸后可以平稳地由联网方式过渡至孤岛方式运行，送端交流侧电压、频率未发生较大的波动，输送功率平稳，系统运行稳定；孤岛运行时可以稳定地改变传输功率；小扰动诸如30MW机组跳闸的情况下，频率及传送的功率未发生大的波动，较为平稳，电压出现了一定的波动，最大值达到246kV，最小值达到218.5kV，处于实用动态安全域PDSR（practical dynamic security regions）［8］内，依据《天广直流控制保护系统通用技术规范》［9］，此次波动未超出安全稳定范围。

4 结论

考察天广直流孤岛运行性能主要是考察送端的交流电压、频率、传输的有功功率，通过观察这3者的趋势曲线图，可以得出天广直流可以平稳地由联网方式过渡至孤岛运行方式，天广直流孤岛运行方式下，频率限制控制功能正常、天一电厂机组调速系统正常、两者配合也是正常的，在天广直流及天一电厂功率波动在正常范围内，孤岛系统频率稳定。

［1］南瑞继保电气有限公司.天广直流控制系统设计规范书［Z］.南京：南瑞继保电气有限公司，2009.

［2］余涛，沈善德，任震（Yu Tao，Shen Shande，Ren Zhen）.华中－华东多回HVDC紧急功率转移控制的研究（Research on emergency power shifting controlof multi－circuit HVDC systems from central China power grid to east China power grid）［J］.电网技术（Power System Technology），2004，28（12）：1－4.

［3］刘红超，李兴源，王路，等（Liu Hongchao，Li Xingyuan，Wang Lu，et al）.多馈入直流输电系统中直流调制的协调优化（Coordination and optimization of HVDC modulations in multi－infeed HVDC transmission system）［J］.电网技术（Power System Technology），2004，28（1）：5－9.

［4］李兴源.高压直流输电系统的运行与控制［M］.北京：科学出版社，1998.

［5］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［6］DL／T 1040－2007，电网运行准则［S］.

［7］DL－T 755－2001，电力系统安全稳定导则［S］.

［8］余贻鑫，王春成（Yu Yixin，Wang Chuncheng）.AC／DC并联输电系统大扰动短期电压稳定PDSR（Practical dynamic security regions of AC／DC parallel systems to guarantee short－term voltage stability after large disturbance）［J］.电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU－EPSA），2007，19（5）：1－7，13.

［9］南瑞继保电气有限公司.天广直流控制保护系统通用技术规范［Z］.南京：南瑞继保电气有限公司，2009.