青海—西藏±400 kV直流联网工程的启停方法设计

刘宝宏，马为民，殷威扬

(国家电网公司直流建设分公司，北京市，100052)

0 引言

青海格尔木至西藏拉萨直流联网工程电压等级为±400 kV，本期建设完整双极规模600 MW，远期通过并联换流器扩建至1 200 MW，输送距离1 038 km，全线海拔在2 800 m以上，是目前世界上海拔最高的长距离直流输电工程，于2011年年底本期双极投运。与已建常规±500 kV直流工程相比，±400 kV青藏直流联网工程成套设计问题多、难度大，有其独特之处。突出特点可以归结为直流接入弱交流系统的问题［1-5］、远期换流器并联运行的问题、设备高海拔应用的问题等方面。本文旨在对接入弱交流系统直流工程的启停功率和启停方法［6-9］进行研究，以及提出为满足该功能要求的直流系统启停解决方案。

目前，直流接入弱交流系统的研究主要集中于交直流混合系统的安全稳定研究［1-5］，对接入弱交流系统直流的启停功率和启停方法研究较少。常规直流工程启停功率为额定功率的10％，对于青藏直流联网工程来说，额定功率为600 MW，如果启停功率单极为30 MW、双极为60 MW，将对最低负荷约为170 MW的藏中电网产生巨大的冲击，因此，需要优化研究青藏直流联网工程的启停功率和启停方法，确保直流启动满足电网安全稳定运行的要求。

1 西藏中部电网概况

西藏中部地区包括拉萨、日喀则、山南、那曲及林芝五地市。截至2009年底，西藏中部电网装机容量488.96 MW。2011年建设曲哥、乃琼及夺底220 kV变电站，形成曲哥—乃琼—夺底双回、夺底—曲哥单回三角形环网网架。±400 kV青海—西藏直流联网工程接入拉萨换流站，拉萨换流站以2回220 kV线路连接至夺底变电站，如图1所示。

图1 2011年藏中电网220 kV网架Fig.1 220 kV Tibet power grid in 2011

藏中电网处于发展初期，要求的频率变化范围为：拉萨换流站母线正常频率波动(50±0.5)Hz，暂态频率偏差49～51 Hz。在青藏直流投产初期的2011年，拉萨换流站最小短路电流只有0.72 kA，短路比为0.48，运行有效短路比为3.2，属于极弱交流系统。其他设计方式最小短路比如表1所示。青藏直流联网工程建成后，直流系统的额定容量甚至大于交流系统的短路容量，形成了“大直流小系统”的局面。

2 直流系统启停功率的限值

在2011年枯小油机全停、系统最弱的方式下，西藏地区负荷仅有170 MW。利用BPA电力系统潮流及暂态稳定分析程序对藏中电网全网数据进行仿真研究［10］，直流系统解锁功率为7.5 MW时对交流系统的频率冲击如图2所示，在3 s时系统频率达最大50.5 Hz。直流系统在功率7.5 MW闭锁时，对交流系统的频率冲击如图3所示，在3 s时系统频率达最小49.5 Hz。直流系统单极正常解锁/闭锁功率不大于7.5 MW，可以保证直流系统启动/停运时西藏电网正常频率波动不超过(50±0.5)Hz。因此，青藏直流联网工程单极启停功率取为7.5 MW。

3 直流系统最小启停功率的实现方法

常规直流工程启停功率为额定功率的10％，而青藏直流联网工程单极启停功率为7.5 MW，仅为额定功率的2.5％。为满足这一特殊要求，需要对直流系统中换流阀、平波电抗器、控制策略等进行与常规直流工程不同的设计［11］。

3.1 平波电抗器的设计

青藏直流联网工程启停功率为额定功率的2.5％，如果按照全压方式启动，启动电流只有18.75 A。为了避免直流电流断续［12-14］，按照式(1)计算平波电抗器电感值，则每站每极的平波电抗器电感值至少为1.8 H。如果采用干式电抗器，每台电抗器电感值300 mH，每站每极需要6台平波电抗器串联；如果采用油浸式电抗器，单台制造难度很大。2种型式的平波电抗器造价都很高。

为了降低工程造价，推荐直流系统采用25％额定直流电压、10％额定直流电流启动，依据式(1)，每站每极的平波电抗器电感值为至少为532 mH，工程中实际采用600mH，选择2台300mH干式平波电抗器串联或者单台油浸式平波电抗器。

式中：LdR为平波电抗器电感值；UdioNR为换流变阀侧额定空载直流电压；ω为角速度；Idmin为最小直流电流；α为触发角。

每站每极平波电抗器电感值为600 mH，在直流系统电流0.1 pu(基值为750 A)、直流电压参考值100 kV时，直流系统的启停过程如图4所示，停运和启动过程平稳，直流电流不断续。

图4 直流系统启停时的运行曲线Fig.4 Operation curves in DC system start-stop process

3.2 换流阀的设计

单极2.5％额定功率解锁，直流电压降压至25％，在充分利用换流变分接头的条件下，换流阀仍需要运行在74°左右，如图4所示。计及70％降压额定电流运行、直流系统2.5％功率运行，两端换流站换流阀应满足在表2所示工况参数下长期运行的要求。

换流阀大角度运行产生更大的损耗，主要是晶闸管损耗和阻尼电阻的损耗。根据IEC标准，换流器在α=90°时的运行方式限制以及运行在α=90°时的最长运行时间限制是受换流阀阻尼回路电路中的电阻损耗所决定的，长期运行在α=90°会加剧电阻的老化。理论上阀组件可以在90°触发角、额定电流下连续运行，但是这样对阀的冷却系统提出了更高的要求。青藏直流联网工程两端换流阀增加了散热容量设计，提高了换流阀大角度运行能力，实际大角度运行能力如图5所示。

表2 两端换流站用于换流阀设计的参数Tab.2 Parameter of converter valve at both-ends converter stations

图5 青藏直流工程换流阀运行能力Fig.5 Operation ability of converter valve in Qinghai-Tibet DC project

4 双极启动控制策略

青藏直流联网工程接入的藏中电网系统很弱，受直流系统自身最小启动功率能力的限制，直流系统应先启动一极，再启动另一极，这就涉及到一极运行后如何启动另一极的问题。有2种方法启动另一极：方法1是已运行极输送的功率达到Pd，功率下阶跃至Pd/2的同时，另一极直接解锁至Pd/2，两极输送功率相同，达到双极稳态输送功率Pd，另一极解锁前后直流系统输送功率不变；方法2是运行极维持自身运行状态不变，另一极从最小启动功率7.5 MW解锁，采用25％电压、10％电流、大角度解锁，逐渐提升功率，完成双极启动。

采用方法1启动至双极，极1运行输送功率42 MW时，直流电压为280 kV，直流电流为150 A。在极2启动时，直接解锁到21 MW功率，直流电压为－280 kV，直流电流为75A；与此同时极1功率下阶跃至21 MW，维持极2解锁前后直流系统总输送功率不变，启动过程如图6所示。

图6 方法1的启动过程Fig.6 Starting process ofmethod No.1

采用方法2最小功率解锁，2个极先后从7.5 MW功率解锁，启停过程可参考图4。

青藏直流联网工程同时采用了上述2种双极启停方法，均满足系统正常运行要求。

5 结论

本文提出了与常规直流工程不同的直流系统启停策略。为了适应弱交流系统，降低直流系统启动和停运时对藏中电力系统频率的冲击，使藏中电网系统频率维持在要求的范围内(50±0.5)Hz，直流系统单极启停功率为7.5 MW，采用25％额定电压、10％额定电流、大角度方式启动。为了满足低电压、小电流起停方式，需增加直流平波电抗器电感值，提高换流阀大角度运行能力。

受启停功率限制，需要先启动一极，再启动另外一极，最终达到双极稳态运行。单极启动至双极有2种方法：一是2个极先后从7.5 MW解锁；二是投运极直接解锁至双极输送功率的一半，维持投运极解锁前后直流输送总功率不变。2种启停方法都在青藏直流联网工程中得以应用，效果良好。

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