高压直流输电过负荷限制功能分析及改进措施

梁天明，翁洪志，袁焯锋

(南方电网超高压输电公司 广州局，广东 广州 510405)

高压直流输电过负荷限制功能分析及改进措施

梁天明，翁洪志，袁焯锋

(南方电网超高压输电公司 广州局，广东 广州 510405)

以南方电网兴安直流输电系统为例，介绍了直流输电系统暂态过负荷、短时过负荷及持续过负荷等3种过负荷限制功能，以及3种过负荷之间转化关系。针对直流输电系统持续过负荷运行过程中出现的功率受限情况，详细阐述了兴安直流输电系统一项过负荷试验过程，分析了试验过程中出现的异常现象，指出了过负荷限制功能与冷却能力配合以及环境温度采集等方面存在的突出问题。提出了直流系统过负荷运行及维护建议，改进了环境温度采集方法，通过设置主环境温度传感器和备用环境温度传感器，实现了冗余配置，有效避免了直流双极不平衡运行。有助于提升高压直流输电系统的维护水平及运行稳定性，同时为未来直流输电系统过负荷功能的设计提供了有益的参考。

高压直流输电;过负荷;功率波动;环境温度;冷却器

0 引言

高压直流输电系统设计有一定的短时和持续过负荷能力，以满足特殊情况下直流功率输送的需求。当发生并联交流线路跳闸或某一极直流系统闭锁等故障或扰动时，可以通过直流输电系统极控功能，瞬时提高健全直流极的输送功率。在直流输电系统过负荷能力范围内，把故障交、直流线路输送的部分或全部功率转移到正常运行的直流输电系统，从而减轻功率损失对交流系统的冲击，提高系统运行的稳定性［1，2］。直流输电系统对换流站冷却系统依赖性较强。换流阀冷却系统是换流站的一个重要组成部分，将换流阀上各晶闸管元件的功耗发热量排放到阀厅外，保证晶闸管运行结温在正常范围内［3］。直流系统过负荷运行将导致晶闸管元件温度迅速上升，循环水冷系统散热压力增大，严重时可能对换流阀造成不可逆转的损伤。另外，环境温度过高时可能影响冷却系统热交换，造成冷却效果变差。基于多种因素的考虑，极控系统设置了过负荷限制功能。在一定的环境温度条件下，充分考虑直流系统备用冷却设备是否可用，以及换流器冷却系统进水温度等条件，根据高压直流输电系统主设备的过载能力计算得到直流输电系统过负荷能力，从而对极功率/电流输出的电流进行限制。近年来，由于高峰负荷期间直流系统持续大功率输送，以及发生交流系统故障时，直流输电系统对交流系统的紧急功率支援的需求［4，5］，电网运行方式安排直流系统过负荷运行的情况经常出现。但在实际运行过程中，由于直流输电过负荷限制功能与冷却器冷却能力的配合上存在问题，导致直流系统持续过负荷运行时功率受限的情况时有发生。

1 直流输电系统过负荷限制功能

1.1 直流过负荷限制功能分类

以兴安直流输电系统为例，兴安直流设置的过负荷限制功能分为暂态过负荷、短时过负荷、持续过负荷 3 种［6］:

(1)暂态过负荷

暂态过负荷根据允许过负荷时间的不同分为3 s，5 s和10 s 3种过负荷，由于暂态过负荷时间相对较短，过负荷能力仅由环境温度决定，与冷却器是否冗余以及阀内冷水温度等参考量无关。

(2)短时过负荷

短时过负荷根据环境温度、内冷水入水温度和换流变压器冷却系统是否有冗余等因素计算得到短时过负荷电流值和短时过负荷剩余时间。短时过负荷剩余时间Tovld计算方法:

Tovld取决于电压参考值，当前直流电流值、环境温度、阀冷却能力等因素［7］。如果该时间耗完，直流系统将切换至低级别的过负荷。图1显示一段虚拟的Tovld(即trem)随直流电流变化的趋势，假设Id2h=1.25 p.u.，Idcont=1.2 p.u.(Id2h为2 h过负荷电流阈值;Idcont为持续过负荷电流阈值)。

图1 短时过负荷剩余时间函数

－1→0 h:直流电流为1.15 p.u.，未启动过负荷函数。

0→2.8 h:直流电流超过Idcont，短时过负荷启动，trem不断减小。

2.8→5.5 h:直流电流低于 Idcont，trem停止计数。

5.5→5.8 h:直流电流超过 Id2h，trem再次启动，且下降斜率增大。

5.8→12 h:直流电流低于 Idcont，trem停止计数。

12→13 h:12 h结束后，计数器复归，过负荷剩余时间重新计算。

(3)持续过负荷

连续过负荷能力即长时间过负荷能力，一般为直流输电系统方式安排过负荷。其过负荷水平主要与环境温度、换流变压器备用冷却系统是否投入及内冷水入水处温度决定。

1.2 过负荷限制激活条件及其转化关系

3种类型过负荷逻辑均由极控系统实现，其中持续过负荷可长时间实现，而另外两种过负荷均有时间限制。除人为提升直流功率至过负荷水平外，过负荷一般在特殊方式下由极控自动激活。极控通过监测直流电流确定直流过负荷水平，当过负荷时间超过规定限制后，极控系统按照“暂态过负荷＞短时过负荷＞长期过负荷”的逻辑关系，自动切换至低级别的过负荷水平［8］。

图2显示了直流系统不同性质过负荷之间到相互转换关系。直流系统发生故障，如果过负荷函数请求的过负荷水平x高于3 s过负荷 (曲线①)，过负荷函数将限制负荷水平在3 s过负荷;如果X介于水平A和水平B之间 (A＞X＞B)，极控将调整直流负荷在水平A运行。暂态过负荷结束后，直流系统转至短时过负荷 (曲线④)。

图2 各类型过负荷之间转化关系

2 单极闭锁引起直流暂态及短时过负荷

直流系统过负荷运行常出现在双极运行发生单极故障的时刻。如果双极功率值高于单极额定功率时，为避免功率损失，故障极的功率将最大限度转移至运行极，使运行极过负荷运行［9，10］。此时先出现暂态过负荷并迅速转化为短时过负荷。暂态过负荷和短时过负荷同属于应急过负荷举措，故此时应采用调度手段，手动降低直流功率至额定水平。

2014年7月7日16时20分，兴安直流双极满负荷运行。极2直流线路故障，重启动不成功导致闭锁。双极功率变化录波图如图3所示。

极2闭锁后，极2直流功率最大限度转移至极1，故极1启动3 s过负荷限制功能，根据当前冷却条件，将极1直流功率限制在2 090 MW。由故障录波可以看出，3 s后暂态过负荷结束，极控系统自动切换为短时过负荷，极1直流负荷进一步下降。直至手动调整直流功率至额定水平。

图3 单极闭锁引起过负荷故障录波

3 高压直流输电系统持续过负荷试验

持续过负荷一般为系统安排过负荷。直流系统过负荷运行对环境因素及系统辅助系统要求较高，故一般情况下不使用其过负荷能力。在系统紧急需要时，可临时安排其过负荷运行，同时应注意监视换流变与平抗的油温、线温，阀冷却系统内冷水入水温度的变化趋势以及环境温度变化。如达到报警值，且温度有上升趋势，应当停止过负荷运行。

3.1 兴安直流1.05倍过负荷试验过程

过负荷试验前，兴安直流系统满负荷3 000 MW运行，环境温度为36.1℃，平抗冷却器、阀冷却设备均正常投入运行。极2换流变Y/Y A相单个风扇因存在缺陷处于停运状态，其他冷却器均正常运行。手动调整功率至3 150 MW，进行1.05倍过负荷试验，记录试验开始前及2 h后关键参数如表1所示。

表1 1.05 p.u.过负荷试验关键运行参数 ℃

表1中所列温度均为最高温度，可以看出:1.05倍过负荷运行期间各温度参数有略微上升，但都在正常范围内。双极环境温度均上升约3.4℃左右，最高至39.5℃。在过负荷试验过程中出现一系列异常现象:功率由1.0 p.u.调至1.05 p.u.过程中，极2短时过负荷即启动，短时过负荷剩余时间值不断降低，极2暂态过负荷激活。随后，极1短时过负荷及暂态过负荷相继激活。且随着环境温度的上升，极2功率受限，部分功率转移至极1，双极不平衡运行，直流功率出现小幅波动。直至手动终止过负荷试验，将兴安直流功率调整至2 800 MW运行。

3.2 短时、暂态过负荷激活及直流功率波动分析

查阅双极持续过负荷软件逻辑［16］如图4所示。

图4 持续过负荷能力－环境温度软件逻辑

根据PLI6F模块中12组数值得到双极持续过负荷能力-温度曲线，如图5所示。

图5 双极持续过负荷-温度曲线

由表1得到极2初始环境温度为36.1℃，由于极2换流变Y/Y A相单个风扇故障，极控系统判断极2冷却器无冗余，由双极持续过负荷能力－温度曲线计算得到极2持续过负荷能力为1.029 p.u.，低于1.05 p.u.。极1初始环境温度为35.8℃，且极1冷却器有冗余，由双极持续过负荷能力－温度曲线计算得到极1持续过负荷能力为1.125 p.u.，高于1.05 p.u.。故当直流功率设定为1.05 p.u.时，随着功率上升，极2启动短时过负荷，短时过负荷能力升高为1.1 p.u.左右，而极1维持在持续过负荷工况。

极2换流变Y/Y A相单个风扇故障，极控系统判断冷却器无冗余，故极2短时过负荷能力较极1略低。双极短时过负荷与环境温度软件逻辑关系［16］如图 6 所示。

图6 双极短时过负荷能力-环境温度软件逻辑

根据PLI6F模块中12组数值得到双极短时过负荷能力-温度曲线，如图7所示。

图7 双极短时过负荷-温度曲线

随着环境温度上升，极2当前负荷率先高于其短时过负荷阀值，极2暂态过负荷启动。暂态(10 s)过负荷时间结束后，系统自动切换至短时过负荷。随着环境温度缓慢升高，此时的短时过负荷水平已经低于暂态过负荷启动前的水平，故极2负荷被限制。该过程周而复始，每经历1个周期，极2直流功率都会被限制而呈现阶梯状下降。由于直流系统功率控制模式采用双极定功率控制模式，为维持双极功率恒定，极2被限制功率转移到极1，极1直流功率迅速被迫抬高，达到极1持续过负荷阀值，极1短时过负荷限制功能激活，导致双极不平衡运行，双极直流功率变化录波如图8所示。

由图8可以看出，极1环境温度最终稳定在39.1℃，功率输送能力稳定在1.075 p.u.左右。极2环境温度稳定在39.5℃，并小幅下降，功率输送能力稳定在1.025 p.u.。如图9所示。

图8 双极不平衡运行变化趋势图

图9 双极直流功率输送能力变化趋势图

此时双极功率输送能力:

由图9可以看出，双极直流功率输送能力稳定在1.05 p.u.左右，与当前过负荷试验设定直流功率曲线重合，并随着环境温度变化而对当前功率进行限制，导致双极功率小幅波动，直至手动降低双极功率。

4 暴露的问题及其改进建议

(1)查阅极控系统各类型过负荷能力如表2。

表2 各类型过负荷所允许功率值 p.u.

系统允许过负荷受环境温度影响较大，尤其是在环境温度超过38℃时，各类型过负荷水平在2℃的温差范围内将迅速降低至1.0 p.u.，即系统不具备过负荷能力。故在环境温度超高38℃时禁止安排系统过负荷运行，以免造成功率限制，引起功率波动。

(2)单个风扇故障，极控系统判断该极冷却器无冗余，大幅降低相应极过负荷能力。但从过负荷运行记录的关键参数来看，虽然极2Y/Y A相单个风扇故障，但A相换流变压器油温和线温与其他两相基本相同，即极2Y/Y A相单台风扇故障对整台换流变油温、线温几乎无影响。如表3所示。

表3 1.05 p.u.过负荷试验换流变油温线温记录

当出现单个风扇故障导致冷却器无冗余时，尽量避免直流系统过负荷运行，以免造成短时过负荷及暂态过负荷应急启动，并最终导致直流功率受限或双极不平衡运行。

修改过负荷能力计算逻辑，对于暂态及短时过负荷计算逻辑可以用油温、线温代替冷却器是否冗余作为过负荷能力计算的条件。

(3)过负荷能力计算所使用的环境温度是由温度传感器采集而来。兴安直流输电工程环境温度传感器安装于主控楼一楼V型转角地带，附近装设有3台空调室外机，该位置环境温度受空调是否启动影响比较大。加之该位置属于墙角V型区域，散热性差，该位置温度显著高于正常环境温度。采集的环境温度失准，造成计算所得过负荷能力降低。这也是在内冷水温度、换流变油温、线温等参数均合格的情况下，却造成了功率受限的一个重要原因。故建议对该环境温度采集装置重新选址，且在后期直流工程建设中尽量选取无人机因素干扰的开阔地作为参考环境温度的采集地，以提高过负荷能力计算的精准度。

(4)同一换流站，双极处于同一地理位置，环境温度无差别。目前双极环境温度采集传感器安装同一位置，也是基于这一点考虑。现场信息采集装置SU200收集室外环境温度信号后，通过现场总线送至双极两套极控系统，用于过负荷能力的计算。其温度采集及传输路径如图10所示。

图10 双极环境温度采集及传输路径

此温度采集方法存在一定的缺陷:

①双极温度传感器容易产生横向误差，尤其在环境温度较高时，过负荷能力对环境温度的微小变化反应敏感。由于双极环境温度测量存在横向误差使得双极计算所得过负荷能力不同，很容易造成双极不平衡运行。

②双极环境温度传感器配置均无冗余。过负荷运行时，一旦单个传感器出现故障，单极过负荷能力计算失误，容易引起功率跳变或双极不平衡运行。

建议做如下改进:设置主环境温度传感器和备用环境温度传感器，如图11所示。

图11 改进后双极环境温度采集及传输路径

正常情况下，选择主环境温度传感器所测得温度值送至双极极控系统，备用环境温度传感器作为冗余备用。同时，通过单片机对环境温度的有效性进行判断。当传感器测量的环境温度Tamb大于设定的最大有效值Tmax或小于设定的最小有效值Tmin以及环境温度变化率T1－T2/(t1－t2)大于设定最大的变化率ΔT/Δt，判断该环境温度传感器测量故障，自动切换至备用环境温度传感器。也可选择手动强制切换至备用传感器。

5 结论

本文针对直流输电系统持续过负荷运行过程中出现的功率受限情况，通过对高压直流输电系统过负荷试验暴露出的典型问题的分析，指出了环境温度采集，冷却器冷却能力判断方面存在的突出问题，给出了具体的运行维护建议。提出了包括环境温度传感器选址及环境温度采集方法等方面的改进建议，有助于改善持续过负荷运行时功率受限的情况，提高直流系统过负荷运行的稳定性。

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Analysis and Improvement on Overload Limit Logic in HVDC System

Liang Tianming，Weng Hongzhi，Yuan Zhuofeng
(Guangzhou Bureau，CSG EHV Power Transmission Company，Guangzhou 510405，China)

Based on Xing-an HVDC systems in China Southern Power Grid，this paper proposes three kinds of overload limit functions such as transient overload，short-time overload and sustainable overload emphatically expounds an overload test process of Xing-an HVDC system．Deeply analyzes all the abnormal status during the overload test．Moreover，the study points out the problems between the overload limit function and colling capacity，and the environmental temperature acquisition based on the practical knotty problems exposed in the test，gives some suggestions on the DC system overload operation and maintenance，improves the environment temperature acquisition method．By setting the primary environment temperature sensor，and the standby environment temperature sensor，it realizes the redundancy configuration，effectively avoids unbalanced operation．Finally，the results show that the study is not only valuable for improving the maintenance capability and the reliable operation of HVDC system，but also provides useful reference to the design and construction of HVDC transmission projects in China in the future．

HVDC;overload;power fluctuation;ambient temperature;cooler

TM721

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.005

2015－04－21。

梁天明 (1984-)，男，工程师，研究方向为高压直流输电系统运行与控制保护研究，E-mail:ltianming@126.com。