广东南澳多端柔性直流输电系统调度运行策略探讨

蔡新雷

(广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州510600)



广东南澳多端柔性直流输电系统调度运行策略探讨

蔡新雷

(广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州510600)

分析了广东南澳多端柔性直流输电系统的运行模式、功率控制原理、调度运行控制原则和调度运行指标，针对不同的功率控制模式给出实用性的调度运行控制策略，指出多端柔性直流输电系统的调度运行需兼顾考虑安全性、优质性和经济性指标。

多端柔性直流输电；调度运行；交直流并联；安全性；优质性；经济性

南澳柔性直流输电示范工程是世界上首个商业运行的多端柔性直流输电工程，采用交直流并列运行方式，南澳地区的风电场出力通过交直流混联系统送出。由于风功率具有随机性、间歇性和不稳定性等特点，因此如何合理地调度柔性直流输电系统，并兼顾安全性和经济性指标，是电力调度机构面临的重要问题之一。本文结合南澳多端柔性直流输电系统(以下简称“南澳直流”)的调度运行经验，探讨多端柔性直流输电的调度运行策略。

1　南澳直流概况

1.1工程介绍

南澳柔性直流输电工程将广东省南澳岛上富裕的风电送至汕头市澄海区塑城变电站附近电网。目前，南澳岛上规模较大的风电场有牛头岭、云澳、青澳、南亚风电场，总装机容量约170 MW，其中云澳风电场29.25 MW，牛头岭风电场58.30 MW，青澳风电场45.05 MW，南亚风电场36.43 MW。岛内负荷较小(2014年最大负荷为18 MW，2015年最大负荷为20 MW)，风电送出需求约110 MW，通过柔性直流系统以及与其并联的110 kV交流线路送出。随着风电场的不断建设，预计2020年，风电送出需求增至200 MW。

南澳柔性直流输电工程是在南澳岛上建设金牛、青澳2个换流站，在汕头市建设塑城换流站，并配套建设交、直流线路，形成一个电压±160 kV、输送容量150 MW的三端柔性直流输电系统。工程建成后，南澳岛电网成为交直流混联结构，如图1所示。目前南澳直流采用三端交直流运行模式，同时，为了避免电磁环网，金牛换流站110 kV母线保持分母运行。正常情况下，金牛、青澳换流站作为整流站运行，塑城换流站作为逆变站运行，形成多端柔性直流输电系统。南澳直流在系统级控制下正常运行，金牛换流站作为主控站运行，塑城换流站和青澳换流站作为从控站运行。

图1　南澳直流正常运行方式

文献[1]分析了南澳直流的14种运行方式，根据国务院第599号令《电力安全事故应急处置和调查处理条例》中对事故等级的划分，南澳全岛失压将构成三级事件。为避免三级事件的发生，确定运行方式的原则是“N-1”故障不导致南澳全岛失压，正常运行应采用方式1(如图1所示)。

交直流系统的联结方式有交直流并联方式、纯直流方式和直流孤岛方式。交直流并联方式是指直流两端(三端)系统通过直流和交流线路联网运行；纯直流方式是指直流两端(三端)系统仅通过直流联网运行，交流联络线断开；直流孤岛方式是指送端换流站的交流侧电网与交流主网联络线断开，仅通过直流并入直流受端系统运行。该工程正常运行时采用交直流并联方式，即直流两端(三端)系统通过直流和交流线路联网运行。

塑城、金牛、青澳换流站正常运行的频率范围为49.8～50.2 Hz，事故情况下的频率范围为 49.5～50.5 Hz。南澳直流运行时，塑城、金牛、青澳换流站交流母线正常连续运行电压的范围均为106.7～117.7 kV，极端连续运行电压的范围均为99～121 kV。

南澳直流每极可采用额定电压(160 kV)或降压(80%降压或70%降压)运行。正常时，以额定电压运行；在直流线路或换流站内高压直流设备绝缘水平降低时，可根据设备运行需要降压运行。

1.2柔性直流功率控制基本原理

(1)

(2)

由式(1)—(2)可见：通过调节δ可以控制系统输送的有功功率，调节Uc可以控制无功功率，从而实现有功功率与无功功率的独立控制。

在柔性直流输电系统中，每个换流站均须从有功类、无功类物理量中各选择一个变量进行控制。有功类物理量包括交流或直流侧有功功率、直流侧电压、交流系统频率，无功类物理量包括交流或直流侧无功功率、交流侧电压。为了确保直流系统电压的稳定，在交直流混联方式下，塑城换流站作为受端站点，控制直流电压及交流侧无功功率；金牛、青澳换流站作为送端站点，控制输送的有功功率及交流侧无功功率。

1.3调度运行控制原则

电能输送需要满足安全、优质、经济的指标，根据现场调度规程，南澳直流的运行方式控制原则为：采用交直流并联方式时，应避免明显的潮流迂回；运行中应避免直流功率频繁调整；正常运行时，应避免直流或交流单个通道潮流过重；运行中应避免柔性直流系统闭锁(故障停运)而造成交流输电通道过载。

1.4调度运行指标

潮流控制包括有功控制和无功控制。在无功控制方面，应以就地平衡无功为原则，避免南澳岛与主网之间存在明显的无功交换。而在有功功率控制方面，依据经验以及上述控制原则设置功率曲线，往往很难实现安全性、优质性和经济性的统一。本文将分别讨论这3个指标，提出兼顾各运行指标的实用调度策略。

1.4.1安全性约束

安全性约束要求系统满足“N-1”特性，包括：交流线路潮流不超过事故限流；直流线路输送功率小于换流站额定容量；柔性直流系统闭锁后，潮流转移至并列的交流线路时，交流线路潮流不超过事故限流；柔性直流系统闭锁后，潮流转移至并列的交流线路时，交流系统不失稳[3]。安全性约束是必须满足的指标，在调度运行中，通过实时信号告警的形式提醒当值调度人员及时处理异常。

需要指出的是，正常方式下系统是满足“N-1”指标的，只要合理设置功率，均不会有安全性问题。安全性指标的意义在于，在柔性直流系统发生故障或跳闸时，系统仍满足“N-1”指标，相关设备不过载。例如当交流线路跳闸时，由方式1切换至方式6，但经检测方式6下系统不满足“N-1”指标，此时需要提醒当值调度人员及时调整电网运行方式及输送功率，做好相关事故预想。

1.4.2优质性指标

优质性以柔性直流系统送出的电压、电流和频率的质量来衡量。风电经柔性直流系统送出，可减少谐波水平，提高电能质量。而柔性直流系统输送的功率不同，相应的电压、电流和频率质量也不同。若设置直流输送功率为零，则柔性直流系统作为静止同步补偿装置(staticsynchronouscompensation，STATCOM)使用，电能仍通过并联的110kV交流线路送出，大量谐波直接入侵到交流系统，需要靠STATCOM实现无功补偿，平滑输出电压、电流波形。而STATCOM的容量是有限的，若风电场送出潮流较重，其平滑电压、电流的能力有限；若设置为纯直流输送，则风电场出力全部经整流后送到交流系统，交流线路潮流为零，可保证柔性直流输电系统具有较佳的电能质量。具体可根据现场运行经验，以实测情况为准，合理安排输送功率。

1.4.3经济性指标

经济性主要考虑的因素有：换流阀损耗和交流线路损耗、潮流迂回带来的附加损耗、直流功率频繁调节带来的换流阀损耗和折旧、直流与交流线路潮流不均衡导致的设备利用率不一致和经济性损耗[3]。根据目前的工程技术水平，在柔性直流系统中，换流器的输电损耗率大于1%，仍大于交流线路的输电损耗率[4]。因此，理论上通过直流系统输出的电能越多，相应的损耗越大；当直流功率零输送时，相应的输电损耗最小。

潮流迂回的定义为：因风电场出力不稳定，如指定的直流送出功率过高，甚至超过风电场出力，则交直流混联系统会出现直流通道与交流通道潮流方向不一致的情况，即直流通道不仅输送风电场出力，还会从交流通道吸收功率，然后从直流通道送出，造成潮流迂回，增加输电损耗。可见，潮流迂回的本质是直流输送功率过高，应采取措施降低直流系统输送功率。在南澳直流中，直流线路、湾金线、莱金线3回线路潮流方向不一致，即判定为潮流迂回。在实际调度运行中，当实时检测发现有潮流迂回时，应调整直流输送功率直至迂回消失。

直流功率频繁调节会带来换流阀的损耗和折旧，因此运行规程明确规定避免直流功率频繁调整。直流与交流线路潮流不均衡会导致设备利用率不同，因此调度运行中应尽量保持潮流均衡。

2　潮流控制方案分析

2.1设备输送能力

按目前电网规模，以及南澳岛的最高负荷、风电场总装机容量，南澳岛与主网最大交换功率在 -20～170MW之间。南澳直流的关键线路输电能力见表1。各换流站输电容量：塑城换流站200MV，金牛换流站100MV，青澳换流站50MV。

表1南澳柔性直流输电系统交流线路限值

线路名称限流值/A对应最大输送功率/MW苏湾线720134湾金线744139塑莱Ⅱ线700131莱金线40075

分析可得：按目前的风电规模，受限于送端换流站容量，本期柔性直流系统最大电力外送能力为150MW，不能满足南澳岛风电送出要求。单一交流通道(湾金线或莱金线)无法满足南澳岛最大功率外送的要求，特别是110kV莱金线电流仅有400A，如青澳、南亚风电场满发，则负荷低谷时会造成线路满载甚至过载。因此，在实际运行中，需要对系统有功潮流进行合理分配。

2.2功率控制模式

南澳直流中现有的功率控制模式有定有功功率比例控制、定有功功率控制、直流优先控制和混合控制模式4种模式。直流优先控制为纯直流控制模式，是定有功功率比例控制的特殊方式，比例为100%；而混合控制模式不常用。以下将重点分析定有功功率比例控制策略和分段式定有功功率控制策略。

2.2.1定有功比例控制控制策略

定有功功率比例控制按设定的比例自动调节换流站交流、直流通道的有功功率。这种方法通过频繁调节换流阀功率，实现等比例输送。根据交直流混联系统内设备的输电能力及换流站容量，金牛换流站可选择的直流功率比例范围为0%～100%，青澳换流站可选择的直流功率比例范围为不低于10%。

取金牛换流站直流功率比例为100%(即直流优先控制)，青澳换流站直流功率比例为60%，可使柔性直流系统输送最大功率；取金牛换流站直流功率比例为0%，青澳换流站直流功率比例为10%，可使柔性直流系统输送最小功率。此种控制方法，可从根本上避免明显的潮流迂回，代价是直流功率需要频繁调整，若功率调整过于频繁，会引起风机机端电气量的快速变化，导致风机停运。实际调度运行中，为避免直流或交流单个通道潮流过重，建议在风电送出较多时，金牛换流站直流功率比例设置为50%，青澳换流站直流功率比例设置为40%；在风电出力较小时，因负载均较轻，建议金牛换流站直流功率比例设置为100%，青澳换流站直流功率比例设置为60%。当方式转换操作时(如对混联系统中的交流线路进行停电操作)，为保证切换成功，建议采用纯直流控制模式。

2.2.2分段式定有功功率控制策略

在定有功功率控制模式下，按15min为一个时间点，根据风功率预测情况，独立设定青澳换流站、金牛换流站的有功输送值，并假定南澳岛上4个风电场在同一时刻实际出力占装机容量的比例相同。青澳换流站与金牛换流站的负载率基本相当，按换流站容量比例1∶2来设定青澳、金牛换流站功率。

基于安全性约束，设定的有功功率值应小于换流站额定输送容量。基于经济性考虑，为避免潮流迂回，青澳、金牛换流站设定的有功功率值应小于等于扣除岛上负荷后的富余风电场出力，且交流和直流的负载率尽量相同。基于电能优质性考虑，应尽量使用直流输送电力。综上考虑，制定以下原则：

a)风电出力占60%以下时，直流输送功率设定为100%，即风电全部由直流系统送出。此时由于送电功率小，直流换流阀及交流设备均轻载，损耗较小；并联交流线路功率为零，若交流线路跳闸，可成功切换至其他模式，大大提高系统稳定性。此方式下充分发挥了柔性直流系统的优良特性，电能质量较高。

b)风电出力所占比例为60%～80%时，设定青澳换流站输送直流功率为15MW，金牛换流站输送直流功率为30MW，柔性直流系统输送电力共计45MW。此时设定的原则为直流输送功率与交流输送功率相当，保证负载率相近。但此种设定只能尽量减少直流迂回，不能完全避免直流迂回，带来的好处是换流阀调节次数大大减少。

c)风电出力所占比例为80%～100%时，设定青澳换流站输送直流功率为20MW，金牛换流站输送直流功率为40MW，柔性直流系统向汕头主网输送电力共计60MW。

经核算，按以上功率控制方案，当风电出力在0%～100%变化时，莱金线、湾金线的负载较为合理，负载率最高不超过70%。定有功功率控制可减少换流器阀组对传输功率的频繁调整，提高阀组运行可靠性。但是需要根据风功率预测来不断修正直流功率传输曲线，运行管理复杂；若风电出力波动大，在一个调整周期内，仍有可能出现因直流输送功率与风电出力不匹配的现象，造成潮流迂回。

实际调度运行中，若风电送出变化较大，潮流迂回时常发生，则可缩小分段间隔，如可以20%为间隔设定直流功率，使功率更好地跟随风电场出力，带来的影响是直流换流阀调节次数相应增加。若风电出力稳定在某一负荷水平，则根据实际出力设置直流功率，在避免潮流迂回的前提下，保证直流和交流的负载率相近。

3　结束语

本文结合广东南澳直流的调度运行经验，探讨了多端柔性直流输电的调度运行策略，指出多端柔性直流系统调度运行需考虑的安全性、优质性和经济性指标，并针对不同控制模式提出了实用性的调度运行控制策略，可为南澳直流的调度运行和多端柔性直流输电工程的建设规划及运行提供借鉴。

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(编辑李丽娟)

Discussion on Dispatching Operation Strategy for Guangdong Nan’ao VSC-MTDC Transmission System

CAI Xinlei

(Electric Power Dispatching and Control Center of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510600, China)

This paper analyzes operational mode, power control principle, dispatching operation control principle and dispatching control index of Guangdong Nan’ao VSC-MTDC power transmission system. In allusion to different power control modes, it presents control strategies for dispatching operation with good practicability and points out to give considerations to security index, quality index and economy index.

multi-terminal direct current power transmission; dispatching operation; AC/DC parallel; security index; quality index; economy index

2016-03-15

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.07.018

TM721.1

B

1007-290X(2016)07-0093-04

蔡新雷(1986)，男，安徽阜阳人。工程师，工学硕士，研究方向为电力系统运行与控制。