制约葛南直流大负荷精准控制的关键因素

付广旭 王永平 罗金辉

制约葛南直流大负荷精准控制的关键因素

付广旭 王永平 罗金辉

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

2023年，葛南直流工程进行了控保及换流阀改造。试运行期间，系统出现过负荷限制电流导致功率未达到1 160MW的异常情况。为此，首先对改造后直流线路在大负荷情况下运行时送端直流电压无法达到额定电压的原因进行分析，并在此基础上分析制约大负荷精准控制的关键因素，包括交流电压低或换流变档位低、控制中设定的相对直流感性压降值高于实际值、熄弧角运行在额定参考值之上；然后简要分析直流电压的测量误差、直流线路电阻及换流阀正向压降的偏差对直流功率精准控制的影响；最后，提出具有针对性的解决措施并通过实时数字仿真平台进行验证。

直流输电；精准控制；过负荷限制；大负荷；线路改造

0 引言

葛南直流工程于1989年建成投产，为国内第一条超高压直流线路，创造了国内电力领域多项第一，开启了我国高压直流建设的序幕。工程建设所涉及的一、二次设备均由国外ABB等公司提供，属于完全引进的高压直流项目[1-2]。2005年，葛南直流工程完成二次核心控保设备全面国产化改造，标志着国内设备厂商已完全掌握了控保核心技术，为后期国内直流工程的建设奠定了坚实基础[3-4]。2010年，葛南直流系统完成直流线路改造工作，直流线路传输容量得到提升，但受其他一次设备能力的限制，直流受端容量未获提升，而送端容量由额定值1 200MW限制到1 160MW[5-7]。

2023年6月11日，葛南直流自主可控控保系统改造完成，标志着全国产化芯片级控保核心设备已走出实验室[8]，首次成功应用于超高压直流系统，解决了龙政直流改造主机所用的非全国产化芯片卡脖子问题[9]。但是，改造后直流系统在试运行期间多次出现过负荷限制直流电流，导致实际功率未能达到目标功率设定值1 160MW的情况。因此，本文对制约直流大负荷精准控制的关键因素进行全面深入的研究，以期为解决工程实际问题提供可行方案，保证直流系统具备大负荷精准控制的能力。

1 直流线路改造对送端直流电压的限制

葛南直流线路同塔改造后，线路电阻较原设计电阻减小一半，导致线路压降减小一半。直流线路压降的减小，必然导致送、受端直流电压特性的改变。送、受端直流电压的关系为

式中：dR为送端直流电压；dI为受端直流电压；d为直流电流；L为线路电阻。

由式（1）可知，由于线路电阻L变小，直流电流d不变，若想保证送端直流电压dR不变，则需提高受端直流电压dI。受端直流电压计算公式为

葛南直流工程的换流变分接头采用定di0控制策略，即直流运行中换流变分接头是不变的，直流的调节均由触发角来完成。直流线路改造后，额定理想空载直流电压di0N未获提升，仅能依靠减小熄弧角来获取更高的受端直流电压。

由式（2）可知，受端直流电压与直流负荷呈恒负载关系，不利于直流稳定控制[10]，即若想直流电压不变，负荷越大，所需熄弧角越小。线路改造后，为获得更高的受端直流电压，需更小的熄弧角。在直流大负荷运行时，所需熄弧角超出电压控制器的调节下限，被最大触发角（MAX）控制限制在成套设计给定的额定参考值[11]，无法满足送端直流电压的控制要求，即线路改造后，大负荷运行时，葛南直流受端控制策略已由原控制电压转变为控制熄弧角。由此可知，直流线路改造后，必然导致送端直流电压受限，无法达到额定500kV直流电压。由于葛南直流系统无过负荷能力，在额定直流1 200A运行时，送端直流最大功率指令被限制在1 160WM。

2 制约直流大负荷精准控制的关键因素

由上述分析结论可知，送端直流功率无法达到目标指令1 160MW的直接原因为送端直流电压低。受端无法获得更高的直流电压，对送端直流电压的支撑不足，是无法达到目标功率指令的根本原因。

由式（2）可知，制约受端直流电压大小的关键因素包括理想空载直流电压、熄弧角及相对感性直流压降。相对阻性直流压降影响较小，忽略不计。本文着重对上述关键因素进行理论与数值分析。

2.1 受端理想空载直流电压的制约

表1 受端理想空载电压与直流电压的关系

由表1可知，di0大小决定着直流端电压的大小。若想确定直流功率的稳态低值，需要确定di0的稳态低值。di0可由式（3）确定。

式中：AC为交流电压；ACN为额定交流电压；CN为额定换流变档位；CP为换流变档位；CSTEP为换流变调节步长。

式（3）表明，di0与交流电压的标幺值、换流变档位CP及调节步长CSTEP有关。

在ACN=230kV，di0N=267.4kV，CN=16，CSTEP=0.01，调档死区为2.1kV的条件下，根据式（3）可计算出di0与交流电压的关系见表2。

由表2可知，265.3kV为di0稳态最低值，与其对应的交流电压为228.2kV，换流变档位为16档。在上述交流电压及档位条件下，计算出的送端直流电压为482.3kV，直流功率为1 157.5MW，为直流功率的稳态最低值。实际上，由于档位调节时间在5s左右，动态交流电压可能出现低于228.2kV的情况，送端直流功率被限制在更低的数值。

上述分析表明，受端交流电压运行在较低值是送端无法达到目标功率1 160MW的主要原因。

2.2 受端换相电抗的制约

换相电抗是制约直流电压的关键因素之一。理论上，换流变的换相电抗越小，在换相期间的换相压降越小，可获得的直流端电压越高。实际上，换相电抗决定着控制系统中的相对感性直流压降，其值大于实际值，不仅不会提高直流端电压，反而会降低直流端电压。控制中使用的最大触发角MAX公式为

式中：0为直流电流指令值；为工程系数。

式（4）中，相对感性直流压降x与换相电抗存在着对应关系。额定相对感性直流压降xN可利用式（5）计算。

式中：K为短路阻抗百分数，与阻抗电压百分数是等效的[12]；PLC为电力线载波（power line carrier, PLC）滤波器电感相对压降。对换流站的6台单相三绕组换流变铭牌信息进行梳理，列出额定档位时的换流变阻抗电压见表3。

表3 额定档位时的换流变阻抗电压 单位: %

表3中的阻抗电压百分数即为短路阻抗百分数，取中位值14.7%作为实际的短路阻抗百分数。受端换流站的PLC滤波器已拆除，根据式（5）可计算短路阻抗百分数K为14.7%、15%时，对应的相对感性直流压降分别为7.35%、7.5%。

在额定条件下，根据式（4）可计算出对应的最大触发角控制输出角度分别为143.519 2°、143.231 1°。可见，相对感性直流压降值设置偏大将使触发角减小，熄弧角增大，不利于直流端电压的提高。

成套设计以熄弧角为参量的直流电压公式来计算受端直流电压，但熄弧角并非换流阀的实际触发角度，利用式（2）无法有效分析换相电抗对直流电压的综合影响。若想进一步分析，需利用直接体现触发角的直流电压公式，即

式中：为触发角；为叠弧角；t为换相电抗。

式（6）中，t一般无法通过换流变铭牌查出，但可以根据式（7）计算得到[13]。

式中：l、l分别为阀侧额定线电压、线电流；x为短路电抗百分数。

换流变的负载损耗组成复杂[14]，其相较于换流变容量非常小，可忽略不计。因此，短路电抗百分数等效于短路阻抗百分数[15]。在阀侧额定线电压l=198kV，线电流l=1 006A的条件下，根据式（7）可计算出短路阻抗百分数K=14.7%时，对应的换相电抗t=16.704 6Ω。

在t=16.704 6Ω，di0及d均为额定值的条件下，将短路阻抗百分数K为14.7%、15%时计算出的触发角分别代入式（6），可计算出对应的直流电压为468.293 4kV、466.689 1kV。控制系统中设定的相对感性直流值偏大，将导致直流电压降低。

2.3 受端熄弧角的制约

熄弧角是制约直流电压的关键因素之一。理论上，在大负荷运行时，熄弧角被最大触发角控制限制在额定熄弧角参考值附近。实际上，大负荷运行时，熄弧角常处于额定熄弧角参考值18°以上，因此有必要对熄弧角与直流控制的关系进行深入研究。在直流控制系统中，熄弧角是作为计算值而非实际的触发角存在的，其值为

由式（8）可知，熄弧角与触发角、叠弧角存在此消彼长的关系，其中触发角才是真正对控制系统起决定作用的关键控制量，在大负荷运行时，其值受最大触发角限制。考虑实际情况，工程上使用的最大触发角MAXen为

式中：PLL为基于锁相环的触发角测量值；MEAS为基于交流电网的触发角测量值。

式（9）可以划分为如下3个影响因子：

实际上，由于存在漏电流，影响因子1和影响因子2使触发角提前0.238 8°，导致直流电压降低。

最大触发角控制中3个影响因子的影响叠加起来，将导致触发角提前0.538 8°。在叠弧角不变的情况下，熄弧角将在额定熄弧角参考值上增大相应的角度。

2.4 受端叠弧角的制约

叠弧角是制约直流电压的关键因素之一。在直流控制中，叠弧角的计算依赖换相电压-时间区域面积的大小。由于受端触发处于正弦电压后半周，若触发角减小，即触发时刻提前，换相电压-时间区域面积不变的情况下，将导致叠弧角提前的结束时刻超出触发提前的时刻。而熄弧角采用换相电压过零点时刻减去换相结束时刻来计算，触发角的减小将从自身及叠弧角两方面导致熄弧角增大。

工程上，可通过调整叠弧角的计算系数使熄弧角的计算更加准确，其对触发无实质影响。可采用式（10）评估相对感性直流压降对叠弧角计算的影响。

由式（10）可知，增大相对感性直流压降值，可以增大叠弧角。根据熄弧角的计算式（8）可知，触发角不变，则间接减小熄弧角，用以补偿由于工程应用带来的熄弧角偏大的影响。

2.5 其他因素的制约

在工程改造中涉及测量、线路、阀等一次设备，其产生的微小误差难以准确计量，本文仅予以简要分析。

线路阻值偏差是影响直流电压的因素之一。同塔并架改造后，直流线路电阻的理论标称值为14.427 3Ω，受线路长度、塔距等计算误差及天气等因素的影响，成套设计给出线路电阻最小值为11.767 2Ω、最大值为15.308 9Ω。以额定电阻计算的送端直流电压存在不确定性。

测量误差也是不容忽略的因素之一。即使按2‰的误差来算，额定直流电压500kV的测量值也可能存在1kV的误差，额定直流电流1 200A的情况下，能达到2.4MW的功率误差。

换流阀的正向压降等因素同样也会影响直流电压大小。

2.6 小结

在新建工程设计时，成套设计的裕度足以避免上述各关键因素的偏差对直流电压造成的影响。线路改造后，在受端额定交流电压及额定直流线路电阻条件下计算出的送端直流目标功率值存在裕度不足的问题。

由于工程不具备过负荷能力，无法通过增大直流电流来解决电压受限所带来的功率受限问题。因此，在受端交流电压扰动时，易出现直流电流过负荷受限而无法达到功率目标值的情况。

3 提升大负荷精准控制的措施

本文针对制约大负荷精准控制的二次控制关键因素，提出对应的提升措施如下：

1）现场踏勘的换流变铭牌信息中，阻抗电压小于成套给定参数，可调整控制系统中相对感性直流压降与实际值一致，以提升直流电压。

2）换流阀已改造为可控电网换相换流阀（controllable line commutated converter, CLCC），可有效防止换相失败，理论上可以无限减小熄弧角，但受设备过应力的限制，可考虑降低1°，以提升直流电压。

3）熄弧角计算值偏大于参考值，可考虑提高叠弧角计算系数，以使熄弧角计算值稳定在参考值附近。

4 仿真试验

为了验证本文所述结论及提升大负荷精准控制措施的有效性，在实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）平台进行系列试验。

4.1 模拟交流电压变化试验

在RTDS平台上，模拟受端交流电压在额定档位调档区间内变化对送端直流最大功率的影响。受端交流电压与送端直流功率的关系如图1所示。

图1 受端交流电压与送端直流功率的关系

由图1可知，试验结果与2.1节中所论述观点一致，即受端交流电压制约送端最大直流功率，当交流电压低至一定程度时，送端直流功率无法达到目标功率。

4.2 模拟相对感性直流压降变化试验

在RTDS平台上，模拟受端相对感性直流压降在额定值与实际值区间内变化对送端直流最大功率的影响。受端相对感性直流压降与送端直流功率的关系如图2所示。

图2 受端相对感性直流压降与送端直流功率的关系

由图2可知，试验结果验证了提升大负荷精准控制措施1）的有效性，降低相对感性直流压降，可以提升送端直流功率。

4.3 模拟熄弧角参考值变化试验

在RTDS平台上，模拟受端熄弧角参考值在额定参考值附近区间内变化对送端直流最大功率的影响。受端熄弧角参考值与送端直流功率的关系如图3所示。

图3 受端熄弧角参考值与送端直流功率的关系

由图3可知，试验结果验证了提升措施2）的有效性，降低熄弧角参考值，可以提升送端直流功率。

4.4 模拟叠弧角计算系数变化试验

在RTDS平台上，模拟叠弧角计算系数在额定参考值附近区间内变化对熄弧角的影响。受端叠弧角计算系数与熄弧角运行值的关系如图4所示。

由图4可知，试验结果验证了提升措施3）的有效性，提高叠弧角计算系数，可以降低熄弧角运行值。

图4 受端叠弧角计算系数与熄弧角运行值的关系

5 结论

本文通过对直流系统相关计算公式的理论分析，阐述了制约葛南直流系统大负荷精准控制的关键因素，并结合工程实际数据计算出理论数值，对所提结论进行了验证。在此基础上，提出优化措施，并在RTDS平台验证了优化措施的有效性。本文研究结论可为深入理解高压直流工程中各参量在实际控制系统中的作用提供参考，并为解决实际工程问题提供思路。

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Key factors restricting accurate control of high load in Ge-Nan direct current project

FU Guangxu WANG Yongping LUO Jinhui

(NR Electric Co., Ltd, Nanjing 211102)

In 2023, Ge-Nan DC project carried out the renovation of control, protection and converter valves. During the trial operation, there was an abnormal situation where the power did not reach 1 160MW due to overload limiting current. Therefore, the reason why the DC voltage at the sending end cannot reach the rated voltage during high load operation after the renovation of DC line is analyzed firstly. On this basis, the key factors restricting accurate control of high load are analyzed, including low AC voltage or low converter gear, higher relative DC inductive voltage drop set in the control than the actual value, and extinction angle operating above the rated reference value. Subsequently, a brief analysis is conducted on the impact of measurement error of DC voltage, deviation of DC line resistance and forward pressure drop of converter valve on accurate control of DC power. Finally, targeted solutions are proposed and validated through the real-time digital simulation platform.

DC transmission; accurate control; overload limitation; high load; line renovation

2023-11-13

2023-12-04

付广旭（1987—），男，吉林蛟河人，硕士，工程师，主要从事特高压直流输电控制保护技术研发工作。