特高压直流工程的换流器并联融冰方式与试验研究

尹健，马玉龙，蒲莹

(国网北京经济技术研究院，北京市 102209)

特高压直流工程的换流器并联融冰方式与试验研究

尹健，马玉龙，蒲莹

(国网北京经济技术研究院，北京市 102209)

输电线路覆冰灾害严重影响特高压直流输电系统的正常运行。介绍目前特高压直流输电工程所使用的线路防冰的运行方式。对换流器并联融冰运行方式的效果进行分析计算，提出了融冰运行方式下的控制保护策略，并通过基于实时数字仿真器(real time digital simulator，RTDS)高压直流输电系统仿真平台对融冰运行方式进行试验验证。在锦苏特高压直流输电工程系统调试阶段对换流器并联融冰运行方式进行了现场试验。仿真试验与现场试验的结果均证明换流器并联融冰运行方式可行、有效。

特高压直流输电；换流器并联融冰；实时数字仿真器(RTDS)仿真；现场试验

0 引 言

覆冰是自然界中的一种天气现象，对于电力系统而言，覆冰一直是威胁架空输电线路系统安全运行的重要因素之一。在世界范围内覆冰引起的损失是巨大的，轻则会引起闪络跳闸，重则导致金具损坏、断线倒杆(塔)等事故，我国是输电线路覆冰灾害最严重的国家之一，冰害事故时有发生。继1974—1976年全国电力系统发生大面积冰灾之后，又发生了多次大面积冰灾事故，如2005年2月华中地区、2008年1月华中和华东地区发生的大面积雨雪冰冻天气，给电网系统造成了大范围的破坏，造成较大的经济损失和不良的社会影响[1-4]。

同时我国的特高压直流输电工程发展迅速，目前已有云南至广东、向家坝至上海、锦屏至苏南3条±800 kV特高压直流输电线路建成并投入运行。特高压直流输电系统输送容量大、距离远，可能穿越多个气象区。作为西南水电外送工程，向上工程线路途经8个省市，地貌环境复杂，穿越多个覆冰区域。线路在发生冰害事故时，一般气候恶劣，冰雪封山，交通受阻，通讯中断，抢修十分困难，极易造成长时间停电，使企业和社会蒙受巨大损失。采用融冰技术，能够提高特高压直流工程抵御极端恶劣气候的能力，提高工程的可靠性[5-8]。

国际上解决输电线路覆冰问题应用最广泛的是导线加热融冰法，该技术与可控硅整流装置结合，不仅能实现高效率的融冰，还能对系统进行无功补偿，适用于500 kV以上线路。例如，俄罗斯直流研究所已成功研制了具有2个不同电压等级的可控硅整流融冰装置，该装置的适用性很强，可根据不同情况对直流融冰电压进行调节，以适应不同的应用环境，其综合经济效益较高。

我国对抗冰防灾技术也开展了大量研究，取得了显著成果。2011年，由湖南大学和湖南电力试验研究院、国防科技大学等多个机构联合承担并完成的“输电线路新型融冰、除冰技术及装置”的科研成果在输电线融冰领域中发挥了重要的作用。他们最新研制出来的先进直流融冰装置，已经在多条220 kV输电线路上成功地实现了直流融冰，证明了该直流融冰装置的应用价值[9-13]。

1 高压直流输电线路防冰、融冰方式的比较与适用场合

针对特高压直流输电线路上的覆冰严重程度不同，可采取防冰或融冰方式予以应对[5-8]。

特高压直流输电线路的防冰方式通过对线路施加额定值左右的电流，利用导体产生的热能阻止覆冰形成，这种方法可作为线路上尚未形成严重覆冰时的预防措施。特高压直流输电线路的防冰方式可通过改变输电系统已有的运行方式实现。

1.1 双极运行方式

双极运行是直流输电系统最典型的运行方式。在这种运行方式下可获得额定大小的电流值。这种方式可对双极的直流线路进行防冰，但同时直流系统输送的功率也须维持额定水平。

1.2 单极大地运行方式

当直流输电系统的一极不可用，或是送端系统无法提供足够的功率时，可只运行其中的一极，使之维持额定电流，从而对其中一条直流线路进行防冰，此时直流系统输送的功率为1/2额定水平。

1.3 单极金属回线运行方式

在额定电流的单极运行方式的基础上，将整流站的接地极断开，以另一极的直流线路作为单极系统的电流回路，即可同时用额定电流对双极直流线路进行防冰。此时直流系统输送的功率为1/2额定水平。

以上3种运行方式均需要直流系统输送的功率达到0.5 pu以上，在整流端提供功率不足的情况下，可以通过降低直流线路的运行电压，以获得较大的电流。

上述防冰方式的优点是容易实现，但易发覆冰的冬季通常处于枯水期，整流端系统不能提供足够的功率，直流系统只能运行于低负荷工况，上述方式将不具备可行性。

1.4 双极功率异向传输运行方式

为达到低负荷条件下直流线路流过大电流的目标，可通过改变直流输电系统双极的功率输送方向，使两极功率方向异向。增大每一极的电流，即增大每一极的输送功率，双极输送功率之和并不会相应的增加，从而实现低直流输送功率，高直流线路电流的效果。

这种防冰方式的特点是：

(1)防冰电流为直流系统的2 h过负荷值，约1.1 pu左右，但需校核无功配置是否满足要求；

(2)在与交流系统交换较小功率的情况下，直流线路中通过较大电流，阻冰效果明显；

(3)无须增加一次设备，或改变一次回路的接线方式，可实施性高；

(4)保护系统改造少，但一极异常停运后与交流系统交换的功率瞬间增加很多，应立即停运另一极。

1.5 换流器并联融冰运行方式

当已经无法利用额定电流阻止线路上覆冰时，需要提高线路上流过电流强度以获得更多焦耳热进行融冰。在一定的环境条件下，融冰所需要的热能决定于需要融冰线路的导线截面及导线长度。由于特高压直流输电系统电压导线截面积大，线路距离长，传统的移动式融冰设备分段融冰及外接电源分段融冰的方法无法对全线路进行快速融冰。

针对特高压直流输电系统的特点，通过操作直流场对应的开关和跳线来改变系统接线，使系统每站中的2个12脉动换流器并联运行，从而提高直流线路电流，达到融冰的目的。根据换流器位置的不同，融冰接线方案可分为2种：(1)单极两12脉动换流器并联；(2)双极两12脉动换流器并联。对于方案(2)，若两极低端换流器并联，则由于两极通过中性线互相连接，2个低端换流器两端电压的极性必然相反，2换流器将构成1个回路，不能达到使电流加倍的目的，因此双极并联的两换流单元中必须至少有1个为高端换流器。

目前向上工程和锦苏工程中所采用的融冰方式均为双极高端换流器并联的融冰方式。以锦苏工程为例，采用双换流器并联融冰的方式，理论上可以使线路上的融冰电流达到最大2.0 pu，即9 000 A，可以起到很好的融冰效果。

2 换流器并联融冰的控制保护策略

2.1 基本控制策略

融冰方式下的控制策略采用了并联多端直流系统的电流裕度控制，由极Ⅰ高端整流器作为电压控制端，极Ⅱ高端整流器及双极高端逆变器运行在定电流控制模式下。系统作为两端特高压直流系统正常运行时的控制策略为两端电流裕度控制，由整流侧控制电流，逆变侧控制电压。当系统转为融冰方式运行时，通过修改控制软件中各换流器电流指令值来改变各换流器的控制模式。修改前后各换流器电流指令值见表1。

表1 修改前后融冰方式下各换流器电流指令值

从表1可以看出，修改前2个控压逆变器均具有0.1 pu的电流裕度，而修改后2个逆变器电流指令值均增至1.0 pu，转为定电流控制。极Ⅰ高端整流器电流指令值增至1.2 pu，控制模式转为定电压控制。

2.2 无功控制策略

无功控制属于换流母线的交换无功控制或电压控制，与直流系统的控制方式无关。由于换流器的容量等参数未发生变化，现有无功控制设备容量满足要求，不需要重新设计。

2.3 保护策略

融冰运行方式下，由于使用导线将双极中性线电流引至对极极母线，使得该区域原有的保护失去意义，因此需要将相关保护如双极中性线差动保护、备用站接地过流保护、极Ⅱ的金属回线横差保护的功能闭锁，以防止保护误动。其他大部分站内保护无需改动，如差动类、应力类保护。融冰运行相较正常运行方式而言对直流线路保护影响较大，若考虑线路重启涉及面较广。因此直流线路发生故障后应直接双极闭锁。单一换流器发生故障后另一换流器也应立刻停运。

3 实验室仿真

利用实时数字仿真器(real time digital simulator, RTDS)及锦苏工程的控制保护仿真系统进行了换流器并联方式融冰的仿真。一次系统建模包括两侧交流系统、交流滤波器、换流阀、平抗、直流滤波器、直流线路、开关等，主回路参数与实际工程相一致。

3.1 启动

先以最小电流450 A解锁极I，极I解锁后，再以最小电流指令解锁极Ⅱ。图1所示为启动过程的录波波形。

注：UDN为直流中性线电压；UDL为直流母线电压；IDL为直流母线电流；αALPHA_CV1为高端换流器的触发角实测值。

图1仿真试验换流器并联融冰方式下启动过程录波

Fig.1Startprocessrecorderunderde-icingmodeofparallelconvertersinsimulationtest

3.2 提高电流至额定值

两极解锁成功，运行稳定后，可将极I电流参考值增大；当极I达到最大电流后，极Ⅱ开始升高电流至最大值。理论上换流器最大电流为额定电流，考虑到受换流器最大允许的触发角、关断角等限制，该值一般约为0.9 pu。

3.3 停运

2个极均降至为小电流450 A后，将控制模式由联合控制切换为独立控制。在整流站闭锁极Ⅱ，极Ⅱ闭锁后，在整流站闭锁极I。然后在逆变站先闭锁极Ⅱ，再闭锁极Ⅰ。最后将独立控制转为联合控制，试验完成。图2所示为停运过程波形图。

图2 仿真试验换流器器并联融冰运行方式下停运过程录波

试验实现了特高压直流输电仿真系统的并联融冰方式运行，线路最大电流为8.04 kA，线路压降为91 kV，直流线路损耗功率为1 480 MW。

4 现场试验

在锦苏工程现场系统调试期间，对双极高端换流器并联融冰的运行方式进行了试验，试验中极I最大电流指令为530 A，极Ⅱ最大电流指令为600 A。

4.1 试验步骤

(1)极I执行最小电流指令450 A解锁。

解锁后电流大于500 A，约3 s后降至450 A，解锁波形与运行人员操作界面见图3。其中的运行人员操作界面直观展示了换流站内主设备的运行状态，深色表示运行设备或处于合位的开关，浅色表示非运行设备或处于分位的开关。

(2)极Ⅱ执行最小电流指令450 A解锁。

解锁后电流为450 A。解锁波形与运行人员操作界面见图4。

(3)极Ⅱ电流由运行人员升至550 A，直流系统运行稳定。

图3 现场试验换流器并联融冰运行方式下解锁极I

图4 现场试验换流器并联融冰运行方式下解锁极Ⅱ

(4)极I电流指令输入500 A，极I电流升降完成后，在500～550 A间振荡，约20 min后，电流稳定在530 A。

(5)极Ⅱ电流由运行人员升至600 A，极Ⅱ功率上升平稳。

(6)极I电流指令输入530 A，实际电流由530 A升至545 A，此时同里站极I电流为530 A。

(7)极Ⅱ、极I电流由运行人员分别降至450 A，升降完成后进行极闭锁。

(8)极Ⅱ、极I闭锁波形如图5所示。

图5 现场试验换流器并联融冰运行方式下停运过程

4.2 试验现象分析

(1)极Ⅰ解锁时实际电流比指令电流偏大，达到598 A。分析为逆变站电流控制器配合问题，但解锁约3 s后电流降至450 A，因此解锁过程未对系统造成大的影响。

(2)极Ⅰ电流在500～550 A有轻微振荡，最后稳定在530 A。因融冰模式下，整流站极Ⅰ控制直流电压，其他3个阀组为直流电流控制，极Ⅰ振荡原因应为换流器间电流指令协调配合问题。

5 结 论

(1)并联换流器的融冰方式充分利用了特高压直流工程的特点，只需对现有主回路、控制保护进行少量改动即可实现近2倍额定直流电流的直流线路融冰电流，具有很好的融冰效果。

(2)利用RTDS搭建的闭环实时仿真系统对双换流器并联的融冰方法进行试验，试验电流达到了2倍线路额定电流的最大理想值，且直流系统运行稳定，效果良好。

(3)锦苏工程现场试验的结果表明，这种融冰方法易于实施，运行稳定，具备可行性。

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(编辑：张媛媛)

De-icingModeofParallelConvertersinUHVDCTransmissionandItsTestStudy

YIN Jian, MA Yulong, PU Ying

(State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China)

Icing disaster on transmission line has seriously affected the normal operation of UHV DC transmission system. This paper introduced the operational mode of anti-icing in UHV DC transmission system, analyzed the effect of de-icing mode of parallel converters, and proposed control and protection strategies for this operation mode. Then, the de-icing mode was tested on the simulation platform of UHV DC transmission system based on RTDS (real time digital simulator). The field test of de-icing mode of parallel converters was carried out during the commissioning stage of Jin-Su UHV DC transmission project. Both simulation test results and field test results prove that the deicing mode of parallel converters is feasible and effective.

UHV DC transmission; de-icing mode of parallel converters; real time digital simulator (RTDS)simulation; field test

国家电网公司科技项目 (B3443412K004)。

TM 77

： A

： 1000-7229(2014)06-0081-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.015

2013-12-05

：2013-12-24

尹健(1984)，男，工学硕士，工程师，主要从事直流输电工程设计及研究工作，Email：yinjian@chinasperi.sgcc.com.cn；

马玉龙(1975)，男，工学博士，高级工程师，主要从事直流输电工程设计及研究工作，Email：mayulong@chinasperi.sgcc.com.cn；

蒲莹(1973)，女，工学博士，高级工程师，主要从事直流输电工程设计及研究工作，Email：puying@chinasperi.sgcc.com.cn。