张北柔性直流电网试验示范工程直流控制保护设计原则与验证

郭贤珊1,卢亚军2*,郭庆雷2  

(1.国家电网有限公司特高压建设部,北京市 西城区 100031;2.国网经济技术研究院有限公司,北京市 昌平区 102209)

摘要

张北柔性直流电网试验示范工程(简称张北工程)将建成世界上首个直流电网,该工程4个换流站采用手拉手环网结构,具有多回路冗余特性,可以实现新能源孤岛接入、多电源供电、多能互补,形成了真正意义上的直流电网。针对张北工程直流电网特点,确定了控制保护系统的难点与主要设计原则,提出了针对直流电网的多换流站协调控制、换流器自适应控制等关键控制策略以及直流保护配置,最后通过硬件闭环实时仿真验证了控制保护系统设计的合理性。

关键词 : 直流电网;控制保护系统;设计原则;控制策略;保护配置

基金项目:国家重点研发计划(2016YFB0900905);国家电网公司科技项目(5202011600TV)。 National Key Research and Development Program of China(2016YFB0900905); Science and Technology Foundation of SGCC(5202011600TV).

0 引言

未来,采用高压直流电网实现大规模清洁能源友好接入和远距离输送具有广阔的应用前景[1-2]。直流电网具有更高的运行可靠性,单一线路或元件的故障可以在线切除隔离,不会导致系统失稳或功率传输中断,且运行灵活,能够促进电力优化配置、提高供电可靠性,有利于清洁能源的利用[3-5]

以柔性直流技术为基础的直流电网,可实现在无源孤岛或者弱交流系统条件下大规模新能源机组的友好接入。直流电网可以实现多电源供电或多落点供电,并且可以实现风光储蓄多种形态能源综合互补和发输一体化,大幅提高供电稳定性和可靠性,提升新能源的综合利用效率,对探索可再生能源开发利用的典型模式具有重要意义[6-7]

中国已投运南澳多端柔性直流输电、舟山多端柔性直流输电、鲁西背靠背直流、渝鄂背靠背直流等工程[8-14]。正在建设的张北柔性直流电网试验示范工程(简称张北工程)为四端柔性直流环形电网,包括北京、张北、康保、丰宁4座换流站,总换流容量9000 MW,电压等级±500 kV。各换流器采用真双极对称接线,设备配置采用“半桥MMC+直流断路器”方案,直流线路采用架空线路和金属回线。换流站采用“手拉手”环形接线,直流场为简化单母线接线,每站装设4台直流断路器,张北工程示意图如图1所示。

图1 张北柔性直流电网示意图
Fig.1 Configuration scheme of the Zhangbei project

张北工程旨在为未来直流电网的风光储抽蓄一体化运作、功率互补输送起到示范作用[15-17],其3个显著特点是柔性直流网络化、直流电网嵌入交流系统、新能源机组孤岛接入直流电网。直流电网稳定运行必须解决换流站多设备之间、多换流站之间以及直流电网与交流系统之间的协调控制问题,较点对点输送、背靠背工程,其控制系统及策略更加复杂[18-21]。针对直流电网故障,直流保护必须能快速检测及隔离故障,保障设备与系统安全,文献[15-17]对张北工程的构架、特性、关键设备进行了详细阐述。文献[19]和[21]分别对直流电网的某个协调控制功能和自适应控制思路进行了理论简述,通过仿真验证了策略的有效性。文献[22-24]对直流线路保护原理和配置方案进行了分析研究。

本文聚焦张北工程四端柔性直流环形电网,针对网络化柔直系统运行方式复杂、稳定运行要求高,且存在源网荷协调配合问题,尤其是送端新能源功率盈余难题,研究了各换流站的特点及功能定位,提出了控制系统的难点和主要设计原则,设计了直流电网协调控制和换流站自适应控制等关键控制策略。综合考虑主接线方式、故障特征、设备能力,提出了保护分区方案及功能配置。基于工程实际的控制保护系统搭建了RTDS硬件闭环仿真平台,验证了控制保护结构、整体控制策略及保护配置设计的合理性。

1 控制系统的层级设计

直流电网控制系统是保障整个系统安全运行的关键环节,由于换流站数量增加且环网方式连接,控制系统的设计必须统筹远方调度-现场运行-就地设备的功能定位,合理确定各层级的功能与权限。张北工程换流站内配置直流系统控制、换流阀控制、耗能装置控制、直流断路器控制以及安全稳定控制装置等多个控制设备,核心控制功能应在换流站层实现。同时,直流电网运行方式变化和故障处理过渡过程中的设备安全及优化控制也是控制系统设计必须考虑的重要因素,必要时,可通过电网协调控制系统辅助调度人员实现运行方式的优化。在失去站间通信时,直流电网依靠换流站站级控制及保护保障设备安全。

为了方便调度和运行人员对直流电网的控制,从控制位置上讲,站控系统的所有控制功能应在远方调度中心、换流站主控室、控制系统就地屏柜和设备就地4个级别上来完成。系统控制功能的优先级应设计为:分层结构上越低的位置控制优先级越高,优先级从高到低依次为设备就地、继电器室就地屏柜、换流站运行人员控制、远方调度中心,如图2所示。

图2 系统级控制拓扑连接图
Fig.2 System level control topology diagram

经由电力数据网或专线通道以及站内的远动工作站,远方调度中心对换流站的所有设备实施远方控制。

运行人员控制层主要包括站LAN网、运行人员工作站、工程师工作站、站长工作站、SER终端、系统服务器等,是换流站正常运行时运行人员的主人机界面和站监控数据采集系统的重要部分。其具有如下功能:通过运行人员工作站和远动工作站,接收运行人员或远方调度中心对换流站的正常运行操作指令;故障或异常工况的监视和处理;全站事件顺序记录和事件报警;控制系统的网络同步和对时;直流控制系统参数的调整;历史数据归档;换流站文档和程序的管理等。

继电器室就地屏柜位置的控制不经过站LAN控制层,独立组成一个简单的控制网络,以实现对交流站控系统(包括站用电控制和辅助系统接口)、直流站控系统、直流极控系统的控制。设备就地控制在设备选择就地控制时有效,就地完成对应设备的操作控制。

从系统组成上讲,直流电网控制系统总体上分为以下几个子系统:与远方调度中心连接的接口子系统、直流电网协调控制系统、换流站运行人员控制系统、交流站控系统、直流站控系统、极控系统。此外,换流站还包含交直流保护及其他二次子系统,主要包括:直流系统及设备保护、故障录波系统、站主时钟系统、直流线路和金属回路故障定位系统、保护及故障录波信息管理子站、交流保护、电能量计量系统等。

2 换流站层控制策略设计

张北工程为四端柔性直流环形电网,但各换流站运行人员只操控本站内设备,同时考虑调度、运行人工分钟级响应速度,因此,必须依靠换流站层的自动控制保障直流电网的稳定运行。直流电网的核心控制是实现电网内功率的平衡调节和直流电压的稳定。直流电网依靠各换流站的自适应控制与电网协调控制紧密配合实现电网的稳定运行。在电网发生暂态扰动时,依靠各换流站的自适应控制保障各换流站的安全运行,同时,通过协调控制实现运行状态的优化。

设计各换流站控制策略时重点考虑的因素是各换流站的功能定位,将换流站分为孤岛换流站、调压换流站、重点负荷换流站。

1)张北和康保换流站既可以联网运行,也可以连接风场和光伏发电孤岛运行。孤岛运行时没有稳定的交流电压支撑,需要换流器输出正弦交流电压,因此换流站需采用电压-频率控制;联网运行时可根据需要选择定有功功率控制等。

2)丰宁和北京换流站运行于联网方式,丰宁换流站作为直流电网中的主调压站,有功类控制目标为直流电网电压,在电网电压出现扰动时,根据直流电压的变化自动调节其功率的大小,快速抑制电压波动,使直流电网实现能量平衡,快速恢复稳定运行。

3)北京换流站作为重点负荷站,有功类控制目标采用定有功功率控制模式,直流电压在合理范围内波动时不调节换流站的输出功率,保证负荷稳定及供电可靠性。

4)当直流电压超出合理范围时,各联网换流站本身的自适应控制在直流电网暂态过程中可对系统稳定起到积极调节作用。

2.1 联网换流站自适应控制

直流电网系统为P-V特性,系统的稳定性主要指直流电压的稳定,换流站自适应控制是指各换流站通过一定的策略配合,通过功率调节将直流电网内的电压控制在预定范围,同时,控制换流站和线路不过载。该控制功能主要通过各换流站预设的有功类、无功类控制目标和电压接管的时序来实现。主要包括如下几种实现方案:主从直流电压控制策略、直流电压偏差控制策略、直流电压斜率控制策略等[14-18]

主从直流电压控制各换流站按预设的优先顺序控制直流电压;直流电压偏差控制利用直流电压的偏差特性实现换流站有功功率的调节;直流电压斜率控制利用直流电压下垂斜率特性使得多个换流站起到直流电压后备控制作用。

为加快直流电网的动态响应特性,张北工程控制策略设计时提出直流电压偏差斜率控制策略,控制原理如图3所示。横坐标为换流站向直流电网传输的有功功率,纵坐标为换流站直流电压。横坐标轴上方第2条线和第4条线之间为直流电压正常运行范围,最上面一条红线为直流电网上限电压,最下面一条红线为直流电网下限电压。

图3 换流站自适应控制示意图
Fig.3 Converter adaptive control diagram

正常运行时,电压主控站控制直流电压在预先设定好的电压参考值,此时,通过设置其他换流站合适的指令偏差,使其在稳态工况时不参与电压调节;当直流电压变化超过一定死区后,其他换流站按照设定好的斜率参与电压控制。

以丰宁站主控直流电压为例,在暂态过程中,当丰宁站的直流功率达到限定值时,直流电压无法控制在给定参考值,丰宁站失去了控制直流电压的能力,当电压变化超过换流站死区范围时,其他换流站进入斜率控制,从定直流功率控制模式转变为电压斜率控制模式。当直流电压越过上限后,根据预先设定的斜率偏差曲线,北京换流站自动增加输出功率,张北和康保换流站自动减少输入功率,从而使丰宁站在其功率能力范围内可以控制直流电网的电压至正常范围(500~527 kV)。当直流电压越过下限后,根据预先设定的斜率偏差曲线,北京换流站自动减少输出功率,张北和康保换流站自动增加输入功率,从而使丰宁站在其功率能力范围内恢复直流电网电压控制能力。

2.2 孤岛换流站控制

新能源机组孤岛接入直流电网,柔性直流换流器向无源网络提供稳定的交流电压,因此换流器需要对无源侧的交流电压和频率进行控制,采用无源定交流电压控制。张北工程换流站采用双极接线方式,基于下垂特性实现双极换流器协同为无源网络提供交流电压,如图4所示[20]。其中,KP为有功-频率的下垂系数;KQ为无功-电压的下垂系数,且系数KPKQ均为负。

图4 接入新能源孤岛系统的电压频率控制策略
Fig.4 V/f control strategy of converters connected to islanded renewable power plant

新能源换流站运行在孤岛模式时,其有功功率和无功功率取决于新能源机组的功率输出。在新能源孤岛满功率接入条件下,交流系统、直流电网或换流站内的大功率扰动都可能引起直流电网的功率盈余,进而引发直流电网大面积瘫痪。因此,张北工程设计时,当新能源站向直流电网提供功率过量导致直流电网电压过高、危及设备安全时,张北和康保换流站通过投入交流耗能装置消耗暂态盈余功率[25]

2.3 直流电网协调控制

各换流站功率平衡才能维持直流电网电压稳定,直流电网协调控制系统可以更好地在直流电网方式转换和直流电压在控制范围内波动时发挥作用。

在换流站层自适应控制和孤岛控制之外,出于优化控制需要,张北工程设计了电网协调控制系统,具备以下功能:换流站电压控制权转移、电网电压范围控制、相关的顺控联锁功能、直流线路过负荷控制。电网协调控制系统冗余配置在北京和张北换流站,在站间通讯正常时发挥作用,通过对直流电网运行状态的分析计算,以及各换流站控制模式和指令的调节,实现对直流电网潮流和系统电压的优化控制。直流电网协调控制介于换流站自动控制与人工控制之间,在人工干预前自动调整直流电网运行状态,以提高系统的可靠性。

3 直流电网保护原则设计

直流电网的保护设计坚持继电保护“四性”原则,即可靠性、快速性、选择性和灵敏性。张北工程采用“半桥MMC+直流断路器”方案,直流线路采用架空线路和金属回线,受器件电压电流耐受能力与工程经济性双重制约,设备安全裕度偏小,因此,对直流电网保护的快速性和可靠性提出了更高要求。保护设计及故障清除原则为直流系统发生故障后尽可能减小故障影响范围,主要包括:①换流站站内故障应尽可能退出换流站而使其他换流站维持运行;②直流线路故障后,依靠直流断路器动作隔离故障,避免换流站闭锁,同时,可以利用直流线路保护的重合闸策略增强直流电网的运行可靠性。

基于上述整体设计原则,张北工程保护配置分为交流保护和直流保护,交流保护为常规交流保护范围,直流保护为广义概念,即直接影响直流运行的设备均纳入直流保护范畴。

直流保护的覆盖范围为从换流变压器至直流线路及对站,保护范围内所有的设备均配置完整的保护,相邻保护区域之间重叠,不存在死区。按保护区域可分为换流变保护区、阀侧连接线区保护、换流器区保护、极母线区保护、中性母线区保护、直流线路保护、中性线区保护和金属回线区保护,如图5所示。

图5 直流保护配置示意图
Fig.5 DC protection configuration diagram

其中,换流器区保护设计了桥臂过流、桥臂电抗器差动、阀侧交流后备差动、桥臂差动、换流器差动、极差动、直流低电压、直流过电压、直流过流、高频谐波等保护,如图6所示。

桥臂过流保护用于检测换流器的短路故障或极线上的接地故障,过流定值需结合交流故障和直流故障的穿越要求,并兼顾换流阀的过流耐受能力确定。桥臂电抗器差动保护用于检测电抗器及相连母线接地故障,阀侧交流后备差动保护为阀侧交流差动保护的后备保护,用于检测阀侧连接线处发生的接地故障。桥臂差动保护、换流器差动保护、极差动保护用于检测换流阀内的接地故障。直流低电压保护、直流过电压保护、直流过流保护作为换流器故障的后备保护。高频谐波保护检测阀侧谐波电压和谐波电流,以便在系统出现较大谐波时保障设备安全。

图6 换流器区保护配置示意图
Fig.6 Protection configuration diagram for converter area

此外,为保护换流阀器件,加快器件级的保护速度,在阀控装置内设计了IGBT过流、子模块过压等保护。

4 控制保护功能设计的仿真验证

基于张北工程实际设备参数,利用RTDS实时数字仿真搭建了直流电网一次设备及主回路模型,配置了与工程现场相同的控制保护装置,构成了物理闭环实时仿真系统,如图7所示。依托该仿真平台进行了顺序控制与联锁、稳态工况校核、直流起停、换流器投退、线路投退、运行方式转换、协调控制、动态性能、暂态性能、交流故障和直流故障等各类稳态和暂态工况测试,表明前述张北工程控制策略及保护配置设计的合理性和可靠性。

图7 控制保护系统调试实时仿真平台
Fig.7 Real time simulation platform for control and protection system

为展示换流站自适应控制和电网协调控制的详细过程、架空线路保护动作时序以及直流断路器重合闸等直流电网控制保护核心功能,本章仅以有通讯时定电压换流器故障闭锁、无通讯时定功率换流器故障闭锁、直流线路瞬时故障3个关键典型案例进行 说明。

4.1 有通讯时定电压换流器退出

为了验证电网协调控制系统的直流电压控制权转移功能设计,进行如下试验。初始工况为直流电网全接线运行,换流站均为联网模式,北京换流站双极450 MW从直流电网受电,张北换流站双极300 MW向直流电网送电,康保换流站双极150 MW向直流电网送电,丰宁换流站定直流电压运行。手动将丰宁站极1退出,丰宁换流站的波形如图8所示。图8中0.8 s时丰宁站闭锁,协调控制系统监测到丰宁站定电压控制模式消失后,根据换流站定电压优先级顺序,将北京换流站定功率控制模式切换至定电压控制模式,使直流电网达到一个新的稳态运行点。北京换流站的波形如图9所示。本案例验证了直流电压控制权转移功能的正确性,整个切换过程平稳,电网协调控制系统实现了设计目标。

图8 丰宁换流站退出运行波形
Fig.8 Simulation results of Fengning station when disconnecting to DC grid

图9 北京换流站控制模式切换波形
Fig.9 Simulation results of Beijing station when shifting control mode

4.2 无通讯时定功率换流器退出

为了验证各换流站自适应控制的功能设计,进行如下试验。初始工况为直流电网全接线运行,换流站均为联网模式,北京换流站双极3000 MW从直流电网受电,张北换流站双极3000 MW向直流电网送电,康保换流站双极1500 MW向直流电网送电,丰宁换流站定直流电压运行。北京换流站正极故障闭锁,波形如图10所示。

由于北京换流站正极闭锁,正极层功率盈余,导致正极直流电压上升至600 kV以上,张北和康保换流站根据自适应控制策略迅速降功率,分别降至约510 MW和190 MW,直流电网重新达到一个新的稳态运行点。张北换流站、康保换流站、丰宁换流站的波形分别如图11—图13所示。期间丰宁换流站正极由于出现了短时间的过负荷,控制系统判断为短期的严重故障,导致主控制极由正极转移到负极。本案例验证了自适应控制功能实现了设计目标,单换流器故障退出没有引起直流电网的停运。

4.3 直流线路故障

为了验证直流线路保护设计,进行如下试验。初始工况为直流电网全接线运行,换流站均为联网模式,北京、张北、康保换流站均双极零功率运行,丰宁换流站定直流电压运行。故障点位于张北换流站至康保换流站正极线路上,靠近张北换流站,故障时间100 ms,接地故障电阻0.1 Ω。张北和康保换流站的线路保护波形分别如图14和15所示。故障发生后正极线路保护中的行波保护和突变量保护迅速动作,断开直流断路器后故障电流降为零,故障消失后直流断路器重合,负极线路保护无误动作。本案例验证了相关直流线路保护动作以及直流断路器重合闸设计的正确性,直流线路短时故障没有引起其他保护动作,能够实现直流电网真正意义上的网络特性。

图10 北京换流站正极闭锁波形
Fig.10 Simulation results of Beijing station when blocking positive converter

图11 张北换流站降功率波形
Fig.11 Simulation results of Zhangbei station after blocking Beijing positive converter

图12 康保换流站降功率波形
Fig.12 Simulation results of Kangbao station after blocking Beijing positive converter

图13 丰宁换流站降功率波形
Fig.13 Simulation results of Fengning station after blocking Beijing positive converter

图14 张北换流站线路保护波形
Fig.14 Simulation results of Zhangbei station after the DC line to ground fault

图15 康保换流站线路保护波形
Fig.15 Simulation results of Kangbao station after the DC line to ground fault

5 结论

本文结合张北工程直流电网的结构特点和换流站设备配置,分析了直流电网控制保护系统面临的难点,确定了张北工程控制系统和直流保护的设计原则,提出了换流站自适应控制与电网协调控制相结合的控制系统设计方案,依靠换流站自适应控制维持直流电网电压稳定,通过电网协调控制优化电网运行。直流保护方面,明确了设计原则和分区方案,保障各区保护相交叠、无死区,主保护、后备保护相配合,针对换流阀设备对保护速度要求高的难点,采用直流保护和器件保护相结合的方案保障设备安全。

本文利用工程实际的控制保护设备,搭建了RTDS闭环实时仿真系统,结果证明了本文研究的控制保护设计原则及整体控制策略、保护方案的合理性,该方案已应用于张北实际工程。

根据规划,张北柔性直流电网远期将具有七端规模,网架更加复杂,控制保护的要求更高,后续将进一步结合快速通信技术、站域信息获取及共享技术的最新成果,开展更大规模柔直电网控制保护系统的设计原则研究,以提出更加灵活的技术方案,为未来柔直电网的发展提供技术保障。

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Design Principle and Verification of Control and Protection System for Zhangbei VSC-HVDC Grid Demonstration Project

GUO Xianshan1, LU Yajun2*, GUO Qinglei2
(1.UHV Construction Department, State Grid Corporation of China, Xicheng District, Beijing 100031, China;2.State Power Economic Research Institute, Changping District, Beijing 102209, China)

Abstract: The Zhangbei VSC-HVDC gird demonstration(Zhangbei project for short)will be the first HVDC grid in the world.Four MMC converter stations will be connected in a ring circuit.In this manner, through multiloop redundancy, the grid can provide renewable energy with isolated island access, realize multi-energy supplement, and form a true HVDC grid.Based on the characteristics of the project, the difficulties and major design principle of the control and protection system were proposed.The control strategies for the structure were studied, e.g., coordination control at the grid level and adaptive control in each converter.Then, a protection configuration was proposed for each station.Finally, the rationality of the control and protection design was verified by performing the closed-loop simulation of real-time control and protection systems using the RTDS simulator.

Keywords: HVDC grid; control and protection system; design principle; control strategy; protection configuration


作者简介:


郭贤珊

郭贤珊(1972),男,硕士,教授级高级工程师,从事高压直流输电工程建设管理工作,E-mail:xianshan-guo@sgcc.com.cn。

卢亚军(1982),男,硕士,高级工程师,从事高压直流工程成套设计及仿真研究工作。通信作者,E-mail:luyajun@chinasperi.sgcc.com.cn。

郭庆雷(1988),男,博士,工程师,从事高压直流工程成套设计及仿真研究工作,E-mail:guoqinglei@chinasperi.sgcc.com.cn。

(责任编辑 李锡)

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    图1