特高壓直流輸電線路融冰方案研究

特高壓直流輸電線路融冰方案研究

0特高壓直流輸電線路融冰技術(shù)中國是世界上嚴(yán)重的輸冰能力國家之一。覆冰會使輸電線路的機(jī)械和電氣性能急劇下降,嚴(yán)重時會造成跳閘、斷線、倒桿塔,導(dǎo)致停電事故,給國民經(jīng)濟(jì)帶來重大損失。因此,研究輸電線路的防冰和除冰技術(shù)對提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性有重要意義。未來3年,中國將陸續(xù)建成云南至廣東、向家壩至上海、錦屏至蘇南這3條±800kV特高壓直流輸電線路并投入運行,還有多條特高壓直流輸電線路已列入建設(shè)計劃。一方面,這些特高壓直流系統(tǒng)雙極額定輸電容量高達(dá)5GW～7.2GW,如此大容量的電力輸送對直流輸電系統(tǒng)的可靠性提出了極高的要求;另一方面,特高壓直流輸電線路輸送距離遠(yuǎn),中間需跨越多個易發(fā)嚴(yán)重覆冰災(zāi)害的區(qū)域。因此,研究特高壓直流工程的防冰和除冰技術(shù)顯得尤為緊迫和重要,對確保特高壓直流輸電系統(tǒng)本身以及相關(guān)電力系統(tǒng)的安全可靠運行都具有重要意義。目前輸電線路防冰和除冰技術(shù)有很多種,本文采用加熱融冰方法,其原理是使輸電線路流過大的直流電流,通過線路電阻發(fā)熱升溫融化覆冰。根據(jù)特高壓直流工程的技術(shù)特點,本文將研究特高壓直流輸電線路融冰的2種方案:一種方案是對線路施加額定值左右的電流,預(yù)防覆冰形成,稱為預(yù)防性融冰方案,這種方案也能融化已形成的覆冰,只是需要很長的時間;另一種方案是對線路施加很大的直流電流,快速融化已形成的覆冰,稱為緊急融冰方案。1主線路的極化特高壓直流輸電系統(tǒng)每端換流站有4個12脈動換流器,分為2個極,每個極2個換流器串聯(lián),其主接線如圖1所示。正常運行方式下,特高壓直流工程的2個極直流電壓極性相反,一個極的線路對地電壓為+800kV,另一個極的線路對地電壓為-800kV。直流電流的方向始終與換流閥的導(dǎo)通方向一致。2個極的功率方向相同,都將功率從站1(整流站)輸送至站2(逆變站)。2預(yù)防性冰儲方案2.1特高壓直流系統(tǒng)的融冰方案在豐大時段,特高壓直流系統(tǒng)負(fù)荷較大,線路電流接近或達(dá)到額定直流電流4kA,此時線路發(fā)熱量基本可以預(yù)防覆冰的形成。即使環(huán)境溫度很低或已有少量覆冰形成,由于特高壓直流工程通常設(shè)計有短時10%以上的過負(fù)荷能力,可以充分利用系統(tǒng)短時過負(fù)荷能力間歇產(chǎn)生4.4kA以上的線路電流,達(dá)到預(yù)防覆冰形成的目的。在直流系統(tǒng)雙極不能同時實現(xiàn)大負(fù)荷輸電的情況下,可安排2個極輪流過負(fù)荷運行實施融冰,并同時維持設(shè)定的雙極總功率。過負(fù)荷是特高壓直流系統(tǒng)及其控制保護(hù)的常規(guī)功能,這種融冰方案的優(yōu)點是容易實現(xiàn),且不干擾特高壓直流系統(tǒng)的正常運行。但易發(fā)覆冰的冬季通常處于枯小時段,此時特高壓直流系統(tǒng)的整流端難以提供足夠的功率,直流系統(tǒng)只能運行于低負(fù)荷工況,上述融冰方案將不再適用。2.2預(yù)防性融冰方案枯小時段,受整流端系統(tǒng)功率不足的限制,特高壓直流系統(tǒng)只能低負(fù)荷運行時,直流線路電流將遠(yuǎn)小于額定電流4kA,此時如遇到低溫雨雪天氣,易產(chǎn)生覆冰災(zāi)害。針對這種情況,預(yù)防性融冰方案需要同時實現(xiàn)2個目標(biāo):1)特高壓直流系統(tǒng)的總輸送功率應(yīng)較小;2)直流線路電流應(yīng)盡可能大,至少達(dá)到額定值左右。令特高壓直流工程的2個極功率方向相反,一極正向傳輸功率,另一極反向傳輸功率,可同時實現(xiàn)上述2個目標(biāo)。采用這種方案,單個極傳輸?shù)墓β士梢院艽?用于產(chǎn)生額定的直流電流;而由于2個極的功率方向相反,當(dāng)2個極功率大小相近時,特高壓直流系統(tǒng)的總傳輸功率很小,甚至可以使某一端換流站的總交換功率為0,而另一端換流站的雙極總功率全部用于線路融冰損耗。由于這種融冰模式不需要很高的直流電壓,因此,可以將特高壓工程每個極的一個換流器隔離,采用雙極單換流器大地回線運行方式。該預(yù)防性融冰方案如圖2所示。這種預(yù)防性融冰方案的主要優(yōu)點是:1)方案容易實現(xiàn),幾乎不需要對現(xiàn)有的特高壓工程設(shè)計和控制保護(hù)系統(tǒng)功能進(jìn)行修改就能實現(xiàn)這種融冰工作模式;2)融冰時不需要整流側(cè)交流系統(tǒng)提供很大的功率源,對交流系統(tǒng)造成的擾動也較小。在雙極功率異向的融冰方案實施過程中還需注意以下幾個問題:1)特高壓直流控制系統(tǒng)的雙極功率控制模式不支持2個極功率方向相反的運行方式,因此,在預(yù)防性融冰方式下,2個極應(yīng)各自采用單極定電流控制模式。2)融冰方案采用雙極大地回線運行方式,如果2個極線路電流差異較大,接地極將流過較大的電流。為減小不平衡電流,融冰工作模式全過程(包括電流升降過程)中2個極的電流定值不應(yīng)差別過大。如果需要特高壓直流系統(tǒng)在融冰過程中同時傳輸少量功率,建議盡量采取一極全壓運行,另一極降壓運行的方式。3)在預(yù)防性融冰模式下,直流系統(tǒng)雙極總功率較小,但每個極的傳輸功率卻很大。雖然雙極異向融冰運行不需要交流系統(tǒng)提供很大的功率,對交流系統(tǒng)造成的擾動也很小;但考慮到融冰時天氣情況一般比較惡劣,線路故障概率較高,一旦故障造成一極停運,直流系統(tǒng)會轉(zhuǎn)入單極大地回線運行,將導(dǎo)致直流系統(tǒng)與交流系統(tǒng)的功率交換量突然增大,給兩側(cè)交流系統(tǒng)帶來一定擾動。為避免出現(xiàn)這種情況,應(yīng)在特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)中為雙極功率異向融冰方案增加特殊的保護(hù)功能:融冰大電流運行時,如果某極故障停運,控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)使另一極也迅速閉鎖。該功能可采用以下方法實現(xiàn):1)設(shè)置融冰模式標(biāo)志信號Deice_Mode,需要運行融冰模式時將該標(biāo)志信號置為1;2)在特高壓直流控制系統(tǒng)的極間通信中增加功率方向信號,使本極能夠接收對極的功率方向信號;3)比較本極與對極的功率方向,如果2個極功率方向相反,則判定系統(tǒng)處于預(yù)防性融冰狀態(tài),定義Deice_Status為1;4)根據(jù)本極運行信號OPN和對極運行信號OPN_FOP,采用以下邏輯判斷對極在大電流融冰運行中是否出現(xiàn)故障停運:OPN_FOP為0、OPN為1且2個極功率差大于單極最小功率的1.1倍,則定義對極故障停運信號Deice_Stop_OP為1;5)當(dāng)Deice_Mode,Deice_Status,Deice_Stop_OP均為1時,判定系統(tǒng)在雙極功率異向融冰運行過程中出現(xiàn)了對極停運,此時定義Deice_Trip為1,觸發(fā)本極緊急停運。采用上述特殊保護(hù)功能的雙極功率異向融冰方案已在國內(nèi)多個±500kV常規(guī)直流工程中進(jìn)行了試驗運行,融冰過程中模擬單極故障停運的試驗結(jié)果表明該保護(hù)能準(zhǔn)確動作,將融冰時單極故障停運對兩側(cè)交流系統(tǒng)的擾動降至最小。2.3單獨換流站回轉(zhuǎn)投冰雙極功率異向融冰運行方式下,特高壓直流工程2個極的直流電壓是同極性的,因此,可考慮在特高壓直流線路易覆冰區(qū)外的某一點將2條直流極線路短接,形成單側(cè)換流站帶回路融冰運行方式,如圖3所示。通過規(guī)劃短接點的位置,使跨越易覆冰區(qū)的線路與一側(cè)換流站形成回路,有針對性地進(jìn)行融冰,而短接點以外的線路與對端換流站的融冰功率損耗就可省去。當(dāng)然,這種融冰方案需要增加少量投資,包括短路線路與隔離刀閘,以及相關(guān)的站間通信等。3緊急融冰方案如果大量覆冰已形成并威脅到桿塔安全,就需在很短時間內(nèi)融化覆冰。這種情況下,額定的線路電流已不能滿足融冰要求,必須采取緊急融冰方案,提供很大的線路電流,迅速融化已形成的覆冰。根據(jù)對特高壓直流工程采用的6×720mm2導(dǎo)線的研究,特高壓直流輸電線路的緊急融冰電流在8kA～9kA左右。在常規(guī)接線和運行方式下,特高壓換流站無法提供這么大的融冰電流。針對特高壓直流工程的特點,可以采用2個換流器并聯(lián)運行的方式提供緊急融冰電流。由于換流器是按照模塊化原則設(shè)計的,所以只需在特高壓直流輸電工程的兩端換流站增加少量連接線和隔離開關(guān),就能方便地通過直流開關(guān)場操作,使換流器的常規(guī)串聯(lián)運行方式切換為每站2個換流器并聯(lián)融冰運行方式,這樣在額定情況下可提供8kA的直流線路電流,考慮換流器的過負(fù)荷能力,最高可提供超過9kA的緊急融冰電流。特高壓直流單側(cè)換流站內(nèi)2個換流器并聯(lián)運行的一種接線方式如圖4所示。緊急融冰時對端換流站也采用同樣的接線方式。圖4中的接線方案將換流器C1和C4并聯(lián),融冰電流流經(jīng)的線路在圖中用粗線標(biāo)出。緊急融冰時,先將換流站轉(zhuǎn)入單極單換流器C1金屬回線運行,然后閉合C4并聯(lián)線路上的隔刀,解鎖C4并逐漸增大電流,即可不停電實現(xiàn)2個換流器并聯(lián)融冰運行方式。圖4所示的緊急融冰接線方案需換流站增加部分一次設(shè)備,主要包括:4個800kV直流隔刀Q1～Q4;2個400kV直流隔刀Q5和Q6;1個400kV地刀Q7;1個400kV避雷器A1;2個中性線避雷器A2和A3;1個金屬回線避雷器A4;若干條連接線。要實現(xiàn)特高壓直流系統(tǒng)的緊急融冰工作方式,直流控制保護(hù)系統(tǒng)的部分功能模塊還需修改,增加這些模塊在融冰方式下的特殊處理程序。這些修改不對原有功能做任何變動,只是在滿足特高壓直流工程常規(guī)工作方式下所有功能要求的同時,也能在需要時使直流系統(tǒng)運行于緊急融冰工作方式。緊急融冰方式下,特高壓直流工程換流器從串聯(lián)接線方式轉(zhuǎn)入并聯(lián)方式,考慮到每站并聯(lián)的2個換流器間的電流平衡問題,建議緊急融冰時采用如下的控制策略:1)每站并聯(lián)的2個換流器各自獨立控制。2)整流側(cè)并聯(lián)的2個換流器均處于定電流狀態(tài),每個換流器電流定值為輸入的融冰電流指令值的1/2。在額定條件下,每個換流器可提供4kA電流,并聯(lián)直流電壓400kV,直流線路電流為8kA,過負(fù)荷時,可達(dá)到9kA。3)逆變側(cè)并聯(lián)的2個換流器一個處于定電流狀態(tài),另一個處于定電壓狀態(tài)。處于定電流狀態(tài)的換流器電流定值跟蹤直流線路電流,使逆變側(cè)2個換流器平均分配直流電流;定電壓狀態(tài)的換流器控制并聯(lián)換流器的直流電壓。由于兩側(cè)換流器都為并聯(lián)接線,單換流器定電壓完全能夠確保所有換流器的電壓均能保持在定值附近。上述控制策略確保了特高壓直流系統(tǒng)在融冰工作的所有時刻都處于穩(wěn)定的工作點,融冰電流連續(xù)可控,整流和逆變兩側(cè)的直流電流都在并聯(lián)的換流器之間被平均分配,不會引起單個換流器的超負(fù)荷運行。除了控制策略的變化,緊急融冰方案還需要對換流站無功和濾波設(shè)備進(jìn)行校核,以及對控制保護(hù)的許多相關(guān)功能進(jìn)行調(diào)整,例如增加并聯(lián)換流器的極間通信、增加融冰模式的順序控制功能、無功控制功能、線路故障保護(hù)區(qū)從并聯(lián)點后開始、很多保護(hù)定值需要修改、融冰時由單套保護(hù)代替3取2邏輯等。除了圖4的換流器并聯(lián)接線方式,緊急融冰方案也可采取其他的換流器并聯(lián)接線方式,例如單極的2個換流器并聯(lián)融冰。這種方式下,本文提出的緊急融冰控制策略仍然有效。緊急融冰方案需要注意的一個問題是:特高壓直流輸電線路通常很長,會跨越多種地理和氣象區(qū)域。當(dāng)緊急融冰運行時,整條輸電線路都將通過很大的電流,在低溫和嚴(yán)重覆冰區(qū),大電流將融化覆冰;但同時在未覆冰區(qū),大電流將使線路溫度升得較高。根據(jù)±500kV常規(guī)直流工程雙極功率異向融冰試驗的結(jié)果,在常溫條件下,通過3kA的融冰電流后,直流線路溫升約為10℃。以此估算,特高壓直流工程緊急融冰時,未覆冰區(qū)的線路溫升約為20℃～30℃?？紤]到輸電線路的溫度上限一般在90℃左右,該溫升不會給直流線路帶來太大影響。盡管如此,線路溫度長時間處于較高溫度仍會造成不利影響,因此,只有在緊急情況下才需要短時間使用8kA以上的電流。由于緊急融冰方案的融冰電流是連續(xù)可控的,一旦覆冰狀況緩解,就可逐漸降低融冰電流,避免未覆冰區(qū)線路和設(shè)備長時間運行在較高的溫度下。4緊急融冰方案雙極功率異向的預(yù)防性融冰方案,其最大優(yōu)點是不增加一次設(shè)備投資,對控制保護(hù)系統(tǒng)軟件功能的修改也很少,容易實施;同時,這一方案對相關(guān)交流系統(tǒng)影響小,尤其適合在冬季低負(fù)荷時段使用;另外,只要做好覆冰監(jiān)測和氣象預(yù)警,及時啟用預(yù)防性融冰運行模式,在絕大多數(shù)情況下都能夠防止線路受到冰災(zāi)影響。緊急融冰方案的優(yōu)點是可以提供很大的直流線路電流,快速融化線