基于柔性直流输电技术的特高压直流送端孤岛系统黑启动方法

GXF360 2017-12-17

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戚庆茹1, 蒋维勇1，刘建琴1，常浩1，周专2

(1.国网北京经济技术研究院, 北京市 102209；2.国网新疆电力公司经济技术研究院，乌鲁木齐市 830001)

摘要：特高压直流输电系统具备输电距离远、输送容量大等优势。随着大型能源基地开发的西移和北移，特高压直流输电送端孤岛问题成为今后部分地区能源基地规划设计面临的重要难题。特高压直流输电系统响应较快而火电机组响应较慢，火电机组启动初始负荷和特高压直流输电系统最小启动功率难以匹配，导致直流系统与火电机组配合启动困难。该文提出了一种依托柔性直流输电技术的特高压直流外送孤岛系统黑启动方法，结合常规直流输电现有设备，构建小型柔性直流输电系统，辅助直流系统和送端电源的孤岛启动，柔性直流系统还可为孤岛系统中的机组和直流调试提供可靠供电。通过在PSCAD/EMTDC中搭建特高压直流输电系统、柔性直流输电系统以及火电机组模型，仿真验证了所提出方法的有效性和可行性。

关键词： 特高压直流输电; 孤岛系统; 柔性直流输电系统; 黑启动

Abstract： The UHVDC power transmission system has the advantages of long transmission distance and large capacity. As the large scale energy bases development transferring to the West and the North, relevant problems to UHVDC island sending system become the important challenge in the plan and design of energy base in some areas in the future. The response of UHVDC power system is faster than that of thermal generation units, and the minimum startup power of UHVDC doesn’t match with the starting power of thermal generating units, which causes the difficult coordinated startup of UHVDC power system and thermal generating units. This paper proposes a new islanding black-start method for UHVDC island sending system based on VSC-HVDC technology. A small scale VSC-HVDC system can be easily built based on the existing devices in conventional DC transmission, which can assist islanding starting up the DC power system and sending system. The VSC-HVDC system can supply power to the generator units in islanding system and DC during system commissioning. Detailed simulation models of UHVDC, VSC-HVDC and thermal generation unit are built in PSCAD/EMTDC. The simulation result verifies the effectiveness and feasibility of the proposed method

KEYWORDS： UHVDC power transmission; islanding system; VSC-HVDC; black-start

0 引言

随着“一带一路”建设和“全球能源互联网”战略的实施，推动各大洲大型能源基地开发和电网跨国互联，实现清洁能源大规模、大范围、高效率优化配置，是今后一段时期内电网发展的重要方向。特高压直流输电系统具备输电距离远、输送容量大等优势，在大容量远距离输电、电网异步互联等方面已有广泛应用，在“全球能源互联网”战略实施过程中必将发挥更加重要的作用。

目前已开发的能源基地距离交流电网相对较近，通过合理规划交流系统网架，直流送端均可以接入当地电网，进而满足直流运行的基本需要。直流孤岛运行方式通常仅作为过渡运行方式，不涉及黑启动问题。今后规划开发的部分能源基地所在地电网十分薄弱甚至远离交流电网，如蒙古、哈萨克斯坦能源基地，对其进行开发并直接接入当地电网存在困难，直流送端孤岛黑启动和运行的相关问题成为能源基地规划设计面临的重要难题。

我国在高压直流输电系统孤岛运行方面已经积累了一些经验。“云广”直流工程和“锦苏”直流工程均开展了孤岛运行研究并进行了相关试验。2016年“呼辽”直流带火力发电系统孤岛试验成功，对后续能源基地直流孤岛运行更具指导意义。当前研究主要集中在直流孤岛运行方面，围绕直流孤岛运行方式下的频率控制、稳定控制策略以及直流控制保护协调等关键技术开展了相关研究[1-5]。

关于能源基地直流孤岛系统黑启动相关技术研究仍在初步探索阶段[6-7]。文献[6]从直流系统角度，分析了为满足火电机组启动初期响应特性，送端孤岛系统直流最小启动功率的选择及解锁过程。文献[7]研究了直流系统与火电机组配合启动的方案和过程，并论证了机组启动能力与直流启动过程中频率控制的可行性。相比直流系统，火电机组响应特性较慢，出力调整不够灵活。同时火电机组最大初始负荷和直流最小启动功率之间不匹配，导致了直流带火电机组孤岛黑启动时直流系统与机组之间的配合困难。

柔性直流输电系统可以自换相，可以工作在无源逆变方式，克服了传统直流系统必须接入有源电网并且要求交流系统具有一定强度的缺陷[8-9]。本文提出一种特高压直流送端火电孤岛系统依托柔性直流输电技术启动的方法。结合常规直流输电系统的换流变压器、直流线路等设备，构建小型两端柔性直流输电系统。启动时，首先借助柔性直流系统实现送端孤岛系统带电，辅助送端火电机组和一极直流系统的启动，稳定运行后，退出柔性直流系统并实现另一极直流系统启动和送端其他火电机组启动。

1 直流送端孤岛系统黑启动存在的问题

1.1 直流系统启动

高压直流输电系统通常采用双极结构，每极采用一个12脉动换流器或者2个12脉动换流器串联的结构。我国±800 kV特高压直流工程均采用2个12脉动换流器串联的结构。在运行中，12脉动换流器是最基本单元，换句话说，±800 kV特高压直流系统可以采用单12脉动换流器启动方式进行直流启动。在一个极的一个单12脉动换流器启动后，另一个12脉动换流器可以在线投入。

直流系统的启动包括两端换流站网侧断路器合闸、直流侧开关设备操作、投入最小滤波器、换流器解锁、直流功率按给定速度上升到整定值等过程[10-11]。在此过程中根据直流功率的增加逐组投入交流滤波器。直流解锁至启动结束的时间一般为几百ms。

为确保换流器正常换相不发生电流断流现象，直流系统解锁后输送功率不能低于最小启动功率[10,12]。目前国内特高压直流最小启动功率均取额定功率的10%，以±800 kV特高压直流系统为例，额定容量8 000 MW，单极最小启动功率为2 00 MW，为单12脉动换流器额定功率的10%。

1.2 火电机组启动

火力发电机组的启动过程极其复杂[13]，包含锅炉、汽轮机、发电机以及辅助系统等各个环节的启动。启动步骤通常包括：启动前的准备、锅炉点火、锅炉升温升压、暖管、冲转、暖机、升速、并网、带负荷、阀切换、升负荷等，整个过程需要数h，并且为保证锅炉、汽机升压、升温均匀，需要分多阶段进行。以1 000 MW发电机组为例，冷态启动从机组冲转到升至满功率需要约550 min；热态启动需要约85 min。

受暖机效果、排气温度和汽轮机热应力限制，火电机组并网初始负荷一般在额定负荷的2%～5%，并且需要以初始负荷运行一定时间后(几至几十min)才可以升负荷；火电机组响应速度慢，受锅炉和汽轮机运行条件限制，机组启动后升负荷速率不能太大，一般为1 %/min～2 %/min。

1.3 直流系统和火电机组配合启动

如上所述，如果火电机组带直流系统直接启动，火电机组初负荷和直流最小启动功率之间难以配合，1台600 MW火电机组初负荷一般为12～30 MW，直流最小启动功率远大于该功率，二者之间存在较大功率差。

为实现火电机组带直流系统黑启动，一方面需研究降低直流最小启动功率、提高机组带初负荷的能力，另一方面还需要考虑发电机组配备容量相当的负荷，发电机启动后带负荷运行，在直流解锁同时进行切换。理论上，可通过降低最小直流启动电流和直流电压2种途径来进一步降低直流最小启动功率[14-15]。降低最小直流启动电流易引发换流阀电流断续，进而需要对换流阀、平波电抗器等进行专门设计。降低直流电压则需要换流阀的触发角运行在较大角度，进而对换流阀提出更高要求。研究表明[14]，通过采取25%降压方式，±800 kV直流最小启动功率可降至50 MW，此时，换流阀的触发角已经运行于70°以上，远超设计的40°的正常最大运行角度，而此时功率仍大于火电机组初始功率。此外，火电机组带直流系统黑启动还要解决低次谐振、机组自励磁、滤波器投切电压波动和频率控制等问题。

综上，直流系统和火电机组配合启动仅存在理论可行性，实际工程中难以操作，还会给火电机组和直流系统设备带来危险。因此，对于直流送端孤岛系统黑启动需要寻求更为合适的解决方法。

2 直流孤岛系统黑启动方法

2.1 启动思路

柔性直流输电(voltage source converter based high voltage direct current transmission，VSC-HVDC)技术是目前最为先进的输电技术，在孤岛供电、城市供电等方面具有一系列的优势。其利用全可控的IGBT换流阀模块，实现了有功和无功功率的四象限解耦控制，在控制有功功率传输的同时，又可以控制无功功率的传输，且控制速度十分迅速。显然柔性直流输电系统对常规直流的启动有很好的作用。

高压直流输电系统通常采用双极对称接线方式，正负极系统可以独立运行，通常也是一极首先启动。因此，本文考虑利用一极直流线路和部分换流站内设备，构建小型柔性直流输电系统，以支撑常规直流另一极的启动和送端发电机组的启动，待另一极常规直流系统和送端发电机组进入稳态运行后，再退出柔性直流系统，启动本极常规直流系统。

2.2 启动方案

结合常规高压直流输电系统已有的换流变压器和直流输电线路，增加IGBT换流阀、启动电阻和桥臂电抗器，可构建小型两端柔性直流系统。利用VSC-HVDC技术启动特高压直流送端火电孤岛系统的系统结构如图1所示。

图1 包含VSC-HVDC的特高压直流送端火电孤岛系统的启动系统结构
Fig.1 Islanding black-start system structure of UHVDC system with thermal power units including VSC-HVDC

图中虚框内为小型两端柔性直流系统，与常规直流系统共用1组换流变压器、极I输电线路、接地极和接地极线路，并通过大地形成直流回路。利用该柔性直流系统送端的柔性直流单元作为黑启动电源实现送端孤岛系统的黑启动。启动过程如下详述。

第1步，利用柔性直流系统，建立送端孤岛系统交流电压，为送端换流站和机组提供可靠的交流电源。

第2步，启动1台火电机组，检测机组及并网点的电压幅值、相角差和频率，满足发电机同期并网条件后并网，以初始功率运行，稳定后提升功率，同时，柔性直流系统外送功率逐步提高。柔性直流系统的功率可以双向调节，因此，随着柔性直流系统外送功率的逐步增加，柔性直流系统的功率调节能力也相应增加，待柔性直流系统的功率调节能力可以支撑高压直流单极(单阀组)启动时，即可进行直流系统启动。

第3步，投入1组交流滤波器。

第4步，解锁直流极II(低端阀组)，以最小启动功率启动，并以单极大地方式运行，火电机组功率通过直流系统送出。

第5步，提升机组功率，同步提升直流系统输送功率，根据需要启动其他新机组。

第6步，机组和直流功率达到一定程度稳定运行后，退出柔性直流系统，并适时启动柔性直流系统所在的另一极直流系统，启动过程完成。

在直流系统启动后，可配合火电机组升功率速度提升直流系统外送功率，并随着直流系统功率上升，逐组投入滤波器。

该方法优点如下：

(1)直流系统和送端机组不需要为配合黑启动而进行专门设计；

(2)柔性直流系统可为孤岛系统中的机组和直流系统调试提供可靠供电；

(3)柔性直流系统退出后，可以从阀厅拆除另做他用；也可以作为换流站的静止同步补偿设备。

本文启动方法还有以下两点需要说明：

(1)为了具备一定的灵活性，可以适当调整直流孤岛黑启动的步骤，比如在柔性直流系统启动后，首先启动常规直流系统，再启动发电机组，这就需要适当增加柔性直流系统的容量(详见3.1节)，会在一定程度上增加投资；

(2)送端柔性直流换流器可以设置单独的联接变压器，而不利用常规直流换流变压器，这样，柔性直流系统退出后，换流器可以作为静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)运行，进而抑制交流滤波器投切引起的电压波动，提高送端系统的动态稳定水平，比如防止次同步振荡等。

3 用于孤岛黑启动的柔性直流系统设计

3.1 柔性直流系统容量设计

柔性直流系统功率调节能力理论上如图2所示。柔性直流系统的功率可以双向传输，通常Pmax= -Pmin=PN，PN为柔性直流系统的额定功率，Pmax为正送最大功率，Pmin为反送最大功率。当高压直流输电系统解锁时，柔性直流系统将给直流系统提供功率。为保证直流解锁后，柔性直流系统功率不越限，要求Pmax-≥Phvdcmin，Pmax-为最大下调功率，Phvdcmin为高压直流输电系统的最小启动功率。为此，需要柔性直流系统的运行功率更接近于Pmax。当柔性直流系统的运行功率等于Pmax时，Pmax-= 2PN。则只要柔性直流系统的额定功率大于等于高压直流输电系统最小启动功率的一半，就可满足直流解锁的需要，即：

PN≥0.5Phvdcmin

(1)

图2 柔性直流功率调节能力示意图
Fig.2 Power adjust capability of VSC system

当然，如果柔性直流系统的额定功率选择为高压直流系统最小启动功率的一半时，就需要首先启动发电机组，并通过调节发电机组使得柔性直流系统运行于正送最大功率Pmax。这限制了送端孤岛系统启动的灵活性。如果要在发电机组不启动的情况下，满足常规直流系统的启动需要，则要求柔性直流系统额定功率不小于高压直流输电系统最小启动功率，即：

PN≥Phvdcmin

(2)

另外，柔性直流系统容量的选择还需要留有一定的裕量。主要考虑以下部分：首先，黑启动前，送端孤岛系统厂用电和站用电需要柔性直流系统提供时，需要适当增加柔性直流系统的容量；其次，如果对柔性直流系统的无功功率提供有明确要求时，也需要适当增加柔性直流系统的容量；第三，直流输电线路的损耗需要考虑，当然，由于设计的柔性直流输电容量很小，线路损耗很小，比如当设计的柔性直流系统的额定电压为200 kV，额定功率为100 MW时，则设计额定电流仅为500 A，特高压直流输电线路的电阻一般小于10 Ω，因此，额定损耗也小于2.5 MW；最后，应该考虑适当的容量裕度，以确保控制系统的响应特性。

3.2 主回路方案

柔性直流系统额定电压Udc为

Udc=2Uv/M

(3)

式中：Uv为换流变压器阀侧额定相电压；M为柔性直流输电系统的额定调制比，取0.85～0.90。根据额定电压和额定功率，可确定柔性直流输电系统的额定电流Idc；在此基础上，可确定柔性直流系统换流阀和桥臂电抗器的参数[14]。其中，子模块电容参数可根据直流电压的波动和动态响应能力综合选择确定；桥臂电抗器的参数需要综合考虑2倍频环流抑制、电流响应速度、故障电流抑制、无功提供能力等因素并结合动态性能确定。

3.3 基本控制策略

柔性直流输电系统均具有有功和无功功率四象限运行的能力，常用的控制方式是矢量控制方式。

对于一侧为孤岛系统的两端柔性直流系统，无源侧换流站可采用定交流电压控制，有源侧换流站可采用定无功功率控制/定直流电压控制。

3.4 换流站布置方案

柔性直流输电系统共用高压直流输电系统的一组换流变压器、直流输电线路、接地极及接地线路，仅需要增加IGBT换流阀、启动电阻和桥臂电抗器等一次设备。可利用高压直流输电系统阀厅，作为新增柔性直流输电系统一次设备的布置场地，也方便了新增设备与高压直流输电系统的联接。

4 仿真分析

为模拟送端孤岛情况下柔性直流系统、常规高压直流系统以及火电机组的零功率启动和切换过程，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了直流送端孤岛系统模型，包括常规特高压直流输电系统、小型柔性直流输电系统、送端火电机组以及受端等值系统。

直流系统及其控制系统模型参照在运特高压直流工程搭建，为双极双12脉动换流器串联结构，额定电压±800 kV，额定电流5 000 A，额定功率8 000 MW；启动过程中采用整流侧定电流、逆变侧定熄弧角控制；直流最小启动功率200 MW；为减小启动过程中滤波器投切时的电压波动，设计启动时投入的滤波器小组容量为120 MV·A。

小型柔性直流系统的额定电压为300 kV，额定容量为240 MV·A，子模块电容为3 000 μF，桥臂电抗器为30 mH。

火电机组送端共考虑14台火电机组，额定容量为600 MW/台，启动初功率为2%(按机组冷态启动考虑)。

本文以送端孤岛系统为研究重点，因此将受端电网在换流站交流母线简化等值。

针对如下2种方式进行仿真。方式1是在启动柔性直流系统后先启动火电机组，然后再启动常规直流系统；方式2是在启动柔性直流系统后先启动常规直流系统，然后再启动火电机组。

方式1：t=0 s时解锁柔性直流系统；t=4 s时火电机组以初功率同期并网，并网后升功率；t=5.5 s时投1组滤波器；t=7 s时以最小启动功率解锁常规直流系统；t=12 s时柔性直流系统输送功率接近0时闭锁柔性直流系统。仿真结果如图3所示。需要指出的是，仿真时为缩短仿真时间，提高了机组的升功率速度，这不影响本文黑启动方法的论述。

图3 方式1下送端孤岛特高压直流系统启动过程仿真结果
Fig.3 Startup waveforms of UHVDC system with islanded sending system under mode 1

由图3可知，整个启动过程分为4个阶段：启动柔性直流系统—启动火电机组—解锁常规直流系统—闭锁柔性直流系统。火电机组并网后开始逐渐提升功率，在常规直流解锁前，柔性直流系统运行于正送功率方式，送出机组功率，解锁常规直流系统后，柔性直流系统运行于反送功率方式，和机组共同提供常规直流系统最小启动功率，随着机组升功率，柔性直流系统送端有功功率逐渐减小。

方式2：t=0 s时解锁柔性直流系统；t=1.5 s时投1组滤波器；t=4.5 s时以最小启动功率解锁常规直流系统；t=6 s时火电机组以初功率准同期并网，并网后升功率；t=12 s时柔性直流系统输送功率接近0，闭锁柔性直流系统。仿真结果如图4所示。

由图4可知，整个启动过程也分为4个阶段：启动柔性直流系统—解锁常规直流系统—启动火电机组—闭锁柔性直流系统。解锁常规直流系统后，柔性直流系统需要提供常规直流系统最小启动功率，随着机组并网和升功率，柔性直流系统送端有功功率逐渐减小。

由上述仿真分析可知，通过构建小型柔性直流系统，能够实现大型火电基地直流送出孤岛系统黑启动。在启动过程和切换过程中，送端交流系统母线电压基本维持在额定电压，波动较小；特高压直流系统解锁后，直流电压和电流均能够迅速达到参考值附近并保持稳定；柔性直流系统两侧换流站的直流电压、有功功率和无功功率均响应良好，并稳定在设定值。

5 结论

火电机组启动复杂、响应慢，直流系统响应快并且有最小启动功率限制，导致了送端为纯火电的特高压直流孤岛系统黑启动困难。

图4 方式2下送端孤岛特高压直流系统启动过程仿真结果
Fig.4 Startup waveforms of UHVDC system with islanded sending system under mode 2

本文提出了一种依托柔性直流输电技术的直流孤岛黑启动方法，借助直流系统一极已有的一次设备，构建小型柔性直流输电系统，为送端孤岛系统提供黑启动电源，依次启动直流系统和火电机组。经PSCAD/EMTDC仿真验证，提出的方法在技术上可行，启动过程平稳，并且投资较少。本文的研究为后续远离交流电网的大型火电基地经特高压直流送出提供了关键技术支撑。

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(编辑张小飞)