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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.docx
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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.docx
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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
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 Conguration 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
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- LeiHITer2024-02-28感谢资源主的分享,很值得参考学习,资源价值较高,支持!
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