2021年4期科技创新与应用
Technology Innovation and Application方法创新
刘吉昀，戴瑞成，赵璧，国文亮，张笑迪
（国网北京检修公司，北京100000）
引言
张北柔直电网每年可输送约140亿千瓦时清洁能源，超过北京市年用电量的十分之一，减少标煤消耗448万吨、减排二氧化碳1165万吨，大幅提升北京地区清洁能源消费比重，全面满足北京地区以及张家口地区的26个冬奥会场馆总计1亿千瓦时的年用电量需求，助力北京冬奥场馆实现奥运史上首次实现100%清洁能源供电。为了保证其运行稳定性，由国内科研单位、厂家自主研发±500kV直流断路器，其可在3ms内分断直流短路电流，以实现故障点近端换流站快速重启，维持远端换流站功率传输的目的，使四端环网结构灵活多变、运行方式多样。运行方式大体可分为二次控保运行方式和一次接线运行方式。
1传统直流与柔直电网
我国目前大部分直流输电系统在能源送出端和接收端以半控型晶闸管为核心元件各建造一座换流站，形成端对端运行。柔直电网是以全控型IGBT为核心元件，根据能源输送需求，建造多个换流站，利用输电线路连接组网，形成网络运行。根据2011年国际大电网会议（CI-GRE）B4-52工作组在《HVDC Grid Feasibility Study》报告中给出的定义，直流电网是换流器直流端互联所构成的网络化结构电网，2014年进一步明确，直流电网是包含至少3个换流站和1个由输电线路组成的网孔的直流输电系统[1]。
2柔直电网特点
柔性直流输电技术与常规直流输电技术相比，具有有功、无功灵活控制，可向无源网络或者弱交流系统供电，不存在换相失败问题，易于扩展为多端直流输电系统和直流电网，系统谐波含量小，不需要配置交流滤波器和无功补偿装置等优点，在清洁能源并网、孤岛供电、城市异步电网互联、海上平台供电等技术领域具有明显优势[2-3]。
张北柔直电网配合控制难度大、响应速度快、逻辑复杂，各站控制系统在传统的双极控制（站控制）系统、极控制系统的基础上增加了站间协调控制，如下图1：
图1张北柔直电网控制系统示意图
站间协调控制主要用于直流电网运行方式优化、切换有功控制模式、调节直流电网电压、线路过负荷
和站间顺控联锁，在张北和北京站各配置一套站间协调控制系统，北京站为主站，张北站为后备站[4]。
3柔直电网二次控保方式
换流站二次控保运行方式整体可分为运行模式、有功控制模式和无功控制模式。
换流站运行模式分为柔直（HVDC）运行模式、无功补
摘要：张北柔直工程是世界首个柔性直流电网工程，柔直电网运行技术在国内没有先例可循，国际上也没有直接的经验可供借鉴，给值班运行人员带来了新的挑战，文章以张北柔直电网为例简析了柔直电网、控制方式、接线方式、日常监控维护工作，对今后值班运行人员日常工作有一定借鉴作用。
关键词：柔性直流电网；换流站；运行方式
中图分类号:TM72文献标志码:A文章编号:2095-2945(2021)04-0141-03
Abstract:Zhangbei flexible DC(direct current)power grid project is the first flexible DC power grid project in the world. There is no precedent for flexible and direct grid operation technology in China,and there is no direct experience for reference in the world,which brings new challenges to op
erators on duty.Taking Zhangbei flexible DC(direct current)power grid as an example,this paper analyzes the flexible and direct power grid,control mode,wiring mode,daily monitoring and maintenance work,so as to provide reference for future duty operators the daily work can be used for reference.
Keyword:flexible DC power grid;converter station;operation mode
作者简介：刘吉昀（1992-），男，硕士，工程师，研究方向：换流站运行
。
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偿（STATCOM）运行模式、空载加压（OLT）运行模式，柔直（HVDC）运行模式：直流线路运行，柔性直流系统可传输有功和无功潮流。无功补偿（STATCOM）运行模式：柔性直流系统与交流系统相连，仅参与交流电压/无功的调节[5]，根据调度规程张北柔直各站暂均不采用无功补偿（STATCOM）运行模式。空载加压（OLT）运行模式：主要用于直流设备检修、故障后或启动前，检验直流设备的绝缘水平及直流控制系统是否正常，分为带线路OLT和不带线路OLT。
换流站有功控制模式分为定直流电压控制、定有功功率控制、定频率控制。正常运行方式下调节站处于定直流电压控制，保持本站直流电压稳定，从而使整个柔直电网电压稳定。受端站处于定有功功率控制，保持本站与交流系统交换的有功功率稳定，控制柔直电网下送地方主网有功功率，又细分为双极功率控制、单极功率控制，双极功率控制为每个极分配相同的负荷，单极功率控制仅改变该极的传输功率。新能源送出站（孤岛运行站）处于定频率控制，保持新能源并网端频率稳定。
换流站无功控制模式分为定交流电压控制、定无功功率控制。定交流电压控制：正常运行方式下保持交流系统侧电压稳定的控制模式。定无功功率控制：正常运行方式下保持本站直流系统产生的无功功率稳定的控制模式。
4柔直电网一次接线方式
张北柔直工程采用双极对称（真双极）接线方式进行四端组网，即正负极极线加金属回线，如图2。且极线装设有直流断路器，可以直接切断故障电流，隔绝故障线路，同时设有旁路刀闸便于在线投退，即使直流断路器故障，整个柔直电网亦可运行，因此柔直电网也伴生出了灵活多变的运行方式。
图2张北柔直电网接线示意图
张北柔直电网整体可分为三个层级：正极运行层、负极运行层、金属回线运行层，北京站、丰宁站设有接地装置，北京站为主、丰宁站为备，不仅可实现四站环网、两站端对端运行，各换流站正负极还可独立运行相当于两个独立环网，这使得运行方式比传统直流输电工程更为多样。
如果以交流侧连接方式划分，可将柔直电网运行方式分为两大类：
（1）孤岛运行：交流侧仅接入新能源。
（2）联网运行：交流侧与本地交流电网主网相连。
如果以直流侧主接线变化划分，可将本工程运行方式分为两大类：
（1）双极运行：正负极运行。
（2）单极运行：仅正极或负极运行。
张北柔直电网在考虑换流阀投切组合和直流网络拓扑变化时，所有可能的运行方式多达5928种。如此复杂多变的运行方式对于日常运行是极大挑战，后经过产、学、研各单位多次讨论、艰苦科研攻关，最终利用协调控制系统将张北柔直电网最终运行方式优化为9种：
5监控运行维护
人员合理。目前换流站均为有人值守，且柔直换流站
应用新技术较多、设备较复杂，上送监控后台信息达近10
万条，运维监控难度大，人员选择尤为重要，公司统筹协
调内外部资源，高标准选拔管理、技术人员，以青年员工
为主力，抽调学历高、专业对口、技术过硬的生产骨干，组
成一线保障团队。
管理专业。在总结常规换流站运行经验基础上，结合
柔性直流设备特点，根据公司运维专业管理传统，编制了
完整齐全的柔性直流换流站运行管理制度，包含安全管
理制度、运行管理制度、设备管理制度、培训管理制度。kara组合图片
科技助力。全站配置变压器油谱在线监测系统、
SF6在线监测系统、蓄电池在线监测系统等多个智能监测
系统，高清视频摄像头站院全覆盖，阀厅内配置红外测温
系统，后续将安装换流变智能巡检系统，进一步协助运维
人员巡检，同时定期开展状态监测，加强带电监测分析，
保障设备安全稳定运行。
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6后期工程建议
6.1改变控制方式
为减少功率调节次数、降低值班监控人员工作量，建议未来工程在上网功率小于受端站最大容量的时候，以调节站定有功功率控制（功率设为0MW）、受端站定直流电压控制，亦可确保上网功率满送受端电网。
6.2增加阀厅监视手段
阀厅在双极正常运行时禁止进入，日常巡视、故障检查均通过监视系统进行，现在阀厅监视由消防系统、固定式摄像头、红外测温系统组成。当发生子模块旁路、黑模块等故障时运行人员需通过监视系统确认设备实际状态，由于阀塔、直流断路器较高且内部结构紧凑，现有手段不能全方面监视、观察设备状态，即使增加机器人等地面可移动监视装置，也不能完全满足监视需求。建议后续工程以带上下移动、左右移动滑轨的可见光摄像头、红外测温摄像头、紫外摄像头（用于观察放电现象非消防使用）。
7结束语
张北柔直电网是中国电网技术的重大突破，具备重大创新引领和示范意义，对其运行方式进行分析、总结，将有助于未来柔性直流电网研究与发展。柔性直流电网发展是大势所趋，其能够有效破解新能源大规模并网消纳难题，对于推动新能源开发外送、能源转型和绿发展，具有显著的作用和战略意义。将进一步推动构建清洁低碳、安全高效的能源体系，促进可持续发展，助力“美丽中国”建设。
参考文献:
[1]温家良，等.直流电网在中国的应用前景分析[J].中国电机工程学报，2012（13）：7-12+185.
[2]王帅伊.柔性直流输电技术与常规直流输电技术的对比研究[J].通信电源技术，2014（06）：30-32.
[3]徐政.柔性直流输电系统[M].机械工业出版社，2016.
[4]郭贤珊，等.张北柔直电网的构建与特性分析[J].电网技术，2018（11）：3698-3707.
[5]赵岩，等.南汇柔性直流输电示范工程的控制方式和运行性能[A].2012年中国电机学会直流输电与电力电子专委会学术年会论文集[C].2012.
建，仿真控制图如图4所示。
对自适应步长增量电导法和改进的算法进行一下各自的仿真，选取50组测试数据，仿真结果如下图5、图6所示：
图5变步长扰动观察法法的仿真示意图从仿真数据的结果不难看出，当外界条件不变，与变步长扰动观察法相比，改进算法能够更快的到最大功率点，而且震动幅度比较小，也验证了改进方法的有效性。该控制算法充分综合了功率预测法和变步长扰动观测法各自的优点，提高了跟踪的速度，克服了跟踪过程中可能出现的误判问题，降低了功率损耗。
3结束语
本文从提高太阳能的发电效率出发，深入研究了太阳跟踪技术，对最大功率跟踪技术进行了优化，并
设计了基于光伏发电的太阳自动跟踪器，通过软硬件仿真实验及测试及，验证了方法的有效性，对光伏产业发展的推广和应用具有积极意义。
参考文献:
[1]刘韦辰.光伏跟踪系统设计与控制算法研究[D].西安建筑科技大学，2018.
[2]赵丽伟.太阳自动跟踪系统的研究[D].长春：吉林大学，2015.
[3]CemalKeles，B.Baykant Alagoz，Murat Akcin，Asim Kaygusuz，Abdulkerim Karabiber.A Photovoltaic System Model for Simulink Simulations[C].4th International Conference on Power Engineering，2013，13：1643-1647. [4]陆绮荣，罗建辉.基于功率预测与变步长增量电导法的MPPT 仿真[J].桂林理工大学学报，2013，34（2）：
345-349.
图6改进算法的仿真示意图(上接142页)
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