南澳多端柔直系统潮流自动控制分析
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广东电网有限责任公司汕头供电局的研究人员董华梁，在2016年第7期《电气技术》杂志上撰文指出，南澳柔性直流输电系统作为国家863“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”示范工程项目。
本文对其潮流自动控制功能和原理进行描述，与传统直流的潮流翻转进行对比，让大家形成基本概念，并对实际运行中因开关触点、交流通道异常、控制过程波动等不完善的地方进行分析，提出了增加防抖功能和改进逻辑判读条件作为当前的解决措施，虽然目前解决一些问题，但并没有从大局和根源处理问题。
为此，从长远角度出发还提出了改进措施，比如潮流自动控制目标值应灵活化，通过延时处理慢速控制和平滑调节联动实际潮流控制合理化，引入电网智能资料库进行修正学习实现局部智能，在电网云计算模型的联动机制中从宏观上配合大电网有效控制系统振荡和崩溃问题。
结语中，特别用城市交通指挥进行类比，指出柔直系统潮流控制是一个非常重要和值得深入研究新课题，引导相关人员进一步研究和完善该功能。
在大电网中，潮流控制特性不太完美，控制手段有限，比如无功电容器和电抗器的投切控制、变压器分接头自动调节等，这些手段的特点均为大步长慢速调节，由此带来的损耗也随之增加[1]，用电设备电能质量得不到更精确的保证。
其次，交流系统潮流无法有效控制使环网运行潮流迂回问题凸显，目前通过引入南澳多端柔直系统潮流控制功能，完全解决了这一技术难题，柔直系统一年的运行考验，在电网中充分证明它是一种比较智能、稳定、快速响应和无级调节的供电模式，进一步指明了为来电力系统的发展方向[2]。
当前，每种行业或厂矿对电力的需求方式不一样，形象的可以说成是被动的统一，譬如现今各种设备变频技术广泛运用，说明交流系统50Hz或60Hz并不能满足他们的需求，柔直系统却可以接入这些不同的大变频设备用户，并能够有效控制电压高低，频率大小等方式达到优化变频设备运行环境的目的，因此，柔直系统在频率、电压控制方面优于交流系统和传统直流系统，甚至将会成为不可替代的一种能源传送模式。
如果定义这种需求为特性潮流需求的话，潮流自动控制特性将时刻伴随在动态能量调节系统里，它将会成为柔直系统不断优化的一个重要手段和控制通道，在柔直系统灵活控制策略上占有举足轻重的地位。
1 柔直系统潮流自动控制功能
1.1 南澳柔直系统结构
南澳柔直系统日常运行方式如下图1所示，为防止高低压电磁环网，金牛站分母运行，母联保持断开状态。塑城-苏南-湾头-金牛1交流通道与塑城-金牛直流通道构成交直流并联输电系统，将牛头岭、云澳风电场功率送出至塑城站。塑城-莱芜-金牛2交流通道与塑城-青澳直流通道构成另外一个交直流并联输电系统，将青澳、南亚风电场功率送出。
图 1 南澳柔直系统日常运行方式接线图
1.2 潮流自动控制方法
潮流自动控制功能主要目的是通过直流输电系统的功率附加控制功能，自动调节交流线路的潮流，使其在稳态时传输有功功率为零或接近零的状态。
这样做有两个效益：（1）减小交直流系统的输电损耗。（2）在电网发生故障失去交流通道时，转移到直流通道的潮流很小，有助于实现换流站从交直流方式到纯直流方式的平滑切换。
控制原理：运行方式判别装置实时测量交流线路的有功功率，将其送至并联的直流换流站，通过调节器反馈调节控制直流功率增减，以达到交流线路功率的控制目标。
1.3 南澳柔直系统实际运行情况
南澳工程监测的实际情况：金牛换流站以湾头到金牛变电站2母的交流通道（简称湾金通道）作为调节控制目标，青澳换流站以莱芜到金牛变电站1母的交流通道（简称莱金通道）作为调节控制目标，对监控的交流线路有功输出和出入程序内部设0MW，潮流自动控制功能投入条件为金牛母线分列运行，即母联断开，该功能由运行人员根据电网情况决定是否投入。
一般情况下，直流通道不存在无功的附加线损，优先考虑通过直流通道向岛内负荷供电，而岛内风电厂电能富足的时候，则向岛外反送电，整个过程调节灵活。
经过一年的运行总结，三端交直流并列模式（金牛变电站母联断开）作为最主要的运行方式成为柔直系统运行的主体，潮流控制功能也在该运行方式中设置为长期投入，运行的总体结果良好，系统稳定可靠，潮流控制良好，湾金交流通道线路常年维持在低功率环境下运行，线路无功也保持接近零理想方式运行，无功所伴随的附加损耗显著降低。
1.4 潮流控制与传统直流潮流翻转对比
传统直流半控型晶闸管的单相导通性说明只能在线单向调节能量输送，如果要潮流翻转，必须将电流降至10%，两端正电压降至零，预留长线路电容放电时间，接着建立负电压，整个过程电流由10%跳变为-10%，中间的停留时间至少上百毫秒，已明显感受到潮流断续，潮流的翻转对晶闸管、输电线路、换流变均有一定影响，起停直流时系统电压有明显波动，在传统直流送电中除了试验用过，正常情况下均不做考虑。
图2 传统直流潮流翻转前后外特性[6]
柔直系统全控型晶体管不依赖交流电网，无需交流电压支撑，自行通过桥臂内子模块的调节投退实现直流侧电压高低控制，具体方法为，子模块累积建立320kV电压需要200个模块一直投入，每个子模块电压是1.6kV，由电容提供，如果让他降低，只需要子模块投入个数低于200个就能达到目的，反之，高于200个就能使电压升高，完全无需反向。
因此，它是一种电压源控制器件，电流的特点是线路电阻及其加在首尾端的电压差决定，控制系统只要适当调节两侧电压，就能实现潮流的快速翻转，其控制的实际波形效果如下：
图3 柔直系统潮流阶跃翻转波形
从图3可以看出网侧电流过零时刻约8ms，有功从-20MW到20MW只需要60ms，网侧电压波形质量没有明显畸变，这些现象可以说明潮流控制非常平滑，不对电网产生负面影响，是潮流较为理想的控制手段，实现了无级调节的效果。
2 运行中遇到的问题
2014年08月，金牛变电站运行设备没有任何变化，金牛换流站显示金牛变电站母联开关异常，通道告警的瞬时信号，导致金牛换流站和青澳换流站潮流自动控制功能退出，结论确认该信号不是真实信号，采取的措施为对控制系统增加防抖功能。
2014年09月，潮流控制功能投入的情况下柔直系统由交直流并列运行转为纯直流运行，苏南至湾头通道断开转为检修，湾头站、金牛2母、牛头岭风电、云澳负荷转为由柔直系统直接控制输送，在15天的运行中比较稳定，当苏南至湾头通道恢复正常时，即大陆交流系统与纯直流并网，柔直系统金牛换流站由纯直流模式切换为交直流并列模式，功率升到满负荷（100MW）后逐步降至潮流自动控制的正常状态（8MW）。
3 改进的方法和措施
第一个现象充分说明通道信息在柔直控制系统中的重要地位，但目前现场只设置了一套系统安全稳定控制装置，可以通过多增设一套系统安全稳定控制装置来提高稳定性，小柔直系统在设计上与成本风险两个因素应进行综合考虑。
新的柔直工程如果是大系统则建议通过设计两套稳控装置的方式来确保主干网架通道信息绝对的可靠，并对稳控装置实行双冗余配置，即二次供电电源独立，与柔直系统中的两套系统级及站级控制信息交叉传送，与现场设备采样硬接线独立取辅助触点。
如果为配网或海上平台的柔直供电系统，则通过延时响应[10]的防抖功能措施实现其稳定控制，降低成本，防抖功能延时高于10个采样点（约2ms）。
第二个现象则暴露出潮流控制功能考虑不周全，还有改进空间，在湾头至金牛的线路通道检修时，该异常状态并没有反映出来，说明以湾头至金牛的线路通道也存在一定局限性。当苏湾通道检修时，柔直系统通过湾金通道向湾头站负荷供电，其负荷20MW，潮流控制压板没有退出，但其功能在纯直流模式下无效，潮流控制模块结果不出口，但对湾金通道累积计算不断增加，控制框图如下：
图 4 南澳柔直系统潮流控制框架
分析框图，在系统进入稳态运行后，潮流自动控制使能投入的情况下，潮流自动控制功能通过调节器闭环调节把交流母线功率调节到设定值范围内。现场纯直流模式下，整流站处于电压频率控制模式，有功指令不起作用。
在此种情况下，当投入潮流自动控制使能，如果湾金通道功率和设定值存在偏差的情况下，低于5MW时按实际值调节，高于5MW时以步长为5MW每秒的形式累积调节，如果一直存在偏差，将调节步长累加到1pu为止。
如果此时系统模式切换为交直流并联，切换完成瞬间有功直流会按照潮流调节器累积数值输出，切换后潮流控制功能继续发挥作用，根据调节器累积数值平滑的调节功率到1pu。
改进措施为模式切换时不退出潮流自动控制压板，强制潮流输出为零，实施细节为潮流控制功能信号线增加VF模式与逻辑模块，逻辑输出不满足时调节器不累加偏差步长。下次切换到交直流并列模式后，如果潮流控制使能投入的情况下，潮流进入自动调节。
上述措施仅仅是从现有状态采取的补丁措施，从长远的设计角度出发，可以进行如下改进。
（1）开放潮流自动控制目标值，当前采用程序内置监测交流线路目标控制值（湾头至金牛站2母通道）为零的方式进行处理，潮流控制的目的是不希望出现潮流迂回，其次才是系统有功尽可能通过直流通道输送，考虑因素为交流线路长期在零值附近运行，对交流保护误判的可能性增加，柔直系统判定线路通道是否正常也带来负面影响，譬如柔直系统监视的交流线路开关如果有虚位，可能会出现模式切换，此时能够检测到交流线路有电流，则可以避免这一问题出现，采取运行人员根据实际情况在参数设置窗口设置潮流自动控制通道目标值，实现交流通道上的线路均有合理电流值为最佳[7]。
（2）对潮流控制功能进行延时投入处理，潮流控制的目的是系统稳定下的慢速控制和平滑调节，防止暂态情况或者其它波动干扰造成调节不稳定，慢的方式为累加调节器带方向判断监测线路的差值，延时到系统可以正确认定监测线路实际潮流差后将判断结果与累积器联动起来是否清理或者转变调节方向，这样才能确保潮流控制准确度[7]。
（3）引入数据存储智能资料库，进一步优化参数调节，控制系统加入电网修正学习，形成空闲业余查看思维，紧急情况下抛开可能的误判触点，通过记忆控制库逻辑度过难关，不论是大电网还是小电网，都会有一定的电网潮流实时数据图，潮流控制模型引入电网潮流实时数据作为资料库，对相关线路建议负荷、电流、电压档案，计算出柔直系统匹配中可能的电流变化导致电压抬升或降低的情况，并在24小时不同时刻和未来的负荷变化作出合理估算，形成修正学习库，使其更加局部智能[8]。
（4）建立电网云计算模型[9]，丰富存储多种可能的动态情况，在智能大电网网络库基础上建立柔直系统潮流控制联动机制，共同确保大电网的稳定运行。整体电网中，紧急时刻多个地区局部柔直系统是不可能收集和判断整个电网运行状况的，如果大电网出现系统振荡，不能简单的调节发电机出力情况，还应联动分布在电网中的各柔直系统合理控制本地潮流，这一控制指令则来自电网云计算模型的分析判断，共同快速响应大网络故障或异常后新的动态平衡，使潮流不可控变成整体可控，抑制系统振荡发生和避免大面积停电。
4 结论
本文重点讲解了潮流控制功能在南澳柔直系统工程中应用，主要有以下几点：
（1）潮流控制功能在南澳柔直系统工程中实际结构和设计原理，让读者对这一控制模式进行初步了解。
（2）潮流控制功能与传统直流输电的性能分析和翻转过程中的对比，展现柔直系统的平滑特性。
（3）潮流控制功能需要更加智能，应开放控制目标值，引入慢速分析延时响应机制，建议局部电网分析库和修正学习库。
（4）潮流控制与电网云计算模型建立联通机制，充分发挥整体与局部的共同快速响应优势。
综合上述分析，可以得出结论：柔性直流输电系统的潮流控制功能，类似于交警可以在上下班高峰期对车流进行合理调控，出现交通事故可以快速宏观疏导交通，并通过一些必要的临时措施减缓交通事故进一步扩散，因此，增强柔直系统潮流控制功能对电网智能分析和培养其指挥控制能力，将成为推动电力高速智能调控和潮流优化的新课题和长期目标。