換流站極控頻繁切換研究

趙勇帥，于輝，李勝男

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650027）

0 前言

某±500kV永富直流額定容量3000MW，受端功率輸送方式有：全送廣西、全送云南、分送云南廣西。換流站極2、極1換流閥分別帶電運行約一個半月后，頻繁出現極控控制模式由定電圧控制切換為定熄弧角控制，極控切換的過程中直流功率也會波動，并偶爾發生換相失敗對于功率波動現象，文獻[1-2]提出了基于功率傳遞并網方式的聯絡線功率波動計算方法，將并網過程劃分為功率傳遞過程和合閘過程來分析，準確地描述了并網的動態過程；文獻[3]研究了勵磁超調會導致發電機組功率波動；文獻[4]通過多機系統模態分析推出節點負荷功率擾動對系統固有振蕩模式的影響因子；文獻[5]采用二階系統階躍響應理論，分析了直流閉鎖引發交流聯絡線功率波動的本質；文獻[6]研究了西電東送交流斷面功率波動預留空間的合理值。以上文獻均是對交流系統功率擾動的分析。而對于換流站極控頻繁切換并引起直流功率波動和換相失敗的現象，國內無可借鑒的直流工程可借鑒，本文對極控頻繁切換原因查找的思路和解決措施的研究可為其它直流工程出現類似現象提供借鑒和參考。

1 逆變器極控控制模式切換原理

逆變器正常運行時采用定電壓控制模式，與定熄弧角控制模式相比，更有利于交流母線電壓穩定，其原因是：交流母線電壓下降引起直流電壓降低，電壓調節器通過減小觸發角使逆變器消耗無功減少，有利于交流母線電壓的恢復；小功率運行時，關斷角較大，出現換相失敗的幾率較低，且逆變器消耗的無功增多，有利于無功的平衡。定熄弧角控制用于防止關斷角太小而引發換相失敗。

式中：UC為換相電壓的線電壓有效值，β為越前觸發角，XC為換相電抗，Id為直流電流，tEOV為電壓過零點時刻的時間，tEOC為電流過零點時刻的時間。

逆變側通過比較電壓誤差值和熄弧角誤差值的大小來選擇控制模式，控制模式切換數學模型為：

式中：CM為控制模式，UM為定電壓控制模式，γM為定熄弧角控制模式，UACT為直流電壓實際值，UREF為直流電壓參考值，γACT為熄弧角實際值，γREF為熄弧角參考值。

2 極控頻繁切換過程及原因

永富直流極2首先出現極控頻繁切換現象，約一個月后，極1也出現極控頻繁切換現象，切換過程及功率波動完全相似，偶爾換相失敗也會伴隨出現，兩極先后出現極控頻繁切換現象的時間差同兩極帶電運行的時間差基本吻合。為確保換流器正常換流和直流功率平穩輸送，避免出現直流非計劃閉鎖事故發生，還原極控頻繁切換過程并深入查找原因顯得尤為重要和迫切。

2.1 極控頻繁切換過程

極2外置故障錄波如圖1所示。

圖1 極2外置故障錄波

從波形可知，由于實測熄弧角為零，極控控制模式由定電壓控制模式切換為定熄弧角控制模式，54ms后控制模式由定熄弧角控制模式返回定電壓控制模式。在控制模式切換過程中，極2直流功率出現波動，直流電流先從1300A上升至1580A后又恢復至擾動前1300A，未發生換相失敗。

極2出現極控頻繁切換現象約一個月后，極1也出現類似現象，極1外置故障錄波如圖2所示。

圖2 極1外置故障錄波

從波形可知，熄弧角從19.7°突變為2.07°，導致極控控制模式由定電壓控制切換為定熄弧角控制，該控制模式下，為了將熄弧角實測值控至參考值17°，減小觸發角，觸發角從145°減小至136°，觸發角的減小導致直流電壓下降，從488kV降至453kV，由于定功率控制，直流電流從2400A升至2800A。直流功率約有±100WM波動，直流系統波動導致交流電壓波動，突變后約400ms，交直流恢復恢復穩定運行。

2.2 熄弧角檢測防誤邏輯

作為防止極控控制模式頻繁切換的臨時性措施，在極控程序里增加實測熄弧角防誤邏輯：當極控檢測到實測熄弧角突變的一定時間內，熄弧角保持上一周期正常值；當極控系統檢測到實測熄弧角突變超過一定時間外，熄弧角采用當前實測熄弧角。其目的是為了躲過實測熄弧角突變為0°導致極控控制模式切換和功率異常波動。

經現場實測波形統計，極2熄弧角突變為0°持續時間在12-14ms范圍，實測熄弧角檢測防誤判別邏輯如下：1）如果實測熄弧角大于2°，則熄弧角采用當前實測熄弧角用于控制；2）如果實測熄弧角小于2°且持續時間小于18ms，則熄弧角保持上周期的值用于控制；3）如果實測熄弧角小于2°且持續時間超過18ms，超過18ms的時間內，則熄弧角采用當前實測熄弧角用于控制；4）如果在此過程中發生換相失敗，則現有程序將實測熄弧角置為0°，確保控制器的快速切換和調節。實測熄弧角檢測防誤邏輯如圖3所示。

圖3 熄弧角檢測防誤邏輯

實測熄弧角檢測防誤邏輯的數學模型為：

式中，γr為用于控制的熄弧角，γi為ti時間窗內的實測熄弧角，γi-1為ti時間窗相鄰前一個時間窗內的熄弧角。

2.3 極控頻繁切換原因

為查找極控頻繁切換的原因，在極2 VBE（Valve Base Electronics）屏上測量A/B系統Y1閥觸發控制信號和電流過零EOC(Ene Of Cerrent)信號，A/B系統Y1閥EOC信號在時間上存在1.2ms（21.6°）差異，對應時刻極2極控A系統內置故障錄波如圖4所示。

圖4 極2極控內置故障錄波

從圖4可以看出，Y1閥的EOC信號與電壓過零信號EOV(Ene Of Voltage)的時間差基本為0ms，導致熄弧角突變為0°。因此可以確定熄弧角突變為0°與VBE送至極控的EOC信號延時有關。對EOC信號延遲時刻TVM板負電壓回報信號進行監測，監測波形如圖6所示。EOC信號延遲時刻，TVM板負電壓回報信號脈寬為 1.52us。

測量其它晶閘管負電壓回報脈寬，極2 TVM板負電壓回報信號脈寬區間為[1.3us，1.8us]，監視過程中未出現脈沖丟失、延遲現象，脈寬穩定，不受閥運行工況及功率輸送影響。

通過分析測量的波形和TVM板負電壓回報信號脈寬，換流閥運行時熄弧角實際沒有異常，而是因EOC信號延遲導致極控判斷出錯誤的熄弧角，進而導致控制模式切換和功率波動。根據換流閥設備規范，閥額定工況下正常運行的熄弧角區間為[17°,20.5°]，降壓運行方式下熄弧角更大，換流閥型式試驗的最小熄弧角的關斷時間是870us（15.66°），滿足規范要求。

晶閘管關斷時間tq表征晶閘管從電流過零到恢復正向阻斷能力所需的最短時間，當換流閥熄弧角小于tq值時，無法保證晶閘管正常工作，將發生換相失敗。選取同富寧站相同的20只晶閘管級，測試晶閘管的最小關斷角，小于此關斷角時，晶閘管已不能關斷。

測試結果顯示，晶閘管最小關斷時間范圍[320,480us]（[5.76°,8.64°]），大部分晶閘管最小關斷時間在390us（7°）以上，換流閥晶閘管在熄弧角小于7°時會大概率出現換相失敗。因此極控控制模式切換時偶爾會出現換相失敗現象。

EOC信號延遲的原因可能有：VBE硬件檢測問題，在個別周波未檢測到TVM板負電壓回報信號導致個別周波出現EOC檢測異常；VBE與TVM配合問題，VBE程序不完全匹配TVM板負電壓回報脈寬，導致個別周波TVM板負電壓回報信號不能被VBE可靠檢測到。對于VBE硬件檢測問題，在極2停電時更換VBE屏Y1閥對應的光接收板，監測結果仍然存在EOC信號延遲現象，因而排除VBE硬件檢測問題。對于VBE與TVM配合問題，VBE程序中對負電壓信號識別的脈寬區間為[2us,3us]，實測TVM板負電壓回報信號脈寬區間為[1.3us,1.8us]，導致VBE不能可靠識別TVM板負電壓回報信號。EOC信號產生邏輯是：一個單閥內任意一個閥段有5個及以上晶閘管級TVM板負電壓回報信號被VBE識別出時，VBE程序即生成一個EOC信號。因此，當一個單閥的6個閥段同時有9個及以上晶閘管級TVM板負電壓回報信號未能被VBE可靠識別時，VBE程序不能正確生成EOC信號。經1.2ms（21.6°）后VBE發出EOC信號，是因為經21.6°關斷角后，VBE程序將正電壓回報信號誤判為負電壓回報信號，隨即發出一個錯誤的EOC信號，表現為EOC信號延時1.2ms。

3 TVM負電壓回報脈寬控制回路研究

3.1 脈寬控制回路工作原理

晶閘管TVM板負電壓回報脈寬控制回路如圖5所示，其工作原理是：當晶閘管兩端電壓達到負電壓檢測定值-160V±20V時，可控硅U1開通，光發射板供電回路工作，當輸出端電壓為12.7V時，光發射管開通，同時電容C1經電阻R1和R2、穩壓管D1、可控硅U1構成放電回路，控制光發射管關斷。

圖5 TVM負電壓脈寬控制回路

光發射管供電回路輸出端A點，脈寬控制回路中B點和C點的電壓波形如圖6所示。

圖6 控制回路關鍵點電壓波形

負電壓回報脈寬T可表示為：

式中：T1為供電回路輸出電壓為12.7V時的時間；T2為B點電壓下降到截止電壓Vg(th)時的時間。

當光發射供電回路輸出電壓達到12.7V時，光發射管工作，為負電壓建立回報脈寬的起始時刻；當B點電壓下降到截止電壓Vg(th)時，光發射管關斷，為負電壓建立回報脈寬的截止時刻。

3.2 TVM板電容老化特性研究

多層陶瓷電容器是由陶瓷介質層和內電極相互交替重疊制成的片式電容原件，結構主要包括：陶瓷介質、內電極和外電極三部分，如圖7所示，陶瓷介質層與內部金屬電極層相互疊合，兩兩交替，經高溫燒結而成，外電極噴涂有防止金屬電極氧化的鎳、錫層，同時保證電極具有良好的可焊性。

圖7 陶瓷電容內部結構

陶瓷電容的內部疊層結構可等效為若干平板電容的并聯，其容值為：

式中：ε0為真空介電常數，εr為相對介電常數，n為介質層數，S為極板交疊面積，d為介質厚度。通過減小層間介質厚度、采用高介電常數的介質材料、增加疊層數和增加疊層面積，可以提高電容容值。

根據美國電子聯合會提出的分類標準，目前使用的陶瓷電容主要分為C0G（NP0）、X7R、ZU5、Y5V、X8R和X9R六類，采用銣、釤等稀有氧化物基料的C0G電容具有介質損耗小、絕緣電阻高、頻率和溫度穩定性高等有點，但介電常數相對較低，因而目前制造高容值的小尺寸電容較困難。而采用BaTiO3陶瓷填充填充的X7R電容具有更高的介電常數，同等外形尺寸下能提供容值更大的產品。陶瓷電容實際值CR可通過以下兩式計算出:

式中：AF為老化因子，AR為老化速率，TR為參考時間，TT為測試時間，CN為電容標稱值。

富寧站TVM板負電壓回報脈寬控制電路中的C1電容采用的是X7R型電容，其容值會隨工作時長而發生變化，X7R型電容老化速率AR=3，X7R型電容容值隨工作時長的增加而降低，當時長為1000h（約1個月）時，C1為1.0nF；當工作時長為175000h（約20年）時，C1為0.933nF。工作1000h前容值下降21%，到達標稱值，此后容值下降趨勢逐漸平緩，工作175000h時，容值下降小于7%。X7R型電容容值改變是內部填充的BaTiO3陶瓷基質介電常數變化的外在表現，由于BaTiO3陶瓷介電常數具有隨時間變化而逐漸達到穩定的特性，X7R型電容老化趨勢也會逐漸減緩。

為進一步研究X7R型電容老化特性，拆卸極 2 Y1M2V1-Y1M2V13、D4M1V1-D4M1V13共26塊TVM板進行老化試驗，隨機抽取15塊TVM板更換新電容及高溫去老化測試，已運行半年的TVM板，由于C1電容老化，容值下降，導致負電壓回報脈寬縮減為[1.789us,2.177us]，而出廠試驗為[2.24us,2.72us]；隨機抽取的15塊TVM板，將C1電容更換為新電容后，TVM負向脈寬恢復設計值；將原板卡上已老化的C1電容加熱至居里溫度120℃-130℃以上保持1min，根據X7R型電容特性，電容容值會部分恢復出廠容值，去老化試驗后，TVM板負電壓回報脈寬恢復至[2.306us,2.674us]。

3.3 極控頻繁切換解決措施

為解決電容老化問題，采用C0G型電容替換X7R型電容，C0G型電容特性曲線如圖8、9所示。

圖8 電容隨溫度變化曲線

圖9 電容隨工作時長變化曲線

從圖9中可知，C0G型電容隨溫度變化和工作時長特性明顯優于X7R型電容，其容值幾乎不受工作時長影響，用C0G型電容更換TVM板上的X7R型電容后，可以從根本上解決極控頻繁切換問題。

4 仿真及現場試驗

4.1 熄弧角防誤邏輯仿真試驗

通過仿真試驗驗證實測熄弧角防誤邏輯功能是否正確。

方案一：模擬實測熄弧角突變為0°且持續15ms，雙極功率1960MW，單極功率980MW，模擬熄弧角由18.4°突變為0°且持續時間15ms，如圖10所示。

圖10 熄弧角檢測防誤邏輯正常保持

從仿真波形可知，極控系統用于控制的實測熄弧角能夠保持上一周期正常值18.4°，沒有引起極控切換和直流功率波動。

方案二：模擬實測熄弧角突變為0°且持續25ms，雙極功率1960MW，單極功率980MW，模擬熄弧角由18.4°突變為0°且持續時間25ms，如圖11所示。

圖11 熄弧角檢測防誤邏輯正常退出

圖12 TVM板功能試驗回路

從仿真波形可知，極控系統用于控制的實測熄弧角延遲18ms后變為0°并持續7ms時間，在這7ms時間內，實測熄弧角檢測防誤邏輯正常退出并選擇實測值0°，控制模式由定電圧控制模式切換為定熄弧角控制模式，直流功率出現波動，雙極功率波動最大幅度為61MW，單極功率波動幅度最大為44MW。

4.2 C0G型TVM板功能試驗

對拆卸下的398塊TVM板（極1 156塊、極2 156塊、備件86塊），采用C0G型電容更換X7R型電容后，按照OXS.199.081《TVM-02晶閘管電壓檢測單元例行試驗大綱》，開展TVM板功能試驗，試驗回路如圖12所示。

接觸式調壓器串接單相升壓變壓器為試驗電源，試驗回路中串聯5kΩ負載電阻，在晶閘管級兩端并聯一個RC電路（R=36Ω，C=1.4uF）， 將 TVM-02的 X1、X2、X3、X4分別接入回路中，從TVM-02板上引出一根光纖到光接收電路。試驗時調節接觸式調壓器，控制單相升壓變壓器閥側輸出電壓，給晶閘管級施加試驗電壓，用示波器監測TVM-02測試點波形，示波器通道1（CH1）接晶閘管陽極，通道2（CH2）接光接收板H1。采用C0G型電容更換X7R型電容的398塊TVM板各項功能均滿足要求。

4.3 TVM板高溫老化試驗

TVM板高溫老化試驗回路同TVM板功能試驗回路圖相同，在晶閘管級兩端施加1500Vpeak電壓，在環境溫度為70°下連續進行96h高溫運行試驗，每隔6h記錄一次TVM板負電壓回報脈寬。

假設換流閥運行中TVM板電容溫度為50℃，則該試驗的加速比為6.585，連續進行96h試驗的等效試驗時間約為26.3天，試驗結果如圖13（a）、（b）所示。

圖13 （a） X7R型TVM板高溫老化曲線

圖13 （b） C0G型TVM板高溫老化曲線

從圖13可知，采用X7R型電容的TVM板，負電壓回報脈寬為[2.228us,1.967us]，變化量約為0.261us；采用C0G型電容的TVM板，負電壓回報脈寬為[2.520us,2.480us]，變化量約為0.04us，變化量遠小于X7R型TVM板。高溫老化試驗前后，X7R型TVM板由于有效容值下降，導致負電壓回報脈寬縮短，同現場測試結果相吻合，而C0G型TVM板負電壓回報脈寬幾乎無變化。

4.4 直流工程運行試驗

在TVM板（C0G型）中隨機抽取6塊，安裝于某背靠背直流工程閥D5V1-D5V6級，在功率正反送及直流解閉鎖狀態下，分別測量TVM板負電壓回報脈寬，以#0935 TVM板為例，解鎖前后實測負電壓回報脈寬如圖14（a）、（b）所示。

圖14（a） 閉鎖下#0935 TVM負電壓脈寬

圖14（b） 解鎖下#0935 TVM負電壓脈寬

C0G型TVM板解閉鎖狀態下，負電壓回報脈寬滿足VBE程序可靠識別的區間[2us,3us]，EOC信號正常，直流穩定運行；對同一塊TVM板，負電壓脈寬閉鎖狀態下較解鎖狀態下略小，整流運行工況下較逆變運行工況下略小。現場試驗驗證了采用C0G型電容替換X7R型電容的有效性和實用性，修復后的TVM板各項功能正常，能夠滿足VBE對TVM板回報信號的監測，從源頭上解決了EOC信號延遲問題。

5 結束語

直流雙極TVM板X7R型電容隨工作時長老化，容值下降，導致TVM板負電壓回報脈寬縮短，致使VBE不能可靠識別負電壓回報信號，隨機出現EOC信號延遲，極控熄弧角突變為0°，進而引發極控控制模式頻繁切換和直流功率異常波動。作為臨時性防止極控頻繁切換的措施，在極控程序里增加實測熄弧角檢測防誤邏輯；作為根本性解決極控頻繁切換的措施，采用老化特性穩定的C0G型電容替換TVM板X7R型電容。通過仿真及現場試驗表明：熄弧角防誤邏輯能夠有效屏蔽極控頻繁切換；采用C0G型TVM板能夠產生正確的負電壓回報脈寬；驗證了本文所提熄弧角防誤邏輯和采用C0G型TVM板的有效性和正確性。