改善換流變分接頭頻繁動(dòng)作的控制措施研究

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司，杭州 311232）

0 引言

近年來(lái)，換流變有載調(diào)壓分接開關(guān)故障頻發(fā)，分接頭頻繁動(dòng)作造成機(jī)械零件磨損變形甚至脫落是引發(fā)故障的原因之一。為了降低直流系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)控制手段來(lái)減少分接頭動(dòng)作次數(shù)顯得尤為重要。

換流變分接頭控制在維持直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行方面起著至關(guān)重要的作用，通過(guò)調(diào)節(jié)換流變分接頭檔位，改變換流變變比，從而控制換流變閥側(cè)電壓，而換流變閥側(cè)電壓又正比于理想空載直流電壓[1]。對(duì)于換流變分接頭控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，他們的研究可大致分為3 個(gè)方面：一是分接頭控制功能[2-6]；二是分接頭控制對(duì)直流系統(tǒng)運(yùn)行的影響[7-9]；三是直流系統(tǒng)測(cè)量異常對(duì)分接頭控制的影響[10]。然而，對(duì)于減少分接開關(guān)動(dòng)作次數(shù)的分接頭控制的研究還較少。

本文基于現(xiàn)有的換流變分接頭控制策略，通過(guò)分析分接頭頻繁動(dòng)作的現(xiàn)象和原因，提出一種新的能大幅改善分接頭頻繁動(dòng)作的控制措施。

1 換流變分接頭控制

換流變分接頭控制分手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，自動(dòng)模式控制功能包括空載控制、角度控制、電壓控制以及自動(dòng)重同步，Udi0限制對(duì)手動(dòng)模式和自動(dòng)模式均有效，如圖1 所示。

圖1 分接頭控制邏輯

自動(dòng)模式下，換流變分接頭三相同步調(diào)節(jié)，手動(dòng)模式可以對(duì)換流變分接頭分相調(diào)節(jié)。直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)常采用自動(dòng)模式，檢修調(diào)試時(shí)采用手動(dòng)模式。

自動(dòng)模式下，當(dāng)不處于空載控制且分接頭同步時(shí)，分接頭將執(zhí)行角度控制或電壓控制。角度控制或電壓控制根據(jù)不同的情況來(lái)選擇。

由于直流系統(tǒng)閥組觸發(fā)控制作為一種快速控制手段，而換流變分接頭控制作為一種慢速的輔助手段，兩者相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)直流控制目標(biāo)。大多數(shù)直流工程中，整流側(cè)采用定電流控制，逆變側(cè)采用定熄弧角控制[11]，換流變分接頭在整流側(cè)執(zhí)行角度控制，逆變側(cè)執(zhí)行電壓控制。對(duì)于不同的閥組觸發(fā)角控制方式，分接頭與其配合的情況如表1 所示[7]。

表1 分接頭控制與觸發(fā)角控制的配合

當(dāng)換流變分接頭三相之間或者同閥組星接和角接換流變分接頭檔位不同步時(shí)，將執(zhí)行自動(dòng)重同步功能。

1.1 Udi0 限制

Udi0限制是為了防止閥受到電壓過(guò)應(yīng)力損壞，Udi0限制功能包含2 個(gè)定值Udi0G和Udi0L，這2 個(gè)定值高于額定的換流變閥側(cè)空載電壓Udi0_nom，不同的直流工程定值有所不同，送端和受端定值也不盡相同。

假定Udi0_nom＜Udi0G＜Udi0L，當(dāng)實(shí)際空載電壓Udi0滿足Udi0G＜Udi0＜Udi0L時(shí)，將禁止升分接頭，避免換流變閥側(cè)電壓升高。

當(dāng)Udi0＞Udi0L時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)降分接頭，降低換流變閥側(cè)電壓。

1.2 空載控制

空載控制主要用于換流變閉鎖和OLT（開路試驗(yàn)）。在換流變失電時(shí)和換流變充電時(shí)控制分接頭在預(yù)先設(shè)定的位置，比如17 檔。

OLT 時(shí)，空載控制根據(jù)OLT 需要的直流電壓控制分接頭升降來(lái)實(shí)現(xiàn)Udi0在參考值附近。

1.3 角度控制

分接頭角度控制作為直流解鎖后觸發(fā)角控制（整流側(cè)）或者熄弧角控制（逆變側(cè)）的補(bǔ)充手段，主要作用是維持觸發(fā)角或熄弧角在設(shè)定的運(yùn)行范圍之內(nèi)。圖2 所示為逆變側(cè)換流變分接頭角度控制邏輯框圖。

圖2 分接頭角度控制邏輯框圖

直流系統(tǒng)逆變側(cè)在RPC 模式時(shí)，參考值γref通常為17°，γ 為運(yùn)行實(shí)際值，當(dāng)γ 小于γref-2.5°時(shí)，發(fā)出分接頭升檔指令；當(dāng)γ 大于γref+2.5°時(shí)，發(fā)出分接頭降檔指令，從而維持γ 在γref±2.5°范圍內(nèi)。

若是整流側(cè)，則觸發(fā)角參考值αref通常為15°。

1.4 電壓控制

換流變分接頭電壓控制用在解鎖后維持直流系統(tǒng)逆變側(cè)的直流電壓穩(wěn)定。

Uref表示直流系統(tǒng)參考直流電壓，Ud表示直流系統(tǒng)逆變側(cè)實(shí)測(cè)直流電壓。為了不讓分接頭來(lái)回調(diào)節(jié)，設(shè)置死區(qū)值Ut，當(dāng)Ud＜Uref-Ut時(shí)，發(fā)出分接頭升檔指令；當(dāng)Ud＞Uref+Ut時(shí)，發(fā)出分接頭降檔指令。雙閥組運(yùn)行時(shí)，電壓參考值Uref將取半數(shù)，控制邏輯如圖3 所示。

圖3 分接頭電壓控制邏輯框圖

若死區(qū)值選取過(guò)小，可能造成分接頭頻繁調(diào)節(jié)；死區(qū)值選取過(guò)大，不利于直流電壓的穩(wěn)定。

1.5 自動(dòng)重同步

當(dāng)換流變分接頭檔位三相不一致或同閥組的星接和角接換流變分接頭檔位不一致時(shí)，認(rèn)為分接頭不同步，在自動(dòng)模式下，25 s 內(nèi)允許進(jìn)行重同步調(diào)節(jié)，將每一相的分接頭檔位與閥組的星接和角接換流變分接頭平均檔位比較，如果大于平均檔位，降低分接頭檔位；若小于平均檔位，則升高分接頭檔位，直到同閥組的分接頭檔位同步。然而，若25 s 內(nèi)分接頭檔位沒有調(diào)節(jié)到同步，將不允許再進(jìn)行自動(dòng)重同步調(diào)節(jié)，這是為了避免換流變因?yàn)榉纸宇^檔位異常導(dǎo)致其他分接頭不斷調(diào)節(jié)引起零序電流保護(hù)動(dòng)作閉鎖閥組。

2 紹興站換流變分接頭頻繁動(dòng)作原因分析

2.1 紹興站換流變分接頭控制方式

紹興站作為靈紹直流的受端，采用定熄弧角控制方式，由表1 可得分接頭執(zhí)行電壓控制，紹興站分接頭電壓控制死區(qū)值Ut=2.7 kV。

2.2 紹興站換流變分接頭頻繁動(dòng)作現(xiàn)象

自2016 年10 月投運(yùn)以來(lái)，紹興站雙極高低端換流變分接頭動(dòng)作頻繁。2018 年雙極高端分接頭動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

從表2 中可看出，2018 年下半年，紹興站雙極高低端換流變分接頭的動(dòng)作次數(shù)遠(yuǎn)大于功率調(diào)節(jié)次數(shù)。然而，直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，小幅度的功率調(diào)節(jié)不應(yīng)引起分接頭動(dòng)作。

表2 2018 年紹興站分接頭動(dòng)作次數(shù)

事實(shí)上，紹興站在直流功率不變的情況下也會(huì)出現(xiàn)分接頭頻繁動(dòng)作現(xiàn)象。

2019-01-17 的22:00—23:00，1 h 內(nèi)，靈紹直流功率保持5 385 MW 不變，極1 高端分接頭動(dòng)作了23 次，低端動(dòng)作22 次，在20 和21 檔位間頻繁調(diào)節(jié)。在這1 h 內(nèi)，交流電壓變化情況與分接頭動(dòng)作次數(shù)如表3 所示。

表3 交流電壓變化與分接頭動(dòng)作次數(shù)

從表3 可看出，在前15 min 內(nèi)，交流電壓下降了3 kV，分接頭動(dòng)作5 次，接下來(lái)的15 min內(nèi)，交流電壓變化約2 kV，分接頭未調(diào)節(jié)，在22:30—23:00 時(shí)間段內(nèi)，電壓變化幾近于零，但是分接頭動(dòng)作了18 次。由此可見，分接頭頻繁動(dòng)作與交流電壓波動(dòng)沒有直接關(guān)聯(lián)。

2.3 分接頭頻繁動(dòng)作原因分析

通過(guò)上述分析，得出紹興站換流變分接頭頻繁動(dòng)作現(xiàn)象與功率調(diào)節(jié)和交流電壓波動(dòng)都沒有直接關(guān)聯(lián)。靈紹直流輸電系統(tǒng)中，紹興站分接頭電壓控制是通過(guò)改變抽頭位置來(lái)保持換流變閥側(cè)電壓在一定范圍內(nèi)。用于分接頭電壓控制的逆變側(cè)理想空載直流電壓Udi0計(jì)算公式為：

式中：UAC表示與直流系統(tǒng)相連的交流系統(tǒng)的測(cè)量電壓；TCP表示換流變分接頭位置；對(duì)于紹興站，Udi0_Nom，UAC_Nom，TCP_Nom，Stp_size分 別 為220.15 kV，510 kV，21 和0.012 5。

逆變站極對(duì)地直流電壓Ud2為：

式中：N2為逆變站每極的6 脈動(dòng)換流器數(shù)；γ 為逆變器關(guān)斷角；Xr2為逆變器的等值換相電抗；Id為直流電流。其中，紹興站N2=4，γ=17°。

根據(jù)微量擾動(dòng)理論，且認(rèn)為直流系統(tǒng)接入的是強(qiáng)交流系統(tǒng)，分接頭調(diào)節(jié)1 檔時(shí)，紹興站單極直流電壓變化量ΔUd為：

根據(jù)式（3），計(jì)算得出ΔUd為10.4 kV。那么，紹興站單閥組直流電壓在分接頭調(diào)節(jié)1 檔時(shí)變化量約為5.2 kV。

而紹興站電壓控制死區(qū)值Ut=2.7 kV，則當(dāng)直流電壓變化量超過(guò)5.4 kV 時(shí)，分接頭就會(huì)動(dòng)作以改變換流變閥側(cè)電壓，而換流變閥側(cè)電壓與Udi0成正比，從而使直流電壓升高或降低，達(dá)到控制直流電壓的目的。

在交流電壓幾乎保持不變的情況下，紹興站分接頭每調(diào)節(jié)1 檔直流電壓變化約5.2 kV，接近死區(qū)值對(duì)應(yīng)的直流變化量5.4 kV。然而，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，考慮交流電壓的微小波動(dòng)，以及控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度等因素的影響，當(dāng)直流電壓降低至略小于Uref-Ut時(shí)，分接頭會(huì)升檔來(lái)提高直流電壓，升檔后，直流電壓又略大于Uref+Ut，這樣分接頭又會(huì)降檔來(lái)降低電壓，如此循環(huán)往復(fù)，造成分接頭頻繁動(dòng)作。

因此，紹興站分接頭頻繁動(dòng)作是由于分接頭電壓控制死區(qū)值設(shè)置不合理，導(dǎo)致電壓控制效果不能抵消交流電壓正常波動(dòng)的影響造成的。

3 改善分接頭頻繁動(dòng)作的控制措施

通過(guò)上述分析，分接頭頻繁動(dòng)作是由于電壓控制死區(qū)值設(shè)置不合理以至于不能抵御交流電壓正常波動(dòng)的影響，產(chǎn)生的一種反復(fù)調(diào)節(jié)現(xiàn)象。

分接頭頻繁動(dòng)作易引起機(jī)械故障，危害極大。基于此，本文從控制角度出發(fā)，提出一種改善分接頭頻繁動(dòng)作的控制措施。

3.1 控制原理

直流電壓控制主要有2 種方式：一種是調(diào)整觸發(fā)角或熄弧角的大小；另一種是調(diào)節(jié)換流變分接頭。直流系統(tǒng)為了防止換相失敗通常采用修正的定熄弧角控制AMAX[12]，防止熄弧角小于17°。

當(dāng)直流電壓在額定800 kV 時(shí)，由于電壓調(diào)節(jié)器參考值偏移量的存在，參考直流電壓和實(shí)際直流電壓總是存在電壓偏差，該電壓偏差經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)之后，轉(zhuǎn)換得到的觸發(fā)角會(huì)不斷增加，最終被AMAX 的輸出角度限制住，因此，逆變側(cè)能夠維持在定熄弧角控制模式。

暫態(tài)過(guò)程中，當(dāng)直流電壓小于額定時(shí)，可以通過(guò)2 種方式來(lái)使得直流電壓維持在額定：一種是減小熄弧角，使得直流電壓增大，但是熄弧角不能小于17°，因此會(huì)被AMAX 限幅，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器不會(huì)起作用，此方式不能提高直流電壓；另一種是通過(guò)升高分接頭檔位來(lái)升高直流電壓，但是分接頭電壓控制有死區(qū)值設(shè)置，需要滿足條件才能調(diào)節(jié)，由于電壓調(diào)節(jié)器不起作用，所以分接頭升檔死區(qū)值可以在滿足直流系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行的條件下設(shè)置得較大，當(dāng)升檔死區(qū)值設(shè)置較大時(shí)，分接頭動(dòng)作次數(shù)變少，但直流電壓可能比額定電壓小得多；當(dāng)升檔死區(qū)值設(shè)置較小時(shí)，分接頭動(dòng)作次數(shù)就變多，直流電壓越靠近額定直流電壓。

當(dāng)直流電壓高于額定800 kV 時(shí)，同樣可以通過(guò)2 種方式來(lái)降低直流電壓：一種是增大熄弧角使得直流電壓減小，因?yàn)橄ɑ〗窃龃蟛粫?huì)被AMAX 限幅，因此電壓調(diào)節(jié)器將會(huì)起作用來(lái)減小觸發(fā)角，以使得熄弧角增大，但是逆變站一般采用定熄弧角控制，不希望采用此方式；另一種是分接頭降檔來(lái)降低直流電壓，這時(shí)候，需要考慮電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量，若直流電壓差值超過(guò)電壓調(diào)節(jié)器的偏移量，分接頭還未降檔降低電壓，逆變站只能從定熄弧角控制轉(zhuǎn)變?yōu)槎妷嚎刂疲揽侩妷赫{(diào)節(jié)器來(lái)減小觸發(fā)角，降低直流電壓，這是不希望的。因此，分接頭電壓控制降檔死區(qū)值設(shè)置需要考慮電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量。

降壓運(yùn)行一般是70%或80%額定電壓。降壓運(yùn)行時(shí)，通過(guò)增大熄弧角和降低分接頭檔位共同作用來(lái)降低直流電壓，此情況下必須保證分接頭的調(diào)壓能力，死區(qū)值應(yīng)盡量設(shè)置得較小，以保證能使直流降壓至設(shè)定值。并且，降壓運(yùn)行時(shí)，逆變站很可能從定熄弧角控制變成定電壓控制。

因此，分接頭電壓控制在全壓和降壓方式要分開考慮。

3.1.1 全壓方式下分接頭電壓控制

不考慮分接頭調(diào)節(jié)的影響，通過(guò)交直流系統(tǒng)潮流計(jì)算[13]可得到逆變站在交流電壓允許運(yùn)行的范圍為[Uacmin，Uacmax]，對(duì)應(yīng)的整流側(cè)的直流電壓運(yùn)行范圍，假設(shè)大地回線方式直流電壓為[Udmin_GR，Udmax_GR]，金屬回線方式直流電壓為[Udmin_MR，Udmax_MR]。

當(dāng)直流系統(tǒng)控制方式為整流站定電流控制，逆變站定熄弧角控制時(shí)，由表1 可知，整流站換流變分接頭執(zhí)行角度控制，而逆變站換流變分接頭執(zhí)行電壓控制。因此，只需考慮逆變站分接頭電壓控制死區(qū)值。

大地回線方式直流電壓允許最低值為Udmin_GR，當(dāng)逆變站實(shí)際直流電壓降低到Udmin_GR以下時(shí)，必須通過(guò)分接頭電壓控制才能使得直流電壓在允許范圍內(nèi)，此時(shí)分接頭應(yīng)升檔，以提升直流電壓。

大地回線方式直流電壓允許最高值為Udmax_GR，若Udmax_GR＞Uref，則，當(dāng)逆變站實(shí)際直流電壓升高到Udmax_GR以上時(shí)，希望通過(guò)分接頭降檔來(lái)降低直流電壓，但是這里需要考慮電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量Uost。

可以得到升檔Ut1和降檔死區(qū)值Ut2的計(jì)算公式分別為：

式中：c 和c1表示修正系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)c 一般取5‰，c1一般取1.1。

金屬回線方式下的死區(qū)值求取方法與大地回線相同。

3.1.2 降壓方式下分接頭電壓控制

直流系統(tǒng)逆變側(cè)通常是通過(guò)增大熄弧角，同時(shí)調(diào)節(jié)換流變分接頭，使其在較低檔位，檔位越低，換流變變比越大，換流變閥側(cè)電壓越小，從而達(dá)到降壓運(yùn)行的目的。降壓運(yùn)行時(shí)，分接頭電壓控制死區(qū)值不超過(guò)式（5）所確定的值。

3.2 直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控

為了改善換流變分接頭頻繁動(dòng)作情況，紹興站采用了直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控措施。

紹興站作為靈紹直流的受端，交流電壓波動(dòng)范圍為498～518 kV，雙極大地回線方式，直流功率限額為0.89 p.u.，對(duì)應(yīng)的送端直流電壓運(yùn)行范圍為718～795 kV；金屬回線方式，直流功率限額為0.92 p.u.，對(duì)應(yīng)的送端直流電壓運(yùn)行范圍為746～800 kV。紹興站電壓調(diào)節(jié)器參考值偏移量為7.25 kV。

利用式（4）可得，大地回線升檔死區(qū)值為41.205，同理可得，金屬回線升檔死區(qū)值27.135。

利用式（5）可得，大地回線和金屬回線降檔死區(qū)值為3.3 kV。

因此，紹興站改進(jìn)后的分接頭電壓控制邏輯如圖4 所示。

當(dāng)任一極降壓運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)退出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控，此時(shí)，分接頭電壓控制升檔和降檔死區(qū)值都變?yōu)?.3 kV；雙極全壓運(yùn)行時(shí)，直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控功能自動(dòng)投入，OWS 后臺(tái)設(shè)置直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控投退按鈕。

3.3 改進(jìn)前后效果對(duì)比

以2018 年最后2 個(gè)月為參考，改進(jìn)前后的換流變分接頭日均動(dòng)作次數(shù)如表4 所示。

從表4 可看出，改進(jìn)后換流變分接頭動(dòng)作次數(shù)大幅減少，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性和正確性。

4 結(jié)論

本文介紹了換流變分接頭控制，包括Udi0限幅、角度控制、電壓控制及自動(dòng)重同步等，針對(duì)紹興站換流變分接頭頻繁動(dòng)作現(xiàn)象，分析得出分接頭電壓控制死區(qū)值設(shè)置不合理是分接頭頻繁動(dòng)作的主要原因，基于此，分析了分接頭電壓控制降檔死區(qū)值和升檔死區(qū)值在全壓運(yùn)行和降壓運(yùn)行下的設(shè)置方法，提出了一種能大幅減少分接頭頻繁動(dòng)作的控制措施，通過(guò)紹興站對(duì)比驗(yàn)證了該策略的有效性和正確性。綜合分析得出如下結(jié)論：

（1）全壓運(yùn)行方式下，逆變站定熄弧角控制時(shí)分接頭執(zhí)行電壓控制，直流升壓時(shí)，由于熄弧角減小，電壓調(diào)節(jié)器被AMAX 限幅，因此電壓調(diào)節(jié)器不起作用，此時(shí)，電壓控制升檔死區(qū)值由直流系統(tǒng)允許的最低電壓確定；直流降壓時(shí)，熄弧角增大，電壓調(diào)節(jié)器不會(huì)被AMAX 限幅，若分接頭不及時(shí)降檔會(huì)導(dǎo)致逆變側(cè)進(jìn)入定電壓控制，因此降檔死區(qū)值由電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量確定。

（2）降壓運(yùn)行方式下，需要電壓調(diào)節(jié)器和分接頭共同調(diào)壓實(shí)現(xiàn)直流降壓至設(shè)定值，此種情況下升檔和降檔死區(qū)值均由電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量確定，應(yīng)退出直流電壓動(dòng)態(tài)調(diào)控。

（3）該控制措施能大幅減少分接頭動(dòng)作次數(shù)，但是犧牲了電壓控制精度，直流電壓可能偏離額定較遠(yuǎn)運(yùn)行，降低了直流的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)換流器無(wú)功消耗增加，影響逆變站交流濾波器投切策略，逆變站對(duì)頻率協(xié)控系統(tǒng)的最大可提升功率也將減小。