高壓直流換流變壓器有載分接開關控制優化

郭賢珊，李鳳祁，阮思燁，張俊，劉心旸

(1.國家電網有限公司，北京市 100031；2.國家電網有限公司直流技術中心，北京市100052)

0 引 言

高壓直流輸電在電網中所占比重日趨顯著[1-2]，換流變壓器、換流閥等直流主設備的可靠運行對電網安全意義重大[3-4]。在高壓直流輸電工程的正常運行方式中，換流變壓器有載分接開關作為高壓直流輸電系統重要的調節控制手段[5]，在補償交流系統電壓波動、穩定直流電壓、保證換流閥運行在經濟安全的觸發角(關斷角)等方面發揮著重要作用[6-7]。

近年來，部分高壓直流換流站換流變壓器有載分接開關在運行中相繼暴露出一系列問題，引起了各方高度關注[8-10]。在此背景下，為進一步提高設備本質安全、保障直流輸電系統安全運行，國家電網有限公司針對有載分接開關可靠性提升開展了一系列工作，取得了一定成果[11-13]，通過優化分接開關設計，增加設計裕度，嚴格制造和安裝工藝質量，強化監測和驗收管控，提升了分接開關可靠性。與此同時，由于數次嚴重故障均發生在有載分接開關檔位調節過程中，如果通過改進有載分接開關控制策略或優化控制方式[14]，合理減少有載分接開關非必須的檔位調節次數，就能夠有效降低有載分接開關再次發生類似故障的風險，延長有載分接開關使用壽命，提升運行可靠性。

由于高壓直流輸電系統運行至今已具備較為成熟的控制系統結構[15-16]，換流變壓器分接開關通常都是伴隨傳輸功率或系統電壓的變化而相應調節，因此，為達到分接開關在電壓或功率發生變化的情況下減小動作次數的目標，需要對控制器結構、控制參數定值等方面開展深入研究，對直流控制系統進行全面優化。

基于上述分析，本文以減少換流變壓器有載分接開關不必要頻繁動作為目的開展研究。首先，介紹目前換流站的有載分接開關控制目標與控制原理，分析部分換流站發生有載分接開關頻繁調節的原因。然后，在此基礎上，對有載分接開關的調檔策略優化方式進行深入研究，并基于研究分析結論提出幾類減少有載分接開關動作次數的推薦措施。最后，通過仿真及現場試驗對各類措施的效果進行對比驗證。

1 換流變壓器有載分接開關控制原理

目前換流變壓器配置有載分接開關的直流輸電系統主要包括兩類：基于電網換相型換流器(line commutated converter, LCC)的常規直流輸電系統[17]以及基于電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)的柔性直流輸電系統[18]。后者是近年來興起的基于IGBT全控器件的新型直流輸電技術，采用模塊化多電平換流器。柔性直流輸電系統一般通過調整換流變壓器分接開關檔位來控制調制比范圍[19]。通常在交流系統電壓波動不大，且調制比范圍允許時，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開關可以維持在固定檔位。從實際運行情況看，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開關動作次數很少。

因此，本文研究主要針對常規直流輸電系統，整流站和逆變站的換流變壓器有載分接開關通常采用不同的控制方式，如整流站控制觸發角、逆變站控制直流電壓或空載直流電壓。盡管控制目標與控制策略有所區別，但都是通過改變整流站、逆變站閥側直流空載電壓(Udi0R、Udi0I)以達到調節整流站、逆變站直流側端口電壓(UdR、UdI)的目的。本節首先就幾類典型的有載分接開關控制原理進行介紹。

1.1 整流站有載分接開關控制原理

根據直流輸電主回路計算的基本理論[20]，整流站直流端口電壓的計算公式如式(1)—(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：UdR代表整流側直流端口電壓；Udi0R代表整流側直流空載電壓；UvR代表換流變壓器閥側交流電壓，與Udi0R呈正比關系；XdR代表整流側換流器感性阻抗；Id代表直流電流；α代表整流側觸發角；UacR代表換流變壓器網側交流電壓；Nnom代表換流變壓器額定變比；η為有載分接開關檔位級差；Tcp代表有載分接開關實際檔位；TcpN為額定檔位。

目前常規直流輸電工程(包括端對端直流輸電工程與背靠背直流輸電工程)的整流站(側)換流變壓器有載分接開關控制邏輯以換流閥觸發角為控制目標，將角度控制在15°±2.5°范圍內。控制系統軟件實現如圖1所示。

圖1 整流站有載分接開關控制邏輯原理圖

參考式(1)—(3)，若整流站交流電壓UacR降低或直流電流指令增大，此時直流端口電壓UdR通常由逆變站控制而維持相對穩定，故需整流站控制器減小觸發角α以補償交流電壓或直流電流變化帶來的影響。

當α減小超過2.5°時，控制系統將啟動有載分接開關檔位動作邏輯，Tcp上調一檔以增大閥側電壓UvR，進而增大了直流空載電壓Udi0R，觸發角重新回到穩態范圍內。相反方向的調節過程原理相同，其控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 整流站有載分接開關控制邏輯流程圖

1.2 逆變站有載分接開關控制原理

與整流站類似，逆變站直流端口電壓的計算如式(4)—(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中：UdI代表逆變側直流端口電壓；Udi0I代表逆變側空載直流電壓；UvI代表逆變站換流變壓器閥側交流電壓，與Udi0I呈正比關系；XdI代表逆變側換流器感性阻抗；γ代表逆變側關斷角；UacI代表逆變站換流變壓器網側交流電壓。

可以看出逆變側直流端口電壓的計算公式與整流側基本相同，僅僅將式(1)中的觸發角α用式(4)中的關斷角γ替代。常規直流逆變站換流變壓器有載分接開關控制邏輯根據直流輸電系統類型的不同(主要分為端對端直流輸電工程與背靠背直流輸電工程)有所區分，具體介紹如下。

目前背靠背直流輸電工程逆變站換流變壓器有載分接開關控制邏輯以逆變站的空載直流電壓Udi0I為控制目標，將空載直流電壓控制在Udi0I±ΔUdi0范圍內(±ΔUdi0為空載直流電壓調節控制死區)。控制系統軟件實現如圖3所示。

圖3 背靠背直流逆變站有載分接開關控制邏輯原理圖

對于背靠背直流輸電工程，以式(4)中Udi0I為控制目標：若交流電壓UacI降低，由式(5)、(6)可知Udi0I將同比例降低，控制器將升高檔位Tcp以幫助Udi0I回到額定值附近；而直流電流Id的變化并不會引起有載分接開關的檔位調節，隨著Id增大，直流端口電壓UdI將下降。整個過程如圖4所示。

圖4 背靠背直流逆變站有載分接開關控制邏輯流程圖

目前端對端直流輸電工程逆變站有載分接開關控制邏輯以整流站直流電壓UdR為控制目標，將直流電壓控制在UdN±ΔUd范圍內(UdN為整流站額定直流電壓，±ΔUd為直流電壓調節控制死區)。控制系統軟件實現如圖5所示。

圖5 端對端直流逆變站有載分接開關控制邏輯原理圖

需要指出的是，上述控制策略主要應用于目前國家電網有限公司所轄的大部分端對端直流輸電工程逆變站，這是由于在逆變側換流閥角度控制邏輯中，大多采用預測型熄弧角控制策略，正常運行時關斷角γ固定在額定值(通常為17°)運行，因此對直流電壓與輸送功率的穩態調節均只能依靠換流變壓器有載分接開關來實現。

對于上述端對端直流系統，控制目標為整流側端口電壓UdR，UdR與UdI的關系如式(7)所示：

(7)

可以看出：因交流電壓UacI變化所引起的檔位調節機理與背靠背直流輸電工程一致。而當系統條件變化導致直流電流增大時，為保證整流側電壓UdR恒定，此時有載分接開關的調節方向將取決于線路阻抗Rd與換相電抗3XdI/π的大小：若Rd>3XdI/π，控制系統將降低檔位以減小Udi0I；反之則升高檔位以增大Udi0I。整個過程如圖6所示。

圖6 端對端直流逆變站有載分接開關控制邏輯流程圖

2 有載分接開關頻繁動作問題分析

按照高壓直流輸電工程成套技術規范的一般性要求，換流變壓器有載分接開關電氣壽命應不低于30萬次。通常情況下換流站的分接開關日均動作次數約為10次，以此推算，設備可運行約80年；隨著日均調節次數增高，設備的使用壽命將相應縮短，并且頻繁動作還會帶來運行風險。基于各換流站運行統計數據，分接開關動作次數增加的情況可歸結為以下幾類：

1)以“祁韶”、“靈紹”、“雁淮”為代表的實現新能源配套送出的直流工程，由于受到新能源上網功率波動影響，直流功率調節比較頻繁，送端站有載分接開關日均動作次數會相對增加(通常約15次)，對此類問題可通過優化控制策略，在確保送電需求的條件下降低檔位調節次數，提高對新能源送出的適應性。

2)以中俄聯網背靠背直流輸電工程為代表的背靠背直流輸電工程，由于分接開關的控制目標為空載直流電壓Udi0，交流電壓的大幅波動將直接引起分接開關的頻繁調節。據統計中俄聯網背靠背直流輸電工程黑河換流站2018年間分接開關日均動作約25次，這是由于兩側的交流系統電壓支撐能力較弱，系統電壓波動幅度較大所導致。

3)在高壓直流輸電工程啟動調試階段，分接開關每日動作次數通常較多(30～40次)，這是因為調試過程中會經常進行啟停操作。對于這一類情況，可采取下列措施進行優化：直流起動前將分接開關置于解鎖功率對應檔位(以往通常置于最低檔位)，這樣就能避免啟動時的逐級升檔動作過程；同時適當增大分接開關連續調節的間隔時間，由此躲過一些微小擾動引起的檔位調節。

4)部分換流站有載分接開關動作次數顯著過高，如靈紹直流輸電工程紹興換流站在2018年迎峰度夏期間的日均動作竟達到87次之多，雁淮直流輸電工程淮安站日均動作也達到32次，且絕大部分是在相鄰檔位之間往復調節。對于出現這類異常調節行為的換流站，需要深入分析其原因并采取針對性解決措施。

3 降低有載分接開關頻繁動作措施分析

針對部分換流站有載分接開關動作頻繁問題，從高壓直流系統運行方式選擇、控制參數優化以及新型有載分接開關調節控制策略等多方面開展研究，以達到有效減少有載分接開關動作次數的目的。

本文研究選取天中直流輸電工程為例，基于實時數字仿真(real time digital simulation，RTDS)平臺搭建仿真模型。首先模擬了常規全壓運行方式下，因交流電壓波動以及直流功率提升引起的有載分接開關動作情況，如圖7所示。

圖7(a)為模擬交流電壓在一定范圍內波動引起有載分接開關動作時的仿真波形圖。圖7(b)為模擬直流功率調整引起有載分接開關動作時的仿真波形圖。可以看出：全壓運行方式下，施加交流系統電壓擾動，將會引起有載分接開關往復在相鄰檔位間調節；而在功率升降過程中，整流站與逆變站的有載分接開關檔位均隨之進行調節。

圖7 常規全壓運行方式下有載分接開關動作情況仿真

3.1 措施1：直流系統降壓運行

在直流輸電工程的成套設計階段，為了保證在線路絕緣能力下降時能夠繼續穩定輸送功率，一般會考慮采用直流降壓運行方式，即：將直流電壓降低至額定電壓UdN的70%～80%運行。該模式下需要配合有載分接開關的調節，降低閥側交流電壓，從而達到降低直流端口電壓的效果。

降壓運行方式下的直流電壓越低，有載分接開關越容易調節至最低檔位；當有載分接開關達到該檔位后將不再調節，控制系統將通過改變觸發角或關斷角以適應交流電壓和直流功率的變化。對于采用70%降壓運行方式設計的直流工程(如天中直流輸電工程、賓金直流輸電工程)，采用降壓運行方式能夠完全避免送受端換流站換流變壓器有載分接開關動作，圖8為天中直流輸電系統采用降壓運行方式時的仿真波形。

圖8 降壓運行方式下有載分接開關動作情況仿真

可以看出：采用降壓運行方式后，有載分接開關停留在最低檔位，交流電壓的擾動、直流功率的變化均未再引起檔位的調節；通過觸發角與關斷角的變化實現系統電壓波動的補償以及直流功率的調制。

降壓運行方式會使換流閥運行在較大觸發角(關斷角)，通常情況下，功率越低角度越大。同時直流輸電系統的最大輸送能力會因電壓降低而受限(如降壓70%的直流系統最大輸送能力為0.7 pu,基準值為額定功率)；除此之外，對于送、受端網側電壓不同，或者高低閥組接入網側電壓不同情況，由于分接開關的級差不同、調壓深度不同，降壓方式不能完全限制有載分接開關動作。例如對于因為送受端、高低端閥組網側電壓不同，設計降壓能力為80%的直流工程，采用降壓運行策略后，隨著直流功率提升，觸發角(關斷角)會逐步調節至額定角度，此時有載分接開關對角度與電壓的控制功能將再次生效，重新引起檔位調節。

措施1較適用于送、受端換流變壓器有載分接開關動作均頻繁，或分接開關可能存在運行風險，需要降低動作次數的直流換流站采用。但由于降壓運行導致直流系統最大輸送功率受限，且同樣輸送功率下的直流電流增大，損耗增加，因此不適用于直流大功率運行需求。

3.2 措施2：優化電壓調節控制死區與同步策略

針對靈紹直流輸電系統紹興換流站、雁淮直流輸電系統淮安站分接開關頻繁動作問題，通過分析現場事件記錄和同步相量測量裝置(phasor measuring unit, PMU)數據，并結合控制保護軟件進行分析，明確有載分接開關頻繁動作的原因是由于直流電壓調節控制死區±ΔUd設置不合理導致。

由式(4)—(6)可以看出：有載分接開關調檔后換流變壓器閥側電壓變化，空載直流電壓Udi0也隨之變化，最終導致直流電壓變化。以單12脈動閥組調節一檔有載分接開關為例，對應的直流電壓變化如式(8)所示。

ΔUd_tcp=2Udi0cosγ·Δk

(8)

式中：ΔUd_tcp為調節檔位引起的直流電壓變化量；Δk為一檔有載分接開關的調壓級差，通常對應網側電壓500 kV換流變壓器為1.25%，對應網側電壓750 kV換流變壓器為0.86%，對應網側電壓1 000 kV換流變壓器為0.65%。

由式(8)計算得出的直流電壓變化通常為5～6 kV，當設定的直流電壓調節控制死區小于或接近該電壓值時，容易造成有載分接開關在相鄰檔位間往復調節。以雁淮直流輸電系統淮安換流站為例，有載分接開關往復動作原理如圖9所示。

圖9 有載分接開關往復調節過程原理示意圖

基于對有載分接開關頻繁調節原因的分析，適當增大電壓調節控制死區對抑制有載分接開關往復調節有明顯效果。

與此同時，由于目前的特高壓直流輸電工程通常每極為雙12脈動閥組串聯結構，上下每個12脈動閥組各連接一組換流變壓器，如果要求高低端兩組變壓器的有載分接開關檔位完全一致，則每次調節時高低端兩組變壓器的有載分接開關同升同降(即同步調節)，調檔所引起的直流電壓波動將進一步增大，可能出現由于直流電壓越限而引起有載分接開關回調的情況，頻繁調節風險更大。因此本文提出異步調節措施，即在直流電壓不滿足要求時，優先讓高端或低端換流變壓器有載分接開關調節一檔，并且允許高低端換流變壓器有載分接開關存在一檔的檔位差。

以天中直流輸電系統為例，仿真模擬了優化電壓調節控制死區，并采用有載分接開關異步調節控制方式抑制有載分接開關頻繁動作，效果如圖10所示。

圖10 優化電壓死區/異步調節后有載分接開關動作情況仿真

通過圖10與圖7對比可以看出，在采用合理設置死區、高低端異步調節的優化措施后，同樣的交流電壓擾動引起的直流電壓變化并未再次導致有載分接開關發生頻繁調檔現象。

措施2對于交流電壓經常性小幅波動、電壓死區設置較小的直流換流站較為適合，對于采取其他措施的直流換流站也可同時采用該措施。

3.3 措施3：采用直流動態電壓控制策略

為了降低逆變站換流變壓器有載分接開關的動作次數，本文提出一種新型直流動態電壓控制策略。該策略通過放開直流電壓控制死區下限，達到降低逆變站換流變壓器有載分接開關動作次數的目的。同樣以天中直流輸電系統為例，首先通過主回路計算，遍歷所有直流全壓運行工況下逆變站的最低有載分接開關檔位，結果如表1所示。

表1 天中直流系統主回路計算參數(原策略)

表1表明，逆變站換流變壓器有載分接開關最低檔位所對應的是直流單極金屬回線方式、輸送功率為1.0 pu時的工況，此時逆變站的直流端口電壓最低。代入該工況下的直流電流Id=5 kA，金屬回線電阻Rd=21 Ω，可計算得逆變站最低端口電壓Udmin為：

Udmin=UdR-IdRd=695 kV

(9)

根據上述分析，此時若將逆變站直流電壓調節控制死區的下限值設置到低于Udmin(即滿足UdN-ΔUd

表2 天中直流主回路計算參數(新策略)

圖11為原策略與新策略原理對比，可以看出：新策略本質上相當于將電壓控制調節死區的上限ΔUd_up和下限ΔUd_down設置為不同數值。上限值基本維持不變，而下限值根據實際主回路計算的最低電壓進行調整，最終使得當直流電壓運行在Udmin

圖11 直流動態電壓控制策略與原策略對比

圖12為天中直流輸電系統采用直流動態電壓控制新策略的仿真波形。從圖12中可以看出：采用該策略后，隨著系統電壓和直流功率的變化，直流電壓將會在一定范圍內波動，逆變站有載分接開關檔位始終保持固定，整流站的有載分接開關仍會相應調節。

圖12 直流動態電壓控制策略下有載分接開關動作情況仿真

直流動態電壓控制策略對于改善逆變站換流變壓器有載分接開關頻繁調節情況十分有效，但由于整流站的控制目標是觸發角，當直流輸送功率調整以及整流站交流電壓波動時，若引起角度變化范圍超過±2.5°，整流站依然會進行檔位調節；同時隨著直流電壓降低，直流輸送功率也會受到限制(最大輸送功率標幺值對應直流的降壓水平)。

直流動態電壓控制策略下各運行功率點對應的直流電壓和觸發角相比全壓運行方式有所區別，對應的換流器無功消耗也將發生變化，因此若采用該策略，需重新計算和調整無功補償需求，重新整定換流站無功控制策略。

措施3較適合于逆變站換流變壓器分接開關動作頻繁或分接開關存在運行風險，同時直流輸送功率在允許范圍內且功率調整不頻繁的直流換流站采用。

4 工程驗證

上述三類措施對于降低換流變壓器有載分接開關的檔位調節次數均具有一定作用，應用效果在各換流站的實際運行當中也得到了驗證。

1)措施1降壓運行是特高壓直流系統的一種常規運行方式，其效果已經得到過諸多工程的實際檢驗。例如在2019年迎峰度夏期間，雁淮直流輸電系統通過降壓運行方式，有載分接開關日均動作次數同比下降90%左右。

2)措施2采用優化電壓控制死區與高低端換流變壓器有載分接開關檔位異步調節的方法，對于在2018年曾出現的有載分接開關頻繁往復動作的靈紹、雁淮直流輸電系統的逆變站，現場采用該措施后均未再發生此類現象。2019年紹興站日均動作次數下降了95%左右，證明了該措施對于規避因為系統電壓小擾動而引起的有載分接開關頻繁往復動作問題效果顯著。

3)對于措施3采用直流動態電壓控制策略，由于涉及到控制系統的較大改動，且之前并無實際運行經驗，故組織開展了現場試驗，測試相關功能對于直流輸電系統整體控制保護系統的影響以及對于降低分接開關動作次數的效果。以昭沂直流輸電工程為例，現場試驗測試數據如表3所示。

表3 昭沂直流輸電工程直流動態電壓控制現場試驗測試數據

從表3數據可以看出：在采用直流動態電壓控制策略后，隨著直流功率的升降，直流電壓有明顯的變化，整流側的有載分接開關檔位也會隨功率變化而調節，而逆變站的有載分接開關檔位始終固定，不再跟隨電壓變化而調整，這與之前理論分析和仿真計算的結論是完全一致的。

5 結 論

本文以降低換流變壓器有載分接開關動作次數為目的，針對有載分接開關的調節原理和控制優化開展了深入研究，提出了三類行之有效的解決措施。綜合理論分析、仿真計算、現場試驗及運行反饋，三類措施在降低有載分接開關動作次數方面各有其優缺點，應針對不同直流輸電工程的特點和需求，選擇合適的方案。

1)降壓運行方式作為直流系統的常規運行模式，由于在工程調試階段和實際運行中已經過大量檢驗，運行可靠性相對較高。

2)優化電壓控制死區與高低端閥組檔位異步調節措施能夠有效規避由于系統電壓較小擾動引起的有載分接開關在相鄰檔位間頻繁調節的問題。

3)采用直流動態電壓控制策略基本能夠可靠保證逆變站有載分接開關在直流系統的所有正常運行方式下均不發生檔位調節。