青豫直流受端中點分壓器投退策略研究

劉 凱 鄒 強 張慶武 肖建民 劉孝輝

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

目前國內在運的特高壓直流工程按高低壓閥組是否接入同一交流電網可以分為兩類：一類以天中、靈紹直流為代表，高低壓閥組接入同一交流電網，此類工程屬于不分層接入的直流工程[1-2]；另一類以昭沂、吉泉直流為代表，高壓閥組接入500kV 交流電網，低壓閥組接入1 000kV 交流電網，兩個電網相互獨立，無直接聯系，此類工程可以簡稱為分層接入直流[3]。分層接入與不分層接入直流相比，控制功能上更為復雜，集中體現在無功控制、閥組電壓平衡控制、分接開關控制等功能[4-6]。

青海—河南±800kV 特高壓直流輸電工程（以下簡稱“青豫直流”）額定電壓±800kV，直流線路長度1 587km，直流輸送容量8 000MW，是世界首個以輸送新能源為主的特高壓直流工程。與前期投運的工程相比，青豫直流在一次主接線結構上具有新的特點：受端直流高低壓閥組分別接入兩個500kV交流電網，兩個500kV 電網之間配置獨立的母聯斷路器，通過母聯斷路器的分合可以實現兩個交流電網的分裂與聯絡運行，提升功率潮流控制靈活性。直流中點分壓器是采用分層接入方式的特高壓直流工程的必備設備，但對不分層的直流工程而言卻不然，中點分壓器故障會引起直流功率擾動甚至換流器閉鎖。因此對于需要兼容分層及不分層兩種控制模式的青豫直流而言，需要解決中點分壓器的投入及退出運行問題。

文獻[7]研究了分層接入方式直流工程兩個串聯閥組的電壓特性，提出電壓平衡控制策略。文獻[8]研究了適應于分層接入直流工程特點的閥組選擇投退控制，協調功率控制等策略。文獻[9]研究了分層接入直流功率絕對最小濾波器不滿足回降功率的相關策略。文獻[10]研究了分層接入方式下交直流系統中長期電壓穩定協調控制的相關功能。文獻[11]提出了分層接入下預防換相失敗的相關優化措施。上述文獻雖然從不同角度對分層接入方式給直流系統帶來的問題進行了研究，但卻無法解決青豫直流面臨的問題。

本文重點研究不同運行方式下直流中點分壓器的投入及退出運行策略，既滿足交流運行方式需要，又減小運行方式轉換、交流保護動作等情況下對直流系統產生的沖擊，改善中點分壓器故障后直流控制系統的響應，從而提高直流系統的可靠性，保證長期穩定運行。最后基于實時數字仿真器（real time digital simulator, RTDS）搭建青豫直流實物控制保護系統平臺對直流中點分壓器投退策略的正確性進行驗證。

1 青豫直流受端接線方式

青豫直流豫南站主接線如圖1 所示。青豫直流受端豫南換流站為特高壓交直流合建站，高壓閥組所連500kV 交流電網（圖1 中AC 500kV 1#）共有豫螺、豫遲等4 回出線；低壓閥組所連500kV 交流電網（圖1 中AC 500kV 2#）共有豫摯、豫周等4回出線，同時通過兩臺聯絡變與1 000kV 交流電網相連。在兩個500kV 電網之間配置獨立的母聯斷路器：當母聯斷路器合上時，兩個交流電網合而為一，所有閥組換流變壓器與交流濾波器連于同一交流電網，直流系統構成不分層工程；當母聯斷路器分開時，兩個交流電網獨立運行，直流系統構成分層工程。在直流場電壓分壓器配置方面，每極共設置三個直流電壓分壓器，分別是直流極線分壓器DL，直流中性線分壓器DN 和直流中點分壓器DM；通過DM 可以實現兩個閥組電壓的獨立控制及均衡兩個閥組電壓的目的。

圖1 青豫直流豫南站主接線

2 直流中點分壓器故障應對策略分析

不分層特高壓直流的典型控制方式為，無論功率是正送還是反送，均為整流側控制直流電流，逆變側控制直流電壓，具體模式可分為兩種：一種為修正的定熄弧角控制（典型的熄弧角為17°），同時通過分接開關的調節實現直流電壓的調節[12]；另一種為定直流電壓控制，即通過電壓調節器輸出的觸發角實現直流電壓的精確調節[13]。在此過程中，通常設置高壓閥組為控制閥組，低壓閥組為非控制閥組，非控制閥組的觸發角和分接開關檔位跟隨控制閥組的觸發角和分接開關檔位[14]。由于高低壓換流變壓器的設計參數基本一致，交流電壓也完全一致，因此高低壓閥組角度和檔位的同步可以在維持直流額定運行的同時保證高低壓閥組間的電壓平衡。因此，在高低壓閥組間無需配置直流中點分壓器DM。

分層接入特高壓直流典型控制方式為：分層側運行于逆變模式時，主要目標為建立直流電壓，不同的是高低壓閥組獨立控制各自閥組電壓（可通過改進后定熄弧角配合分接開關控制或通過電壓調節器精確控制）；高壓閥組的閥組電壓通過DL 與DM分壓器獲取，低壓閥組的閥組電壓通過DM 與DN分壓器獲取。分層側運行于整流模式時，主要目標為控制直流電流，與此同時需要配置閥組電壓平衡控制器用以平衡高低閥組間直流電壓。直流分層側控制策略如圖2 所示。

圖2 直流分層控制策略

對于分層工程而言，由于高低壓換流變壓器參數（如檔位數、步長、換相電抗等）、換流變連接交流電壓不一致，采用角度同步結合檔位同步的策略無法保證兩個閥組電壓的平衡，因此必須配置中點分壓器DM。

通過對比不難看出，就交直流系統結構而言，不分層工程是分層工程的一種特殊應用，理論上不分層工程配置DM 分壓器后完全可以適用分層工程的直流控制策略，但會帶來成本增加及運行可靠性降低的問題，其中DM 分壓器故障較為典型。

DM 分壓器故障后，當前在運的直流控制保護系統的響應分為三種：

1）DM 分壓器可以輸出測點故障信號，直流控制系統利用該故障信號進行系統切換，若故障仍然存在則切換至UDM計算值[15]。

2）DM 分壓器在測點無故障信號輸出情況下測點輸出異常，將計算值與實測值進行比較，超出限值后進行系統切換，切換后故障仍然存在時切換至UDM計算值[16]。

3）DM 分壓器非電量保護動作，閉鎖低壓閥組，將UDM測點切換UDN維持直流繼續運行。

直流控制系統對于DM 分壓器上述故障的處理雖然可以臨時應對DM 分壓器故障導致直流整極閉鎖風險，但也存在三個問題：

一是直流中點電壓UDM的計算值由理論公式確定，當直流處于穩態運行時，該計算值與實際值較為接近，可以用來臨時替換；但直流運行狀況復雜，在直流電流短時斷流、交流電壓畸變、觸發角進入Umin區間等工況出現時，理論計算值與實測UDM存在較大差異，若此時用計算值替換實測值參與控制將引起直流功率振蕩甚至閉鎖。

二是直流電壓的計算值無法體現一次回路中直流電壓特性，例如諧波、尖峰等，這將對直流控制系統抑制外界短時擾動不利。

三是DM 分壓器非電量保護動作后，直流通過閉鎖低壓閥組的方式將UDM測點退出控制，避免直流整極異常停運，但分壓器的檢修、更換耗時較長，短時內無法將低壓閥組再次投入運行，直流可用率因此降低。

因此，DM 分壓器三種類型故障出現后，采取的應對措施雖然可以避免直流整極閉鎖，但并不適宜長期運行，更無法抵御交直流側較大程度擾動，直流運行的可靠性、可用率均無法得到保證。

3 直流中點分壓器投退策略

基于上述分析，結合青豫直流結構的特點，通過設計合理的控制策略完成直流中點分壓器投入運行、退出運行，降低交流運行方式轉換、中點分壓器故障對直流穩定運行的影響。

3.1 直流中點分壓器投入運行策略

青豫直流豫南站的兩個500kV 交流電網在運行過程中會根據調度需求運行于合環或分裂模式。當運行模式由合環轉為分裂模式時，將會觸發中點分壓器DM 投入運行。

直流中點分壓器投入運行策略具體過程如圖3所示，直流控制系統實時采集兩個500kV 電網間母聯開關位置，判定交流電網合環與分裂運行狀態，當運行人員手動操作母聯開關由合轉分或出現保護（如母聯開關保護、交流母線保護）動作跳開母聯開關時，起動分壓器投入運行策略：

1）檢測中點分壓器是否存在故障，可通過分壓器本體送出的測量故障信號（包括非電量保護動作）或實測值與計算值比較的方式判定。

圖3 直流中點分壓器投入運行策略

2）若中點分壓器無故障，則進行高、低壓閥組電壓測點切換。母聯合位時實際參與控制的電壓測點為UDL和UDN，高壓閥組的電壓參考值為UDREF/2，控制器的反饋量為(UDL-UDN)/2，低壓閥組通過觸發角與檔位同步的方式跟隨高壓閥組。測點切換后高、低壓閥組的電壓參考值均為UDREF/2，高壓閥組電壓控制器的反饋量為UDL-UDM，低壓閥組電壓控制器的反饋量為UDM-UDN。低壓閥組觸發角和檔位調節不再同步高壓閥組，切換為分層控制模式，具體策略如圖3 所示，路徑為1→2→3→4→5→6→7→8→18。

3）若中點分壓器存在故障（非電量保護未動作），首先將UDM測點切換至UDM計算值進行過渡，過渡期控制策略切換至分層控制策略維持直流運行。然后通過閥組切換使高壓閥組為控制閥組，低壓閥組通過分接開關檔位調節使低壓閥組空載額定電壓UDI0與高壓閥組UDI0一致。低壓閥組的觸發角切換為同步模式，同步跟隨高壓閥組的觸發角，最后UDM測點退出控制。路徑為1→2→3→4→9→10→11→12→13→18。

4）若中點分壓器非電量保護動作，則立即閉鎖、隔離低壓換流器，完成后分壓器進行物理隔離，分壓器與直流主接線脫開后轉檢修。接著由運行人員合母聯開關，低壓閥組帶電后通過閥組投入操作恢復運行。路徑為1→2→3→4→9→14→15→16→17→18。

3.2 直流中點分壓器退出運行策略

直流中點分壓器退出運行的原因分為兩類，一類是在中點分壓器工作正常，交流側運行方式由合環轉分裂運行引起的分壓器退出運行；另一類是直流分層運行中出現分壓器故障導致的分壓器退出運行。直流中點分壓器退出運行策略如圖4 所示。

圖4 直流中點分壓器退出運行策略

1）母聯開關分位條件下循環檢測中點分壓器是否存在故障，檢測方法與前述一致。

2）若中點分壓器無故障，在檢測到母聯開關位置由分轉合后進行測點切換。高壓閥組的電壓參考值為UDREF/2 保持不變, 控制器的反饋量由UDL-UDM切換為(UDL-UDN)/2；低壓閥組不再獨立控制閥組電壓而是切換為觸發角和檔位同步高壓閥組的觸發角和檔位。路徑為1→2→3→4→5→6→7→8→19。

3）若中點分壓器存在故障（非電量保護未動作），首先將UDM測點切換至UDM計算值進行過渡，過渡期仍以分層控制策略維持直流運行。接著由運行人員手動或直流控制系統自動下發（通過軟壓板選擇）合母聯開關的指令，形成交流側合環運行的條件。最后通過觸發角同步和UDI0同步的方法完成DM 分壓器退出運行。路徑為1→2→3→9→10→11→12→13→14→19。

4）若中點分壓器非電量保護動作，則立即閉鎖、隔離低壓換流器，完成后分壓器物理隔離，分壓器與直流主接線脫開后轉檢修。接著由運行人員合母聯開關，低壓閥組帶電后通過閥組投入操作恢復運行。路徑為1→2→3→9→15→16→17→18→19。

4 仿真驗證

基于PCS9550 特高壓直流控制保護系統及實時數字仿真器（RTDS），搭建青豫直流半實物仿真平臺，對本文所提的中點分壓器投退策略進行試驗驗證。試驗系統中，直流控制保護核心程序與青豫直流工程現場一致，RTDS 中直流系統模型參數見表1。

表1 RTDS 中直流系統模型仿真參數

4.1 中點分壓器無故障，母聯開關分合試驗

圖5 為直流雙閥組單極大地回線方式運行，直流功率4 000MW，受端母聯開關進行合操作的試驗結果。t1時刻母聯開關由分轉合，低壓閥組通過調節分接開關使UDI0與高壓閥組一致，在t2時刻進行測點切換，切換后UDM測點退出控制，經過較短擾動后，直流恢復穩態運行。

圖5 中點分壓器無故障，合母聯開關仿真波形

圖6為直流雙閥組單極大地回線方式運行，直流功率4 000MW，通過對受端母聯開關進行分操作的試驗結果。t1時刻母聯開關由合轉分，由于高低閥組的UDI0數值一致，立刻進行測點切換，切換后UDM測點投入控制，隨后高低閥組通過分層控制分別調節高低閥組觸發角及分接開關，最終高低閥組電壓平衡，直流恢復穩定運行。

圖6 中點分壓器無故障，分母聯開關仿真波形

4.2 中點分壓器故障試驗

圖7為直流雙閥組單極大地回線方式運行，直流功率4 000MW，母聯開關分位運行時，模擬中點分壓器故障（非電量保護未動作）的試驗結果。母聯開關分位時，直流以分層接入控制方式運行，t1時刻中點分壓器故障，控制系統切換UDM至計算值，同時自動生成合母聯開關命令，母聯開關合上后進行高低閥組UDI0同步。t2時刻UDM測點進行切換，切換后UDM測點退出控制，直流恢復穩定。

圖7 母聯開關分位，中點分壓器故障仿真波形

圖8為直流雙閥組單極大地回線方式運行，直流功率4 000MW 且中點分壓器故障（非電量保護未動作）時，母聯開關跳開的試驗結果。母聯合位時，中點分壓器故障不對直流運行構成影響，t1時刻母聯開關由于保護動作跳開，控制系統緊急切換UDM至計算值，接著在t2時刻啟動切換，低壓閥組開始同步高壓閥組的UDI0和觸發角，切換后UDM測點退出控制，直流恢復穩定。

圖8 中點分壓器故障，母聯開關跳開波形

5 結論

針對青豫直流受端分層接入兩個500kV 交流電網的結構特點，通過分析直流中點分壓器故障對直流產生的影響以及當前控制系統應對策略的不足，提出合理的中點分壓器投退策略，一方面滿足青豫直流受端交流電網合環與分裂方式的轉換需求，另一方面消除了中點分壓器故障后長期使用UDM計算值對于直流運行的不利影響以及中點分壓器非電量保護動作后閉鎖閥組短時內無法解鎖的問題，切實提高直流系統輸電的可靠性及可用率，為后續同類特高壓直流工程提供參考。