選相控制器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用改進(jìn)思路

董輝波，王明君

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211111）

0 引言

近年來，光伏電站、風(fēng)電站大量并網(wǎng)，直流換流站大規(guī)模建設(shè)，柔性輸電技術(shù)大量應(yīng)用，這些廠站對(duì)于系統(tǒng)中高次諧波異常敏感，換流變、變壓器、交流濾波器組、高壓電抗器在投切瞬間，會(huì)產(chǎn)生較高幅值的勵(lì)磁涌流和過電壓，產(chǎn)生大量高次諧波，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大沖擊，嚴(yán)重威脅安全運(yùn)行［1-3］，高次諧波還容易導(dǎo)致交流濾波器電阻元件的損毀，引起高壓直流換相失敗［4-5］或柔性輸電廠站、光伏并網(wǎng)廠站諧波保護(hù)誤跳閘。為了抑制斷路器過電壓、勵(lì)磁涌流、高次諧波，普遍采用選相控制技術(shù)進(jìn)行合閘操作，該技術(shù)可從原理上抑制合閘涌流及過電壓［6-14］。合閘時(shí)間通常隨著環(huán)境溫度、操作間歇時(shí)間、控制電壓、氣體密度和儲(chǔ)能水平等變量改變而發(fā)生變化［15-17］，這些量可以單一發(fā)生改變影響合閘時(shí)間，也可以多個(gè)發(fā)生改變而影響合閘時(shí)間。為了準(zhǔn)確獲取這些參數(shù)對(duì)合閘時(shí)間的影響，通常在安裝調(diào)試選相控制器時(shí)，需要預(yù)先搭建負(fù)載的測(cè)試平臺(tái)，接入各類傳感器并對(duì)開關(guān)做大量的試驗(yàn)以求獲取準(zhǔn)確的參量值與合閘時(shí)間的關(guān)系，并預(yù)先輸入選相控制器作為補(bǔ)償量。但這種操作有兩個(gè)重要的缺陷，一是每個(gè)斷路器機(jī)械特性是不同的，如果要獲取精確的補(bǔ)償曲線，勢(shì)必對(duì)大量斷路器進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)致工作量巨大；二是，在運(yùn)行一段時(shí)間后，斷路器的機(jī)械特性逐漸發(fā)生改變，導(dǎo)致合閘時(shí)間發(fā)生變化，原測(cè)試數(shù)據(jù)失效，為避免合閘時(shí)產(chǎn)生過大的涌流，需要定期進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正［18］。本文針對(duì)上述情況提出了一個(gè)解決問題的思路，即通過調(diào)整一次設(shè)計(jì)和改進(jìn)選相控制裝置的方式，有效減少測(cè)試工作量，同時(shí)有效減小合閘時(shí)間變化導(dǎo)致的勵(lì)磁涌流。

1 選相合閘原理

通常情況下，電力系統(tǒng)中的斷路器為隨機(jī)分合閘，并伴隨涌流和電壓波動(dòng)。斷路器選相分合閘技術(shù)（Controlled Switching）是指通過一定的手段使斷路器動(dòng)、靜觸頭在系統(tǒng)電壓波形的指定相角處分合，使電力設(shè)備在對(duì)自身和系統(tǒng)沖擊最小的情況下投切入電力系統(tǒng)的技術(shù)。選相合閘技術(shù)能夠大大降低分合閘操作暫態(tài)過程中的過電流和過電壓，從而延長(zhǎng)電力設(shè)備的壽命和提高整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選相控制裝置取基準(zhǔn)電壓為參考，在收到控制系統(tǒng)給出的合閘命令后，根據(jù)目標(biāo)合閘角度、預(yù)擊穿時(shí)間Tpre、斷路器機(jī)構(gòu)合閘時(shí)間Tcls、合閘回路延時(shí)Tclslag，計(jì)算出合適的時(shí)間發(fā)出合閘指令，圖1 給出了選相合閘過程的時(shí)序原理圖［19-20］。

圖1 選相控制流程Fig.1 Phase selection control process

合閘回路延時(shí)Tclslag，目前常用的選相控制器多采用IGBT出口，精度高、速度快，從控制CPU發(fā)出信號(hào)到IGBT 閉合可以控制在ns 級(jí)別，該延時(shí)對(duì)最終的合閘目標(biāo)角度的影響極小。

斷路器合閘時(shí)間Tcls，預(yù)擊穿時(shí)間Tpre，具有一定分散性，很難保證斷路器在預(yù)設(shè)的角度關(guān)合，因此在實(shí)踐中，需要考慮分散性對(duì)選相合閘效果的影響，很多測(cè)試也是針對(duì)分散性展開的。

2 斷路器合閘時(shí)間補(bǔ)償方式的缺陷分析

通常，斷路器合閘時(shí)間隨著環(huán)境溫度、控制電壓、機(jī)構(gòu)油壓、SF6氣壓、機(jī)構(gòu)間歇時(shí)間等參量的改變而產(chǎn)生變化。在掌握上述各參量對(duì)斷路器固有動(dòng)作時(shí)間的影響量后，裝置可以通過增配外部參量傳感器監(jiān)視外部參量實(shí)時(shí)值，并通過預(yù)置補(bǔ)償曲線插值計(jì)算，得出斷路器動(dòng)作時(shí)間在當(dāng)前實(shí)時(shí)條件下因諸多參量變化產(chǎn)生的偏差，以實(shí)現(xiàn)對(duì)固有動(dòng)作時(shí)間的預(yù)期修正。

表1 是某站斷路器一段時(shí)間內(nèi)的合閘時(shí)間變化，可見一段時(shí)間后，斷路器的合閘時(shí)間發(fā)生明顯的變化，變化值超過3 ms，這對(duì)控制勵(lì)磁涌流和過電壓十分不利。

表1 某變電站某相斷路器合閘時(shí)間表Table 1 Closing schedule of a phase circuit breaker in a substation

外接環(huán)境變化導(dǎo)致合閘時(shí)間變化，可以通過接入各類傳感器，在一定程度上使得選相控制器可以獲取較為精確的補(bǔ)償參數(shù)，能提高控制精度，但具有一定的弊端：

1）在投入運(yùn)行前，需要針對(duì)每種補(bǔ)償參數(shù)預(yù)先做大量的測(cè)試，以保證獲取精確的補(bǔ)償曲線。由于各供應(yīng)商斷路器參數(shù)的不一致性，且即使同一供應(yīng)商，斷路器參數(shù)也存在較大的不一致性，這種測(cè)試需要搭建復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境，不僅工作量大，通用性也差。

2）每種補(bǔ)償參數(shù)測(cè)試時(shí)，一般均假設(shè)其它參量是不變的。但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，對(duì)斷路器合閘時(shí)間的影響卻是幾種參數(shù)變量的綜合影響。

3）斷路器長(zhǎng)期放置后，斷路器機(jī)械特性會(huì)發(fā)生一定的變化，造成補(bǔ)償曲線失效。

4）液壓機(jī)構(gòu)要在斷路器本體上安裝液壓傳感器，需要加裝采集口，逆止閥等設(shè)備，破壞了機(jī)構(gòu)的完整性，一旦發(fā)生泄漏，將對(duì)安全運(yùn)行帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

5）環(huán)境溫度傳感器的選址要避免受到陽光照射、雨雪、冰凍等天氣影響，對(duì)安裝位置選址要求高。

6）機(jī)構(gòu)間歇時(shí)間可以模擬測(cè)試，但使得整個(gè)測(cè)試周期非常長(zhǎng)，通常靜止測(cè)試的最長(zhǎng)時(shí)間在1 000 h以上［21］。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的改進(jìn)思路

3.1 一次設(shè)計(jì)的改進(jìn)

在一次受控元件與斷路器之間，增加一組隔離刀閘，同時(shí)改變反饋電壓互感器TV的安裝位置，見圖2、圖3（以一次受控元件為變壓器為例），在合斷路器時(shí)，不實(shí)際合閘于變壓器，方便先獲取斷路器合閘時(shí)間，通過此合閘時(shí)間計(jì)算與預(yù)設(shè)合閘時(shí)間的誤差，用此誤差值決定投入何種程度的補(bǔ)償。

圖2 3/2接線改進(jìn)后主接線方案圖Fig.2 3/2 Diagram of main wiring scheme after wiring improvement

圖3 雙母線接線改進(jìn)后主接線方案圖Fig.3 Diagram of main wiring scheme after double bus wiring improvement

3.2 選相控制裝置的改進(jìn)

目前的選相控制裝置需輸入斷路器關(guān)合時(shí)間定值，同時(shí)設(shè)置有自適應(yīng)功能。當(dāng)“自適應(yīng)補(bǔ)償”功能投入時(shí)，裝置將根據(jù)斷路器最近動(dòng)作偏差不斷修正目標(biāo)點(diǎn)偏差，且修正幅度可通過修改系數(shù)定值“自適應(yīng)修正系數(shù)”進(jìn)行設(shè)置，自適應(yīng)修正系數(shù)可設(shè)置為0%～100%修正。

實(shí)際運(yùn)行中，斷路器合閘時(shí)間偏差在聲明的離散度±1 ms以內(nèi)時(shí)，可不做自適應(yīng)修正。當(dāng)斷路器合閘時(shí)間偏差超出±1 ms時(shí)，可認(rèn)為斷路器特性發(fā)生改變，此時(shí)可以采取如下措施：1）調(diào)整斷路器合閘時(shí)間定值；2）采用自適應(yīng)修正的方法實(shí)現(xiàn)跟蹤。為靈活選擇修正度，可對(duì)選相控制器做如下改進(jìn)：1）每次合閘操作后，由選相控制裝置自動(dòng)計(jì)算出本次合閘時(shí)間與設(shè)置定值間的偏差值；2）選相控制裝置增加10個(gè)開關(guān)量輸入，輸入后可實(shí)現(xiàn)在10%～100%之間以10%級(jí)差進(jìn)行偏差修正。10 個(gè)開關(guān)量可在控制屏內(nèi)設(shè)置壓板或操作把手，方便運(yùn)行人員的靈活操作。

3.3 控制流程的改進(jìn)

一次設(shè)計(jì)和選相控制裝置改進(jìn)后的操作流程如圖4：

圖4 控制流程的改進(jìn)Fig.4 Improvement of control process

1）選相合閘前，檢查變壓器側(cè)隔離刀閘在分位，選相控制裝置參考電壓正常；

2）通過控制系統(tǒng)選相合閘，此時(shí)斷路器僅合于反饋電壓互感器TV 上，并未實(shí)際合閘于變壓器，即使斷路器機(jī)械特性發(fā)生了變化，也不會(huì)產(chǎn)生大的涌流；

3）讀取選相控制裝置計(jì)算的偏差值，根據(jù)需求投入偏差補(bǔ)償壓板；

4）合上主變側(cè)隔離刀閘，通過控制系統(tǒng)再次選相合閘，此時(shí)選相控制裝置按補(bǔ)償后的合閘時(shí)間合閘，可避免因機(jī)械特性發(fā)生較大變化時(shí)合于非理想角度，產(chǎn)生涌流。

通過采用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案和控制流程，搭建測(cè)試環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置A、B、C 三相合閘角度分別為90°、540°、540°，即A 相先在基準(zhǔn)電壓90°位置合閘，B相、C 相25 ms 后在基準(zhǔn)電壓180°位置合閘，合閘時(shí)間根據(jù)前期測(cè)試的斷路器合閘時(shí)間設(shè)置，A、B、C相合閘時(shí)間分別為52.3 ms、53 ms、53 ms。首次合閘后，由于環(huán)境變化導(dǎo)致斷路器機(jī)械特性改變，斷路器實(shí)際合閘時(shí)間與設(shè)置時(shí)間有偏差：A 相實(shí)際合閘時(shí)間56 ms，偏差3.1 ms，B、C 相實(shí)際合閘時(shí)間55.8 ms，偏差2.8 ms，合閘波形如圖5。

圖5 首次合閘波形Fig.5 Waveform of first closing

合閘時(shí)間與預(yù)設(shè)偏差較大，不更改預(yù)設(shè)的斷路器合閘時(shí)間，投入100%補(bǔ)償，進(jìn)行第二次合閘，裝置自動(dòng)對(duì)偏差進(jìn)行補(bǔ)償，本次斷路器實(shí)際合閘時(shí)間與設(shè)置時(shí)間偏差如下：A 相實(shí)際合閘時(shí)間53.8 ms，偏差0.5 ms，B、C 相實(shí)際合閘時(shí)間53.9 ms，偏差0.4 ms，合閘波形如圖6，考慮斷路器合閘時(shí)間本身具有一定離散性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期，說明采用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案和控制流程，可以增加合閘于目標(biāo)角度的準(zhǔn)確性，不需要再對(duì)斷路器特性進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量。

圖6 補(bǔ)償后合閘波形Fig.6 Closing waveform after compensation

4 結(jié)語

選相控制技術(shù)的應(yīng)用，減小了換流變、變壓器、電容器等設(shè)備的合閘涌流，有效減小了對(duì)系統(tǒng)的沖擊，避免了元器件損壞和因諧波導(dǎo)致的誤停電。但由于斷路器機(jī)械特性受到溫度、液壓、氣壓、靜置時(shí)間、控制電壓的影響，會(huì)發(fā)生一定的變化，為避免這種變化影響涌流控制，需要試驗(yàn)獲取各參數(shù)跟合閘時(shí)間的關(guān)系曲線，花費(fèi)大量人力物力，同時(shí)還需要每年做試驗(yàn)修正，不可避免地帶來重復(fù)試驗(yàn)和人力物力耗費(fèi)。按照本文提出的改進(jìn)后的一次設(shè)計(jì)方案和選相控制裝置，只需要在每次合閘前先空合一次斷路器，獲取當(dāng)時(shí)條件下斷路器的合閘時(shí)間，再投入偏差壓板，可以避免重復(fù)大量試驗(yàn)獲取補(bǔ)償曲線，由于合閘時(shí)間按當(dāng)前運(yùn)行條件獲取，準(zhǔn)確度較高，可以有效減小涌流，而且可以節(jié)省人力物力和重復(fù)試驗(yàn)工作。