彭濤，唐恒蔚，李曉武，劉昊然，王應(yīng)坤

(國網(wǎng)湖南電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

近年來，高壓直流輸電技術(shù)因其具有異步聯(lián)網(wǎng)、傳輸容量大、損耗低、潮流調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、快速、限制短路電流等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在世界上得到了迅猛的發(fā)展。我國也逐漸成為世界上運(yùn)行直流工程數(shù)量最多、容量最大、線路最長的直流輸電大國[3-4]。

有載分接開關(guān)是變壓器最重要的部件之一。換流變壓器有載分接開關(guān)對保證直流輸電中閥側(cè)電壓的穩(wěn)定，以及換流站安全生產(chǎn)起著重要作用[5]。然而，換流變分接開關(guān)頻繁調(diào)節(jié)將會給換流站安全運(yùn)行帶來極大影響。如何減少換流變分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)，優(yōu)化分接開關(guān)控制策略在高壓直流輸電系統(tǒng)中顯得尤為重要。

1 韶山換流站換流變分接開關(guān)

1.1 換流變分接開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理

韶山換流站兩個(gè)極各有兩個(gè)閥組，每個(gè)閥組有6臺換流變，全站4個(gè)閥組共24臺換流變，每臺換流變配有2臺有載調(diào)壓分接開關(guān)[6-7]。換流變有載分接開關(guān)選用某公司的UCL及 VUCL型，安裝在變壓器油箱內(nèi)。

分接開關(guān)主要由分接選擇器、切換開關(guān)、電動機(jī)構(gòu)及相關(guān)保護(hù)元件等組成，如圖1(a)所示。切換開關(guān)的作用是在有載的情況下，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)檔位之間的電氣切換。分接選擇器中心軸的周圍布置有若干個(gè)定觸頭，而在分接選擇器的中心軸上裝設(shè)動觸頭，并由中心軸帶動動觸頭，動觸頭經(jīng)由集流環(huán)通過分接選擇器連線連接到切換開關(guān)上[8-9]。電動機(jī)構(gòu)是在分接開關(guān)需要動作的時(shí)候，給切換開關(guān)和選擇開關(guān)提供恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩。此外，每臺換流變中的分接開關(guān)采用并聯(lián)連接方式，如圖1(b)所示。

圖1 韶山站換流變分接開關(guān)

換流變分接開關(guān)的基本原理是在保證不中斷負(fù)載電流的情況下，通過改變換流變網(wǎng)側(cè)線圈的匝數(shù)來保證閥側(cè)電壓的穩(wěn)定，即在交流側(cè)電壓波動的情況下相應(yīng)的改變分接頭的擋位來調(diào)節(jié)換流變一次側(cè)的線圈匝數(shù)，改變變比，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)壓目的。主要實(shí)現(xiàn)三種功能[10]:①維持閥側(cè)直流電壓恒定不變，補(bǔ)償交流系統(tǒng)電壓變化；②將換流閥的控制角保持在最佳范圍、優(yōu)化無功特性；③實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的降壓運(yùn)行。

1.2 換流變分接開關(guān)控制

換流變壓器分接頭控制 (TCC)是直流控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要功能模塊，其作用是通過對換流變壓器分接頭的控制使閥側(cè)空載直流電壓Udi0保持在其參考值附近，以保證直流系統(tǒng)能工作在要求的工況下[11-12]。此外，分接頭控制還用于確保Udi0低于其最大限值以及保持換流變壓器不同相分接頭之間的同步。

正常工況下，整流側(cè)與逆變側(cè)都采用維持換流變壓器閥側(cè)空載直流電壓Udi0恒定方式對換流變壓器分接頭進(jìn)行控制。

換流變分接頭控制按以下方案調(diào)整逆變側(cè)及整流側(cè)換流變壓器分接頭的位置:

1)手動模式。

運(yùn)行在手動控制模式時(shí)，運(yùn)行人員可通過工作站對單個(gè)換流變分接開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可同時(shí)調(diào)節(jié)一個(gè)12脈動閥組所有換流變的分接開關(guān)。如果選擇了單獨(dú)調(diào)節(jié)分接開關(guān)，那么在切換回自動控制前，必須對所有換流變的分接開關(guān)進(jìn)行手動同步[13]。手動控制被視為一種保留的控制模式，應(yīng)在自動控制模式失效的情況下才被投入。

2)自動模式。

常有的幾種控制[14-15]:①空載控制；②整流側(cè)的分接頭用來維持換流變閥側(cè)的正常觸發(fā)角(α)恒定；③逆變側(cè)的分接頭用于維持換流變閥側(cè)的空載直流電壓 (Udi0)恒定；④最大換流變閥側(cè)空載直流電壓的限制；⑤自動分接頭同步。

2 換流變分接開關(guān)故障案例分析

近年來，換流變有載分接開關(guān)發(fā)生了幾起事故，給換流變安全運(yùn)行帶來較大危害。為研究分接開關(guān)相關(guān)問題并提出針對性措施，提升分接開關(guān)安全可靠性，需對換流變有載分接開關(guān)問題進(jìn)行及可靠性提升專題研究工作。

2.1 事故案例

1)案例1

2018年 5月 8日，某站雙極功率調(diào)整由500 MW升至800 MW過程中，極1低端Y/D-A相換流變有載開關(guān)擋位由10檔調(diào)至9檔后約14 s，有載開關(guān)保護(hù)繼電器動作跳閘，后續(xù)出現(xiàn)換流變本體突發(fā)壓力繼電器動作、本體重瓦斯跳閘、本體壓力釋放器動作，換流變退出運(yùn)行。

事故原因:在開關(guān)9檔切換到10檔過程中，主真空開關(guān)MSV可能有故障，不能正常打開，主分接選擇器MTF進(jìn)行了操作，由于是帶電切換，產(chǎn)生拉弧，造成主分接選擇器MTF左上和右下定觸頭有燒蝕，切換開關(guān)油中存在有大量金屬粒子和氣泡等異物，不斷地在油中進(jìn)行擴(kuò)散，造成了S3A與主真空泡MSV之間發(fā)生放電，造成S3扇區(qū)級間短路。由于級間短路電流極大，且電動力又與電流的平方成正比，瞬間燒損了主分接選擇器MTF觸頭，開關(guān)觸頭、開關(guān)引線。

2)案例2

2019年1月7日，±1 100 kV某換流站極1高端Y/D-C相換流變在擋位由18檔調(diào)至19檔動作完成2 s后，極1高端換流變大差保護(hù)、角差保護(hù)動作、換流變本體重瓦斯動作，換流變突發(fā)故障起火。

事故原因:主換向觸頭MC與金屬連接片之間受熱熔接、下部X1及上部X2與旁路觸頭連接位置存在明顯燒蝕點(diǎn)等解體現(xiàn)象表明，有載分接開關(guān)切換回路中有較大電流 (短路電流)流過。

2.2 事故分析總結(jié)

兩起事故案例存在以下共性問題，一是擋位切換完成數(shù)秒后保護(hù)動作；二是故障原因?yàn)橥话l(fā)級間短路；三是故障換流變?yōu)榻墙訐Q流變，四是頻繁分接開關(guān)切換導(dǎo)致各部件的損耗與發(fā)熱，進(jìn)而造成嚴(yán)重后果。因此優(yōu)化系統(tǒng)控制參數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的直流電壓動態(tài)控制策略的調(diào)整，對于減少分接開關(guān)切換次數(shù)起著十分重要的作用。

3 直流電壓動態(tài)控制策略

3.1 整改前控制策略

改變換流變壓器分接開關(guān)的擋位相當(dāng)于改變換流變壓器的閥側(cè)電壓，利用這一特性，可以使直流輸電系統(tǒng)在交流系統(tǒng)擾動情況下獲得更大、更穩(wěn)定的運(yùn)行范圍與更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行工況。以前的端對端直流受端換流站均采用以下控制邏輯:逆變站分接開關(guān)以逆變站的直流電壓為控制目標(biāo)，將直流電壓控制在Udn±ΔUd范圍內(nèi) (ΔUd為電壓調(diào)節(jié)死區(qū))，如圖2(1)所示。

在以上描述的分接開關(guān)控制邏輯下，導(dǎo)致分接開關(guān)動作的原因主要有以下兩點(diǎn):①直流輸送功率的變化，相應(yīng)引起觸發(fā)角的變化；當(dāng)變化超過死區(qū)范圍，需要調(diào)節(jié)分接開關(guān)以補(bǔ)償該變化。②交流電壓系統(tǒng)的變化，相應(yīng)引起直流電壓 (或空載直流電壓)的變化；當(dāng)變化超過死區(qū)范圍，需要調(diào)節(jié)分接開關(guān)以補(bǔ)償該變化。

為防止分接開關(guān)頻繁升降，直流電壓的控制死區(qū)通常設(shè)置為一擋分接開關(guān)調(diào)整所引起電壓變化的60%～80%。在運(yùn)換流站分接開關(guān)的直流電壓控制死區(qū)見表1。

表1 直流分接開關(guān)電壓控制死區(qū)統(tǒng)計(jì)表 kV

考慮到目前該死區(qū)參數(shù)設(shè)置缺乏依據(jù)，通常由廠家自行設(shè)定，因此在后續(xù)階段需強(qiáng)化參數(shù)管理，由成套設(shè)計(jì)單位根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)論給出推薦的電壓死區(qū)值，并結(jié)合系統(tǒng)條件的變化進(jìn)行參數(shù)動態(tài)校核與調(diào)整。

3.2 直流電壓動態(tài)控制策略分析

1)修改祁韶直流電壓動態(tài)控制策略及相應(yīng)的濾波器投切策略。在后臺OWS界面增加軟壓板，用于全壓運(yùn)行時(shí)手動投退直流電壓動態(tài)控制策略。

2)直流電壓動態(tài)控制策略投入時(shí)，當(dāng)直流系統(tǒng)任一極進(jìn)入降壓運(yùn)行方式，兩極均自動退出直流電壓動態(tài)控制策略；當(dāng)直流系統(tǒng)兩極均退出降壓運(yùn)行方式時(shí)，兩極自動投入該策略。

3)直流電壓動態(tài)控制策略實(shí)施后，需使用直流電壓測量值計(jì)算最大可用功率，并在現(xiàn)場系統(tǒng)調(diào)試期間進(jìn)行核查。

3.3 直流電壓動態(tài)控制策略具體修改

韶山換流站的直流電壓動態(tài)控制策略，主要是將死區(qū)下限值調(diào)整至當(dāng)前系統(tǒng)條件、全壓運(yùn)行模式下可能達(dá)到的最低直流運(yùn)行電壓以下，以保證在直流功率限值內(nèi)逆變側(cè)分接開關(guān)不動。具體的分接頭控制相關(guān)的軟件修改如圖2所示。

在直流動態(tài)控制策略CCP程序修改中，增加了圖2(b)中的方框部分。當(dāng)運(yùn)行方式為大地回線時(shí)，金屬使能信號輸出為0，此時(shí)若直流電壓動態(tài)調(diào)控投入，逆變站電壓參考值將與修改后的控制下限死區(qū)值進(jìn)行求差，并在比較器中與閥組電壓實(shí)測值進(jìn)行比較，當(dāng)差值小于閥組電壓實(shí)測值將輸出升分接頭動作指令，反之則不動作。此外，值得注意的是，該直流動態(tài)控制策略中上限死區(qū)值并未改變。因此，軟件修改前后輸出降分接頭動作指令條件不變。

圖3為直流電壓動態(tài)調(diào)控策略示意圖，可以看到分接頭控制下限死區(qū)值更改為38.692 5 kV，即當(dāng)閥實(shí)際測量電壓比電壓參考值低38.692 5 kV時(shí)，才會上調(diào)分接頭。調(diào)大下限死區(qū)值保證了即使達(dá)到可能達(dá)到的最低直流運(yùn)行電壓時(shí)逆變側(cè)分接開關(guān)亦不動，減少了逆變側(cè)分接頭動作次數(shù)。隨著功率的上升，由于逆變側(cè)分接頭不動作，直流電壓逐步下降，不再維持在800 kV。

采用該策略后，逆變側(cè)解鎖升功率時(shí)，維持充電后的分接頭擋位不變。直流系統(tǒng)總體上從一個(gè)直流電壓恒定、開關(guān)動作頻繁的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷簞討B(tài)調(diào)節(jié)，開關(guān)動作極少的狀態(tài)，直流控保核心邏輯無變化的同時(shí)大幅降低了開關(guān)動作次數(shù)。具體的各運(yùn)行模式的直流電壓運(yùn)行范圍、分接頭動作次數(shù)、特點(diǎn)對比見表2。

圖2 修改前后的直流動態(tài)控制策略CCP程序

圖3 直流電壓動態(tài)調(diào)控策略示意圖

表2 各運(yùn)行模式對比

3.4 直流電壓動態(tài)控制策略實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)祁韶直流工程直流電壓動態(tài)控制策略能有效減少換流變分接頭動作次數(shù)，在韶山換流站對該策略投入后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)極Ⅰ單極雙換流器運(yùn)行，極起/停試驗(yàn)。①試驗(yàn)工況:祁韶直流祁連站極Ⅰ雙換流器、韶山站極Ⅰ雙換流器處于熱備用狀態(tài)，極電流控制。韶山站直流電壓動態(tài)調(diào)控措施軟壓板已投入。②試驗(yàn)方法:直流電流定值500 A，速率100 A/min解鎖祁韶直流祁連站極雙換流器、韶山站極Ⅰ雙換流器。③實(shí)驗(yàn)結(jié)果:直流電壓動態(tài)控制策略未投入前，分接頭的解鎖過程分接頭將由1擋切換到17擋；直流電壓動態(tài)控制策略投入后，解鎖過程中分接頭將基本穩(wěn)定在16擋，如圖4所示，切換次數(shù)較原策略減少。

圖4 極起/停試驗(yàn)分接頭擋位歷史曲線

2)極Ⅰ單極雙換流器運(yùn)行，功率升降試驗(yàn)。

①試驗(yàn)工況:祁韶直流祁連站極Ⅰ雙換流器、韶山換流站極Ⅰ雙換流器處于熱備用狀態(tài)，極功率控制。韶山換流站直流電壓動態(tài)調(diào)控措施軟壓板已投入。

②試驗(yàn)方法:直流功率定值400 MW，速率100 MW/min解鎖祁韶直流祁連站極Ⅰ雙換流器、韶山站極Ⅰ雙換流器；以50 MW/min的速率將直流功率分別由400 MW升至1 000 MW、由1 000 MW升至2 400 MW，直流系統(tǒng)保持運(yùn)行15 min，核實(shí)交流濾波器投切點(diǎn)功率；以50 MW/min的速率將直流功率分別由2 400 MW降至1 500 MW、由1 500 MW降至1 000 MW，直流系統(tǒng)保持運(yùn)行15 min，核實(shí)交流濾波器投切點(diǎn)功率。

③實(shí)驗(yàn)結(jié)果:直流電壓動態(tài)控制策略投入后，當(dāng)極Ⅰ單極雙換流器運(yùn)行，功率升降過程中，分接頭保持在16擋位不變。

3)極Ⅰ單極雙換流器運(yùn)行，手動起動降壓試驗(yàn)。

①試驗(yàn)工況:祁韶直流祁連站極Ⅰ雙換流器、韶山站極Ⅰ雙換流器處于運(yùn)行狀態(tài)。韶山站直流電壓動態(tài)調(diào)控措施軟壓板已投入。

②試驗(yàn)方法:將祁韶直流極Ⅰ由全壓轉(zhuǎn)為80%(640 kV)降壓運(yùn)行。

③實(shí)驗(yàn)結(jié)果:韶山換流站極Ⅰ和極Ⅱ直流電壓動態(tài)調(diào)控措施軟壓板均已自動退出，試驗(yàn)期間(2019年10月31日)OWS事件報(bào)文見表3。同理，祁韶直流極Ⅱ由全壓轉(zhuǎn)80%(640 kV)的試驗(yàn)也類似，直流電壓動態(tài)調(diào)控措施軟壓板均已自動退出。此外，祁韶直流極Ⅰ和極Ⅱ由80%(640 kV)降壓轉(zhuǎn)為全壓運(yùn)行，直流電壓動態(tài)調(diào)控措施軟壓板均已自動投入。

表3 試驗(yàn)期間OWS事件報(bào)文

因此，當(dāng)直流系統(tǒng)任一極進(jìn)入降壓運(yùn)行方式，兩極均自動退出直流電壓動態(tài)控制策略；當(dāng)直流系統(tǒng)兩極均退出降壓運(yùn)行方式時(shí)，兩極自動投入該策略。

綜上分析，由試驗(yàn)驗(yàn)證，祁韶直流工程直流電壓動態(tài)控制策略投入后，該策略的投入不但能有效減少換流變分接頭動作次數(shù)，且不會影響直流動態(tài)性能。

4 綜合分析

直流電壓動態(tài)控制策略是將工程受端分接開關(guān)擋位調(diào)節(jié)死區(qū)的下限值調(diào)整至當(dāng)前系統(tǒng)條件、全壓運(yùn)行模式下可能達(dá)到的最低直流運(yùn)行電壓以下。雖然該策略的投入能有效減少換流變分接頭動作次數(shù)，但依舊有其局限性，主要表現(xiàn)在以下方面:

1)經(jīng)濟(jì)影響。該控制策略中直流電壓將會被鉗制住，相比之前的直流電壓會有降低，進(jìn)而造成功率輸送有上限值減小。此外，濾波器投切策略的修改，將會造成濾波器投入更多，帶來更多的無功損耗，系統(tǒng)穩(wěn)定性也會更差些。

2)交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓影響。為保持分接頭不變，改策略后電壓死區(qū)區(qū)間將增大，與此同時(shí)，換相過程中關(guān)斷角將減小。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證與分析，韶山換流站直流電壓動態(tài)控制策略改之前關(guān)斷角約為23.40°；改策略之后關(guān)斷角約為17.62°，因此，換相過程中所需消耗的無功功率較改策略前有所增加。正常工況下，根據(jù)Q交換量為滿足換相中所需消耗的無功功率，直流電壓動態(tài)控制策略下將會投入更多的交流濾波器。若當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生閉鎖時(shí)，由于投入的交流濾波器無法快速切除，將會導(dǎo)致交流系統(tǒng)會出現(xiàn)暫態(tài)過電壓現(xiàn)象。

5 結(jié)論及建議

交流過電壓現(xiàn)象通常分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過電壓，對于穩(wěn)態(tài)過電壓現(xiàn)象，一般用感性無功抵消交流濾波器的容性無功，可考慮增加低抗組數(shù)或者擴(kuò)大抵抗容量，用來抵消穩(wěn)態(tài)時(shí)無功增加造成的電壓升高現(xiàn)象。但這種低抗無功調(diào)節(jié)方式增加屬于靜態(tài)調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度無法解決暫態(tài)過電壓。為解決直流系統(tǒng)閉鎖時(shí)的暫態(tài)過電壓，基于韶山換流站現(xiàn)有設(shè)備，一是通過調(diào)相機(jī)快速電壓環(huán)來快速響應(yīng)暫態(tài)過電壓，響應(yīng)速度雖然能達(dá)到毫秒級，但調(diào)相機(jī)容量有限，只能一定程度上緩解交流暫態(tài)過電壓現(xiàn)象；二是采用直流控保系統(tǒng)無功控制功能中的交流過電壓控制，來保護(hù)系統(tǒng)及設(shè)備安全，以此抑制故障時(shí)交流系統(tǒng)暫態(tài)過電壓，則是一種更為合理的方式。