基于雙12脈動(dòng)閥組共同控制的特高壓單閥組投退策略

黎東祥,王渝紅,丁理杰,李興源,戴寒光,宿國良

（1.四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院,四川 成都 610065；2.四川電力科學(xué)研究院,四川 成都 610072）

0 引言

高壓直流輸電在遠(yuǎn)距離大容量輸電和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面具有很明顯的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決我國的電力資源和電力負(fù)荷分布不平衡有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是特高壓直流輸電近年來得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[1-4]。

特高壓直流輸電工程普遍采用每極2個(gè)12脈動(dòng)換流器串聯(lián)的主接線方式[5]。在這種主接線方式中，一次設(shè)備的每個(gè)閥組增設(shè)了旁路斷路器和隔離開關(guān)。當(dāng)一個(gè)閥組出現(xiàn)故障時(shí)，只需將其旁路合上，其他閥組仍可正常運(yùn)行。兩端換流站既可按照每極雙閥組接線方式運(yùn)行，又可形成兩端每極單閥組或兩極不同組合的運(yùn)行方式。因此，在特高壓直流工程中，單閥組的自動(dòng)投/退控制成為重要的控制環(huán)節(jié)之一。單閥組的投退控制策略目標(biāo)是在投退過程中保證系統(tǒng)安全、擾動(dòng)小、響應(yīng)特性良好[6]。

特高直流輸電工程采用的控制方式主要有雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式和雙12脈動(dòng)閥組分別控制方式2種。從控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)上看，2種控制方式的主要區(qū)別是同一極的2個(gè)閥組采用一組換流器控制還是分別設(shè)置換流器控制。2種控制方式有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中都有應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)單閥組投退的關(guān)鍵在于閥組和與其并聯(lián)的旁路開關(guān)之間的協(xié)調(diào)控制。目前采用的單閥組投入方式主要有零功率解鎖和小觸發(fā)角解鎖[6，8，11]。 在單閥組的退出過程中，通過控制閥組增大觸發(fā)角α或熄弧角γ，即可降低其端電壓，需要注意的是兩端換流站間的閥組在退出過程中的配合。

文獻(xiàn)[6-11]提出的單閥組投退策略都是針對(duì)雙12脈動(dòng)閥組分別控制方式提出的。本文在仿真研究的基礎(chǔ)上提出了一種針對(duì)雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式的單閥組投退策略。仿真結(jié)果表明，本文提出的單閥組投退策略安全、投退迅速，對(duì)系統(tǒng)造成的擾動(dòng)小，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式

1.1 控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)的分層因各個(gè)直流系統(tǒng)的不同而有所差異?，F(xiàn)代直流輸電控制系統(tǒng)一般設(shè)有6個(gè)層次等級(jí)：系統(tǒng)控制級(jí)、雙極控制級(jí)、極控制級(jí)、換流器控制級(jí)、換流閥控制級(jí)和單獨(dú)控制級(jí)[12-13]。

雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。從控制系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)上看，同一極的2個(gè)閥組采用同一組換流器控制的控制信號(hào)，即每極的2個(gè)12脈動(dòng)閥組配置同一個(gè)換流器控制單元，而雙12脈動(dòng)閥組分別控制方式以每個(gè)12脈動(dòng)閥組為基本單元進(jìn)行單獨(dú)配置。

圖1 雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式的分層結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of joint control of dual 12-pulse converter groups

雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式可減少控制設(shè)備投資，確保2個(gè)12脈動(dòng)閥組控制信號(hào)的一致性，從操作和人員培訓(xùn)上考慮，該控制方式和常規(guī)超高壓直流有更好的通用性。而雙12脈動(dòng)閥組分別控制方式雖然設(shè)置較冗余，增加了控制設(shè)備投資，且2個(gè)閥組可能出現(xiàn)控制信號(hào)不平衡的問題，但是2個(gè)閥組的換流器控制可以互為備用，提高了可靠性[14-16]。通過查閱文獻(xiàn)和與工程人員溝通，筆者了解到2種控制方式在實(shí)際工程中都有應(yīng)用。本文采用的是雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式。

1.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制策略

雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式和雙12脈動(dòng)閥組分別控制方式的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制策略基本相同。整流側(cè)設(shè)置有定電流控制和α限制控制，最小α整定為5°左右。逆變側(cè)設(shè)置有定電壓控制、定熄弧角控制和定電流控制，定電流整定值相比整流側(cè)定電流整定值小1個(gè)電流裕度[17]。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，整流站采用定電流控制，逆變站采用定電壓控制。整流側(cè)維持直流電流，逆變側(cè)維持直流電壓。逆變側(cè)考慮了對(duì)線路上電壓降的補(bǔ)償，以保持整流側(cè)出口處直流電壓為額定值，整流側(cè)通過與逆變側(cè)配合達(dá)到直流線路上的定功率傳輸。

從控制系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)圖可以看出，2種控制方式為達(dá)到控制目的所需要的直流參數(shù)有所不同。雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式只需測(cè)量直流線路出口處的直流電壓和直流電流；而雙12脈動(dòng)閥組分別控制方式的每個(gè)換流器控制需單獨(dú)配置直流系統(tǒng)電壓、電流測(cè)量點(diǎn)，以獲得高壓側(cè)閥組的控制電壓、控制電流以及低壓側(cè)閥組的控制電壓、控制電流。

2 單閥組的投入策略

2.1 投入方式選擇

單12脈動(dòng)閥組的投入方式主要有零功率解鎖和小觸發(fā)角解鎖2種。

2.1.1 零功率解鎖方式

零功率解鎖的過程為：閥組90°解鎖后，減小觸發(fā)角直至已投入閥組正常工作的直流電流和投入閥組零功率運(yùn)行的直流電流相等或接近，然后旁路開關(guān)動(dòng)作。零功率解鎖策略的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，對(duì)系統(tǒng)沖擊小，對(duì)高速旁路開關(guān)的要求較低；缺點(diǎn)是啟動(dòng)順序控制邏輯比較復(fù)雜，用時(shí)長，對(duì)系統(tǒng)的無功支撐要求很高[9-10]。

2.1.2 小觸發(fā)角解鎖方式

小觸發(fā)角解鎖的過程為：旁路開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)預(yù)先執(zhí)行分閘操作（機(jī)械操作時(shí)間約為60 ms，熄弧時(shí)間約為40 ms）；然后閥組以某一固定的小于90°的觸發(fā)角解鎖，解鎖的角度應(yīng)使該閥組瞬時(shí)產(chǎn)生很大的電流，即與正常運(yùn)行閥組的直流電流基本相等，使其旁路開關(guān)中的電流在瞬間由原值變?yōu)?；分閘成功后則閥組成功投入，可正常運(yùn)行。

小觸發(fā)角解鎖策略的優(yōu)點(diǎn)是快速，對(duì)交流系統(tǒng)的無功沖擊小，沒有投入交流濾波器的特殊要求，控制邏輯比較簡單；缺點(diǎn)是短時(shí)的直流功率波動(dòng)較大，對(duì)交流系統(tǒng)的輸送功率存在短時(shí)擾動(dòng)，對(duì)高速旁路斷路器要求高，需要高速旁路斷路器和閥觸發(fā)脈沖信號(hào)密切配合[18]。

鑒于零功率解鎖方式的啟動(dòng)順序控制邏輯較復(fù)雜、時(shí)間長，在雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式下的實(shí)現(xiàn)會(huì)相對(duì)復(fù)雜，且考慮到減小對(duì)無功支撐的要求，本文選用小觸發(fā)角解鎖方式。

2.2 小觸發(fā)角解鎖的關(guān)鍵點(diǎn)

小觸發(fā)角解鎖的2個(gè)主要關(guān)鍵點(diǎn)是解鎖觸發(fā)角的大小，以及旁路開關(guān)的分閘指令和閥組的解鎖指令的時(shí)序配合。

對(duì)于小觸發(fā)角解鎖方式，觸發(fā)角的確定原則是使旁路開關(guān)電流能迅速出現(xiàn)過零點(diǎn)。觸發(fā)角過大則可能導(dǎo)致過零點(diǎn)出現(xiàn)得不迅速；觸發(fā)角過小則會(huì)使閥組及旁路開關(guān)遭受很大沖擊，如果旁路開關(guān)在電流過零點(diǎn)未斷開后果將更為嚴(yán)重。旁路開關(guān)斷開后，直流回路串入了新的閥組，新的閥組相當(dāng)于一個(gè)電壓源，該電壓源的串入必然使得原有閥組損失相應(yīng)大小的直流電壓。閥組允許的最小直流電壓約為0.7 p.u.，因此所串入的閥組的直流電壓上限值為0.3 p.u.，由此可計(jì)算最小觸發(fā)角的大小[6]。

閥組兩端的直流電壓為：

其中，Ud0為空載直流電壓；Rc為等值換相電阻。當(dāng)串入閥組的直流電壓為0.3 p.u.時(shí)，則有：

其中，αN為正常運(yùn)行下的觸發(fā)角，αN=15°～20°。

令 Ud=U′d，整理可得：

如取 αN=15°、Rc*=0.08、Id=（0.1～1）IdN，可得最小觸發(fā)角 αmin=69.77°～72.82°。

因此，采用小觸發(fā)角解鎖方式投入閥組，其解鎖觸發(fā)角α不應(yīng)小于70°。

確定解鎖觸發(fā)角后，小觸發(fā)角解鎖中控制的另一關(guān)鍵點(diǎn)是：為了使旁路開關(guān)可在其電流過零點(diǎn)處被斷弧，旁路開關(guān)的分閘指令和閥組的解鎖指令在時(shí)序上需配合得當(dāng)。如果配合不當(dāng)，旁路開關(guān)將重合，此時(shí)投入閥組將在出口短路的情況下流過大電流。過早解鎖或保持觸發(fā)角時(shí)間過長，都會(huì)引起直流電流的擾動(dòng)。本文通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和大量的仿真分析，最后確定的時(shí)序?yàn)椋喊l(fā)出斷開高速旁路開關(guān)的命令后60 ms發(fā)出釋放觸發(fā)脈沖信號(hào)，并將觸發(fā)角限制在70°，維持時(shí)間為8 ms。

2.3 投入控制模塊

由于雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式的特殊性，高壓側(cè)閥組和低壓側(cè)閥組所得到的觸發(fā)角相同。如果解除觸發(fā)角限制轉(zhuǎn)為定電流/定電壓控制后，新投入閥組的觸發(fā)角α或熄弧角γ將瞬時(shí)變成正常運(yùn)行閥組的值。但此時(shí)直流電壓/直流電流還未達(dá)到全壓運(yùn)行狀態(tài)下的額定值，在控制器作用下觸發(fā)角α或熄弧角γ將有一個(gè)大幅度振蕩趨穩(wěn)的過程。仿真結(jié)果說明這種情況對(duì)系統(tǒng)的沖擊較大，危害系統(tǒng)安全運(yùn)行。

本文通過大量仿真研究提出當(dāng)投入閥組解除觸發(fā)角限制后，同時(shí)串入限速模塊和限幅模塊，限制觸發(fā)角變化幅值和速率。整流側(cè)和逆變側(cè)相應(yīng)的控制框圖分別如圖2、3所示。

圖2 整流側(cè)投入控制框圖Fig.2 Block diagram of deblocking control at rectifier side

圖3 逆變側(cè)投入控制框圖Fig.3 Block diagram of deblocking control at inverter side

在雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式下的單閥組投入過程中，逆變側(cè)的定電壓控制器還需要進(jìn)行電壓整定值的切換，如圖4所示。切換后定電壓控制器的電壓整定值將變成全壓運(yùn)行狀況下的電壓整定值。

圖4 定電壓控制整定值切換控制框圖Fig.4 Block diagram of setting value switching for constant voltage control

2.4 單閥組投入控制時(shí)序

單閥組的投入過程簡圖如圖5所示。以整流側(cè)高壓側(cè)閥組為例，主要示意了閥組和投入過程中需要的高速旁路開關(guān)動(dòng)作。V1為高壓側(cè)閥組，V2為低壓側(cè)閥組，C1和C2為高速旁路開關(guān)。

圖5 高壓側(cè)閥組投入過程簡圖Fig.5 Deblocking process of converter group at high voltage side

單閥組的投入詳細(xì)過程如下。

a.直流系統(tǒng)初始運(yùn)行工況見圖5（a）。在收到投入閥組命令后，整流側(cè)先于逆變側(cè)解鎖。整流側(cè)極控系統(tǒng)在收到解鎖命令后，立即發(fā)出分高速旁路開關(guān)的命令，經(jīng)60ms延時(shí)后發(fā)出釋放觸發(fā)脈沖信號(hào)，并將觸發(fā)角限制在 70°，維持時(shí)間為 8 ms，見圖 5（b）。

b.旁路開關(guān)成功斷開，整流側(cè)上、下2個(gè)閥組的電流接續(xù)，如圖5（c）所示。解除觸發(fā)角限制后即進(jìn)入定電流控制狀態(tài)，同時(shí)串入限速模塊（如圖3所示），限制觸發(fā)角變化速率。整流側(cè)經(jīng)過255 ms延時(shí)，退出限速模塊，正常運(yùn)行的電流控制器開始作用。

c.逆變側(cè)在整流側(cè)發(fā)出分高速旁路開關(guān)的命令10 ms后向系統(tǒng)發(fā)出分高速旁路開關(guān)的命令。逆變側(cè)經(jīng)60 ms延時(shí)后發(fā)出釋放觸發(fā)脈沖信號(hào)，并將觸發(fā)角限制在70°，維持時(shí)間為8 ms，過程同整流側(cè)。

d.旁路開關(guān)成功斷開，逆變側(cè)上、下2個(gè)閥組的電流成功接續(xù)。在解除觸發(fā)角限制后進(jìn)入定電壓控制狀態(tài)，同時(shí)串入限速模塊和限幅模塊（如圖3所示），該閥組由整流運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入逆變運(yùn)行狀態(tài)。逆變側(cè)經(jīng)過245 ms延時(shí)，退出限速模塊和限幅模塊，同時(shí)切換定電壓控制器的電壓整定值（如圖4所示），全壓運(yùn)行狀態(tài)下的電壓控制器開始作用。

由以上控制時(shí)序可得單閥組投入的控制邏輯，如圖6所示。

2.5 單閥組投入仿真結(jié)果

為了減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊，閥組投入應(yīng)該在較小傳輸功率下。仿真以單極高壓側(cè)閥組的投入為例。在高壓側(cè)閥組投入前，直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)為：單極的低壓側(cè)閥組處于運(yùn)行狀態(tài)，直流電壓為400 kV，直流電流為1 000 A，直流功率為400 MW。當(dāng)閥組投入成功后，單極4個(gè)閥組都處于運(yùn)行狀態(tài)，直流電壓為800kV，直流電流為500A，直流功率為400MW，直流系統(tǒng)采用定功率控制模式。

圖6 單閥組投入控制邏輯Fig.6 Control logic of single converter group deblocking

圖7為雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式下高壓側(cè)閥組投入時(shí)整流側(cè)和逆變側(cè)仿真波形，可以看出：投入過程的調(diào)整時(shí)間比較短，約0.6 s系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；投入過程中，有功功率和無功功率均發(fā)生波動(dòng)，且最大波動(dòng)都達(dá)到正常運(yùn)行值的2.5倍左右，但是功率波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間很短；直流電壓和直流電流經(jīng)過投入初期允許范圍內(nèi)的波動(dòng)，逐漸達(dá)到全壓運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定值；整流側(cè)高壓側(cè)閥組和低壓側(cè)閥組的觸發(fā)角α在開始投入后的0.1 s左右就達(dá)到一致，上、下兩閥組達(dá)到平衡運(yùn)行狀態(tài)，然后觸發(fā)角逐漸調(diào)整至22°，再通過調(diào)整換流變壓器抽頭的位置可以達(dá)到15°；逆變側(cè)高壓側(cè)閥組的熄弧角γ從投入時(shí)的110°逐漸減小到與低壓側(cè)閥組的熄弧角一致，低壓側(cè)閥組的熄弧角波動(dòng)很小，穩(wěn)定在22°。

圖7 高壓側(cè)閥組投入時(shí)仿真波形Fig.7 Simulative waveforms of HV-side converter group deblocking

3 單閥組的退出策略

3.1 退出方式選擇

單12脈動(dòng)閥組正常退出的策略是：控制待退出閥組的觸發(fā)角α或熄弧角γ按一定速率增大，使其電壓降低到高速旁路開關(guān)允許的合閘條件后閉合高速旁路開關(guān)，同時(shí)控制閉合高速旁路開關(guān)時(shí)流過它的電流，避免開關(guān)閉合瞬間的大電流對(duì)開關(guān)觸頭造成的損害。閥組移相后電流自然轉(zhuǎn)移到旁路開關(guān)通路上，隨即允許閉鎖該閥組[11]。

為了減少閥組在大角度的長時(shí)間運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)造成的影響，可以通過投旁通對(duì)的策略來配合閥組的退出。將兩側(cè)要退出的閥組觸發(fā)角α或熄弧角γ按一定速率往大角度方向移動(dòng)，使直流電壓下降，然后投入旁通對(duì)，使閥組兩端的直流電壓快速接近0[19]。

因此本文采用的單閥組退出方式為：將待退出閥組的觸發(fā)角α或熄弧角γ按一定速率調(diào)整至90°，并通過投旁通對(duì)加速退出過程。

3.2 退出控制模塊

為了滿足不同系統(tǒng)的退出要求，本文提出通過改變觸發(fā)角α或熄弧角γ變化速率的方法改變退出時(shí)間，可以通過修改限速模塊的整定值實(shí)現(xiàn)。退出控制框圖如圖8所示。

3.3 單閥組退出控制時(shí)序

單閥組的退出過程簡圖見圖9，詳述如下。

a.直流系統(tǒng)的初始運(yùn)行工況如圖9（a）所示。直流系統(tǒng)在收到退出閥組命令后，逆變側(cè)將要退出閥組的觸發(fā)角按一定速率調(diào)整到90°，使直流電壓下降，同時(shí)切換定電壓控制器的電壓整定值至半壓運(yùn)行狀態(tài)整定值（如圖4所示）。

圖8 整流側(cè)和逆變側(cè)退出控制模塊Fig.8 Blocking control module for rectifier-side and inverter-side converter group

圖9 高壓側(cè)閥組退出過程簡圖Fig.9 Blocking process of converter groupat high voltage side

b.延遲10 ms后，整流側(cè)將要退出的閥組觸發(fā)角按一定速率調(diào)整到90°，此后如果整流側(cè)沒有禁止投旁通對(duì)信號(hào)，則將旁通對(duì)投入，并發(fā)出合高速旁路開關(guān)命令，如圖 9（b）所示。

c.在整流側(cè)投入旁通對(duì)10 ms后，并且逆變側(cè)退出閥組的觸發(fā)角已調(diào)整到90°，此時(shí)如果逆變側(cè)沒有禁止投旁通對(duì)信號(hào)，則將旁通對(duì)投入，同時(shí)發(fā)出合高速旁路開關(guān)命令，過程和整流側(cè)相同。

d.待直流電流從閥組轉(zhuǎn)移到旁路開關(guān)后，直流系統(tǒng)進(jìn)入半壓運(yùn)行狀態(tài)，如圖9（c）所示。整流側(cè)和逆變側(cè)在旁路開關(guān)閉合后100 ms閉鎖閥組。

由以上控制時(shí)序可得單閥組退出的控制邏輯，如圖10所示。

圖10 單閥組退出控制邏輯Fig.10 Control logic of single converter group blocking

3.4 單閥組退出仿真結(jié)果

為了減小對(duì)系統(tǒng)的沖擊，閥組退出應(yīng)在較小傳輸功率下。仿真以單極高壓側(cè)閥組退出為例。在高壓側(cè)閥組退出前，直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)為：單極的4個(gè)閥組都處于運(yùn)行狀態(tài)，直流電壓為800 kV，直流電流為500A，直流功率為400MW。當(dāng)閥組退出成功后，兩側(cè)的高壓側(cè)閥組停運(yùn)被旁路，2個(gè)低壓側(cè)閥組保持運(yùn)行。直流電壓為400 kV，直流電流為1000A，直流功率為400 MW。直流系統(tǒng)采用定功率控制模式。

圖11 高壓側(cè)閥組退出時(shí)仿真波形Fig.11 Simulative waveforms of HV-side converter group blocking

圖11為雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式下高壓側(cè)閥組退出時(shí)整流側(cè)和逆變側(cè)仿真波形。可以看出：退出過程的調(diào)整時(shí)間約為0.8 s，退出時(shí)間可根據(jù)不同系統(tǒng)要求進(jìn)行修改；退出過程中，功率波動(dòng)持續(xù)時(shí)間很短，有功功率會(huì)先降到290 MW后逐漸恢復(fù)到400 MW，無功功率先上升后下降，最大無功功率波動(dòng)達(dá)到正常運(yùn)行值的2.5倍左右；直流電壓和直流電流平穩(wěn)地達(dá)到半壓運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定值；整流側(cè)低壓側(cè)閥組的觸發(fā)角α經(jīng)過波動(dòng)后達(dá)到穩(wěn)定值16°；逆變側(cè)低壓側(cè)閥組的熄弧角γ波動(dòng)很小，穩(wěn)定在22°。

4 結(jié)論

a.在特高壓直流雙12脈動(dòng)閥組共同控制的方式下，本文提出的控制策略能夠快速安全地實(shí)現(xiàn)單閥組的正常在線投入/退出。

b.單閥組投入時(shí)采用小觸發(fā)角解鎖方式，將整流側(cè)和逆變側(cè)待投入閥組的觸發(fā)角限制在70°。

c.為了實(shí)現(xiàn)單閥組安全快速地投入，提出當(dāng)投入閥組解除觸發(fā)角限制后，同時(shí)串入限速模塊和限幅模塊，限制觸發(fā)角變化幅值和速率。

d.單閥組退出時(shí)整流側(cè)和逆變側(cè)觸發(fā)角按一定速率調(diào)整到90°，并借助旁通對(duì)加速退出過程。

e.單極雙12脈動(dòng)閥組共同控制方式下，單閥組投入/退出后需要對(duì)定電壓控制器的電壓整定值進(jìn)行切換。

f.本文提出的控制策略適用于特高壓直流系統(tǒng)，可以根據(jù)不同系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。