趙勇帥,于輝,李勝男
(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650027)
某±500kV永富直流額定容量3000MW,受端功率輸送方式有:全送廣西、全送云南、分送云南廣西。換流站極2、極1換流閥分別帶電運(yùn)行約一個(gè)半月后,頻繁出現(xiàn)極控控制模式由定電圧控制切換為定熄弧角控制,極控切換的過程中直流功率也會波動(dòng),并偶爾發(fā)生換相失敗對于功率波動(dòng)現(xiàn)象,文獻(xiàn)[1-2]提出了基于功率傳遞并網(wǎng)方式的聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)計(jì)算方法,將并網(wǎng)過程劃分為功率傳遞過程和合閘過程來分析,準(zhǔn)確地描述了并網(wǎng)的動(dòng)態(tài)過程;文獻(xiàn)[3]研究了勵(lì)磁超調(diào)會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組功率波動(dòng);文獻(xiàn)[4]通過多機(jī)系統(tǒng)模態(tài)分析推出節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率擾動(dòng)對系統(tǒng)固有振蕩模式的影響因子;文獻(xiàn)[5]采用二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)理論,分析了直流閉鎖引發(fā)交流聯(lián)絡(luò)線功率波動(dòng)的本質(zhì);文獻(xiàn)[6]研究了西電東送交流斷面功率波動(dòng)預(yù)留空間的合理值。以上文獻(xiàn)均是對交流系統(tǒng)功率擾動(dòng)的分析。而對于換流站極控頻繁切換并引起直流功率波動(dòng)和換相失敗的現(xiàn)象,國內(nèi)無可借鑒的直流工程可借鑒,本文對極控頻繁切換原因查找的思路和解決措施的研究可為其它直流工程出現(xiàn)類似現(xiàn)象提供借鑒和參考。
逆變器正常運(yùn)行時(shí)采用定電壓控制模式,與定熄弧角控制模式相比,更有利于交流母線電壓穩(wěn)定,其原因是:交流母線電壓下降引起直流電壓降低,電壓調(diào)節(jié)器通過減小觸發(fā)角使逆變器消耗無功減少,有利于交流母線電壓的恢復(fù);小功率運(yùn)行時(shí),關(guān)斷角較大,出現(xiàn)換相失敗的幾率較低,且逆變器消耗的無功增多,有利于無功的平衡。定熄弧角控制用于防止關(guān)斷角太小而引發(fā)換相失敗。
式中:UC為換相電壓的線電壓有效值,β為越前觸發(fā)角,XC為換相電抗,Id為直流電流,tEOV為電壓過零點(diǎn)時(shí)刻的時(shí)間,tEOC為電流過零點(diǎn)時(shí)刻的時(shí)間。
逆變側(cè)通過比較電壓誤差值和熄弧角誤差值的大小來選擇控制模式,控制模式切換數(shù)學(xué)模型為:
式中:CM為控制模式,UM為定電壓控制模式,γM為定熄弧角控制模式,UACT為直流電壓實(shí)際值,UREF為直流電壓參考值,γACT為熄弧角實(shí)際值,γREF為熄弧角參考值。
永富直流極2首先出現(xiàn)極控頻繁切換現(xiàn)象,約一個(gè)月后,極1也出現(xiàn)極控頻繁切換現(xiàn)象,切換過程及功率波動(dòng)完全相似,偶爾換相失敗也會伴隨出現(xiàn),兩極先后出現(xiàn)極控頻繁切換現(xiàn)象的時(shí)間差同兩極帶電運(yùn)行的時(shí)間差基本吻合。為確保換流器正常換流和直流功率平穩(wěn)輸送,避免出現(xiàn)直流非計(jì)劃閉鎖事故發(fā)生,還原極控頻繁切換過程并深入查找原因顯得尤為重要和迫切。
極2外置故障錄波如圖1所示。
圖1 極2外置故障錄波
從波形可知,由于實(shí)測熄弧角為零,極控控制模式由定電壓控制模式切換為定熄弧角控制模式,54ms后控制模式由定熄弧角控制模式返回定電壓控制模式。在控制模式切換過程中,極2直流功率出現(xiàn)波動(dòng),直流電流先從1300A上升至1580A后又恢復(fù)至擾動(dòng)前1300A,未發(fā)生換相失敗。
極2出現(xiàn)極控頻繁切換現(xiàn)象約一個(gè)月后,極1也出現(xiàn)類似現(xiàn)象,極1外置故障錄波如圖2所示。
圖2 極1外置故障錄波
從波形可知,熄弧角從19.7°突變?yōu)?.07°,導(dǎo)致極控控制模式由定電壓控制切換為定熄弧角控制,該控制模式下,為了將熄弧角實(shí)測值控至參考值17°,減小觸發(fā)角,觸發(fā)角從145°減小至136°,觸發(fā)角的減小導(dǎo)致直流電壓下降,從488kV降至453kV,由于定功率控制,直流電流從2400A升至2800A。直流功率約有±100WM波動(dòng),直流系統(tǒng)波動(dòng)導(dǎo)致交流電壓波動(dòng),突變后約400ms,交直流恢復(fù)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。
作為防止極控控制模式頻繁切換的臨時(shí)性措施,在極控程序里增加實(shí)測熄弧角防誤邏輯:當(dāng)極控檢測到實(shí)測熄弧角突變的一定時(shí)間內(nèi),熄弧角保持上一周期正常值;當(dāng)極控系統(tǒng)檢測到實(shí)測熄弧角突變超過一定時(shí)間外,熄弧角采用當(dāng)前實(shí)測熄弧角。其目的是為了躲過實(shí)測熄弧角突變?yōu)?°導(dǎo)致極控控制模式切換和功率異常波動(dòng)。
經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測波形統(tǒng)計(jì),極2熄弧角突變?yōu)?°持續(xù)時(shí)間在12-14ms范圍,實(shí)測熄弧角檢測防誤判別邏輯如下:1)如果實(shí)測熄弧角大于2°,則熄弧角采用當(dāng)前實(shí)測熄弧角用于控制;2)如果實(shí)測熄弧角小于2°且持續(xù)時(shí)間小于18ms,則熄弧角保持上周期的值用于控制;3)如果實(shí)測熄弧角小于2°且持續(xù)時(shí)間超過18ms,超過18ms的時(shí)間內(nèi),則熄弧角采用當(dāng)前實(shí)測熄弧角用于控制;4)如果在此過程中發(fā)生換相失敗,則現(xiàn)有程序?qū)?shí)測熄弧角置為0°,確保控制器的快速切換和調(diào)節(jié)。實(shí)測熄弧角檢測防誤邏輯如圖3所示。
圖3 熄弧角檢測防誤邏輯
實(shí)測熄弧角檢測防誤邏輯的數(shù)學(xué)模型為:
式中,γr為用于控制的熄弧角,γi為ti時(shí)間窗內(nèi)的實(shí)測熄弧角,γi-1為ti時(shí)間窗相鄰前一個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的熄弧角。
為查找極控頻繁切換的原因,在極2 VBE(Valve Base Electronics)屏上測量A/B系統(tǒng)Y1閥觸發(fā)控制信號和電流過零EOC(Ene Of Cerrent)信號,A/B系統(tǒng)Y1閥EOC信號在時(shí)間上存在1.2ms(21.6°)差異,對應(yīng)時(shí)刻極2極控A系統(tǒng)內(nèi)置故障錄波如圖4所示。
圖4 極2極控內(nèi)置故障錄波
從圖4可以看出,Y1閥的EOC信號與電壓過零信號EOV(Ene Of Voltage)的時(shí)間差基本為0ms,導(dǎo)致熄弧角突變?yōu)?°。因此可以確定熄弧角突變?yōu)?°與VBE送至極控的EOC信號延時(shí)有關(guān)。對EOC信號延遲時(shí)刻TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測波形如圖6所示。EOC信號延遲時(shí)刻,TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號脈寬為 1.52us。
測量其它晶閘管負(fù)電壓回報(bào)脈寬,極2 TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號脈寬區(qū)間為[1.3us,1.8us],監(jiān)視過程中未出現(xiàn)脈沖丟失、延遲現(xiàn)象,脈寬穩(wěn)定,不受閥運(yùn)行工況及功率輸送影響。
通過分析測量的波形和TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號脈寬,換流閥運(yùn)行時(shí)熄弧角實(shí)際沒有異常,而是因EOC信號延遲導(dǎo)致極控判斷出錯(cuò)誤的熄弧角,進(jìn)而導(dǎo)致控制模式切換和功率波動(dòng)。根據(jù)換流閥設(shè)備規(guī)范,閥額定工況下正常運(yùn)行的熄弧角區(qū)間為[17°,20.5°],降壓運(yùn)行方式下熄弧角更大,換流閥型式試驗(yàn)的最小熄弧角的關(guān)斷時(shí)間是870us(15.66°),滿足規(guī)范要求。
晶閘管關(guān)斷時(shí)間tq表征晶閘管從電流過零到恢復(fù)正向阻斷能力所需的最短時(shí)間,當(dāng)換流閥熄弧角小于tq值時(shí),無法保證晶閘管正常工作,將發(fā)生換相失敗。選取同富寧站相同的20只晶閘管級,測試晶閘管的最小關(guān)斷角,小于此關(guān)斷角時(shí),晶閘管已不能關(guān)斷。
測試結(jié)果顯示,晶閘管最小關(guān)斷時(shí)間范圍[320,480us]([5.76°,8.64°]),大部分晶閘管最小關(guān)斷時(shí)間在390us(7°)以上,換流閥晶閘管在熄弧角小于7°時(shí)會大概率出現(xiàn)換相失敗。因此極控控制模式切換時(shí)偶爾會出現(xiàn)換相失敗現(xiàn)象。
EOC信號延遲的原因可能有:VBE硬件檢測問題,在個(gè)別周波未檢測到TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號導(dǎo)致個(gè)別周波出現(xiàn)EOC檢測異常;VBE與TVM配合問題,VBE程序不完全匹配TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬,導(dǎo)致個(gè)別周波TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號不能被VBE可靠檢測到。對于VBE硬件檢測問題,在極2停電時(shí)更換VBE屏Y1閥對應(yīng)的光接收板,監(jiān)測結(jié)果仍然存在EOC信號延遲現(xiàn)象,因而排除VBE硬件檢測問題。對于VBE與TVM配合問題,VBE程序中對負(fù)電壓信號識別的脈寬區(qū)間為[2us,3us],實(shí)測TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號脈寬區(qū)間為[1.3us,1.8us],導(dǎo)致VBE不能可靠識別TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號。EOC信號產(chǎn)生邏輯是:一個(gè)單閥內(nèi)任意一個(gè)閥段有5個(gè)及以上晶閘管級TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號被VBE識別出時(shí),VBE程序即生成一個(gè)EOC信號。因此,當(dāng)一個(gè)單閥的6個(gè)閥段同時(shí)有9個(gè)及以上晶閘管級TVM板負(fù)電壓回報(bào)信號未能被VBE可靠識別時(shí),VBE程序不能正確生成EOC信號。經(jīng)1.2ms(21.6°)后VBE發(fā)出EOC信號,是因?yàn)榻?jīng)21.6°關(guān)斷角后,VBE程序?qū)⒄妷夯貓?bào)信號誤判為負(fù)電壓回報(bào)信號,隨即發(fā)出一個(gè)錯(cuò)誤的EOC信號,表現(xiàn)為EOC信號延時(shí)1.2ms。
晶閘管TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬控制回路如圖5所示,其工作原理是:當(dāng)晶閘管兩端電壓達(dá)到負(fù)電壓檢測定值-160V±20V時(shí),可控硅U1開通,光發(fā)射板供電回路工作,當(dāng)輸出端電壓為12.7V時(shí),光發(fā)射管開通,同時(shí)電容C1經(jīng)電阻R1和R2、穩(wěn)壓管D1、可控硅U1構(gòu)成放電回路,控制光發(fā)射管關(guān)斷。
圖5 TVM負(fù)電壓脈寬控制回路
光發(fā)射管供電回路輸出端A點(diǎn),脈寬控制回路中B點(diǎn)和C點(diǎn)的電壓波形如圖6所示。
圖6 控制回路關(guān)鍵點(diǎn)電壓波形
負(fù)電壓回報(bào)脈寬T可表示為:
式中:T1為供電回路輸出電壓為12.7V時(shí)的時(shí)間;T2為B點(diǎn)電壓下降到截止電壓Vg(th)時(shí)的時(shí)間。
當(dāng)光發(fā)射供電回路輸出電壓達(dá)到12.7V時(shí),光發(fā)射管工作,為負(fù)電壓建立回報(bào)脈寬的起始時(shí)刻;當(dāng)B點(diǎn)電壓下降到截止電壓Vg(th)時(shí),光發(fā)射管關(guān)斷,為負(fù)電壓建立回報(bào)脈寬的截止時(shí)刻。
多層陶瓷電容器是由陶瓷介質(zhì)層和內(nèi)電極相互交替重疊制成的片式電容原件,結(jié)構(gòu)主要包括:陶瓷介質(zhì)、內(nèi)電極和外電極三部分,如圖7所示,陶瓷介質(zhì)層與內(nèi)部金屬電極層相互疊合,兩兩交替,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成,外電極噴涂有防止金屬電極氧化的鎳、錫層,同時(shí)保證電極具有良好的可焊性。
圖7 陶瓷電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)
陶瓷電容的內(nèi)部疊層結(jié)構(gòu)可等效為若干平板電容的并聯(lián),其容值為:
式中:ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),n為介質(zhì)層數(shù),S為極板交疊面積,d為介質(zhì)厚度。通過減小層間介質(zhì)厚度、采用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料、增加疊層數(shù)和增加疊層面積,可以提高電容容值。
根據(jù)美國電子聯(lián)合會提出的分類標(biāo)準(zhǔn),目前使用的陶瓷電容主要分為C0G(NP0)、X7R、ZU5、Y5V、X8R和X9R六類,采用銣、釤等稀有氧化物基料的C0G電容具有介質(zhì)損耗小、絕緣電阻高、頻率和溫度穩(wěn)定性高等有點(diǎn),但介電常數(shù)相對較低,因而目前制造高容值的小尺寸電容較困難。而采用BaTiO3陶瓷填充填充的X7R電容具有更高的介電常數(shù),同等外形尺寸下能提供容值更大的產(chǎn)品。陶瓷電容實(shí)際值CR可通過以下兩式計(jì)算出:
式中:AF為老化因子,AR為老化速率,TR為參考時(shí)間,TT為測試時(shí)間,CN為電容標(biāo)稱值。
富寧站TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬控制電路中的C1電容采用的是X7R型電容,其容值會隨工作時(shí)長而發(fā)生變化,X7R型電容老化速率AR=3,X7R型電容容值隨工作時(shí)長的增加而降低,當(dāng)時(shí)長為1000h(約1個(gè)月)時(shí),C1為1.0nF;當(dāng)工作時(shí)長為175000h(約20年)時(shí),C1為0.933nF。工作1000h前容值下降21%,到達(dá)標(biāo)稱值,此后容值下降趨勢逐漸平緩,工作175000h時(shí),容值下降小于7%。X7R型電容容值改變是內(nèi)部填充的BaTiO3陶瓷基質(zhì)介電常數(shù)變化的外在表現(xiàn),由于BaTiO3陶瓷介電常數(shù)具有隨時(shí)間變化而逐漸達(dá)到穩(wěn)定的特性,X7R型電容老化趨勢也會逐漸減緩。
為進(jìn)一步研究X7R型電容老化特性,拆卸極 2 Y1M2V1-Y1M2V13、D4M1V1-D4M1V13共26塊TVM板進(jìn)行老化試驗(yàn),隨機(jī)抽取15塊TVM板更換新電容及高溫去老化測試,已運(yùn)行半年的TVM板,由于C1電容老化,容值下降,導(dǎo)致負(fù)電壓回報(bào)脈寬縮減為[1.789us,2.177us],而出廠試驗(yàn)為[2.24us,2.72us];隨機(jī)抽取的15塊TVM板,將C1電容更換為新電容后,TVM負(fù)向脈寬恢復(fù)設(shè)計(jì)值;將原板卡上已老化的C1電容加熱至居里溫度120℃-130℃以上保持1min,根據(jù)X7R型電容特性,電容容值會部分恢復(fù)出廠容值,去老化試驗(yàn)后,TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬恢復(fù)至[2.306us,2.674us]。
為解決電容老化問題,采用C0G型電容替換X7R型電容,C0G型電容特性曲線如圖8、9所示。
圖8 電容隨溫度變化曲線
圖9 電容隨工作時(shí)長變化曲線
從圖9中可知,C0G型電容隨溫度變化和工作時(shí)長特性明顯優(yōu)于X7R型電容,其容值幾乎不受工作時(shí)長影響,用C0G型電容更換TVM板上的X7R型電容后,可以從根本上解決極控頻繁切換問題。
通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)測熄弧角防誤邏輯功能是否正確。
方案一:模擬實(shí)測熄弧角突變?yōu)?°且持續(xù)15ms,雙極功率1960MW,單極功率980MW,模擬熄弧角由18.4°突變?yōu)?°且持續(xù)時(shí)間15ms,如圖10所示。
圖10 熄弧角檢測防誤邏輯正常保持
從仿真波形可知,極控系統(tǒng)用于控制的實(shí)測熄弧角能夠保持上一周期正常值18.4°,沒有引起極控切換和直流功率波動(dòng)。
方案二:模擬實(shí)測熄弧角突變?yōu)?°且持續(xù)25ms,雙極功率1960MW,單極功率980MW,模擬熄弧角由18.4°突變?yōu)?°且持續(xù)時(shí)間25ms,如圖11所示。
圖11 熄弧角檢測防誤邏輯正常退出
圖12 TVM板功能試驗(yàn)回路
從仿真波形可知,極控系統(tǒng)用于控制的實(shí)測熄弧角延遲18ms后變?yōu)?°并持續(xù)7ms時(shí)間,在這7ms時(shí)間內(nèi),實(shí)測熄弧角檢測防誤邏輯正常退出并選擇實(shí)測值0°,控制模式由定電圧控制模式切換為定熄弧角控制模式,直流功率出現(xiàn)波動(dòng),雙極功率波動(dòng)最大幅度為61MW,單極功率波動(dòng)幅度最大為44MW。
對拆卸下的398塊TVM板(極1 156塊、極2 156塊、備件86塊),采用C0G型電容更換X7R型電容后,按照OXS.199.081《TVM-02晶閘管電壓檢測單元例行試驗(yàn)大綱》,開展TVM板功能試驗(yàn),試驗(yàn)回路如圖12所示。
接觸式調(diào)壓器串接單相升壓變壓器為試驗(yàn)電源,試驗(yàn)回路中串聯(lián)5kΩ負(fù)載電阻,在晶閘管級兩端并聯(lián)一個(gè)RC電路(R=36Ω,C=1.4uF), 將 TVM-02的 X1、X2、X3、X4分別接入回路中,從TVM-02板上引出一根光纖到光接收電路。試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)接觸式調(diào)壓器,控制單相升壓變壓器閥側(cè)輸出電壓,給晶閘管級施加試驗(yàn)電壓,用示波器監(jiān)測TVM-02測試點(diǎn)波形,示波器通道1(CH1)接晶閘管陽極,通道2(CH2)接光接收板H1。采用C0G型電容更換X7R型電容的398塊TVM板各項(xiàng)功能均滿足要求。
TVM板高溫老化試驗(yàn)回路同TVM板功能試驗(yàn)回路圖相同,在晶閘管級兩端施加1500Vpeak電壓,在環(huán)境溫度為70°下連續(xù)進(jìn)行96h高溫運(yùn)行試驗(yàn),每隔6h記錄一次TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬。
假設(shè)換流閥運(yùn)行中TVM板電容溫度為50℃,則該試驗(yàn)的加速比為6.585,連續(xù)進(jìn)行96h試驗(yàn)的等效試驗(yàn)時(shí)間約為26.3天,試驗(yàn)結(jié)果如圖13(a)、(b)所示。
圖13 (a) X7R型TVM板高溫老化曲線
圖13 (b) C0G型TVM板高溫老化曲線
從圖13可知,采用X7R型電容的TVM板,負(fù)電壓回報(bào)脈寬為[2.228us,1.967us],變化量約為0.261us;采用C0G型電容的TVM板,負(fù)電壓回報(bào)脈寬為[2.520us,2.480us],變化量約為0.04us,變化量遠(yuǎn)小于X7R型TVM板。高溫老化試驗(yàn)前后,X7R型TVM板由于有效容值下降,導(dǎo)致負(fù)電壓回報(bào)脈寬縮短,同現(xiàn)場測試結(jié)果相吻合,而C0G型TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬幾乎無變化。
在TVM板(C0G型)中隨機(jī)抽取6塊,安裝于某背靠背直流工程閥D5V1-D5V6級,在功率正反送及直流解閉鎖狀態(tài)下,分別測量TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬,以#0935 TVM板為例,解鎖前后實(shí)測負(fù)電壓回報(bào)脈寬如圖14(a)、(b)所示。
圖14(a) 閉鎖下#0935 TVM負(fù)電壓脈寬
圖14(b) 解鎖下#0935 TVM負(fù)電壓脈寬
C0G型TVM板解閉鎖狀態(tài)下,負(fù)電壓回報(bào)脈寬滿足VBE程序可靠識別的區(qū)間[2us,3us],EOC信號正常,直流穩(wěn)定運(yùn)行;對同一塊TVM板,負(fù)電壓脈寬閉鎖狀態(tài)下較解鎖狀態(tài)下略小,整流運(yùn)行工況下較逆變運(yùn)行工況下略小?,F(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了采用C0G型電容替換X7R型電容的有效性和實(shí)用性,修復(fù)后的TVM板各項(xiàng)功能正常,能夠滿足VBE對TVM板回報(bào)信號的監(jiān)測,從源頭上解決了EOC信號延遲問題。
直流雙極TVM板X7R型電容隨工作時(shí)長老化,容值下降,導(dǎo)致TVM板負(fù)電壓回報(bào)脈寬縮短,致使VBE不能可靠識別負(fù)電壓回報(bào)信號,隨機(jī)出現(xiàn)EOC信號延遲,極控熄弧角突變?yōu)?°,進(jìn)而引發(fā)極控控制模式頻繁切換和直流功率異常波動(dòng)。作為臨時(shí)性防止極控頻繁切換的措施,在極控程序里增加實(shí)測熄弧角檢測防誤邏輯;作為根本性解決極控頻繁切換的措施,采用老化特性穩(wěn)定的C0G型電容替換TVM板X7R型電容。通過仿真及現(xiàn)場試驗(yàn)表明:熄弧角防誤邏輯能夠有效屏蔽極控頻繁切換;采用C0G型TVM板能夠產(chǎn)生正確的負(fù)電壓回報(bào)脈寬;驗(yàn)證了本文所提熄弧角防誤邏輯和采用C0G型TVM板的有效性和正確性。