青豫直流受端中點(diǎn)分壓器投退策略研究

劉 凱 鄒 強(qiáng) 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(nèi)在運(yùn)的特高壓直流工程按高低壓閥組是否接入同一交流電網(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)，低壓閥組接入1 000kV 交流電網(wǎng)，兩個(gè)電網(wǎng)相互獨(dú)立，無直接聯(lián)系，此類工程可以簡(jiǎn)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(fù)雜，集中體現(xiàn)在無功控制、閥組電壓平衡控制、分接開關(guān)控制等功能[4-6]。

青?！幽稀?00kV 特高壓直流輸電工程（以下簡(jiǎn)稱“青豫直流”）額定電壓±800kV，直流線路長(zhǎng)度1 587km，直流輸送容量8 000MW，是世界首個(gè)以輸送新能源為主的特高壓直流工程。與前期投運(yùn)的工程相比，青豫直流在一次主接線結(jié)構(gòu)上具有新的特點(diǎn)：受端直流高低壓閥組分別接入兩個(gè)500kV交流電網(wǎng)，兩個(gè)500kV 電網(wǎng)之間配置獨(dú)立的母聯(lián)斷路器，通過母聯(lián)斷路器的分合可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)交流電網(wǎng)的分裂與聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，提升功率潮流控制靈活性。直流中點(diǎn)分壓器是采用分層接入方式的特高壓直流工程的必備設(shè)備，但對(duì)不分層的直流工程而言卻不然，中點(diǎn)分壓器故障會(huì)引起直流功率擾動(dòng)甚至換流器閉鎖。因此對(duì)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(diǎn)分壓器的投入及退出運(yùn)行問題。

文獻(xiàn)[7]研究了分層接入方式直流工程兩個(gè)串聯(lián)閥組的電壓特性，提出電壓平衡控制策略。文獻(xiàn)[8]研究了適應(yīng)于分層接入直流工程特點(diǎn)的閥組選擇投退控制，協(xié)調(diào)功率控制等策略。文獻(xiàn)[9]研究了分層接入直流功率絕對(duì)最小濾波器不滿足回降功率的相關(guān)策略。文獻(xiàn)[10]研究了分層接入方式下交直流系統(tǒng)中長(zhǎng)期電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制的相關(guān)功能。文獻(xiàn)[11]提出了分層接入下預(yù)防換相失敗的相關(guān)優(yōu)化措施。上述文獻(xiàn)雖然從不同角度對(duì)分層接入方式給直流系統(tǒng)帶來的問題進(jìn)行了研究，但卻無法解決青豫直流面臨的問題。

本文重點(diǎn)研究不同運(yùn)行方式下直流中點(diǎn)分壓器的投入及退出運(yùn)行策略，既滿足交流運(yùn)行方式需要，又減小運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換、交流保護(hù)動(dòng)作等情況下對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊，改善中點(diǎn)分壓器故障后直流控制系統(tǒng)的響應(yīng)，從而提高直流系統(tǒng)的可靠性，保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。最后基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（real time digital simulator, RTDS）搭建青豫直流實(shí)物控制保護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)直流中點(diǎn)分壓器投退策略的正確性進(jìn)行驗(yàn)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(wǎng)（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(wǎng)（圖1 中AC 500kV 2#）共有豫摯、豫周等4回出線，同時(shí)通過兩臺(tái)聯(lián)絡(luò)變與1 000kV 交流電網(wǎng)相連。在兩個(gè)500kV 電網(wǎng)之間配置獨(dú)立的母聯(lián)斷路器：當(dāng)母聯(lián)斷路器合上時(shí)，兩個(gè)交流電網(wǎng)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(wǎng)，直流系統(tǒng)構(gòu)成不分層工程；當(dāng)母聯(lián)斷路器分開時(shí)，兩個(gè)交流電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，直流系統(tǒng)構(gòu)成分層工程。在直流場(chǎng)電壓分壓器配置方面，每極共設(shè)置三個(gè)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(diǎn)分壓器DM；通過DM 可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閥組電壓的獨(dú)立控制及均衡兩個(gè)閥組電壓的目的。

圖1 青豫直流豫南站主接線

2 直流中點(diǎn)分壓器故障應(yīng)對(duì)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(cè)控制直流電流，逆變側(cè)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(shí)通過分接開關(guān)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)直流電壓的調(diào)節(jié)[12]；另一種為定直流電壓控制，即通過電壓調(diào)節(jié)器輸出的觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)直流電壓的精確調(diào)節(jié)[13]。在此過程中，通常設(shè)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(fā)角和分接開關(guān)檔位跟隨控制閥組的觸發(fā)角和分接開關(guān)檔位[14]。由于高低壓換流變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)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(yùn)行的同時(shí)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(diǎn)分壓器DM。

分層接入特高壓直流典型控制方式為：分層側(cè)運(yùn)行于逆變模式時(shí)，主要目標(biāo)為建立直流電壓，不同的是高低壓閥組獨(dú)立控制各自閥組電壓（可通過改進(jìn)后定熄弧角配合分接開關(guān)控制或通過電壓調(diào)節(jié)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(cè)運(yùn)行于整流模式時(shí)，主要目標(biāo)為控制直流電流，與此同時(shí)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(cè)控制策略如圖2 所示。

圖2 直流分層控制策略

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

通過對(duì)比不難看出，就交直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，不分層工程是分層工程的一種特殊應(yīng)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(huì)帶來成本增加及運(yùn)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(dāng)前在運(yùn)的直流控制保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)分為三種：

1）DM 分壓器可以輸出測(cè)點(diǎn)故障信號(hào)，直流控制系統(tǒng)利用該故障信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)切換，若故障仍然存在則切換至UDM計(jì)算值[15]。

2）DM 分壓器在測(cè)點(diǎn)無故障信號(hào)輸出情況下測(cè)點(diǎn)輸出異常，將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，超出限值后進(jìn)行系統(tǒng)切換，切換后故障仍然存在時(shí)切換至UDM計(jì)算值[16]。

3）DM 分壓器非電量保護(hù)動(dòng)作，閉鎖低壓閥組，將UDM測(cè)點(diǎn)切換UDN維持直流繼續(xù)運(yùn)行。

直流控制系統(tǒng)對(duì)于DM 分壓器上述故障的處理雖然可以臨時(shí)應(yīng)對(duì)DM 分壓器故障導(dǎo)致直流整極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)，但也存在三個(gè)問題：

一是直流中點(diǎn)電壓UDM的計(jì)算值由理論公式確定，當(dāng)直流處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，該計(jì)算值與實(shí)際值較為接近，可以用來臨時(shí)替換；但直流運(yùn)行狀況復(fù)雜，在直流電流短時(shí)斷流、交流電壓畸變、觸發(fā)角進(jìn)入U(xiǎn)min區(qū)間等工況出現(xiàn)時(shí)，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)UDM存在較大差異，若此時(shí)用計(jì)算值替換實(shí)測(cè)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(jì)算值無法體現(xiàn)一次回路中直流電壓特性，例如諧波、尖峰等，這將對(duì)直流控制系統(tǒng)抑制外界短時(shí)擾動(dòng)不利。

三是DM 分壓器非電量保護(hù)動(dòng)作后，直流通過閉鎖低壓閥組的方式將UDM測(cè)點(diǎn)退出控制，避免直流整極異常停運(yùn)，但分壓器的檢修、更換耗時(shí)較長(zhǎng)，短時(shí)內(nèi)無法將低壓閥組再次投入運(yùn)行，直流可用率因此降低。

因此，DM 分壓器三種類型故障出現(xiàn)后，采取的應(yīng)對(duì)措施雖然可以避免直流整極閉鎖，但并不適宜長(zhǎng)期運(yùn)行，更無法抵御交直流側(cè)較大程度擾動(dòng)，直流運(yùn)行的可靠性、可用率均無法得到保證。

3 直流中點(diǎn)分壓器投退策略

基于上述分析，結(jié)合青豫直流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)合理的控制策略完成直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行、退出運(yùn)行，降低交流運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換、中點(diǎn)分壓器故障對(duì)直流穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

3.1 直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行策略

青豫直流豫南站的兩個(gè)500kV 交流電網(wǎng)在運(yùn)行過程中會(huì)根據(jù)調(diào)度需求運(yùn)行于合環(huán)或分裂模式。當(dāng)運(yùn)行模式由合環(huán)轉(zhuǎn)為分裂模式時(shí)，將會(huì)觸發(fā)中點(diǎn)分壓器DM 投入運(yùn)行。

直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行策略具體過程如圖3所示，直流控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集兩個(gè)500kV 電網(wǎng)間母聯(lián)開關(guān)位置，判定交流電網(wǎng)合環(huán)與分裂運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行人員手動(dòng)操作母聯(lián)開關(guān)由合轉(zhuǎn)分或出現(xiàn)保護(hù)（如母聯(lián)開關(guān)保護(hù)、交流母線保護(hù)）動(dòng)作跳開母聯(lián)開關(guān)時(shí)，起動(dòng)分壓器投入運(yùn)行策略：

1）檢測(cè)中點(diǎn)分壓器是否存在故障，可通過分壓器本體送出的測(cè)量故障信號(hào)（包括非電量保護(hù)動(dòng)作）或?qū)崪y(cè)值與計(jì)算值比較的方式判定。

圖3 直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行策略

2）若中點(diǎn)分壓器無故障，則進(jìn)行高、低壓閥組電壓測(cè)點(diǎn)切換。母聯(lián)合位時(shí)實(shí)際參與控制的電壓測(cè)點(diǎn)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(fā)角與檔位同步的方式跟隨高壓閥組。測(cè)點(diǎn)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(fā)角和檔位調(diào)節(jié)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(diǎn)分壓器存在故障（非電量保護(hù)未動(dòng)作），首先將UDM測(cè)點(diǎn)切換至UDM計(jì)算值進(jìn)行過渡，過渡期控制策略切換至分層控制策略維持直流運(yùn)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(guān)檔位調(diào)節(jié)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(fā)角切換為同步模式，同步跟隨高壓閥組的觸發(fā)角，最后UDM測(cè)點(diǎn)退出控制。路徑為1→2→3→4→9→10→11→12→13→18。

4）若中點(diǎn)分壓器非電量保護(hù)動(dòng)作，則立即閉鎖、隔離低壓換流器，完成后分壓器進(jìn)行物理隔離，分壓器與直流主接線脫開后轉(zhuǎn)檢修。接著由運(yùn)行人員合母聯(lián)開關(guān)，低壓閥組帶電后通過閥組投入操作恢復(fù)運(yùn)行。路徑為1→2→3→4→9→14→15→16→17→18。

3.2 直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行策略

直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行的原因分為兩類，一類是在中點(diǎn)分壓器工作正常，交流側(cè)運(yùn)行方式由合環(huán)轉(zhuǎn)分裂運(yùn)行引起的分壓器退出運(yùn)行；另一類是直流分層運(yùn)行中出現(xiàn)分壓器故障導(dǎo)致的分壓器退出運(yùn)行。直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行策略如圖4 所示。

圖4 直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行策略

1）母聯(lián)開關(guān)分位條件下循環(huán)檢測(cè)中點(diǎn)分壓器是否存在故障，檢測(cè)方法與前述一致。

2）若中點(diǎn)分壓器無故障，在檢測(cè)到母聯(lián)開關(guān)位置由分轉(zhuǎn)合后進(jìn)行測(cè)點(diǎn)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(dú)立控制閥組電壓而是切換為觸發(fā)角和檔位同步高壓閥組的觸發(fā)角和檔位。路徑為1→2→3→4→5→6→7→8→19。

3）若中點(diǎn)分壓器存在故障（非電量保護(hù)未動(dòng)作），首先將UDM測(cè)點(diǎn)切換至UDM計(jì)算值進(jìn)行過渡，過渡期仍以分層控制策略維持直流運(yùn)行。接著由運(yùn)行人員手動(dòng)或直流控制系統(tǒng)自動(dòng)下發(fā)（通過軟壓板選擇）合母聯(lián)開關(guān)的指令，形成交流側(cè)合環(huán)運(yùn)行的條件。最后通過觸發(fā)角同步和UDI0同步的方法完成DM 分壓器退出運(yùn)行。路徑為1→2→3→9→10→11→12→13→14→19。

4）若中點(diǎn)分壓器非電量保護(hù)動(dòng)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(zhuǎn)檢修。接著由運(yùn)行人員合母聯(lián)開關(guān)，低壓閥組帶電后通過閥組投入操作恢復(fù)運(yùn)行。路徑為1→2→3→9→15→16→17→18→19。

4 仿真驗(yàn)證

基于PCS9550 特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)及實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（RTDS），搭建青豫直流半實(shí)物仿真平臺(tái)，對(duì)本文所提的中點(diǎn)分壓器投退策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)中，直流控制保護(hù)核心程序與青豫直流工程現(xiàn)場(chǎng)一致，RTDS 中直流系統(tǒng)模型參數(shù)見表1。

表1 RTDS 中直流系統(tǒng)模型仿真參數(shù)

4.1 中點(diǎn)分壓器無故障，母聯(lián)開關(guān)分合試驗(yàn)

圖5 為直流雙閥組單極大地回線方式運(yùn)行，直流功率4 000MW，受端母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行合操作的試驗(yàn)結(jié)果。t1時(shí)刻母聯(lián)開關(guān)由分轉(zhuǎn)合，低壓閥組通過調(diào)節(jié)分接開關(guān)使UDI0與高壓閥組一致，在t2時(shí)刻進(jìn)行測(cè)點(diǎn)切換，切換后UDM測(cè)點(diǎn)退出控制，經(jīng)過較短擾動(dòng)后，直流恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

圖5 中點(diǎn)分壓器無故障，合母聯(lián)開關(guān)仿真波形

圖6為直流雙閥組單極大地回線方式運(yùn)行，直流功率4 000MW，通過對(duì)受端母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行分操作的試驗(yàn)結(jié)果。t1時(shí)刻母聯(lián)開關(guān)由合轉(zhuǎn)分，由于高低閥組的UDI0數(shù)值一致，立刻進(jìn)行測(cè)點(diǎn)切換，切換后UDM測(cè)點(diǎn)投入控制，隨后高低閥組通過分層控制分別調(diào)節(jié)高低閥組觸發(fā)角及分接開關(guān)，最終高低閥組電壓平衡，直流恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 中點(diǎn)分壓器無故障，分母聯(lián)開關(guān)仿真波形

4.2 中點(diǎn)分壓器故障試驗(yàn)

圖7為直流雙閥組單極大地回線方式運(yùn)行，直流功率4 000MW，母聯(lián)開關(guān)分位運(yùn)行時(shí)，模擬中點(diǎn)分壓器故障（非電量保護(hù)未動(dòng)作）的試驗(yàn)結(jié)果。母聯(lián)開關(guān)分位時(shí)，直流以分層接入控制方式運(yùn)行，t1時(shí)刻中點(diǎn)分壓器故障，控制系統(tǒng)切換UDM至計(jì)算值，同時(shí)自動(dòng)生成合母聯(lián)開關(guān)命令，母聯(lián)開關(guān)合上后進(jìn)行高低閥組UDI0同步。t2時(shí)刻UDM測(cè)點(diǎn)進(jìn)行切換，切換后UDM測(cè)點(diǎn)退出控制，直流恢復(fù)穩(wěn)定。

圖7 母聯(lián)開關(guān)分位，中點(diǎn)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(yùn)行，直流功率4 000MW 且中點(diǎn)分壓器故障（非電量保護(hù)未動(dòng)作）時(shí)，母聯(lián)開關(guān)跳開的試驗(yàn)結(jié)果。母聯(lián)合位時(shí)，中點(diǎn)分壓器故障不對(duì)直流運(yùn)行構(gòu)成影響，t1時(shí)刻母聯(lián)開關(guān)由于保護(hù)動(dòng)作跳開，控制系統(tǒng)緊急切換UDM至計(jì)算值，接著在t2時(shí)刻啟動(dòng)切換，低壓閥組開始同步高壓閥組的UDI0和觸發(fā)角，切換后UDM測(cè)點(diǎn)退出控制，直流恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 中點(diǎn)分壓器故障，母聯(lián)開關(guān)跳開波形

5 結(jié)論

針對(duì)青豫直流受端分層接入兩個(gè)500kV 交流電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過分析直流中點(diǎn)分壓器故障對(duì)直流產(chǎn)生的影響以及當(dāng)前控制系統(tǒng)應(yīng)對(duì)策略的不足，提出合理的中點(diǎn)分壓器投退策略，一方面滿足青豫直流受端交流電網(wǎng)合環(huán)與分裂方式的轉(zhuǎn)換需求，另一方面消除了中點(diǎn)分壓器故障后長(zhǎng)期使用UDM計(jì)算值對(duì)于直流運(yùn)行的不利影響以及中點(diǎn)分壓器非電量保護(hù)動(dòng)作后閉鎖閥組短時(shí)內(nèi)無法解鎖的問題，切實(shí)提高直流系統(tǒng)輸電的可靠性及可用率，為后續(xù)同類特高壓直流工程提供參考。