云貴互聯(lián)通道工程控制與保護(hù)的配合優(yōu)化

張強(qiáng)，韓建偉，毛文俊，王云龍，孫豪，楊大生，潘明昊

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

云貴互聯(lián)通道工程（也可稱為±500 kV祿高肇三端直流輸電工程），是國內(nèi)首個(gè)將常規(guī)的兩端高壓直流改為三端直流的±500 kV直流輸電工程[1-4]。云貴互聯(lián)通道工程，新建一座±500 kV、3000 MW祿勸換流站，并對(duì)原有的高肇直流（高坡、肇慶換流站）進(jìn)行改造，構(gòu)成三端常規(guī)直流輸電工程[5-9]。

直流系統(tǒng)的控制、保護(hù)系統(tǒng)[10-16]是±500 kV云貴互聯(lián)通道工程的重要組成部分?？刂婆c保護(hù)，兩者的相互配合、相互作用，以確保直流輸電工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行?！?00 kV祿勸換流站是云貴互聯(lián)通道工程的首端換流站，其控制、保護(hù)系統(tǒng)在±500 kV祿高肇三端直流輸電工程控制保護(hù)FPT過程中存在異常，本文針對(duì)異常進(jìn)行深入的分析與研究，提出了優(yōu)化的措施，對(duì)三端直流輸電工程的安全運(yùn)維有著重要意義。

1 直流控制方式

1.1 整流站控電流

正常運(yùn)行時(shí)，直流系統(tǒng)的控制方式[17]是：整流站控電流，逆變站控電壓。整流站的PI控制器邏輯如下圖1所示。

整流站定電流運(yùn)行，因此直流電流控制器為整流站的主要控制器，整流站直流電流的誤差計(jì)算方法如下公式：

其中，ΔIdCont是直流電流的誤差，Iref是直流電流的參考值，Idmeas是直流電流的實(shí)際值。

圖1所示，直流電壓的誤差、直流電流的誤差，兩者作比較，將最小誤差，送至PI控制器，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，然后經(jīng)過線性化環(huán)節(jié)，將觸發(fā)角數(shù)值送至觸發(fā)單元，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

圖1 整流模式單個(gè)PI控制器

當(dāng)整流站的PI控制器由直流電流閉環(huán)控制器作用時(shí)，當(dāng)直流電流實(shí)際值偏小，那么PI控制器將調(diào)整觸發(fā)角由大變小，逐漸往5°移動(dòng)，電流增大；當(dāng)直流電流實(shí)際值偏大，PI控制器則調(diào)整觸發(fā)角由小變大，逐漸往160°方向移動(dòng)，電流降低。

1.2 逆變站控電壓

直流電壓控制中使用的直流電壓實(shí)際值為換流器兩端電壓，具體計(jì)算公式為：

圖2 逆變模式單個(gè)PI控制器

其中，Udmeas是直流電壓的實(shí)際值，Udhmeas是直流電壓高壓側(cè)電壓實(shí)際值，Udnmeas是直流電壓中性線電壓實(shí)際值，ΔUdCont是直流電壓的誤差，Uref是直流電壓的參考值，UMarg是直流電壓的裕度。

直流電壓控制的作用是控制整流站的直流電壓為額定值500 kV，逆變站通過計(jì)算，可以得出用作控制變量的整流側(cè)直流電壓參考值。整個(gè)直流系統(tǒng)選擇0.8 pu、0.7 pu降壓運(yùn)行，或由于直流線路故障重啟引起0.8 pu、0.7 pu降壓時(shí)，逆變站的參考值會(huì)降低，控制整流站的直流電壓降低到0.8 pu或0.7 pu的電壓水平。當(dāng)整流站處于最小觸發(fā)角5°控制時(shí)，逆變站的PI控制器由直流電壓控制切換至直流電流控制，電流裕度補(bǔ)償功能（CMC）會(huì)起作用，改變逆變站的電流參考值，使之與整流站的電流參考值相等。另外極控系統(tǒng)提供了電流誤差控制（CEC）功能，可以使整個(gè)過程能夠平滑的轉(zhuǎn)變。通過CMC、CEC的功能，可以使逆變站的電壓曲線、電流曲線之間有一段平滑的過渡，即便逆變站發(fā)生控制方式切換時(shí)，也可以使整個(gè)直流系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。

當(dāng)逆變站發(fā)生故障、交流電壓降低時(shí)，為使熄弧角不小于最小參考值17°，逆變站切換控制器方式，熄弧角控制器將起作用，可能會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的換相失敗，熄弧角控制器將觸發(fā)角調(diào)節(jié)到參考值時(shí)，換相失敗會(huì)消失。當(dāng)交流電壓增加時(shí)，逆變站的電壓控制器，為維持整流站電壓為參考值，將通過減少觸發(fā)角，以及換流變的分接開關(guān)控制會(huì)調(diào)整熄弧角值[18]，維持原有的控制器，不發(fā)生控制器方式的切換。

2 直流系統(tǒng)極保護(hù)

2.1 極保護(hù)分區(qū)

直流系統(tǒng)的極保護(hù)系統(tǒng)主要完成換流器保護(hù)功能、直流極母線保護(hù)功能、中性母線保護(hù)功能、雙極中性線以及接地極引線保護(hù)功能，保護(hù)區(qū)域共有4個(gè)區(qū)域，分別為：

1）換流器保護(hù)區(qū)域，保護(hù)范圍是換流變閥側(cè)套管至閥廳極線側(cè)的直流穿墻套管之間的所有設(shè)備；

2）直流極母線保護(hù)區(qū)域，保護(hù)范圍是閥廳高壓直流穿墻套管至極性轉(zhuǎn)換區(qū)域閥側(cè)直流電流互感器之間的所有極設(shè)備和母線設(shè)備；

3）直流中性母線保護(hù)區(qū)域，保護(hù)范圍是閥廳低壓直流穿墻套管至雙極中性線連接點(diǎn)之間的所有設(shè)備和母線設(shè)備；

4）雙極中性線及接地極引線保護(hù)區(qū)域，保護(hù)范圍是雙極中性線連接點(diǎn)的電流互感器到接地極連接點(diǎn)。

2.2 59DC直流過壓保護(hù)

59DC直流過壓開路保護(hù)屬于極保護(hù)的換流器保護(hù)區(qū)域，保護(hù)目的是檢測不正常的直流過電壓及開路故障，初步設(shè)計(jì)的保護(hù)定值如下表1所示，各個(gè)保護(hù)分段的動(dòng)作后果都是ESOF和跳交流斷路器。

表1 保護(hù)的定值

其中Ⅰ段是針對(duì)開路，時(shí)間定值跟Ⅲ段一致，但是定值電壓比Ⅲ段小，Ⅲ段針對(duì)故障時(shí)候的突然過高的電壓，避免設(shè)備損壞。Ⅱ段針對(duì)長期過壓，定值時(shí)間比Ⅰ段和Ⅲ段長。

3 測量異常分析

3.1 直流電壓測量異?，F(xiàn)象說明

在祿高肇三端直流控制保護(hù)FPT試驗(yàn)中，初始狀態(tài)為祿勸站送高坡站、肇慶站，雙極大地回線方式，三站功率分別為3000 MW-300 MW-2700 MW，肇慶站極1極控主系統(tǒng)為A套。

設(shè)置肇慶站極1極控系統(tǒng)的直流電壓UdL測量異常[19-21]為0.9倍，隨后導(dǎo)致了祿勸站直流過壓開路保護(hù)59DC-Ⅱ段跳閘，祿勸站極1極控系統(tǒng)的故障錄波情況如圖3所示。

圖3 祿勸站極1極控系統(tǒng)的故障錄波

3.2 異常原因分析

肇慶站的極1極控系統(tǒng)的UdL異常為0.9倍后，為維持祿勸站的電壓維持在500 kV，則肇慶站的電壓參考值變大，而系統(tǒng)中的電流、電阻可認(rèn)為未變化，則祿勸站的電壓增大。根據(jù)圖1所示，祿勸站的UDL實(shí)際電壓一旦超過515 kV后，由原本的控電流變?yōu)榭仉妷?，電壓裕度切換為0.04，則祿勸站控制電壓在520 kV，但由于59DC-Ⅱ段的保護(hù)定值為520 kV，延時(shí)為1000ms，達(dá)到了直流過壓開路保護(hù)59DC-Ⅱ段的定值，保護(hù)正確啟動(dòng)ESOF，極1跳閘。

可以得出，祿勸站的電壓裕度與保護(hù)定值的配合不恰當(dāng)，則引起了異常動(dòng)作。因此，可以考慮優(yōu)化的措施是修改電壓裕度數(shù)值，與保護(hù)定值相互配合且不影響。

4 優(yōu)化措施

4.1 優(yōu)化電壓裕度數(shù)值

優(yōu)化控制程序?yàn)椋旱搫裾綰DL實(shí)際電壓一旦超過515 kV后，電壓裕度切換為0.03。

重新再進(jìn)行肇慶站的極1極控系統(tǒng)的UdL異常為0.9倍的試驗(yàn)，祿勸站極1極控系統(tǒng)的故障錄波情況如圖4所示。圖中可見，祿勸站UDL實(shí)際電壓一旦超過515 kV后，由原本的控電流變?yōu)榭仉妷?，電壓裕度切換為0.03，則將祿勸站UDL的電壓控在515 kV，但是此時(shí)實(shí)際電壓不斷在515 kV附近變動(dòng)。祿勸站的UDL超過515 kV時(shí)，控制方式為控電壓，低于515 kV時(shí)，控制方式為控電流，因此導(dǎo)致控制方式不斷在控電流、控電壓之間來回切換。

圖4 祿勸站極1極控系統(tǒng)的故障錄波

直流系統(tǒng)的控制方式不斷在控電流與控電壓之間來回切換，不利于三端直流系統(tǒng)長期運(yùn)行，單單依靠修改電壓裕度為0.03，仍不能滿足穩(wěn)定運(yùn)行。因此，仍需對(duì)電壓越限數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 優(yōu)化電壓越限數(shù)值

優(yōu)化控制程序?yàn)椋簝?yōu)化電壓越限數(shù)值為510 kV，即祿勸站的UDL實(shí)際電壓一旦超過510 kV后，電壓裕度切換為0.03。

再次進(jìn)行肇慶站的極1極控系統(tǒng)的UdL異常為0.9倍的試驗(yàn)，祿勸站極1極控系統(tǒng)的故障錄波情況如圖5所示。

圖5 祿勸站極1極控系統(tǒng)的故障錄波

祿勸站的UDL實(shí)際電壓一旦超過510 kV后，由原本的控電流變?yōu)榭仉妷海妷涸６惹袚Q為0.03，將祿勸站的UDL電壓控制在515 kV，不會(huì)導(dǎo)致控制方式不斷在控電流與控電壓之間來回切換，穩(wěn)定在控電壓的方式，利于長期運(yùn)行，也利于肇慶站有充足的時(shí)間來排查極1極控系統(tǒng)的UdL異常。

5 結(jié)束語

云貴互聯(lián)通道工程的直流控制、保護(hù)系統(tǒng)在±500 kV祿高肇三端直流輸電工程控制保護(hù)FPT試驗(yàn)中存在異常，本文針對(duì)異常情況進(jìn)行了分析與研究，并且提出了優(yōu)化的措施，優(yōu)化了電壓裕度數(shù)值與電壓越限數(shù)值，不僅對(duì)±500 kV祿勸換流站、云貴互聯(lián)通道工程的安全運(yùn)行有著重要作用，同時(shí)也是其他多端直流輸電工程、高壓直流輸電工程的控制與保護(hù)的相互配合有著啟發(fā)與借鑒的作用。