特高壓直流單換流器退出引起過壓問題的分析及優(yōu)化

俞 翔， 陳 樂， 鄒 強， 徐 斌， 王楊正， 楊建明

(南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

特高壓直流輸電在遠距離、大容量輸電以及系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)方面具有巨大優(yōu)勢，可以有效解決我國能源分布與消費的不平衡狀況，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置[1-3]。特高壓直流輸電工程中，每極采用雙12脈動換流器串聯(lián)接線方式，相較常規(guī)直流工程可用性和可靠性更高，接線方式更為多樣[4-7]。在實際運行中，每極既可兩組換流器同時投入運行，也可根據(jù)需要，以單個換流器投入運行，與此同時，控制系統(tǒng)可以通過換流器的投/退操作以實現(xiàn)運行方式在線轉換的功能。

當前關于特高壓工程換流器在線投退及相關保護性閉鎖策略已有較多研究[8-16]，其中大多數(shù)是基于站間通信正常的條件，然而在站間通信故障時，整流站與逆變站相關控制器配合難度加大，不能再簡單沿用站間通信正常時的控制策略。在試驗中發(fā)現(xiàn)，站間通信故障時，若整流站一臺12脈動換流器因故障退出，逆變站須依靠不平衡保護退出相應換流器，由于不平衡保護延時較長，在保護動作前整流站剩余換流器將承受逆變站兩臺換流器的電壓，往往會造成整流站剩余換流器過壓，使其過壓保護動作。

文中針對以上問題進行分析，提出了一種在整流側短時調整電壓參考值，同時在逆變側短時調整電流裕度的控制策略，可有效抑制站間通信故障情況下整流站故障退出換流器造成的過壓問題。以滇西北—廣東±800 kV特高壓輸電工程(以下簡稱滇西北直流工程)為參照對象，通過實時數(shù)字仿真儀(real time digital simulator，RTDS)搭建的工程仿真系統(tǒng)，驗證了該策略在實際工程中的應用價值。

1 換流器基本控制策略

目前國內(nèi)特高壓直流工程控制策略已較為成熟，在整流側與逆變側均配置有閉環(huán)的電壓控制器和電流控制器[17]，輸出均為觸發(fā)角，同時在逆變側還配置有帶修正的定熄弧角控制器，用以改善逆變側的負阻特性，增強暫態(tài)情況下控制的穩(wěn)定性[18-20]。定電壓、定電流和定熄弧角控制器的配合關系如圖1所示。其中定熄弧角控制器的輸出作為電壓控制器的最大值限幅，而電壓控制器的輸出在整流側作為電流控制器的最小值限幅，在逆變側作為電流控制器的最大值限幅。在實際運行中，若因運行模式、運行狀態(tài)、交流系統(tǒng)狀態(tài)等運行條件的變化而導致控制系統(tǒng)的有效控制器發(fā)生切換，則通過上述控制器間依次限幅的配合方式，即可確?？刂葡到y(tǒng)最終輸出的觸發(fā)角指令平穩(wěn)變化而無跳變。

圖1 控制器限幅配合方式Fig.1 Limitation and coordination of controllers

在換流器控制中，對于分別作為整流、逆變運行的系統(tǒng)各自配置了不同的控制參數(shù)，其目的在于使實際運行中的整流側、逆變側控制系統(tǒng)由不同的控制器起決定作用，進而令兩站控制系統(tǒng)按照期望的電壓-電流工作特性進入穩(wěn)定工作點。即在正常工況下，整流側采用定電流控制，以維持直流電流恒定，逆變側采用定熄弧角或者定電壓控制，以維持直流電壓恒定。

定電流控制器原理如圖2所示，電流測量值減去電流指令值得到的偏差值經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)后，得到定電流控制器的輸出。為避免整流側和逆變側定電流特性重疊而導致運行點漂移不定，在逆變側的電流指令參考值上減去一個電流裕度[1]，其值為0.1 p.u.，即換流器額定電流的10%。當定電流控制轉移到逆變側時，電流裕度補償功能用來彌補與電流裕度定值相等的電流下降。

圖2 定電流控制器原理邏輯Fig.2 Principle of current controller

定電壓控制器原理如圖3所示，電壓測量值減去電壓指令值得到的偏差值經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)與限幅環(huán)節(jié)，得到定電壓控制器的輸出。其中電壓指令值為電壓參考值加上電壓參考值補償，整流側的補償值較大，典型值為80 kV，其目的是在正常情況下使整流側的定電壓控制器不起作用。而逆變側的補償值為0或一個較小的正值(典型值為10 kV)，若為0，則正常情況下逆變側為定電壓控制，否則為定熄弧角控制。

圖3 定電壓控制器原理邏輯Fig.3 Principle of voltage controller

2 站間通信故障時整流側換流器故障導致的過壓問題分析

站間通信故障時，若一極為雙換流器運行方式，當整流或逆變側某一換流器因故障退出運行時，另一側將由換流器不平衡保護或類似原理保護退出對應換流器。以滇西北直流工程為例(工程額定電壓為800 kV，額定電流為3125 A，雙極額定功率為5000 MW)，工程主要采用與不平衡保護原理類似的低電壓保護來實現(xiàn)此功能，配置在換流器保護中，具體動作判據(jù)如下：在本極雙換流器運行時，若320 kV<|Udl|< 480 kV且|Udl-Udm|< 30 kV，延時800 ms退出高端換流器；若320 kV<|Udl|<480 kV且|Udl-Udm|>30 kV ，延時800 ms退出低端換流器。其中Udl為直流場極母線直流電壓，Udm為高/低換流器中點直流電壓。

可以看到，以上保護的延時較長，在一側換流器因故障退出后，該極將有一段時間處于一側一個換流器、另一側兩個換流器運行的狀態(tài)。此時一側剩余的那個運行換流器將承受來自對側兩個換流器的壓降。在滇西北直流工程廠內(nèi)試驗中發(fā)現(xiàn)，站間通信故障時，整流側一臺換流器因故障退出后，另一臺運行換流器過壓保護(59DC)將會動作。滇西北直流工程中配置有三段過壓保護，具體動作判據(jù)如下(非空載加壓模式下)：

Ⅰ段：UD>420 kV且IDLN<156.25 A(無流判據(jù))，延時80 ms出口。

Ⅱ段：UD>432 kV，延時1000 ms出口。

Ⅲ段：UD>620 kV，延時50 ms出口。

其中UD為換流器端口電壓，具體計算方法為UD高端換流器=|Udl-Udm|，UD低端換流器=|Udm-Udn|。IDLN為中性母線電流，代表直流電流；Udn為中性母線直流電壓。仿真試驗中發(fā)現(xiàn)，在直流小功率和大功率運行工況下，站間通信故障時整流側換流器退出過程中出現(xiàn)過壓問題的原因不盡相同，接下來分情況分析其原因并給出解決方案。

2.1 直流小功率運行下的過壓問題

2.1.1 現(xiàn)象描述及分析

典型工況為站間通信故障下直流功率運行在最小功率(0.1 p.u.)，整流側極1高端換流器發(fā)生12脈動換流器短路故障，故障位置如圖4所示。

圖4 故障點位置示意Fig.4 Single line diagram with location of fault

此時高端換流器將立刻發(fā)出本換流器閉鎖脈沖、合直流旁路開關(bypass switch，BPS)、跳換流變進線開關命令，同時，命令本極另一換流器(即低端換流器)移相164°，在高端換流器BPS合位出現(xiàn)后低端換流器恢復正常角度運行。由圖5(a)整流側波形和圖5(b)逆變側波形可以看出，在t1時刻整流側退出高端換流器，低端換流器開始移相，逆變側不平衡保護還未動作，仍然處于兩個換流器運行狀態(tài)，整流側低端換流器端口電壓將階躍至700 kV左右，直流電流下跌至0，整流側已經(jīng)失去了控制直流電流的能力，逆變側接管電流控制，然而由于之前是運行在最小功率，電流參考值僅為0.1 p.u.，故盡管實際直流電流已經(jīng)為0，由圖2可知，進入逆變側電流控制器的電流偏差值可按下式計算：

ΔI=I實測值-(I參考值+I裕度補償-I裕度)= 0-(0.1+I裕度補償-0.1)=-I裕度補償

(1)

圖5 站間通信故障時最小功率下 整流側換流器退出波形Fig.5 Waveform of converter-exiting at rectifier side running at minimum power without telecommunication between stations

裕度補償功能完全補償電流裕度需要一定的時間，在故障初期可以認為接近于0，故由式(1)可以看到，進入定電流控制器的偏差值ΔI很小，因此定電流控制器調節(jié)速率較慢。由圖5可以看到，逆變側的熄弧角緩慢增大，直流電壓緩慢下降，整流側低端換流器將有較長時間承受620 kV以上的電壓，并且由于在低端換流器移相期間直流電流為0，滿足無流判據(jù)，過壓Ⅰ段和過壓保護Ⅲ段將動作，最終導致本極閉鎖。

2.1.2 控制策略優(yōu)化

針對上述的站間通信故障下直流小功率運行下的過壓問題，提出一種優(yōu)化策略，即在本極雙換流器運行狀態(tài)下，當逆變側判斷直流電流中斷且逆變側進入定電流控制時，將電流裕度從0.1 p.u.切換為一個較大的負的電流偏差值x，維持50 ms，用以在暫態(tài)下人為加快逆變側電流控制器調節(jié)速率，在滇西北直流RTDS仿真系統(tǒng)上反復模擬站間通信故障且直流最小功率運行下整流側單換流器故障退出，可以得到能夠確保過壓保護不誤動的最大x，即絕對值最小的x，同時考慮一定的裕度，最終確定x為-0.35 p.u.。由于其他功率水平下電流偏差值更大，所以可知此值可以滿足所有工況。另外，在換流器解鎖或者投入的過程中須閉鎖此邏輯，防止其誤動。具體邏輯如圖6所示。

圖6 改進的電流裕度切換邏輯Fig.6 Improved current-margin-switching logic

2.2 直流大功率運行下的過壓問題

2.2.1 現(xiàn)象描述及分析

典型工況為站間通信故障下直流功率運行在額定功率(1.0 p.u.)，整流側高端換流器發(fā)生12脈動換流器短路故障，故障具體位置如圖4所示(以極1為例)。

在此工況下直流系統(tǒng)的閉鎖時序與小功率時相同，而區(qū)別在于：在低端換流器移相期間，逆變側接管電流控制后，由于電流參考值較大，此時輸入到逆變側電流控制器的誤差較大，故電流控制器可以較快的調節(jié)觸發(fā)角。由圖7(a)可見，在t1時刻整流側高端換流器因故障退出后，直流電壓在10 ms內(nèi)就下降到0以下，因此過壓保護Ⅲ段不會動作。

圖7 站間通信故障時在額定功率下 整流側換流器退出波形Fig.7 Waveform of converter-exiting at rectifier side running at rated power without telecommunication between stations

然而，在整流側高端換流器直流旁路開關BPS合上之后，低端換流器在t2時刻結束164°移相，進而重新建立電流和電壓。在t2至t3這段時間內(nèi)，逆變側的不平衡保護還未動作，逆變側仍然處于雙換流器運行狀態(tài)。由圖7可見，為達到原先的直流電流，整流側和逆變側的觸發(fā)角均達到或接近其限值，其中整流側觸發(fā)角已達到其下限5°，逆變側也達到其下限110°，然而直流電流仍然遠無法恢復到額定值(3125 A)，直到在t3時刻逆變側退出低端換流器后直流電流才明顯上升。在此期間，整流側觸發(fā)角一直維持在其下限5°，同時由于在直流大功率水平下整流側Udi0(直流空載電壓)也較高，故將會導致直流電壓處于較高水平，由圖7(a)可以看出，整流側直流電壓一直維持在430 kV至470 kV區(qū)間內(nèi)，過壓保護Ⅱ段在t4時刻動作，導致本極閉鎖。

2.2.2 控制策略優(yōu)化

在整流側，電壓控制器的參考值是在典型參考值的基礎加上了80 kV，典型參考值有800 kV (雙換流器全壓運行)、640 kV (雙換流器80%降壓運行)、560 kV (雙換流器70%降壓運行)和400 kV (單換流器全壓運行)。在正常情況下，電壓參考值遠高于運行電壓，故電壓控制器長期處于飽和狀態(tài)，電壓控制器的輸出維持在其下限(5°)，所以整流側的電壓控制器很少會起作用。即使在2.2.1小節(jié)所述工況下，整流側實際電壓仍然沒有達到其參考值480 kV，電壓控制器不會起作用。

針對此種工況提出一種優(yōu)化策略，在站間通信故障下，當出現(xiàn)換流器退出信號且換流器端口電壓大于440 kV時，將整流側的電壓參考值的補償從80 kV調低至20 kV，維持3 s，從而使整流側電壓參考值變?yōu)?20 kV。整流側電壓控制器調節(jié)電壓，防止過壓Ⅱ段保護動作。具體邏輯如圖8所示。

圖8 整流側電壓參考值切換邏輯Fig.8 Voltage-reference-switching logic at rectifier side

3 仿真與試驗結果

為驗證上述優(yōu)化策略的效果，在基于滇西北直流工程搭建的RTDS仿真平臺上進行試驗。

針對2.1.2小節(jié)所述的優(yōu)化策略，在站間通信故障下直流功率運行在最小功率(0.1 p.u.)，重新模擬圖4故障。如圖9所示，可見，在故障出現(xiàn)后，由于逆變側加快調節(jié)熄弧角速率，整流側直流電壓在40 ms內(nèi)降至620 kV以下(過壓Ⅲ段定值)，在60 ms內(nèi)降至420 kV以下(過壓Ⅰ段定值)，在低端換流器移相期間保護不會動作。最終整流側退出高端換流器，逆變側退出低端換流器，直流繼續(xù)運行。

圖9 站間通信故障時最小功率下 整流側換流器退出波形(優(yōu)化后)Fig.9 Waveform of converter-exiting at rectifier side running at minimum power without telecommunication between stations(optimized)

針對2.2.2小節(jié)所述的優(yōu)化策略，站間通信故障下直流功率運行在額定功率(1.0 p.u.)，模擬圖4的故障。如圖10所示，在整流側低端換流器解除移相164°之后，直流電壓迅速升高，t1時刻起整流側電壓控制器開始起作用，增大觸發(fā)角，降低直流電壓。在整流側單換流器，逆變側雙換流器期間控制直流電壓不超過420 kV，即使在逆變側退出低端換流器后仍然控制了一段時間電壓，最終整流側平穩(wěn)切換進入定電流控制，逆變側進入定電壓控制，系統(tǒng)進入新的穩(wěn)態(tài)。

圖10 站間通信故障時額定功率下 整流側換流器退出波形(優(yōu)化后)Fig.10 Waveform of converter-exiting at rectifier side running at rated power without telecommunication between stations(optimized)

4 結語

文中從控制策略角度分析了特高壓直流輸電工程中站間通信故障時整流側換流器退出引起過壓問題的原因，并提出相應的優(yōu)化策略，總結如下：

(1) 站間通信故障時，直流小功率運行下，在整流側一臺換流器因故障退出，另一臺換流器移相164°期間，由于電流偏差值較小，逆變側定電流控制器調節(jié)速率較慢會導致整流側本極剩余換流器過壓。針對此問題，加入電流裕度切換功能，在這種情況下增大逆變側定電流控制器輸入，迅速降低直流電壓。

(2) 站間通信故障時，直流大功率運行下，在整流側一臺換流器因故障退出，逆變側不平衡保護還未動作期間，為建立電流，整流側觸發(fā)角維持在5°，可能導致直流過壓保護動作。針對此問題，在整流側加入電壓參考值切換功能，當判斷出電壓越限之后降低電壓參考值，使整流側電壓控制器起作用，控制直流電壓不超過限制值。

基于所提優(yōu)化策略的RTDS試驗結果表明，所提策略可有效抑制前文所述的過壓問題，具有高度的工程應用價值，現(xiàn)該策略已應用于滇西北—廣東±800 kV特高壓直流輸電工程中，并可為未來的特高壓工程提供有益的參考。