換流變壓器分接開關(guān)控制及典型故障分析

石丹丹，宗凡琪，楊韋國

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

±800 kV沂南換流站電壓等級高，輸送功率大，該工程是山東省內(nèi)首座特高壓直流輸電工程，也是首個與500 kV變電站及調(diào)相機站合建的三站合一工程。

換流變壓器作為換流站內(nèi)重要設(shè)備，承擔(dān)著交直流系統(tǒng)隔離，傳送電力的重要任務(wù)，并將換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流電壓和換流橋直流側(cè)電壓控制在符合兩側(cè)的額定電壓和容許的電壓偏差范圍內(nèi)，其分接開關(guān)的可靠動作對直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關(guān)重要。換流變壓器分接開關(guān)在切換分接頭時不需要將換流變壓器從電網(wǎng)中退出，即可以帶負載切換［1］。

±800 kV沂南換流站網(wǎng)側(cè)采用分層接入技術(shù)，高端換流變壓器采用ABB技術(shù)，接入500 kV電壓等級交流系統(tǒng)，阻抗為20%，分接頭級差1.25%；低端換流變壓器采用西門子技術(shù)，接入1 000 kV電壓等級交流系統(tǒng)，阻抗為20%，分接頭級差0.65%。沂南換流站高低端換流變壓器均有31個檔位，高端換流變壓器額定檔位為26檔（可調(diào)范圍+21～-9檔），低端換流變壓器額定檔位為22檔（可調(diào)范圍+25～-5檔）。以沂南換流站為例，介紹分接開關(guān)的控制策略及運行模式，并結(jié)合典型故障進行具體分析與總結(jié)。

1 換流變壓器分接開關(guān)控制策略

換流變壓器分接開關(guān)的控制目標(biāo)是維持觸發(fā)角α，關(guān)斷角γ與直流電壓恒定。整流側(cè)的分接開關(guān)用來維持換流變壓器閥側(cè)電壓Udi0不變或者觸發(fā)角維持在恒定范圍內(nèi)；逆變側(cè)的分接開關(guān)用來維持整流側(cè)線路平波電抗器出口直流電壓，在逆變側(cè)定電流控制時，分接頭控制維持逆變側(cè)熄弧角恒定［2］。

在分接頭控制過程中，角度或電壓參考值將會與實際測量的角度或電壓進行比較，當(dāng)此差值高于或低于一個遲滯值（分接頭死區(qū)）時，有載調(diào)壓開關(guān)則被命令進行步進，實現(xiàn)直流輸電的相關(guān)控制。

換流器控制系統(tǒng)CCP中的分接頭控制TCC承擔(dān)單12脈動換流器的分接頭控制和本極高低端換流器分接頭同步的任務(wù)。極控制系統(tǒng)PCP中的TCC主要維持雙極換流變壓器分接頭的同步功能。

有載調(diào)壓開關(guān)控制的特點是慢速（每步5～10 s）以及逐級轉(zhuǎn)動（每階1.25%），即TCC主要為穩(wěn)態(tài)調(diào)整，換流器觸發(fā)控制CFC才是快速調(diào)整。分接頭控制策略如圖1所示。

圖1 分接頭控制策略

2 換流變壓器分接頭運行模式

分接開關(guān)有載調(diào)壓裝置正常運行時采用手動調(diào)節(jié)或自動控制；當(dāng)換流變壓器在正常運行時，分接開關(guān)不允許在現(xiàn)場進行電動和手動操作；當(dāng)換流變壓器停電或檢修時可在現(xiàn)場操作箱內(nèi)采用就地電動或手動調(diào)節(jié)；當(dāng)控制方式由手動轉(zhuǎn)為自動前，應(yīng)預(yù)先將三相換流變壓器分接開關(guān)位置調(diào)節(jié)一致。手動控制為自主進行調(diào)節(jié)，對換流器層的分接頭進行手動操作，可以選擇對獨立的或全部換流變壓器分接頭進行升降操作［3］。

2.1 手動控制模式

手動控制模式包括：1）對單相換流變壓器分接頭移動或?qū)ν婚y組換流變壓器分接頭同步移動；2）最大換流變壓器閥側(cè)理想空載直流電壓Udi0的限制。手動控制可看作是后備控制方式，在自動控制模式失效情況使用。功率傳輸期間避免使用手動控制。

2.2 自動控制模式

在功率正常傳輸時，選擇自動控制模式，自動控制模式分為5種控制方式，如圖2所示。

圖2 自動模式下的分接頭控制模式

2.2.1 空載控制

當(dāng)換流器閉鎖或線路開路試驗等情況采用空載控制，即控制換流變壓器分接頭位置在以下預(yù)先設(shè)定的位置：1）換流變壓器未充電，換流變壓器開關(guān)Udi0降至最小值，分接頭移至最低檔位1檔；2）換流變壓器帶電，不在OLT試驗狀態(tài)下，且本極另一換流器未運行，換流變壓器分接頭根據(jù)允許的最小運行電流（0.1pu）建立 Udi0；3）換流變壓器帶電，且本極另一換流器已運行，則未運行的換流變壓器分接頭根據(jù)運行的換流器的Udi0進行同步；4）OLT時，換流變壓器分接頭的空載控制根據(jù)OLT需要的直流電壓等級控制 Udi0為參考值［3］。

2.2.2 角度控制

角度控制分為觸發(fā)角控制和熄弧角控制，觸發(fā)角控制為整流器控制的基本方式，熄弧角控制為逆變器控制的基本方式?？刂平嵌仍趨⒖贾捣秶鷥?nèi)，該參考值由VARC計算得出。角度控制將角度實測值與參考值進行比較，得到角度差超過動作死區(qū)范圍時，發(fā)出降分接頭的命令。為避免分接頭在交、直流電壓擾動時發(fā)生調(diào)節(jié)，需要對升降指令設(shè)置一定延時［4］。

2.2.3 直流電壓控制

電壓控制用于逆變側(cè)正常運行下?lián)Q流變壓器分接頭的控制，逆變側(cè)計算線路電壓降，根據(jù)本側(cè)直流電壓確定整流側(cè)直流電壓在設(shè)定值附近，同時，由于受端沂南站高低端閥組分層接入不同交流電網(wǎng)，同極兩換流器電壓平衡功能對分接頭檔位的進行調(diào)節(jié)，即利用分接頭控制實現(xiàn)高、低壓換流器電壓的平衡。

電壓控制與角度控制相同，為避免分接開關(guān)的振蕩，直流電壓控制盡量在給定電壓參考值為中間值的范圍內(nèi)進行。將逆變側(cè)直流電壓的實測值與參考值進行比較，得到電壓差，當(dāng)差值超過動作死區(qū)上限時，發(fā)出降分接頭的命令；當(dāng)電壓差超過動作死區(qū)下限時，發(fā)出升分接頭的命令。分接頭升降指令時有一定延時，避免分接頭在交、直流電壓擾動時發(fā)生升降。避免有載調(diào)壓開關(guān)的擺動，直流電壓控制僅在以給定的電壓參考值為中間值的范圍內(nèi)進行。

正常運行情況下，逆變側(cè)靠分接頭來控制整流側(cè)電壓，逆變側(cè)的電壓控制器VCA不起作用。為了使TCC優(yōu)先調(diào)節(jié)分接頭改變直流電壓，逆變側(cè)根據(jù)運行狀態(tài)在給VCA的電壓參考值中加入0～7.25 kV的電壓偏移量Uin，使其高于給TCC的電壓參考值。

式中：Urefvcainv為逆變側(cè)VCA控制器直流電壓參考值；Urefrect為整流側(cè)出線直流電壓參考值；ΔU為直流線路壓降；Ureftccinv為逆變側(cè)TCC控制器直流電壓參考值。

正常運行時，電壓偏移量Uin為設(shè)定值。當(dāng)降壓運行時，閥組進入電壓控制器控制且分接頭降至最低檔，無法再調(diào)節(jié)電壓，由電壓控制器VCA來進行電壓調(diào)節(jié)。此時電壓偏移量Uin將逐漸減小至0，使VCA接收到的電壓參考值為實際需要控制到的電壓，從而將電壓準確控制到預(yù)期值。

2.2.4 Udi0限制

TCC控制系統(tǒng)中Udi0限制的目的是防止設(shè)備由于穩(wěn)態(tài)過電壓而受到的應(yīng)力，它在分接頭控制中具有最高優(yōu)先級。Udi0限制也是一種保護功能，確保Udi0不會超過Udi0參考值，Udi0限制功能在所有控制方式下有效，包括手動控制功能。此邏輯位于電壓過應(yīng)力保護（VSP）內(nèi)［5］。

Udi0N為當(dāng)分接頭檔位為0檔，交流電壓為額定電壓時對應(yīng)的Udi0，同時也是交流電壓為額定值，直流功率為額定功率時對應(yīng)的Udi0。Udi0G為出于電壓應(yīng)力考慮的禁止升分接頭的最大Udi0，沂南站定值為228.14 kV（正送）、230.18 kV（反送）。Udi0L為出于電壓應(yīng)力考慮的強制降分接頭的最大Udi0，定值為232.38 kV。

式中：Udi0calc高端為高端不同檔位對應(yīng)的Udi0計算值；Udi0calc低端為低端不同檔位對應(yīng)的Udi0計算值；Uac為交流網(wǎng)側(cè)線電壓；T為換流變分接開關(guān)檔位。

表1 Udi0限幅范圍

若上述均不能將Udi0限制住，則電壓應(yīng)力保護延時5 s請求切換系統(tǒng)，發(fā) “電壓應(yīng)力保護請求切換”；延時8 s，執(zhí)行換流器層Y閉鎖，跳交流開關(guān)失靈，鎖定交流斷路器，發(fā)“電壓應(yīng)力保護動作”，閉鎖時內(nèi)置錄波如圖3所示。

圖3 電壓應(yīng)力保護動作時的故障錄波

2.2.5 分接頭同步功能

當(dāng)12脈動換流器的各分接頭的檔位不一致時，產(chǎn)生報警信號至SCADA系統(tǒng)。此時，自動同步功能要對換流變壓器分接頭重新調(diào)節(jié)［3］。

自動同步功能力同步換流變壓器的分接頭位置，如果同步功能不成功，將發(fā)出一個報警信號（分接頭不一致，置成輕微故障），并禁止自動控制。此功能可防止由于測量不精確導(dǎo)致分接頭位置的不同［3］。

沂南換流站因網(wǎng)側(cè)采用分層接入技術(shù)，故無極同步功能，增加雙極同步功能。

1）12脈動換流器同步功能。若一個換流器內(nèi)換流變壓器有載分接開關(guān)位置不同步，自動再同步功能將啟用同步功能。對同一閥組的Y／Y換流變壓器和Y／D換流變壓器三相的分接頭檔位求平均值，并做四舍五入，并作為該換流器分接頭檔位TCP。與其他相別分接頭檔位相比，發(fā)出升或降分接頭命令。

式中：T為換流變分接開關(guān)檔位；Tm為Y／Y換流變壓器不同相別對應(yīng)的檔位；Tn為Y／D換流變壓器不同相別對應(yīng)的檔位。

分接頭調(diào)節(jié)時間發(fā)生在分接頭不同步開始的10 s內(nèi)，10 s后不進行分接頭同步調(diào)節(jié)。

2）雙極分接頭同步功能。雙極分接頭控制在極控制系統(tǒng)PCP中，主要負責(zé)雙極換流器分接頭雙極再同步控制。沂南換流站分層接入，每極的高壓閥組和低壓閥組換流變壓器分別連接到500 kV和1 000 kV的交流電網(wǎng)，相應(yīng)的兩個換流單元對應(yīng)換流變壓器的分接頭檔位數(shù)目和每檔的電壓大小都有所差別，不能采用對4個閥組平衡同步的功能，需要按統(tǒng)一交流網(wǎng)統(tǒng)一特性換流變壓器分別同步，即配置雙極按高閥對高閥、低閥對低閥分別對分接頭進行同步功能。

如果兩個極高端對高端（或低端對低端）換流變壓器的分接頭檔位之間為2檔時，則進行分接頭同步。向較高檔位的換流器極內(nèi)的較高檔位換流器下達降分接頭命令，向較低檔位的換流器極內(nèi)的較低檔位換流器下達升分接頭命令。

圖4 雙極分接頭同步邏輯

3 系統(tǒng)調(diào)試期間異常分析

直流系統(tǒng)調(diào)試試驗期間，在RTDS中將逆變側(cè)1 000 kV交流電壓置數(shù)為1 100 kV。試驗現(xiàn)象為γ=27°，換流變壓器分接頭17檔不降檔。

表2 試驗現(xiàn)象

當(dāng)Uac升高時，Udi0隨之升高，直流電壓Udl隨之升高。逆變側(cè)的電壓控制器VCA起作用，限制直流電壓升高，即減小α（增大γ），當(dāng)α減小時，是朝著遠離AMAX限制的方向動作，VCA不受AMAX限制，此時VCA控制器起作用。調(diào)整α為快速調(diào)節(jié)，迅速將直流電壓調(diào)節(jié)到指定值，但此時VCA調(diào)節(jié)的整流側(cè)參考電壓值是電壓參考值加上OFFSET值（2.5 kV），即高于分接頭的正常電壓參考值，VCA調(diào)節(jié)后的電壓值恰好在分接頭死區(qū)范圍附近 （分接頭電壓參考值+死區(qū)），導(dǎo)致分接頭無法動作，故分接頭不動作（分接頭不能控角度，只能控電壓）。

后續(xù)將低端閥組的OFFSET值在程序內(nèi)置成3 kV，分接頭能正常調(diào)節(jié)，γ降到17.5°，試驗結(jié)果正常。

4 結(jié)語

沂南換流站采用分層接入技術(shù)，其分接頭同步功能增加雙極同步功能，較常規(guī)直流有所不同，結(jié)合調(diào)試期間故障進行了具體分析，為今后換流變壓器分接開關(guān)的可靠運行提供參考和借鑒。