分層接入特高壓直流系統(tǒng)換相失敗預(yù)測(cè)控制策略研究

焦 浩，高 煒，宋慧慧

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

上海廟—臨沂±800 kV特高壓直流輸電工程起于內(nèi)蒙古鄂爾多斯上海廟換流站，止于山東省臨沂市沂南換流站，采用分層接入方式。其中，±800 kV沂南換流站 （簡(jiǎn)稱沂南站）由500 kV智圣變電站和±800 kV沂南換流站合建而成，雙極四閥組額定輸送容量 10 000 MW，額定電壓±800 kV，額定電流6 250 A。上海廟—臨沂±800 kV特高壓直流輸電作為國(guó)內(nèi)第一批特高壓±800 kV／6 250 A／10 000 MW受端分層接入直流輸電工程，其特高壓直流受端分層接入不同電壓等級(jí)交流電網(wǎng)，可有效提高受端交流系統(tǒng)的電壓支撐能力、改善電網(wǎng)潮流分布，對(duì)保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

上海廟—臨沂±800 kV特高壓直流輸電工程受端與常規(guī)特高壓直流工程不同，采用分層接入方式，每極高低端閥組分別接入500 kV與1 000 kV交流電網(wǎng)。受端兩個(gè)交流電網(wǎng)通過(guò)交流聯(lián)絡(luò)變壓器相連，存在耦合度。根據(jù)華北地區(qū)多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗仿真分析可知，寧東—青島、上海廟—臨沂、扎魯特—青州直流逆變站換流母線附近發(fā)生故障，均引起膠東換流站、沂南換流站、廣固換流站母線電壓同時(shí)下降，從而導(dǎo)致3回直流同時(shí)發(fā)生換相失敗，電壓跌落嚴(yán)重，引起連續(xù)換相失敗，影響整個(gè)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在分層接入方式下，沂南站同一極高端閥組接入500 kV交流電網(wǎng)，低端閥組接入1 000 kV交流電網(wǎng)，主回路結(jié)構(gòu)與常規(guī)特高壓換流站差異明顯。沂南站具體分層接入交流電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

直流控制系統(tǒng)作為換流站最核心的設(shè)備，相比常規(guī)換流站更為復(fù)雜。針對(duì)已投運(yùn)直流工程換相失敗導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖案例，結(jié)合整個(gè)山東電網(wǎng)現(xiàn)狀，有必要對(duì)換相失敗預(yù)測(cè)控制功能做相應(yīng)的修改與分析。

1 常規(guī)特高壓直流換相失敗預(yù)測(cè)控制策略

換相失敗預(yù)測(cè)控制（CFPRED）［1］用于防止由交流故障引起的換相失敗。常規(guī)特高壓直流該功能包括2個(gè)并行的部分：一部分是基于零序檢測(cè)法檢測(cè)不對(duì)稱故障；另一部分是基于交流電壓αβ轉(zhuǎn)換檢測(cè)三相故障。

1.1 換相失敗預(yù)測(cè)控制判據(jù)

1.1.1 零序電壓判據(jù)

零序電壓判據(jù)主要針對(duì)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障的工況。當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障（單相接地、兩相接地、兩相短路）時(shí)，交流母線電壓出現(xiàn)零序分量，即三相相電壓總和不為零。若零序分量大于設(shè)定值，則啟動(dòng)換相失敗預(yù)測(cè)控制功能。

動(dòng)作條件為：

式中：U0為零序電壓分量，pu；Ua，Ub，Uc為交流母線三相相電壓，pu。

1.1.2 αβ變換電壓判據(jù)

αβ變化電壓判據(jù)主要是針對(duì)逆變側(cè)交流系統(tǒng)的擾動(dòng)工況。交流電壓通過(guò)abc—αβ變換得到α軸和β軸上對(duì)應(yīng)的2個(gè)分量，三相對(duì)稱分量經(jīng)變換后在α－β平面得到一個(gè)以角速度旋轉(zhuǎn)的矢量。

當(dāng)逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障時(shí)，若αβ變換輸出值小于穩(wěn)態(tài)工況下αβ變換輸出值，且變化量ΔUαβ超過(guò)設(shè)定值時(shí)則啟動(dòng)換相失敗預(yù)測(cè)控制功能。

動(dòng)作條件為

1.2 保護(hù)動(dòng)作順序

圖2 閥組保護(hù)性閉鎖或線路保護(hù)移相重啟

常規(guī)特高壓直流系統(tǒng)針對(duì)換相失敗的控制策略是通過(guò)測(cè)量逆變側(cè)換流變支路上的交流相電壓，計(jì)算其零序分量和αβ變換后的變化量，如果計(jì)算值超過(guò)門檻值，極控系統(tǒng)將增大熄弧角。同時(shí)還配有檢測(cè)對(duì)閥執(zhí)行換流器X/Y閉鎖時(shí)增大本閥組GAMMA角功能。

2 沂南換流站換相失敗預(yù)測(cè)控制策略

沂南站為分層接入系統(tǒng)［2］，其主回路特征是：受端高端和低端閥組分別接入500 kV和1 000 kV兩個(gè)交流電網(wǎng)。

圖3 本閥及對(duì)閥換相失敗預(yù)測(cè)模塊

當(dāng)受端分層接入的兩個(gè)交流電網(wǎng)耦合緊密時(shí)，一個(gè)電網(wǎng)交流故障對(duì)另一個(gè)交流電網(wǎng)的影響很強(qiáng)，采用常規(guī)直流工程的零序電壓法［3］和αβ變換法換相失敗預(yù)測(cè)控制功能，兩個(gè)交流電網(wǎng)所連接的兩個(gè)閥組能夠同步檢測(cè)到交流故障，能夠同時(shí)啟動(dòng)換相失敗預(yù)測(cè)控制，同時(shí)增大熄弧角γ以防止換相失敗。

當(dāng)受端分層接入的兩個(gè)交流電網(wǎng)耦合性低或無(wú)耦合時(shí)，一個(gè)電網(wǎng)交流故障對(duì)另一個(gè)交流電網(wǎng)的影響不大，采用常規(guī)直流工程的換相失敗預(yù)測(cè)控制功能，發(fā)生交流故障電網(wǎng)所連接的閥組能夠及時(shí)啟動(dòng)換相失敗預(yù)測(cè)控制，而另一個(gè)交流電網(wǎng)所連接的閥組并不能夠同時(shí)啟動(dòng)換相失敗預(yù)測(cè)控制。啟動(dòng)換相失敗預(yù)測(cè)控制的閥組所接交流電網(wǎng)故障，造成閥組電壓的跌落，引起直流電流的快速增大；而高低壓閥組是串聯(lián)在一起的，直流電流的快速增大造成另一閥組的換相時(shí)間變長(zhǎng)，疊弧角增大，熄弧角快速減小，在該閥組未能及時(shí)啟動(dòng)換相失敗預(yù)測(cè)控制的情況下，增大了該閥組換相失敗的概率。

針對(duì)分層接入時(shí)兩個(gè)交流電網(wǎng)相互影響會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相失敗概率提高，在沂南站基于常規(guī)換流站換相失敗預(yù)測(cè)控制策略進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 極間交換運(yùn)行狀態(tài)避免換相失敗

通過(guò)極間通信傳遞對(duì)極運(yùn)行狀態(tài)，閥組保護(hù)性閉鎖或者由于線路故障導(dǎo)致線路保護(hù)動(dòng)作移相重啟時(shí)，向?qū)O發(fā)送增大GAMMA信號(hào)，避免一極由于故障發(fā)生閉鎖或者移相重啟時(shí)，導(dǎo)致另一極電壓波動(dòng)而引起閉鎖。如圖2所示，該邏輯主要用來(lái)檢測(cè)對(duì)極運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)極故障引起閥組保護(hù)性閉鎖或由于線路故障引起線路移相重啟時(shí)，本極要增大GAMMA角預(yù)防換相失敗。

2.2 同時(shí)配置兩個(gè)換相失敗預(yù)測(cè)控制模塊策略

如圖3所示，受端兩交流電網(wǎng)的電壓信號(hào)同時(shí)接入高、低壓閥組，受端高、低壓閥組控制主機(jī)分別配置兩個(gè)換相失敗預(yù)測(cè)控制模塊，同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)交流電網(wǎng)的故障，當(dāng)任一模塊換相失敗預(yù)測(cè)控制啟動(dòng)時(shí)，則立即增大熄弧角，以防止換相失敗情況的發(fā)生，增大的角度取兩個(gè)預(yù)測(cè)模塊計(jì)算值中較大值。

2.3 采用直流電流上升率為判據(jù)的策略

鑒于單個(gè)閥組發(fā)生換相失敗會(huì)存在因?yàn)橹绷麟娏鞯臎_擊而造成另一個(gè)閥組跟著換相失敗的可能，在特高壓分層接入工程中增加以直流電流上升率為判據(jù)的換相失敗預(yù)測(cè)功能，判據(jù)啟動(dòng)后立即增大熄弧角，提供閥更大的換相裕度［4］，以防止換相失敗情況的發(fā)生；在某些工況下可以提升受端抵御換相失敗的能力。

如圖4所示，采用直流電流上升率為判據(jù)的略，其判據(jù)應(yīng)滿足式（7），且保持2 ms。

圖4 增大GAMMA指令

式中：IDNC為直流電流實(shí)測(cè)值，pu；Iord為直流電流指令值，pu。

換相失敗預(yù)測(cè)控制策略如圖5所示，策略主要包括：換相失敗預(yù)測(cè)控制（配置對(duì)本閥換相失敗預(yù)測(cè)和對(duì)對(duì)閥換相失敗預(yù)測(cè)）輸出GAMMA增量［5］；電流上升率換相失敗預(yù)測(cè)［6］、對(duì)閥執(zhí)行換流器X/Y閉鎖、對(duì)極有閥組保護(hù)性閉鎖或線路保護(hù)移相重啟，任一條件滿足時(shí)，增大GAMMA角5°。輸出上述兩種策略中較大GAMMA角增量，如圖6所示。

圖5 換相失敗預(yù)測(cè)控制策略

其中，對(duì)對(duì)閥進(jìn)行換相失敗預(yù)測(cè)、電流上升率換相失敗預(yù)測(cè)是區(qū)別于常規(guī)特高壓，針對(duì)分層接入系統(tǒng)增加的換相失敗預(yù)測(cè)控制策略，如圖5中紅色框部分所示。

圖6 GAMMA角增量選擇

3 結(jié)語(yǔ)

以特高壓直流輸電換相失敗機(jī)理為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合華北電網(wǎng)多饋入直流系統(tǒng)現(xiàn)狀［7］，考慮各種故障下交直流間及各條直流間的相互影響，以昭沂直流工程沂南站為例，結(jié)合常規(guī)特高壓直流換相失敗控制策略，分析總結(jié)特高壓直流系統(tǒng)分層接入后的換相失敗預(yù)測(cè)控制策略。基于RTDS仿真模擬臨沂站交流母線電壓發(fā)生單相和三相永久接地故障，驗(yàn)證所提控制策略能有效抑制換相失敗的發(fā)生。