±500 kV云貴互聯(lián)工程換流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)控制策略分析

何照能，孫豪

（中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

±500 kV云貴互聯(lián)通道工程是國(guó)家“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)工程，由中國(guó)南方電網(wǎng)公司建設(shè)、運(yùn)營(yíng)，其西起云南祿勸換流站、中至貴州高坡?lián)Q流站、東達(dá)廣州肇慶站，雙極額定直流功率為3000 MW。與常規(guī)兩端直流輸電工程相比，其為國(guó)內(nèi)首個(gè)三端直流工程。

相比于常規(guī)的±800 kV直流工程，云貴互聯(lián)通道工程沒有閥組控制級(jí)，相應(yīng)的換流變數(shù)量也少一半。但其有載調(diào)壓開關(guān)的控制策略與其它常規(guī)直流工程基本一致的。本文以祿勸換流站為例分析有載調(diào)壓開關(guān)的電壓控制模式和角度控制模式，引入分析幾種典型的有載調(diào)壓開關(guān)附加控制功能，并結(jié)合工程功能試驗(yàn)階段的控保程序分析兩種控制模式下的開關(guān)動(dòng)作特性。

1 云貴互聯(lián)通道工程有載調(diào)壓開關(guān)

1.1 有載調(diào)壓開關(guān)簡(jiǎn)介

工程所用有載調(diào)壓開關(guān)為VR型調(diào)壓開關(guān)，安裝在換流變一次側(cè)，一次部分采用真空室滅弧，具有開斷電流大、電壓等級(jí)高的特點(diǎn)。采用凸輪動(dòng)作開關(guān)識(shí)別觸頭的位置，動(dòng)作過程平穩(wěn)、一致性高[1]。

該調(diào)壓開關(guān)共有-6～18共25個(gè)檔位,調(diào)節(jié)一檔的時(shí)間大概為5～10 s，調(diào)節(jié)范圍高達(dá)額定值的30%，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為1.25%的額定值，能有較大裕度配合控保系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流電壓[7]。

1.2 有載調(diào)壓開關(guān)控制策略

直流工程中常用的分接開關(guān)控制策略主要有電壓控制模式和角度控制模式。電壓控制模式以保證Udi0（無相控閥側(cè)理想空載直流電壓）的恒定為調(diào)節(jié)目的，角度控制模式以保證Alpha（觸發(fā)角）在規(guī)定的范圍內(nèi)為調(diào)節(jié)目的。在直流工程中主要使用角度控制模式，保證觸發(fā)角不致過小而導(dǎo)致調(diào)節(jié)范圍裕度不足，觸發(fā)角不致過大而導(dǎo)致閥片承受過大應(yīng)力和長(zhǎng)期消耗過多無功[2]。

為保證調(diào)壓開關(guān)可靠運(yùn)行，除以上兩種主要的控制策略外，還設(shè)置自動(dòng)重同步、開關(guān)起始檔位同步、開光調(diào)節(jié)時(shí)間監(jiān)視等附加控制功能。附加控制功能可以有效監(jiān)視調(diào)壓開關(guān)狀態(tài)，并自動(dòng)處理一些基本異常，如開關(guān)非同步運(yùn)行、開關(guān)調(diào)節(jié)時(shí)間超時(shí)等，有效提高調(diào)壓開關(guān)的可用性。

2 控制策略常用參數(shù)

2.1 BCD碼

調(diào)壓開關(guān)的原始檔位使用MR公司定義的BCD碼表示，BCD碼與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換公式為：

式（1） 中，n1、n2、n3、n4、n5、n6為 BCD碼中對(duì)應(yīng)的1至6數(shù)位。

BCD碼的數(shù)位由調(diào)壓開關(guān)的凸輪動(dòng)作開關(guān)輸入控保程序，通過式（1）轉(zhuǎn)換為可識(shí)別的十進(jìn)制數(shù)用于其它邏輯運(yùn)算[9]。

2.2 有載調(diào)壓開關(guān)檔位

調(diào)壓開關(guān)的檔位中含有極性反轉(zhuǎn)檔位，為直觀表示檔位的升降，需將BCD輸入的原始檔位減去極性反轉(zhuǎn)檔位以表示調(diào)壓開關(guān)的實(shí)際檔位，祿勸換流站調(diào)壓開關(guān)的極性反轉(zhuǎn)檔位為第7檔。

祿勸換流站單極共有6臺(tái)換流變壓器，分為YD型連接方式和YY型連接方式。檔位計(jì)算方法如圖1所示，YD型連接的換流變和YY型連接的換流變分別相加后除以3取商得到各自的檔位，再將兩種連接方式的換流變檔位相加并除以2取商得到最終的調(diào)壓開關(guān)檔位。

圖1 有載調(diào)壓開關(guān)檔位計(jì)算

2.3 有載調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)特點(diǎn)

為便于分析調(diào)壓開關(guān)的調(diào)節(jié)特點(diǎn)，假設(shè)換流變交流側(cè)電壓為不變的系統(tǒng)電壓，則根據(jù)變壓器電流公式可知換流變二次側(cè)電壓為[3]：

式（2）中，UAC為換流變網(wǎng)側(cè)電壓，UAC'為換流變閥側(cè)電壓，n1和n2為網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組數(shù)。

調(diào)壓開關(guān)安裝在換流變網(wǎng)側(cè)，因此實(shí)際調(diào)節(jié)的是網(wǎng)側(cè)繞組數(shù)n1。由式（2）可知，調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)特點(diǎn)為：調(diào)壓開關(guān)升檔時(shí)，閥側(cè)電壓降低；當(dāng)降檔時(shí)，閥側(cè)電壓升高[8]。

3 電壓控制模式

3.1 調(diào)壓開關(guān)控制原理

換流閥直流側(cè)電壓為：

式（3）中，Udi0為換流變閥側(cè)無相控理想空載直流電壓，α為換流閥觸發(fā)角，drl為等值換相阻抗，Id為直流電流。

由式（3）可知，對(duì)于已經(jīng)建設(shè)完成的直流工程，直流電壓值取決于Udi0和α。α的控制由閥控系統(tǒng)完成，調(diào)節(jié)迅速、平滑，但調(diào)節(jié)范圍小，常用于直流系統(tǒng)電壓的快速變化；Udi0的控制由極控系統(tǒng)的有載調(diào)壓開關(guān)控制邏輯完成，受限于調(diào)壓開關(guān)本身機(jī)械特性的原因，調(diào)節(jié)速度過慢，不足以滿足直流系統(tǒng)快速的電壓變化調(diào)節(jié)，但其調(diào)節(jié)范圍遠(yuǎn)大于α，常被用于慢速而變化過大的直流電壓調(diào)節(jié)[4]。

本文主要分析Udi0控制調(diào)節(jié)，Udi0計(jì)算公式如下：

從式（4）中可知，Udi0取決于換流變網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電壓UAC和網(wǎng)側(cè)繞組數(shù)n1。通常系統(tǒng)電壓為遠(yuǎn)方調(diào)度中心調(diào)控，所以默認(rèn)系統(tǒng)電壓為定值。因此，Udi0調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)為換流變網(wǎng)側(cè)繞組數(shù)n1調(diào)節(jié)。

3.2 Udi0ACT與Udi0REF的計(jì)算

Udi0ACT沒有對(duì)應(yīng)的一次設(shè)備測(cè)點(diǎn)，通常是通過額定Udi0換算得到，換算公式如下：

式（5）中，Udi0N為額定網(wǎng)側(cè)電壓下調(diào)壓開關(guān)位于“0”檔時(shí)，Udi0的額定值；num原始為換流變調(diào)壓開關(guān)的原始檔位。

如圖2所示，不同調(diào)壓開關(guān)控制模式下，Udi0REF不同，其中角度控制模式下的參考值小于電壓控制模式，這樣有利于系統(tǒng)過電壓的抑制。

圖2 Udi0參考值折線圖

3.3 電壓控制模式的控制邏輯

如圖3所示，電壓控制模式通過計(jì)算Udi0ACT與Udi0REF之差，將該值與0.011和-0.011比較，若大于0.011則升調(diào)壓開關(guān)，若小于-0.011則降調(diào)壓開關(guān)。

圖3 電壓控制邏輯

如圖3所示，Udi0控制模式針對(duì)Udi0的值進(jìn)行調(diào)控，調(diào)節(jié)結(jié)果為保持Udi0不變。該種調(diào)節(jié)模式能有效調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓保持額定值，但在一些特殊的工況下將導(dǎo)致觸發(fā)角Alpha的運(yùn)行工況變差，給閥帶來過大應(yīng)力。而直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)主要以保持輸送的功率不變?yōu)橹?，這可通過與電流調(diào)節(jié)配合實(shí)現(xiàn)。因此，Udi0控制模式一般不作為調(diào)壓開關(guān)的主要控制模式，僅在閥組處于閉鎖狀態(tài)或空載加壓實(shí)驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)。

4 角度控制模式

4.1 角度控制原理

角度控制模式針對(duì)換流器不同的運(yùn)行模式控制原理不同，當(dāng)換流器運(yùn)行在整流器模式時(shí)，控制原理為定觸發(fā)角控制；當(dāng)運(yùn)行在逆變模式時(shí)，控制原理為定關(guān)斷角控制[5]。

由式（3）、式（5）可知，以整流器為例，調(diào)壓開關(guān)直接調(diào)節(jié)的量為Udi0的值，而直流系統(tǒng)維持直流電壓不變，若觸發(fā)角運(yùn)行在額定工況以外，則通過調(diào)節(jié)Udi0的大小可將觸發(fā)角拉回額定值范圍。因此，角度控制的實(shí)質(zhì)為通過調(diào)節(jié)Udi0間接使觸發(fā)角或關(guān)斷角保持在額定范圍內(nèi)。

4.2 角度控制模式的控制邏輯

如圖4所示，角度控制模式直接采集控保系統(tǒng)輸出的觸發(fā)角，通過判斷觸發(fā)角是否運(yùn)行在額定范圍（12.5°～17.5°）內(nèi)來調(diào)節(jié)調(diào)壓開關(guān)的升降。若觸發(fā)角大于17.5°，則升高調(diào)壓開關(guān)檔位；若觸發(fā)角小于12.5°，則降低調(diào)壓開關(guān)檔位。

圖4 角度控制邏輯

角度控制模式一般作為調(diào)壓開關(guān)控制的主要模式，該模式能有效改善觸發(fā)角的運(yùn)行工況，使閥承受較小的應(yīng)力沖擊。

無論電壓控制，還是角度控制，受限于其一次部分的機(jī)械特性，調(diào)壓開關(guān)對(duì)直流系統(tǒng)的調(diào)節(jié)屬于慢速控制。若Udi0或觸發(fā)角剛好位于調(diào)壓開關(guān)的調(diào)節(jié)邊緣，此時(shí)將可能造成控保系統(tǒng)其它快速控制功能與調(diào)壓開關(guān)慢速控制功能的反復(fù)調(diào)節(jié)[6]，使得調(diào)壓開關(guān)反復(fù)動(dòng)作。因此，通常給調(diào)壓開關(guān)的輸出設(shè)置一個(gè)延時(shí)時(shí)間，云貴互聯(lián)通道工程為5秒。

5 附加控制功能

5.1 調(diào)壓開關(guān)起始檔位同步功能

在直流系統(tǒng)運(yùn)行前，需將調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)到起始檔位，若通過工作站手動(dòng)調(diào)節(jié)將會(huì)導(dǎo)致大量浪費(fèi)時(shí)間。因此，設(shè)有起始檔位同步功能，運(yùn)行人員可在工作站上手動(dòng)啟動(dòng)該功能，也可在換流變進(jìn)線斷路器斷開時(shí)，由控制系統(tǒng)延時(shí)啟動(dòng)該功能。

5.2 調(diào)壓開關(guān)自動(dòng)同步功能

直流系統(tǒng)每一極對(duì)應(yīng)至少6臺(tái)換流變，在運(yùn)行過程中要保持每臺(tái)換流變檔位一致，但受控制系統(tǒng)性能、一次設(shè)備特性和環(huán)境因素等原因影響，調(diào)壓開關(guān)可能發(fā)生失步。調(diào)壓開關(guān)檔位不一致將會(huì)引起直流系統(tǒng)諧波增加、閥電壓分布不均等問題。因此，控保系統(tǒng)設(shè)有調(diào)壓開關(guān)自動(dòng)同步功能。

自動(dòng)同步功能基本原理為：若某臺(tái)調(diào)壓開關(guān)檔數(shù)高于其它開關(guān)，則降低本開關(guān)檔位與其它的保持一致；若某臺(tái)調(diào)壓開關(guān)數(shù)本就低于其它開關(guān)，則降低其它開關(guān)檔位與本開關(guān)保持一致。這樣的調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓開關(guān)不同步時(shí)，檔位向升高Udi0的方向調(diào)節(jié)，保證閥側(cè)電壓始終滿足要求。

5.3 調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)時(shí)間監(jiān)視功能

調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作時(shí)，機(jī)械機(jī)構(gòu)需要一定時(shí)間才能切換到位。為準(zhǔn)確判斷調(diào)壓開關(guān)是否動(dòng)作到位，通常根據(jù)調(diào)壓開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間設(shè)置調(diào)節(jié)監(jiān)視時(shí)間。祿勸換流站使用的VR型調(diào)壓開關(guān)的固有動(dòng)作時(shí)間一般為5～10秒，為有足夠的動(dòng)作時(shí)間裕度，設(shè)置監(jiān)視時(shí)間為15秒。

以降檔為例，當(dāng)發(fā)出降檔指令時(shí)，監(jiān)視時(shí)間開始計(jì)時(shí)，并將此時(shí)的調(diào)壓開關(guān)檔位減一。當(dāng)監(jiān)視時(shí)間結(jié)束時(shí)，比較現(xiàn)在的調(diào)壓開關(guān)檔位和之前減一后的調(diào)壓開關(guān)檔位，若相等則開關(guān)調(diào)節(jié)到位，若不等則調(diào)壓開關(guān)故障。

5.4 調(diào)壓開關(guān)強(qiáng)制控制功能

調(diào)壓開關(guān)的主要控制模式為角度控制模式，在某些極端的情況下，該種控制模式可能導(dǎo)致Udi0的值過高。由式（3）可知，當(dāng)直流電流過大時(shí)將會(huì)導(dǎo)致?lián)Q相壓降過大，直流電壓降低，為保持直流電壓不變，控制系統(tǒng)將降低觸發(fā)角，過低的觸發(fā)角導(dǎo)致調(diào)壓開關(guān)降檔，最后導(dǎo)致Udi0過大，威脅調(diào)壓開關(guān)絕緣。

為避免上述問題，通常設(shè)有調(diào)壓開關(guān)強(qiáng)制控制功能。以祿勸換流站為例，當(dāng)Udi0的值大于101.25%的額定值時(shí)，禁止調(diào)壓開關(guān)降檔；當(dāng)Udi0的值大于103%時(shí)，強(qiáng)制升高調(diào)壓開關(guān)檔位。附加控制功能保證調(diào)壓開關(guān)能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)提高運(yùn)行人員操作的便利性。[10]

6 結(jié)束語

本文結(jié)合云貴互聯(lián)通道工程詳細(xì)分析了直流工程中2種常用的有載調(diào)壓控制模式和4種附加控制功能。常用的有載調(diào)壓控制模式保證調(diào)壓開關(guān)動(dòng)作滿足直流系統(tǒng)的控制要求。