高壓直流換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)控制優(yōu)化

郭賢珊，李鳳祁，阮思燁，張俊，劉心旸

(1.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京市 100031；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流技術(shù)中心，北京市100052)

0 引 言

高壓直流輸電在電網(wǎng)中所占比重日趨顯著[1-2]，換流變壓器、換流閥等直流主設(shè)備的可靠運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)安全意義重大[3-4]。在高壓直流輸電工程的正常運(yùn)行方式中，換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)作為高壓直流輸電系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)控制手段[5]，在補(bǔ)償交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)、穩(wěn)定直流電壓、保證換流閥運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)安全的觸發(fā)角(關(guān)斷角)等方面發(fā)揮著重要作用[6-7]。

近年來(lái)，部分高壓直流換流站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)在運(yùn)行中相繼暴露出一系列問(wèn)題，引起了各方高度關(guān)注[8-10]。在此背景下，為進(jìn)一步提高設(shè)備本質(zhì)安全、保障直流輸電系統(tǒng)安全運(yùn)行，國(guó)家電網(wǎng)有限公司針對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)可靠性提升開(kāi)展了一系列工作，取得了一定成果[11-13]，通過(guò)優(yōu)化分接開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，增加設(shè)計(jì)裕度，嚴(yán)格制造和安裝工藝質(zhì)量，強(qiáng)化監(jiān)測(cè)和驗(yàn)收管控，提升了分接開(kāi)關(guān)可靠性。與此同時(shí)，由于數(shù)次嚴(yán)重故障均發(fā)生在有載分接開(kāi)關(guān)檔位調(diào)節(jié)過(guò)程中，如果通過(guò)改進(jìn)有載分接開(kāi)關(guān)控制策略或優(yōu)化控制方式[14]，合理減少有載分接開(kāi)關(guān)非必須的檔位調(diào)節(jié)次數(shù)，就能夠有效降低有載分接開(kāi)關(guān)再次發(fā)生類(lèi)似故障的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)有載分接開(kāi)關(guān)使用壽命，提升運(yùn)行可靠性。

由于高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行至今已具備較為成熟的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[15-16]，換流變壓器分接開(kāi)關(guān)通常都是伴隨傳輸功率或系統(tǒng)電壓的變化而相應(yīng)調(diào)節(jié)，因此，為達(dá)到分接開(kāi)關(guān)在電壓或功率發(fā)生變化的情況下減小動(dòng)作次數(shù)的目標(biāo)，需要對(duì)控制器結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)定值等方面開(kāi)展深入研究，對(duì)直流控制系統(tǒng)進(jìn)行全面優(yōu)化。

基于上述分析，本文以減少換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)不必要頻繁動(dòng)作為目的開(kāi)展研究。首先，介紹目前換流站的有載分接開(kāi)關(guān)控制目標(biāo)與控制原理，分析部分換流站發(fā)生有載分接開(kāi)關(guān)頻繁調(diào)節(jié)的原因。然后，在此基礎(chǔ)上，對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)的調(diào)檔策略?xún)?yōu)化方式進(jìn)行深入研究，并基于研究分析結(jié)論提出幾類(lèi)減少有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的推薦措施。最后，通過(guò)仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)各類(lèi)措施的效果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)控制原理

目前換流變壓器配置有載分接開(kāi)關(guān)的直流輸電系統(tǒng)主要包括兩類(lèi)：基于電網(wǎng)換相型換流器(line commutated converter, LCC)的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)[17]以及基于電壓源型換流器(voltage source converter, VSC)的柔性直流輸電系統(tǒng)[18]。后者是近年來(lái)興起的基于IGBT全控器件的新型直流輸電技術(shù)，采用模塊化多電平換流器。柔性直流輸電系統(tǒng)一般通過(guò)調(diào)整換流變壓器分接開(kāi)關(guān)檔位來(lái)控制調(diào)制比范圍[19]。通常在交流系統(tǒng)電壓波動(dòng)不大，且調(diào)制比范圍允許時(shí)，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開(kāi)關(guān)可以維持在固定檔位。從實(shí)際運(yùn)行情況看，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)很少。

因此，本文研究主要針對(duì)常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，整流站和逆變站的換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)通常采用不同的控制方式，如整流站控制觸發(fā)角、逆變站控制直流電壓或空載直流電壓。盡管控制目標(biāo)與控制策略有所區(qū)別，但都是通過(guò)改變整流站、逆變站閥側(cè)直流空載電壓(Udi0R、Udi0I)以達(dá)到調(diào)節(jié)整流站、逆變站直流側(cè)端口電壓(UdR、UdI)的目的。本節(jié)首先就幾類(lèi)典型的有載分接開(kāi)關(guān)控制原理進(jìn)行介紹。

1.1 整流站有載分接開(kāi)關(guān)控制原理

根據(jù)直流輸電主回路計(jì)算的基本理論[20]，整流站直流端口電壓的計(jì)算公式如式(1)—(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：UdR代表整流側(cè)直流端口電壓；Udi0R代表整流側(cè)直流空載電壓；UvR代表?yè)Q流變壓器閥側(cè)交流電壓，與Udi0R呈正比關(guān)系；XdR代表整流側(cè)換流器感性阻抗；Id代表直流電流；α代表整流側(cè)觸發(fā)角；UacR代表?yè)Q流變壓器網(wǎng)側(cè)交流電壓；Nnom代表?yè)Q流變壓器額定變比；η為有載分接開(kāi)關(guān)檔位級(jí)差；Tcp代表有載分接開(kāi)關(guān)實(shí)際檔位；TcpN為額定檔位。

目前常規(guī)直流輸電工程(包括端對(duì)端直流輸電工程與背靠背直流輸電工程)的整流站(側(cè))換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯以換流閥觸發(fā)角為控制目標(biāo)，將角度控制在15°±2.5°范圍內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1 整流站有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯原理圖

參考式(1)—(3)，若整流站交流電壓UacR降低或直流電流指令增大，此時(shí)直流端口電壓UdR通常由逆變站控制而維持相對(duì)穩(wěn)定，故需整流站控制器減小觸發(fā)角α以補(bǔ)償交流電壓或直流電流變化帶來(lái)的影響。

當(dāng)α減小超過(guò)2.5°時(shí)，控制系統(tǒng)將啟動(dòng)有載分接開(kāi)關(guān)檔位動(dòng)作邏輯，Tcp上調(diào)一檔以增大閥側(cè)電壓UvR，進(jìn)而增大了直流空載電壓Udi0R，觸發(fā)角重新回到穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)。相反方向的調(diào)節(jié)過(guò)程原理相同，其控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 整流站有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯流程圖

1.2 逆變站有載分接開(kāi)關(guān)控制原理

與整流站類(lèi)似，逆變站直流端口電壓的計(jì)算如式(4)—(6)所示。

(4)

(5)

(6)

式中：UdI代表逆變側(cè)直流端口電壓；Udi0I代表逆變側(cè)空載直流電壓；UvI代表逆變站換流變壓器閥側(cè)交流電壓，與Udi0I呈正比關(guān)系；XdI代表逆變側(cè)換流器感性阻抗；γ代表逆變側(cè)關(guān)斷角；UacI代表逆變站換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流電壓。

可以看出逆變側(cè)直流端口電壓的計(jì)算公式與整流側(cè)基本相同，僅僅將式(1)中的觸發(fā)角α用式(4)中的關(guān)斷角γ替代。常規(guī)直流逆變站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯根據(jù)直流輸電系統(tǒng)類(lèi)型的不同(主要分為端對(duì)端直流輸電工程與背靠背直流輸電工程)有所區(qū)分，具體介紹如下。

目前背靠背直流輸電工程逆變站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯以逆變站的空載直流電壓Udi0I為控制目標(biāo)，將空載直流電壓控制在Udi0I±ΔUdi0范圍內(nèi)(±ΔUdi0為空載直流電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū))。控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 背靠背直流逆變站有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯原理圖

對(duì)于背靠背直流輸電工程，以式(4)中Udi0I為控制目標(biāo)：若交流電壓UacI降低，由式(5)、(6)可知Udi0I將同比例降低，控制器將升高檔位Tcp以幫助Udi0I回到額定值附近；而直流電流Id的變化并不會(huì)引起有載分接開(kāi)關(guān)的檔位調(diào)節(jié)，隨著Id增大，直流端口電壓UdI將下降。整個(gè)過(guò)程如圖4所示。

圖4 背靠背直流逆變站有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯流程圖

目前端對(duì)端直流輸電工程逆變站有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯以整流站直流電壓UdR為控制目標(biāo)，將直流電壓控制在UdN±ΔUd范圍內(nèi)(UdN為整流站額定直流電壓，±ΔUd為直流電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū))?？刂葡到y(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 端對(duì)端直流逆變站有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯原理圖

需要指出的是，上述控制策略主要應(yīng)用于目前國(guó)家電網(wǎng)有限公司所轄的大部分端對(duì)端直流輸電工程逆變站，這是由于在逆變側(cè)換流閥角度控制邏輯中，大多采用預(yù)測(cè)型熄弧角控制策略，正常運(yùn)行時(shí)關(guān)斷角γ固定在額定值(通常為17°)運(yùn)行，因此對(duì)直流電壓與輸送功率的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)均只能依靠換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于上述端對(duì)端直流系統(tǒng)，控制目標(biāo)為整流側(cè)端口電壓UdR，UdR與UdI的關(guān)系如式(7)所示：

(7)

可以看出：因交流電壓UacI變化所引起的檔位調(diào)節(jié)機(jī)理與背靠背直流輸電工程一致。而當(dāng)系統(tǒng)條件變化導(dǎo)致直流電流增大時(shí)，為保證整流側(cè)電壓UdR恒定，此時(shí)有載分接開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)方向?qū)⑷Q于線路阻抗Rd與換相電抗3XdI/π的大小：若Rd>3XdI/π，控制系統(tǒng)將降低檔位以減小Udi0I；反之則升高檔位以增大Udi0I。整個(gè)過(guò)程如圖6所示。

圖6 端對(duì)端直流逆變站有載分接開(kāi)關(guān)控制邏輯流程圖

2 有載分接開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作問(wèn)題分析

按照高壓直流輸電工程成套技術(shù)規(guī)范的一般性要求，換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)電氣壽命應(yīng)不低于30萬(wàn)次。通常情況下?lián)Q流站的分接開(kāi)關(guān)日均動(dòng)作次數(shù)約為10次，以此推算，設(shè)備可運(yùn)行約80年；隨著日均調(diào)節(jié)次數(shù)增高，設(shè)備的使用壽命將相應(yīng)縮短，并且頻繁動(dòng)作還會(huì)帶來(lái)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。基于各換流站運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)增加的情況可歸結(jié)為以下幾類(lèi)：

1)以“祁韶”、“靈紹”、“雁淮”為代表的實(shí)現(xiàn)新能源配套送出的直流工程，由于受到新能源上網(wǎng)功率波動(dòng)影響，直流功率調(diào)節(jié)比較頻繁，送端站有載分接開(kāi)關(guān)日均動(dòng)作次數(shù)會(huì)相對(duì)增加(通常約15次)，對(duì)此類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)優(yōu)化控制策略，在確保送電需求的條件下降低檔位調(diào)節(jié)次數(shù)，提高對(duì)新能源送出的適應(yīng)性。

2)以中俄聯(lián)網(wǎng)背靠背直流輸電工程為代表的背靠背直流輸電工程，由于分接開(kāi)關(guān)的控制目標(biāo)為空載直流電壓Udi0，交流電壓的大幅波動(dòng)將直接引起分接開(kāi)關(guān)的頻繁調(diào)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)中俄聯(lián)網(wǎng)背靠背直流輸電工程黑河換流站2018年間分接開(kāi)關(guān)日均動(dòng)作約25次，這是由于兩側(cè)的交流系統(tǒng)電壓支撐能力較弱，系統(tǒng)電壓波動(dòng)幅度較大所導(dǎo)致。

3)在高壓直流輸電工程啟動(dòng)調(diào)試階段，分接開(kāi)關(guān)每日動(dòng)作次數(shù)通常較多(30～40次)，這是因?yàn)檎{(diào)試過(guò)程中會(huì)經(jīng)常進(jìn)行啟停操作。對(duì)于這一類(lèi)情況，可采取下列措施進(jìn)行優(yōu)化：直流起動(dòng)前將分接開(kāi)關(guān)置于解鎖功率對(duì)應(yīng)檔位(以往通常置于最低檔位)，這樣就能避免啟動(dòng)時(shí)的逐級(jí)升檔動(dòng)作過(guò)程；同時(shí)適當(dāng)增大分接開(kāi)關(guān)連續(xù)調(diào)節(jié)的間隔時(shí)間，由此躲過(guò)一些微小擾動(dòng)引起的檔位調(diào)節(jié)。

4)部分換流站有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)顯著過(guò)高，如靈紹直流輸電工程紹興換流站在2018年迎峰度夏期間的日均動(dòng)作竟達(dá)到87次之多，雁淮直流輸電工程淮安站日均動(dòng)作也達(dá)到32次，且絕大部分是在相鄰檔位之間往復(fù)調(diào)節(jié)。對(duì)于出現(xiàn)這類(lèi)異常調(diào)節(jié)行為的換流站，需要深入分析其原因并采取針對(duì)性解決措施。

3 降低有載分接開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作措施分析

針對(duì)部分換流站有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁問(wèn)題，從高壓直流系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇、控制參數(shù)優(yōu)化以及新型有載分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)控制策略等多方面開(kāi)展研究，以達(dá)到有效減少有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的目的。

本文研究選取天中直流輸電工程為例，基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真(real time digital simulation，RTDS)平臺(tái)搭建仿真模型。首先模擬了常規(guī)全壓運(yùn)行方式下，因交流電壓波動(dòng)以及直流功率提升引起的有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況，如圖7所示。

圖7(a)為模擬交流電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)引起有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的仿真波形圖。圖7(b)為模擬直流功率調(diào)整引起有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)的仿真波形圖?？梢钥闯觯喝珘哼\(yùn)行方式下，施加交流系統(tǒng)電壓擾動(dòng)，將會(huì)引起有載分接開(kāi)關(guān)往復(fù)在相鄰檔位間調(diào)節(jié)；而在功率升降過(guò)程中，整流站與逆變站的有載分接開(kāi)關(guān)檔位均隨之進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖7 常規(guī)全壓運(yùn)行方式下有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況仿真

3.1 措施1：直流系統(tǒng)降壓運(yùn)行

在直流輸電工程的成套設(shè)計(jì)階段，為了保證在線路絕緣能力下降時(shí)能夠繼續(xù)穩(wěn)定輸送功率，一般會(huì)考慮采用直流降壓運(yùn)行方式，即：將直流電壓降低至額定電壓UdN的70%～80%運(yùn)行。該模式下需要配合有載分接開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)，降低閥側(cè)交流電壓，從而達(dá)到降低直流端口電壓的效果。

降壓運(yùn)行方式下的直流電壓越低，有載分接開(kāi)關(guān)越容易調(diào)節(jié)至最低檔位；當(dāng)有載分接開(kāi)關(guān)達(dá)到該檔位后將不再調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)將通過(guò)改變觸發(fā)角或關(guān)斷角以適應(yīng)交流電壓和直流功率的變化。對(duì)于采用70%降壓運(yùn)行方式設(shè)計(jì)的直流工程(如天中直流輸電工程、賓金直流輸電工程)，采用降壓運(yùn)行方式能夠完全避免送受端換流站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作，圖8為天中直流輸電系統(tǒng)采用降壓運(yùn)行方式時(shí)的仿真波形。

圖8 降壓運(yùn)行方式下有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況仿真

可以看出：采用降壓運(yùn)行方式后，有載分接開(kāi)關(guān)停留在最低檔位，交流電壓的擾動(dòng)、直流功率的變化均未再引起檔位的調(diào)節(jié)；通過(guò)觸發(fā)角與關(guān)斷角的變化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓波動(dòng)的補(bǔ)償以及直流功率的調(diào)制。

降壓運(yùn)行方式會(huì)使換流閥運(yùn)行在較大觸發(fā)角(關(guān)斷角)，通常情況下，功率越低角度越大。同時(shí)直流輸電系統(tǒng)的最大輸送能力會(huì)因電壓降低而受限(如降壓70%的直流系統(tǒng)最大輸送能力為0.7 pu,基準(zhǔn)值為額定功率)；除此之外，對(duì)于送、受端網(wǎng)側(cè)電壓不同，或者高低閥組接入網(wǎng)側(cè)電壓不同情況，由于分接開(kāi)關(guān)的級(jí)差不同、調(diào)壓深度不同，降壓方式不能完全限制有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作。例如對(duì)于因?yàn)樗褪芏?、高低端閥組網(wǎng)側(cè)電壓不同，設(shè)計(jì)降壓能力為80%的直流工程，采用降壓運(yùn)行策略后，隨著直流功率提升，觸發(fā)角(關(guān)斷角)會(huì)逐步調(diào)節(jié)至額定角度，此時(shí)有載分接開(kāi)關(guān)對(duì)角度與電壓的控制功能將再次生效，重新引起檔位調(diào)節(jié)。

措施1較適用于送、受端換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作均頻繁，或分接開(kāi)關(guān)可能存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，需要降低動(dòng)作次數(shù)的直流換流站采用。但由于降壓運(yùn)行導(dǎo)致直流系統(tǒng)最大輸送功率受限，且同樣輸送功率下的直流電流增大，損耗增加，因此不適用于直流大功率運(yùn)行需求。

3.2 措施2：優(yōu)化電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū)與同步策略

針對(duì)靈紹直流輸電系統(tǒng)紹興換流站、雁淮直流輸電系統(tǒng)淮安站分接開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作問(wèn)題，通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)事件記錄和同步相量測(cè)量裝置(phasor measuring unit, PMU)數(shù)據(jù)，并結(jié)合控制保護(hù)軟件進(jìn)行分析，明確有載分接開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作的原因是由于直流電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū)±ΔUd設(shè)置不合理導(dǎo)致。

由式(4)—(6)可以看出：有載分接開(kāi)關(guān)調(diào)檔后換流變壓器閥側(cè)電壓變化，空載直流電壓Udi0也隨之變化，最終導(dǎo)致直流電壓變化。以單12脈動(dòng)閥組調(diào)節(jié)一檔有載分接開(kāi)關(guān)為例，對(duì)應(yīng)的直流電壓變化如式(8)所示。

ΔUd_tcp=2Udi0cosγ·Δk

(8)

式中：ΔUd_tcp為調(diào)節(jié)檔位引起的直流電壓變化量；Δk為一檔有載分接開(kāi)關(guān)的調(diào)壓級(jí)差，通常對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓500 kV換流變壓器為1.25%，對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓750 kV換流變壓器為0.86%，對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓1 000 kV換流變壓器為0.65%。

由式(8)計(jì)算得出的直流電壓變化通常為5～6 kV，當(dāng)設(shè)定的直流電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū)小于或接近該電壓值時(shí)，容易造成有載分接開(kāi)關(guān)在相鄰檔位間往復(fù)調(diào)節(jié)。以雁淮直流輸電系統(tǒng)淮安換流站為例，有載分接開(kāi)關(guān)往復(fù)動(dòng)作原理如圖9所示。

圖9 有載分接開(kāi)關(guān)往復(fù)調(diào)節(jié)過(guò)程原理示意圖

基于對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)頻繁調(diào)節(jié)原因的分析，適當(dāng)增大電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū)對(duì)抑制有載分接開(kāi)關(guān)往復(fù)調(diào)節(jié)有明顯效果。

與此同時(shí)，由于目前的特高壓直流輸電工程通常每極為雙12脈動(dòng)閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，上下每個(gè)12脈動(dòng)閥組各連接一組換流變壓器，如果要求高低端兩組變壓器的有載分接開(kāi)關(guān)檔位完全一致，則每次調(diào)節(jié)時(shí)高低端兩組變壓器的有載分接開(kāi)關(guān)同升同降(即同步調(diào)節(jié))，調(diào)檔所引起的直流電壓波動(dòng)將進(jìn)一步增大，可能出現(xiàn)由于直流電壓越限而引起有載分接開(kāi)關(guān)回調(diào)的情況，頻繁調(diào)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)更大。因此本文提出異步調(diào)節(jié)措施，即在直流電壓不滿足要求時(shí)，優(yōu)先讓高端或低端換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)一檔，并且允許高低端換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)存在一檔的檔位差。

以天中直流輸電系統(tǒng)為例，仿真模擬了優(yōu)化電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū)，并采用有載分接開(kāi)關(guān)異步調(diào)節(jié)控制方式抑制有載分接開(kāi)關(guān)頻繁動(dòng)作，效果如圖10所示。

圖10 優(yōu)化電壓死區(qū)/異步調(diào)節(jié)后有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況仿真

通過(guò)圖10與圖7對(duì)比可以看出，在采用合理設(shè)置死區(qū)、高低端異步調(diào)節(jié)的優(yōu)化措施后，同樣的交流電壓擾動(dòng)引起的直流電壓變化并未再次導(dǎo)致有載分接開(kāi)關(guān)發(fā)生頻繁調(diào)檔現(xiàn)象。

措施2對(duì)于交流電壓經(jīng)常性小幅波動(dòng)、電壓死區(qū)設(shè)置較小的直流換流站較為適合，對(duì)于采取其他措施的直流換流站也可同時(shí)采用該措施。

3.3 措施3：采用直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略

為了降低逆變站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數(shù)，本文提出一種新型直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略。該策略通過(guò)放開(kāi)直流電壓控制死區(qū)下限，達(dá)到降低逆變站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的目的。同樣以天中直流輸電系統(tǒng)為例，首先通過(guò)主回路計(jì)算，遍歷所有直流全壓運(yùn)行工況下逆變站的最低有載分接開(kāi)關(guān)檔位，結(jié)果如表1所示。

表1 天中直流系統(tǒng)主回路計(jì)算參數(shù)(原策略)

表1表明，逆變站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)最低檔位所對(duì)應(yīng)的是直流單極金屬回線方式、輸送功率為1.0 pu時(shí)的工況，此時(shí)逆變站的直流端口電壓最低。代入該工況下的直流電流Id=5 kA，金屬回線電阻Rd=21 Ω，可計(jì)算得逆變站最低端口電壓Udmin為：

Udmin=UdR-IdRd=695 kV

(9)

根據(jù)上述分析，此時(shí)若將逆變站直流電壓調(diào)節(jié)控制死區(qū)的下限值設(shè)置到低于Udmin(即滿足UdN-ΔUd

表2 天中直流主回路計(jì)算參數(shù)(新策略)

圖11為原策略與新策略原理對(duì)比，可以看出：新策略本質(zhì)上相當(dāng)于將電壓控制調(diào)節(jié)死區(qū)的上限ΔUd_up和下限ΔUd_down設(shè)置為不同數(shù)值。上限值基本維持不變，而下限值根據(jù)實(shí)際主回路計(jì)算的最低電壓進(jìn)行調(diào)整，最終使得當(dāng)直流電壓運(yùn)行在Udmin

圖11 直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略與原策略對(duì)比

圖12為天中直流輸電系統(tǒng)采用直流動(dòng)態(tài)電壓控制新策略的仿真波形。從圖12中可以看出：采用該策略后，隨著系統(tǒng)電壓和直流功率的變化，直流電壓將會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，逆變站有載分接開(kāi)關(guān)檔位始終保持固定，整流站的有載分接開(kāi)關(guān)仍會(huì)相應(yīng)調(diào)節(jié)。

圖12 直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略下有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況仿真

直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略對(duì)于改善逆變站換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)頻繁調(diào)節(jié)情況十分有效，但由于整流站的控制目標(biāo)是觸發(fā)角，當(dāng)直流輸送功率調(diào)整以及整流站交流電壓波動(dòng)時(shí)，若引起角度變化范圍超過(guò)±2.5°，整流站依然會(huì)進(jìn)行檔位調(diào)節(jié)；同時(shí)隨著直流電壓降低，直流輸送功率也會(huì)受到限制(最大輸送功率標(biāo)幺值對(duì)應(yīng)直流的降壓水平)。

直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略下各運(yùn)行功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的直流電壓和觸發(fā)角相比全壓運(yùn)行方式有所區(qū)別，對(duì)應(yīng)的換流器無(wú)功消耗也將發(fā)生變化，因此若采用該策略，需重新計(jì)算和調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償需求，重新整定換流站無(wú)功控制策略。

措施3較適合于逆變站換流變壓器分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻繁或分接開(kāi)關(guān)存在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)直流輸送功率在允許范圍內(nèi)且功率調(diào)整不頻繁的直流換流站采用。

4 工程驗(yàn)證

上述三類(lèi)措施對(duì)于降低換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的檔位調(diào)節(jié)次數(shù)均具有一定作用，應(yīng)用效果在各換流站的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中也得到了驗(yàn)證。

1)措施1降壓運(yùn)行是特高壓直流系統(tǒng)的一種常規(guī)運(yùn)行方式，其效果已經(jīng)得到過(guò)諸多工程的實(shí)際檢驗(yàn)。例如在2019年迎峰度夏期間，雁淮直流輸電系統(tǒng)通過(guò)降壓運(yùn)行方式，有載分接開(kāi)關(guān)日均動(dòng)作次數(shù)同比下降90%左右。

2)措施2采用優(yōu)化電壓控制死區(qū)與高低端換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)檔位異步調(diào)節(jié)的方法，對(duì)于在2018年曾出現(xiàn)的有載分接開(kāi)關(guān)頻繁往復(fù)動(dòng)作的靈紹、雁淮直流輸電系統(tǒng)的逆變站，現(xiàn)場(chǎng)采用該措施后均未再發(fā)生此類(lèi)現(xiàn)象。2019年紹興站日均動(dòng)作次數(shù)下降了95%左右，證明了該措施對(duì)于規(guī)避因?yàn)橄到y(tǒng)電壓小擾動(dòng)而引起的有載分接開(kāi)關(guān)頻繁往復(fù)動(dòng)作問(wèn)題效果顯著。

3)對(duì)于措施3采用直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略，由于涉及到控制系統(tǒng)的較大改動(dòng)，且之前并無(wú)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，故組織開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試相關(guān)功能對(duì)于直流輸電系統(tǒng)整體控制保護(hù)系統(tǒng)的影響以及對(duì)于降低分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)的效果。以昭沂直流輸電工程為例，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 昭沂直流輸電工程直流動(dòng)態(tài)電壓控制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

從表3數(shù)據(jù)可以看出：在采用直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略后，隨著直流功率的升降，直流電壓有明顯的變化，整流側(cè)的有載分接開(kāi)關(guān)檔位也會(huì)隨功率變化而調(diào)節(jié)，而逆變站的有載分接開(kāi)關(guān)檔位始終固定，不再跟隨電壓變化而調(diào)整，這與之前理論分析和仿真計(jì)算的結(jié)論是完全一致的。

5 結(jié) 論

本文以降低換流變壓器有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)為目的，針對(duì)有載分接開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)原理和控制優(yōu)化開(kāi)展了深入研究，提出了三類(lèi)行之有效的解決措施。綜合理論分析、仿真計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及運(yùn)行反饋，三類(lèi)措施在降低有載分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)方面各有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)針對(duì)不同直流輸電工程的特點(diǎn)和需求，選擇合適的方案。

1)降壓運(yùn)行方式作為直流系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)行模式，由于在工程調(diào)試階段和實(shí)際運(yùn)行中已經(jīng)過(guò)大量檢驗(yàn)，運(yùn)行可靠性相對(duì)較高。

2)優(yōu)化電壓控制死區(qū)與高低端閥組檔位異步調(diào)節(jié)措施能夠有效規(guī)避由于系統(tǒng)電壓較小擾動(dòng)引起的有載分接開(kāi)關(guān)在相鄰檔位間頻繁調(diào)節(jié)的問(wèn)題。

3)采用直流動(dòng)態(tài)電壓控制策略基本能夠可靠保證逆變站有載分接開(kāi)關(guān)在直流系統(tǒng)的所有正常運(yùn)行方式下均不發(fā)生檔位調(diào)節(jié)。