高壓直流輸電換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)的死區(qū)角度和死區(qū)電壓分析

盧東斌，李鳳祁，姚其新，黃志嶺，張慶武，侍喬明

（1.南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇省南京市 211102；2.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流技術(shù)中心，北京市100052；4.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司直流公司，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)高壓直流輸電技術(shù)和工程應(yīng)用取得了突破。 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司的±800 kV 云廣、糯扎渡、滇西北［1］等特高壓直流工程，以及國(guó)家電網(wǎng)有限公司的±800 kV 向家壩—上海、錦屏—蘇南、哈密—鄭州、溪洛渡—浙江、靈州—紹興、晉北—南京、錫盟—泰州、上海廟—山東、扎魯特—青州［2］、青海—河南、雅中—江西、陜北—武漢和±1 100 kV 昌吉—古泉［3-4］等特高壓直流輸電工程已建成投運(yùn)并保持安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)優(yōu)化配置中國(guó)的能源資源發(fā)揮了重要作用。

在高壓直流輸電控制中，整流側(cè)和逆變側(cè)換流器都配置了電流控制器。其中，整流側(cè)一般控制直流電流，而逆變側(cè)則通過(guò)在電流控制器中引入電流裕度（ΔI）使逆變側(cè)有效的電流指令低于整流側(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓控制。直流輸電系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)是通過(guò)換流器觸發(fā)角的快速控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此外，為了擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍和保持系統(tǒng)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)，還輔以換流變壓器分接頭的調(diào)節(jié)［5-7］。一般使用帶負(fù)荷切換分接頭的裝置進(jìn)行調(diào)壓［8-11］。

換流變壓器分接頭有以下調(diào)節(jié)方式：空載直流電壓（Udi0）控制、角度控制和電壓控制等［12-16］。換流變壓器在空載未解鎖時(shí)采用Udi0控制，按照預(yù)先設(shè)定的空載直流電壓將換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)至對(duì)應(yīng)的擋位。正常運(yùn)行時(shí)，整流側(cè)的換流器一般工作在電流控制，換流變壓器分接頭采用角度控制，將觸發(fā)角控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)（一般為15°±2.5°），以保證換流器可靠觸發(fā)并留有足夠的調(diào)節(jié)裕度；而逆變側(cè)的換流器有定關(guān)斷角控制和定直流電壓控制兩種控制方式。如果采用定關(guān)斷角控制［17-19］，則控制關(guān)斷角恒定且一般為17°，確保留有足夠的換相裕度不發(fā)生換相失敗，此時(shí)，換流變壓器分接頭采用電壓控制，控制整流側(cè)的直流電壓在額定電壓附近的較小范圍內(nèi)；如果采用定直流電壓控制，則換流變壓器分接頭采用角度控制，將關(guān)斷角控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)，一般為19.5°±2°，確保換流器留有足夠的換相裕度。目前，國(guó)網(wǎng)和南網(wǎng)直流工程整流側(cè)的換流變壓器分接頭都采用角度控制；國(guó)網(wǎng)直流工程逆變側(cè)的換流變壓器分接頭在2019 年以前采用直流電壓控制，自青豫工程以后則采用角度控制，而南網(wǎng)直流工程逆變側(cè)的換流變壓器分接頭則一直采用角度控制。

換流變壓器分接頭配置在網(wǎng)側(cè)，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)按照直流電壓的調(diào)節(jié)需求給定。特高壓直流單個(gè)閥組（額定電壓為400 kV）分接頭調(diào)節(jié)一擋時(shí)，按照直流電壓波動(dòng)約5 kV 進(jìn)行設(shè)計(jì)，既滿足直流電壓波動(dòng)較小，又具有一定的調(diào)壓范圍來(lái)滿足0.1～1.0 p.u.功率運(yùn)行需求和全降壓轉(zhuǎn)換需求。例如，工程中的換流變壓器分接頭擋位約有30 擋，相應(yīng)的調(diào)壓范圍約為150 kV，可保證降壓到0.8 p.u.或0.7 p.u.（需要再輔助觸發(fā)角/關(guān)斷角調(diào)節(jié)）。因此，接入不同交流電壓等級(jí)的換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)步長(zhǎng)不同，500、750、1 000 kV 等級(jí)的調(diào)節(jié)步長(zhǎng)分別為1.25%、0.86%、0.65%，設(shè)計(jì)原則為調(diào)節(jié)一擋時(shí)的單個(gè)閥組直流電壓波動(dòng)約為5 kV。

由于換流變壓器分接頭不能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，需要設(shè)置合適的死區(qū)。高壓直流輸電工程一般沿用以往ABB 或西門(mén)子工程的經(jīng)驗(yàn)死區(qū)值，沒(méi)有公開(kāi)的文獻(xiàn)資料對(duì)換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置進(jìn)行深入研究，導(dǎo)致高壓直流輸電工程實(shí)施時(shí)的分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置缺乏設(shè)計(jì)依據(jù)，部分工程因參數(shù)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致?lián)Q流變壓器分接頭頻繁調(diào)節(jié)，縮短了換流變壓器的分接開(kāi)關(guān)使用壽命，影響了高壓直流輸電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。近年來(lái)，發(fā)生了多起因分接開(kāi)關(guān)故障導(dǎo)致的直流停運(yùn)事件［20］。目前，換流變壓器分接開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)使用壽命為30 年，動(dòng)作次數(shù)不低于30 萬(wàn)次，平均動(dòng)作次數(shù)上限值約為27 次/d。

本文詳細(xì)分析了換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)原理，并分別對(duì)整流側(cè)和逆變側(cè)的換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)進(jìn)行研究，給出分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)角度和死區(qū)電壓的設(shè)置原則，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了上述分析的正確性。

1 換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)原理

考慮到高壓直流輸電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)范圍大，一方面，無(wú)功功率消耗需要在合理范圍內(nèi)，這就要求整流側(cè)和逆變側(cè)換流器的觸發(fā)角和關(guān)斷角在較小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；另一方面，直流電壓需要控制在額定電壓以維持較高的輸電效率。但是，不能從整流側(cè)和逆變側(cè)換流器的觸發(fā)角和關(guān)斷角來(lái)協(xié)調(diào)上述兩個(gè)方面。因此，高壓直流輸電系統(tǒng)引入換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)。整流側(cè)通過(guò)換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)角在參考值附近，既具有有功功率調(diào)節(jié)能力，又能保證無(wú)功功率消耗在合理范圍內(nèi)；逆變側(cè)通過(guò)換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷角在參考值附近，既保證整流側(cè)直流電壓維持在額定電壓，又能保證無(wú)功功率消耗在合理范圍內(nèi)。

對(duì)于整流器，需要正常運(yùn)行在觸發(fā)角（α）較小的狀態(tài)，以提高功率因數(shù)并減少無(wú)功功率的消耗。但α也不宜太接近能保證可靠觸發(fā)導(dǎo)通的下限，要留有充分的可調(diào)范圍。一般要求α運(yùn)行在12.5°～17.5°之間［1］。當(dāng)兩側(cè)交流系統(tǒng)電壓發(fā)生較大變化時(shí)，由于定電流調(diào)節(jié)的結(jié)果，可能使α長(zhǎng)時(shí)間超出上述范圍，這時(shí)應(yīng)自動(dòng)改變分接頭的位置，使α回到要求的范圍內(nèi)。為此，將測(cè)得的實(shí)際α值與整定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)α≤12.5°（下限）時(shí)，把分接頭調(diào)高一擋（此處按照升擋升閥側(cè)電壓），而當(dāng)α≥17.5°（上限）時(shí)，則調(diào)低一擋。

分接頭的每擋調(diào)節(jié)量設(shè)計(jì)原則為：設(shè)調(diào)節(jié)前α運(yùn)行在下限，調(diào)節(jié)一擋后電壓升高，電流調(diào)節(jié)器運(yùn)行在α的參考值。每擋調(diào)節(jié)量必須適當(dāng)，以免分接頭調(diào)節(jié)裝置頻繁動(dòng)作。

逆變側(cè)換流變壓器分接頭的調(diào)節(jié)方式與逆變器的基本調(diào)節(jié)方式有關(guān)。逆變器按照定關(guān)斷角調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)換流變壓器分接頭來(lái)維持整流側(cè)直流電壓在參考電壓（Udref，全壓運(yùn)行時(shí)為額定電壓），以充分利用直流系統(tǒng)的輸電能力。一般設(shè)置一個(gè)死區(qū)電壓ΔU，當(dāng)整流側(cè)Udref與實(shí)際直流電壓（Ud）之差大于ΔU時(shí)，把分接頭調(diào)高一擋（此處按照升擋升閥側(cè)電壓）；當(dāng)整流側(cè)Udref與實(shí)際直流電壓（Ud）之差小于-ΔU時(shí)，把分接頭調(diào)低一擋。

逆變器以定直流電壓調(diào)節(jié)為基本方式時(shí)，換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制關(guān)斷角（γ）在合理范圍內(nèi)。一般γ的參考值為19.5°，換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)范圍為19.5°±2°。為此，將測(cè)得的實(shí)際γ與整定的上下限值進(jìn)行比較，當(dāng)γ≤17.5°（下限）時(shí)，把分接頭調(diào)高一擋，而當(dāng)γ≥21.5°（上限）時(shí)，則調(diào)低一擋。

首先，分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)的設(shè)定要考慮分接頭自身調(diào)節(jié)次數(shù)在合適范圍內(nèi)，一般按年進(jìn)行計(jì)算，需充分考慮直流功率調(diào)節(jié)范圍、交流側(cè)電壓波動(dòng)范圍，從而滿足1 萬(wàn)次/年的限制要求，得出死區(qū)最小設(shè)計(jì)值；其次，要使直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行工作點(diǎn)（包括直流電壓、觸發(fā)角/關(guān)斷角）范圍較窄，以使直流線路損耗、換流器損耗、無(wú)功功率消耗較小，故死區(qū)也不能設(shè)置過(guò)大。

2 整流側(cè)換流變壓器分接頭觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)

2.1 換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)與觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)關(guān)系

根據(jù)第1 章分析可知，整流側(cè)觸發(fā)角死區(qū)設(shè)置主要是為了滿足在交流電壓正常波動(dòng)時(shí)，通過(guò)分接頭調(diào)節(jié)可滿足觸發(fā)角運(yùn)行在參考值附近。

設(shè)額定功率時(shí)的分接頭擋位數(shù)為0，當(dāng)分接頭擋位數(shù)為n1R時(shí)，12 脈動(dòng)整流器的直流電壓UdR，1為：

式中：α1R為分接頭擋位數(shù)為n1R時(shí)的整流器觸發(fā)角；dxR為整流側(cè)換流變壓器相對(duì)感性壓降；drR為整流側(cè)換流變壓器相對(duì)阻性壓降；IdR，1為分接頭擋位數(shù)為n1R時(shí)的直流電流實(shí)測(cè)值；IdNR為整流器額定直流電流；Udi0NR為整流器額定空載直流母線電壓；Udi0R，1為分接頭擋位數(shù)為n1R時(shí)的實(shí)際空載直流母線電壓；UTR為整流器前向壓降。

若分接頭擋位數(shù)調(diào)節(jié)一擋，則12 脈動(dòng)整流器的直流電壓UdR，2為：

式中：α2R為分接頭調(diào)節(jié)后的整流側(cè)觸發(fā)角；IdR，2為分接頭調(diào)節(jié)后的整流器直流電流實(shí)測(cè)值；Udi0R，2為分接頭調(diào)節(jié)后的整流器實(shí)際空載直流母線電壓。

根據(jù)直流輸電系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性，直流電壓和直流電 流 都 將 保 持 不 變，即UdR，1=UdR，2，IdR，1=IdR，2。式（1）和式（2）聯(lián)立可得到觸發(fā)角的變化情況，則求得α2R為：

以國(guó)內(nèi)靈州—紹興直流工程為例，設(shè)分接頭調(diào)節(jié)前觸發(fā)角運(yùn)行在17.5°，即α1R=17.5°，在分接頭擋位數(shù)增加一擋（閥側(cè)電壓下降）后，不同功率時(shí)的觸發(fā)角α2R變化如圖1 所示。

圖1 分接頭擋位數(shù)增加一擋時(shí)不同功率水平下的觸發(fā)角變化Fig.1 Change of triggering angle when number of taps increases by one gear at different power levels

由圖1 可以看出，隨著直流功率增大，分接頭對(duì)應(yīng)的空載直流電壓也增大，分接頭擋位數(shù)增加一擋后，引起的空載直流電壓變化百分比會(huì)變大，α2R也相應(yīng)變小。因此，觸發(fā)角變化范圍會(huì)略微增大。

設(shè)分接頭調(diào)節(jié)前觸發(fā)角運(yùn)行在12.5°，即α1R=12.5°，在分接頭擋位數(shù)減少一擋（閥側(cè)電壓上升）后，不同功率時(shí)的觸發(fā)角α2R變化如圖2 所示。

圖2 分接頭擋位數(shù)減少一擋時(shí)不同功率水平下的觸發(fā)角變化Fig.2 Change of triggering angle when number of taps decreases by one gear at different power levels

由圖2 可以看出，隨著直流功率增大，分接頭對(duì)應(yīng)的空載直流電壓也增大，分接頭擋位數(shù)減少一擋后，引起的空載直流電壓變化百分比會(huì)變大，α2R也相應(yīng)變大。因此，觸發(fā)角變化范圍會(huì)略微增大。

2.2 整流側(cè)換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)與交流電壓關(guān)系

交流電壓的變化也會(huì)引起換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)，當(dāng)交流電壓在較大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，會(huì)引起換流變壓器分接頭振蕩調(diào)節(jié)。

設(shè)觸發(fā)角初始運(yùn)行在其下限值，即

式中：α0R為觸發(fā)角參考值；Δα為換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)觸發(fā)角死區(qū)。

根據(jù)式（1）可得此時(shí)的直流電壓UdR，1。當(dāng)交流電壓波動(dòng)引起角度達(dá)到其上限值α2R時(shí)，即

根 據(jù) 式（2），令UdR，2=UdR，1可 得 空 載 直 流 電壓為：

因此，交流電壓波動(dòng)值ΔUACR為：

式中：UAC1R為整流側(cè)初始交流線電壓有效值。

當(dāng)交流電壓波動(dòng)達(dá)到ΔUACR時(shí)，觸發(fā)角將在上限值和下限值之間波動(dòng)，從而引起換流變壓器分接頭上下反復(fù)調(diào)節(jié)。同理，可以得到觸發(fā)角初始運(yùn)行在其上限值時(shí)的交流電壓波動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q流變壓器分接頭上下波動(dòng)。

雖然交流側(cè)短路容量是影響交流電壓波動(dòng)的主要因素，但是分接頭調(diào)節(jié)與交流側(cè)短路容量沒(méi)有直接關(guān)系。根據(jù)上述公式推導(dǎo)，分接頭調(diào)節(jié)只取決于交流電壓的波動(dòng)范圍，因此，本文主要致力于研究分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)和交流電壓波動(dòng)范圍的關(guān)系。

以靈州—紹興直流工程為例，觸發(fā)角死區(qū)值為±2.5°，由此可得引起分接頭上下反復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓范圍如圖3 所示。當(dāng)觸發(fā)角初始運(yùn)行在其上限值17.5°時(shí)，交流電壓向下波動(dòng)達(dá)到約18 kV，觸發(fā)角將達(dá)到其下限值12.5°，換流變壓器分接頭擋位數(shù)減少一擋；而當(dāng)交流電壓恢復(fù)后，觸發(fā)角將達(dá)到其上限值17.5°，換流變壓器分接頭擋位數(shù)增加一擋。同理，當(dāng)觸發(fā)角初始運(yùn)行在其下限值12.5°時(shí)，交流電壓向上波動(dòng)達(dá)到約18 kV，觸發(fā)角將達(dá)到其上限值17.5°，換流變壓器分接頭擋位數(shù)增加一擋；而當(dāng)交流電壓恢復(fù)后，觸發(fā)角將達(dá)到其下限值12.5°，換流變壓器分接頭擋位數(shù)減少一擋。

圖3 不同功率水平下引起分接頭上下調(diào)節(jié)的交流電壓波動(dòng)Fig.3 AC voltage fluctuations causing up or down adjustment of tap at different power levels

實(shí)際系統(tǒng)中，受直流運(yùn)行工作點(diǎn)的影響，引起分接頭調(diào)節(jié)振蕩的電壓區(qū)間會(huì)比上述額定直流電壓運(yùn)行點(diǎn)得到的計(jì)算值更小。

影響交流電壓波動(dòng)范圍的因素很多，交流側(cè)短路容量是其中一個(gè)重要因素。此外，電網(wǎng)還有多種調(diào)壓手段來(lái)穩(wěn)定直流換流站的交流母線電壓。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，西北電網(wǎng)2022 年5 月24 日某換流站的750 kV 交流電壓在777～784 kV 之間波動(dòng)，波動(dòng)范圍達(dá)7 kV。從近一年的歷史數(shù)據(jù)來(lái)看，西北電網(wǎng)交流電壓波動(dòng)較小，距離分接頭上下反復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓范圍較遠(yuǎn)，但隨著新能源電源接入增多，交流電壓的波動(dòng)范圍將進(jìn)一步增大。

3 逆變側(cè)換流變壓器分接頭電壓調(diào)節(jié)死區(qū)

3.1 換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)與電壓調(diào)節(jié)死區(qū)關(guān)系

根據(jù)第1 章分析可知，逆變側(cè)電壓調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置主要是為了滿足在交流電壓正常波動(dòng)時(shí)，通過(guò)分接頭調(diào)節(jié)可滿足關(guān)斷角運(yùn)行在參考值附近。

設(shè)額定功率時(shí)的分接頭擋位數(shù)為0，若分接頭擋 位數(shù)為n1I，則12 脈動(dòng)整流 器的直流 電壓UdI，1為：

式中：γ1I為分接頭擋位數(shù)為n1I時(shí)的逆變器觸發(fā)角；dxI為逆變側(cè)換流變壓器相對(duì)感性壓降；drI為逆變側(cè)換流變壓器相對(duì)阻性壓降；IdI，1為分接頭擋位數(shù)為n1I時(shí)的直流電流實(shí)測(cè)值；IdNI為逆變器額定直流電流；Udi0NI為逆變器額定空載直流母線電壓；UTI為逆變器前向壓降；Udi0I，1為分接頭擋位數(shù)為n1I時(shí)的實(shí)際空載直流母線電壓，即

式中：λI為分接頭調(diào)節(jié)步長(zhǎng)。

若分接頭擋位數(shù)調(diào)節(jié)一擋，則12 脈動(dòng)整流器的直 流 電 壓UdI，2為：

式中：γ2I為分接頭調(diào)節(jié)后的逆變器關(guān)斷角；IdI，2為分接頭調(diào)節(jié)后的逆變器直流電流實(shí)測(cè)值；Udi0I，2為分接頭調(diào)節(jié)后的逆變器實(shí)際空載直流母線電壓。

其中，若分接頭擋位數(shù)增加一擋，則有

若分接頭擋位數(shù)減少一擋，則有

以分接頭擋位數(shù)減少一擋為例，當(dāng)直流運(yùn)行在定電流控制（IdI，1=IdI，2）時(shí)，逆變側(cè)的換流器運(yùn)行在最大觸發(fā)角（αmax）控制時(shí)關(guān)斷角不變，則直流電壓波動(dòng)值ΔUdI為：

式中：γ1I=γ2I=γI。

當(dāng)直流運(yùn)行在定功率控制（IdI，1≠I(mǎi)dI，2）時(shí)，直流電壓波動(dòng)值為：

其中

式 中：PdI，1和PdI，2分 別 為 調(diào) 節(jié) 前、后 逆 變 側(cè) 的 直 流功率。

假設(shè)調(diào)節(jié)前后逆變側(cè)的直流功率不變，即PdI，1=PdI，2=PdI，將 式（15）和 式（16）代 入 式（14）得：

將UdI，2=UdI，1+ΔUdI代入式（17）得：

解上述一元二次方程可求得ΔUdI。

上述方法是假定逆變側(cè)的直流功率不變得到的結(jié)果，但實(shí)際直流輸電系統(tǒng)控制的是整流側(cè)直流功率不變，分接頭調(diào)節(jié)前后直流電流發(fā)生變化導(dǎo)致直流線路的功率損耗不同。因此，分接頭調(diào)節(jié)后逆變側(cè)的直流功率會(huì)有所變化。

為得到準(zhǔn)確的直流電壓變化，根據(jù)分接頭擋位數(shù)調(diào)節(jié)前后整流側(cè)功率不變，列方程如下：

式中：雙極平衡運(yùn)行時(shí)RL為直流線路電阻，不平衡運(yùn)行時(shí)還需考慮接地極線路電阻。

求解上式，采用迭代方法求取直流電壓變化量ΔUdI的近似準(zhǔn)確值，如下式所示：

式中：i為迭代次數(shù)。

需要注意的是，逆變側(cè)直流電壓發(fā)生變化后，需要核實(shí)整流側(cè)的觸發(fā)角變化量，保證其不會(huì)引起整流側(cè)換流變壓器分接開(kāi)關(guān)反復(fù)動(dòng)作。

對(duì)于采用雙12 脈動(dòng)的特高壓直流輸電系統(tǒng)，整流 側(cè) 單12 脈 動(dòng) 的 直 流 電 壓UdR，1為：

假設(shè)整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電流相同，即IdR，1=IdI，1，整流側(cè)的空載直流電壓為：

逆變側(cè)單12 脈動(dòng)換流器的換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)一擋后，假設(shè)該極另一個(gè)串聯(lián)的單12 脈動(dòng)換流器的換流變壓器分接頭擋位不變，則認(rèn)為整流側(cè)和逆變側(cè)的直流電流仍然相同，即IdR，2=IdI，2。此時(shí)，整流 側(cè) 單12 脈 動(dòng) 的 直 流 電 壓UdR，2為：

整流側(cè)的觸發(fā)角為：

因此，需要保證逆變側(cè)直流電壓的變化不會(huì)引起整流側(cè)觸發(fā)角的波動(dòng)超過(guò)死區(qū)范圍。

以靈州—紹興直流工程為例，功率控制模式下，在不同功率水平時(shí)，逆變側(cè)單個(gè)閥組分接頭擋位數(shù)減少一擋時(shí)對(duì)應(yīng)的逆變側(cè)直流電壓變化如圖4所示。

圖4 不同功率水平下分接頭擋位數(shù)減少一擋時(shí)逆變器直流電壓變化Fig.4 Change of inverter DC voltage when number of taps decreases by one gear at different power levels

從圖4 可以看出，隨著直流功率增大，逆變側(cè)分接頭擋位數(shù)減少一擋時(shí)，引起的直流電壓變化增大，但總體上在一個(gè)較窄的范圍（約0.85 kV）內(nèi)波動(dòng)。

逆變側(cè)的換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)后，直流系統(tǒng)為維持功率不變，整流側(cè)換流器將調(diào)節(jié)觸發(fā)角，假設(shè)初始狀態(tài)時(shí)整流側(cè)換流器的觸發(fā)角為15°，調(diào)節(jié)后的觸發(fā)角如附錄A 圖A1 所示。從圖A1 可以看出，隨著直流功率增大，逆變側(cè)單個(gè)閥組分接頭變化一擋，引起的整流側(cè)觸發(fā)角變化較小，觸發(fā)角變化的最大值為1.21°。

功率控制模式下，在不同功率水平時(shí)，逆變側(cè)單個(gè)閥組分接頭擋位數(shù)增加一擋時(shí)對(duì)應(yīng)的逆變側(cè)直流電壓變化如圖5 所示。

圖5 不同功率水平下分接頭擋位數(shù)增加一擋時(shí)逆變器直流電壓變化Fig.5 Change of inverter DC voltage when number of taps increases by one gear at different power levels

從圖5 可以看出，隨著直流功率增大，逆變側(cè)分接頭擋位數(shù)增加一擋時(shí)，引起的直流電壓變化增大，但總體上在一個(gè)較窄的范圍（約0.90 kV）內(nèi)波動(dòng)。

逆變側(cè)的換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)后，直流系統(tǒng)為維持功率不變，整流側(cè)換流器將調(diào)節(jié)觸發(fā)角。假設(shè)初始狀態(tài)時(shí)整流側(cè)換流器的觸發(fā)角為15°，調(diào)節(jié)后的觸發(fā)角如附錄A 圖A2 所示。從圖A2 可以看出，隨著直流功率增大，逆變側(cè)單個(gè)閥組分接頭變化一擋，引起的整流側(cè)觸發(fā)角變化較小，觸發(fā)角變化的最大值為1.26°。

3.2 逆變側(cè)換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)與交流電壓關(guān)系

交流電壓的變化也會(huì)引起換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)，當(dāng)交流電壓在較大范圍波動(dòng)時(shí)，會(huì)引起換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)振蕩。

設(shè)逆變側(cè)換流變壓器分接頭電壓調(diào)節(jié)死區(qū)為ΔUdI，Hyst，當(dāng) 逆 變 側(cè) 單12 脈 動(dòng) 換 流 器 直 流 電 壓 上 下波動(dòng)超過(guò)2ΔUdI，Hyst時(shí)，換流變壓器分接頭會(huì)往復(fù)調(diào)節(jié)，所對(duì)應(yīng)的直流電壓為：

對(duì)應(yīng)的直流電流為：

對(duì)于單極雙12 脈動(dòng)換流器接入同一交流系統(tǒng)的特高壓直流輸電系統(tǒng)，交流電壓波動(dòng)會(huì)同時(shí)影響單極雙12 脈動(dòng)換流器的直流電壓。

當(dāng)采用最大觸發(fā)角控制時(shí)，γ2I=γ1I，此時(shí)的空載直流電壓為：

求解得到引起上述直流電壓波動(dòng)的交流電壓波動(dòng)值ΔUACI為：

式中：UAC1I為逆變側(cè)初始交流線電壓有效值。

當(dāng)交流電壓波動(dòng)達(dá)到ΔUACI時(shí)，直流電壓將在上限值和下限值之間波動(dòng)，從而引起換流變壓器分接頭上下反復(fù)調(diào)節(jié)。同理，可以得到直流電壓向上波動(dòng)時(shí)的交流電壓波動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q流變壓器分接頭上下調(diào)節(jié)。以靈州—紹興直流工程為例，分接頭直流死區(qū)電壓值為3.3 kV，由此可得引起分接頭上下反復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓范圍如圖6 所示。

圖6 不同功率水平下引起分接頭上下調(diào)節(jié)的逆變器交流電壓波動(dòng)Fig.6 AC voltage fluctuations of inverter causing up and down adjustment of tap at different power levels

隨著功率增大，引起分接頭調(diào)節(jié)振蕩的電壓波動(dòng)值略微收窄。逆變側(cè)交流電壓超出圖6 中的電壓限制線時(shí)，將會(huì)引起分接頭調(diào)節(jié)振蕩。實(shí)際系統(tǒng)中，受直流運(yùn)行工作點(diǎn)的影響，引起分接頭調(diào)節(jié)振蕩的電壓區(qū)間會(huì)比上述額定直流電壓運(yùn)行點(diǎn)得到的計(jì)算值更小。圖1 至圖6 的推導(dǎo)過(guò)程可見(jiàn)附錄B。

當(dāng)逆變側(cè)換流變壓器分接頭采用角度控制時(shí)，關(guān)斷角的死區(qū)選擇可參照第2 章整流側(cè)角度控制的分析方法得到。

4 分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置原則

高壓直流輸電換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置不合理，可能會(huì)引起分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞分接開(kāi)關(guān)，造成直流輸電系統(tǒng)停運(yùn)等嚴(yán)重故障。

根據(jù)第2 章和第3 章的分析可知，分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)與觸發(fā)角、直流電壓、直流電流、交流電壓等都有關(guān)系，需要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況設(shè)置合理的分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)值。分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)置越大，相同工況下，引起分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓波動(dòng)范圍越大。因此，從避免分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)角度考慮，可設(shè)置較大的分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)。

分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)增大會(huì)影響直流控制精度。整流側(cè)換流變壓器觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)過(guò)大，將導(dǎo)致觸發(fā)角的上限和下限值差別較大，在同一個(gè)功率點(diǎn)消耗的無(wú)功功率將差別較大；逆變側(cè)換流變壓器電壓調(diào)節(jié)死區(qū)過(guò)大，將導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)直流電壓波動(dòng)增大。

在理論計(jì)算時(shí)，預(yù)先給定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)死區(qū)值，同時(shí)考慮根據(jù)直流輸電系統(tǒng)一定周期（一般為一年）的典型工況，主要包括功率調(diào)節(jié)曲線和交流電壓波動(dòng)情況，通過(guò)理論計(jì)算或仿真得到分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)。如附錄A 圖A3 所示，如果超過(guò)該周期內(nèi)的設(shè)定調(diào)節(jié)次數(shù)，則增大死區(qū)值；如果低于該周期內(nèi)的設(shè)定調(diào)節(jié)次數(shù)，則減小死區(qū)值，直至分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)等于設(shè)定值，從而最終得到理想的死區(qū)值。理論計(jì)算分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)如下：根據(jù)直流輸電系統(tǒng)一定周期的功率值計(jì)算理想空載直流電壓，并結(jié)合交流電壓得到分接頭擋位，進(jìn)而計(jì)算分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)。

但在工程設(shè)計(jì)時(shí)，直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行工況并不能提前得到，且存在較強(qiáng)的隨機(jī)性。一般需根據(jù)高壓直流輸電系統(tǒng)所連接實(shí)際交流系統(tǒng)的交流電壓波動(dòng)范圍，選擇合適的換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)，以避免分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)，影響分接開(kāi)關(guān)使用壽命甚至造成損壞，同時(shí)避免無(wú)功功率和直流電壓大幅波動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)的交流母線電壓波動(dòng)范圍一般為3%，根據(jù)2.2 節(jié)和3.2 節(jié)，可以求得最小的觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)和直流電壓調(diào)節(jié)死區(qū)。結(jié)合直流功率調(diào)節(jié)，建議整流側(cè)觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)選擇2.5°，逆變側(cè)電壓調(diào)節(jié)死區(qū)選擇分接頭調(diào)節(jié)一擋對(duì)應(yīng)的直流電壓變化量的70%～100%，這樣既能避免分接頭頻繁調(diào)節(jié)，又能保證直流電壓控制精度。當(dāng)交流電壓波動(dòng)范圍較大時(shí)，需要根據(jù)交流電壓的波動(dòng)周期和范圍適當(dāng)增大觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)或電壓調(diào)節(jié)死區(qū)。

對(duì)于特高壓直流工程，以靈州—紹興直流工程為例，由于雙12 脈動(dòng)換流器的分接頭可以單獨(dú)調(diào)節(jié)，分接頭調(diào)節(jié)的死區(qū)電壓值選為3.3 kV（約70%），根據(jù)圖6 的分析結(jié)果，交流電壓在±7.5 kV范圍內(nèi)（約3%）不會(huì)往復(fù)調(diào)節(jié)。同時(shí)，當(dāng)整流側(cè)雙12 脈動(dòng)換流器總的直流電壓下降到793.4 kV 時(shí)，逆變側(cè)單12 脈動(dòng)換流器開(kāi)始調(diào)節(jié)增加直流電壓，調(diào)節(jié)一擋后直流電壓大約增加5 kV。此時(shí)，整流側(cè)的直流電壓變?yōu)?98.4 kV，接近額定直流電壓又不產(chǎn)生超調(diào)，可有效避免分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)。對(duì)于常規(guī)直流工程，單極僅有一個(gè)12 脈動(dòng)換流器，為減小分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)，逆變側(cè)宜將直流電壓調(diào)節(jié)死區(qū)適當(dāng)增大，如選擇分接頭調(diào)節(jié)一擋對(duì)應(yīng)的直流電壓變化量的100%，調(diào)節(jié)一擋直流電壓變?yōu)轭~定值，避免出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

5 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

本文以特高壓直流輸電（靈州—紹興直流）工程系統(tǒng)參數(shù)來(lái)研究換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)。采用先進(jìn)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真試驗(yàn)手段，搭建靈州—紹興直流工程的閉環(huán)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)，并采用應(yīng)用于實(shí)際工程的直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)。靈州—紹興直流工程每極采用雙閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，額定直流電壓為±800 kV，輸送功率為8 000 MW，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示［21］。單極采用兩個(gè)12 脈動(dòng)換流器串聯(lián)方式，此種結(jié)構(gòu)有利于減小換流變壓器尺寸并增加系統(tǒng)冗余性，單極主回路結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A4 所示，交流濾波器通過(guò)交流開(kāi)關(guān)與交流母線相連。

表1 靈州—紹興直流輸電工程系統(tǒng)參數(shù)Table 1 System parameters of Lingzhou-Shaoxing DC transmission project

5.1 整流側(cè)換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)試驗(yàn)

在仿真系統(tǒng)中，不同功率水平下，分別將整流側(cè)換流變壓器分接頭手動(dòng)向上、向下調(diào)節(jié)一擋（對(duì)應(yīng)分接頭擋位數(shù)減少、增大一擋），實(shí)測(cè)的觸發(fā)角變化如附錄A 圖A5 所示。

不同功率水平下，分接頭調(diào)節(jié)一擋時(shí)的觸發(fā)角變化略有不同，但變化范圍為1.4°～1.8°，隨著功率水平增大，變化范圍也增大。由于仿真試驗(yàn)中交流電壓存在諧波影響觸發(fā)角測(cè)量精度，不同分接頭擋位下因無(wú)功消耗不同導(dǎo)致交流電壓有細(xì)微差別，觸發(fā)角測(cè)量結(jié)果與理論分析略有差異，但總體誤差較小。

在仿真系統(tǒng)中，直流功率為0.1 p.u.時(shí)，設(shè)置觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)為±2.5°，增加交流電壓波動(dòng)，測(cè)試引起換流變壓器分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓范圍，如附錄A 圖A6 所示。由圖A6 可知，當(dāng)交流相電壓波動(dòng)值約為10 kV、線電壓波動(dòng)值約為17 kV 時(shí)，換流變壓器分接頭在11、12 擋往復(fù)調(diào)節(jié)。

相同工況下，如果把觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)由±2.5°修改為±3.5°，線電壓波動(dòng)值約為23 kV 時(shí)，換流變壓器分接頭才會(huì)在11、12 擋往復(fù)調(diào)節(jié)。

換流變壓器分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)一般出現(xiàn)在兩擋之間，但若線電壓波動(dòng)更大，則換流變壓器分接頭也可能在3 個(gè)擋位甚至更多擋位之間往復(fù)調(diào)節(jié)。

5.2 逆變側(cè)換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)試驗(yàn)

在仿真系統(tǒng)中，不同功率水平下，分別將逆變側(cè)換流變壓器分接頭向上、向下手動(dòng)調(diào)節(jié)一擋，實(shí)測(cè)的單個(gè)閥組直流電壓變化如附錄A 圖A7 所示。

不同功率水平下，分接頭調(diào)節(jié)一擋時(shí)，閥組直流電壓變化略有不同，變化范圍約為4.7～5.6 kV，隨著功率水平增大，變化范圍也變大。由于仿真試驗(yàn)中交流電壓存在諧波影響關(guān)斷角測(cè)量精度，不同分接頭擋位下因無(wú)功消耗不同導(dǎo)致交流電壓有細(xì)微差別，直流電壓測(cè)量結(jié)果與理論分析略有差異，但總體誤差較小。

在仿真系統(tǒng)中，直流功率為0.5 p.u.時(shí)，設(shè)置觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)為±3.3 kV，增加交流電壓波動(dòng)，測(cè)試引起換流變壓器分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓范圍，如附錄A 圖A8 所示。當(dāng)交流相電壓波動(dòng)值約為4.0 kV、線電壓波動(dòng)值達(dá)到約6.9 kV 時(shí)，換流變壓器分接頭在18、19 擋往復(fù)調(diào)節(jié)。上述試驗(yàn)中，直流運(yùn)行工作點(diǎn)在802.0 kV，因此，引起分接頭調(diào)節(jié)振蕩的交流電壓波動(dòng)比圖6 中的理論值7.8 kV 偏小。

相同工況下，如果把電壓調(diào)節(jié)死區(qū)由±3.3 kV修改為±5.0 kV，線電壓波動(dòng)值達(dá)到約12 kV 時(shí)，換流變壓器分接頭才會(huì)在18、19 擋往復(fù)調(diào)節(jié)。

相同電壓調(diào)節(jié)死區(qū)情況下，減小交流電壓波動(dòng)范圍還與整流側(cè)初始直流電壓水平相關(guān)，越接近額定直流電壓時(shí)，避免分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓波動(dòng)范圍越大。

6 結(jié)語(yǔ)

換流變壓器分接頭調(diào)節(jié)是維持直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行在理想工況的重要調(diào)節(jié)手段。觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)、關(guān)斷角調(diào)節(jié)死區(qū)和電壓調(diào)節(jié)死區(qū)是保證分接頭調(diào)節(jié)質(zhì)量的重要參數(shù)。

本文詳細(xì)分析了分接頭調(diào)節(jié)對(duì)觸發(fā)角和直流電壓的影響，研究了引起分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)的交流電壓波動(dòng)范圍計(jì)算方法，并給出了分接頭調(diào)節(jié)死區(qū)的設(shè)置原則。在交流電壓波動(dòng)范圍較小時(shí)，建議整流側(cè)觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)選擇2.5°，逆變側(cè)電壓調(diào)節(jié)死區(qū)選擇分接頭調(diào)節(jié)一擋對(duì)應(yīng)的直流電壓變化量的70%～100%，這樣，既能避免分接頭頻繁調(diào)節(jié)，又能保證直流電壓控制精度。當(dāng)交流電壓波動(dòng)范圍較大時(shí)，需要根據(jù)交流電壓的波動(dòng)周期和范圍適當(dāng)增大觸發(fā)角調(diào)節(jié)死區(qū)或電壓調(diào)節(jié)死區(qū)?；谝陨显瓌t，可有效避免分接頭往復(fù)調(diào)節(jié)，延長(zhǎng)分接開(kāi)關(guān)使用壽命，同時(shí)避免無(wú)功功率和直流電壓大幅波動(dòng)。雖然通過(guò)增大調(diào)節(jié)死區(qū)可有效減少分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)，但是死區(qū)過(guò)大仍然會(huì)導(dǎo)致直流電壓或角度控制精度下降。如何進(jìn)一步減少分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)并兼顧分接頭調(diào)節(jié)次數(shù)和控制精度要求是下一步的研究方向。

本文得到國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流技術(shù)中心科技項(xiàng)目(SGTYHT/21-JS-223)資助，在此表示感謝！

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