劉 洋

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司教育培訓(xùn)評(píng)價(jià)中心，廣東廣州 510520)

0 引言

分接頭控制(tap changer control，TCC)是直流極控系統(tǒng)中的一個(gè)重要功能模塊，其作用是通過(guò)對(duì)換流變壓器分接頭的控制使觸發(fā)角(alpha)、熄弧角(gamma)或閥側(cè)理想空載直流電壓Udio等被控量保持在其參考值附近，以提高換流器工作的功率因數(shù)，減小其無(wú)功消耗，降低直流傳輸中的線損等。此外，分接頭控制還用于確保Udio低于其最大限值。分析清楚天廣直流工程中的分接頭控制功能及其優(yōu)缺點(diǎn)，具有重要的實(shí)際運(yùn)用意義，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)具有很好的借鑒作用。

1 分接頭控制功能

1.1 總體說(shuō)明

按照分接頭控制策略，在正常運(yùn)行時(shí)，分接頭控制可采用角度控制或電壓控制兩種控制方式。角度控制方式用于保持觸發(fā)角(alpha)、熄弧角(gamma)在額定值附近，電壓控制方式用于保持閥側(cè)理想空載直流電壓Udio在其額定值附近［1］。

由于分接頭的動(dòng)作是逐級(jí)而非連續(xù)的，因此需要為被控量設(shè)定一個(gè)合適的動(dòng)作死區(qū)以避免分接頭動(dòng)作振蕩。

實(shí)際采用的分接頭控制方式由運(yùn)行人員確定，在角度控制和電壓控制中選擇一種方式。

在角度控制方式下，整流側(cè)分接頭控制α角為15°±2°，逆變側(cè)分接頭控制 γ 角為 19°±1.5°。

在電壓控制方式下，分接頭控制本側(cè)Udio為(1±1%)Udio，其中整流側(cè) UdioN=281.6 kV，逆變側(cè) UdioN=268 kV。

為了避免設(shè)備承受過(guò)高的穩(wěn)態(tài)電壓，分接頭控制應(yīng)保證Udio不大于某一最大限值。當(dāng)Udio大于該最大限值時(shí)，分接頭立即動(dòng)作使Udio降低到限值以下。

換流變壓器未充電時(shí)，分接頭的位置應(yīng)位于初始擋位。當(dāng)分接頭調(diào)至規(guī)定的最高或最低位置后，就應(yīng)不再允許分接頭繼續(xù)上調(diào)或下調(diào)。

當(dāng)分接頭之間出現(xiàn)不同步時(shí)應(yīng)能通過(guò)對(duì)分接頭的自動(dòng)控制使分接頭之間自動(dòng)恢復(fù)同步。

1.2 控制模式

1.2.1 手動(dòng)模式

換流變壓器分接頭控制具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式［2］。如果選擇了手動(dòng)模式，報(bào)警信號(hào)將送至SCADA系統(tǒng)。當(dāng)運(yùn)行在手動(dòng)模式時(shí)，可調(diào)節(jié)單相換流變壓器分接頭，也可同時(shí)調(diào)節(jié)三相換流變壓器分接頭。如果選擇了調(diào)節(jié)單個(gè)分接頭，那么在切換回自動(dòng)模式前，必須對(duì)所有換流變壓器的分接頭進(jìn)行手動(dòng)同步。手動(dòng)控制模式僅在自動(dòng)控制模式失效的情況下才被啟用。而且在傳輸直流功率的過(guò)程中應(yīng)避免對(duì)分接頭進(jìn)行手動(dòng)控制，因?yàn)樵趥鬏敼β实倪^(guò)程中，分接頭是用于控制觸發(fā)/熄弧角和Udio的。無(wú)論是在手動(dòng)模式還是在自動(dòng)模式，當(dāng)分接頭被升至最高位或降至最低位時(shí)，極控系統(tǒng)將發(fā)出信號(hào)至 SCADA系統(tǒng)，并禁止分接頭繼續(xù)升高或降低。

1.2.2 自動(dòng)模式

自動(dòng)模式是分接頭控制的主要控制模式，它是根據(jù)被控量偏離其參考值的程度來(lái)自動(dòng)的調(diào)節(jié)分接頭，使被控量恢復(fù)到要求的范圍內(nèi)。根據(jù)被控量的不同可分為以下幾項(xiàng)。

(1)空載控制

換流變壓器分接頭的空載控制用于換流器閉鎖和空載加壓試驗(yàn)的情況下。空載控制能將換流變壓器分接頭控制在預(yù)先設(shè)定的位置。如果換流變壓器失電(交流斷路器斷開)，換流變壓器分接頭將移至初始位置(天生橋站12擋，廣州站7擋)。如果換流變壓器充電，并且不在空載加壓試驗(yàn)的狀態(tài)下，換流變壓器分接頭會(huì)根據(jù)最小運(yùn)行電流(0.1 p.u.)工況的需要建立Udio。

在空載加壓試驗(yàn)時(shí)，空載控制根據(jù)試驗(yàn)需要的直流電壓值控制Udio到要求的值。在天廣直流中，分接頭動(dòng)作死區(qū)設(shè)為±1倍的一擋調(diào)節(jié)量，即 ±1.0%UdioN。

(2)alpha角度控制

整流側(cè)的alpha控制用來(lái)維持觸發(fā)角(alpha)為要求的參考值，alpha參考值由VARC(電壓角度參考值計(jì)算)功能產(chǎn)生［3］。為了防止分接頭動(dòng)作產(chǎn)生振蕩，alpha控制的目標(biāo)是將alpha控制在以其參考值為中心的動(dòng)作死區(qū)范圍內(nèi)，alpha控制比較參考值和測(cè)量值，如果其差值超出了動(dòng)作死區(qū)，分接頭就要求動(dòng)作。在天廣直流工程中，整流側(cè)alpha參考值為15°，死區(qū)大小設(shè)為 ±2°。

假設(shè)整流側(cè)交流電壓上升，換流器觸發(fā)控制將迅速增大觸發(fā)角以保持直流電流等于電流指令值。如果 alpha變化至大于 alpha參考值加上2°(17°)，分接頭動(dòng)作，降低閥側(cè)電壓來(lái)使 alpha回到動(dòng)作死區(qū)范圍內(nèi)。如果交流電壓下降，alpha下降至小于 alpha參考值減去2°(13°)，分接頭動(dòng)作，增大閥側(cè)電壓，直到alpha重新回到死區(qū)范圍內(nèi)。

(3)電壓控制

正常工況下，電壓控制用于維持換流變壓器閥側(cè)的理想空載直流電壓Udio恒定。為了防止分接頭動(dòng)作產(chǎn)生振蕩，電壓控制的目標(biāo)是將Udio控制在以其額定值為中心的動(dòng)作死區(qū)范圍內(nèi)，死區(qū)大小可設(shè)為±1.0%UdioN。

假設(shè)交流電壓上升，使得Udio上升至大于(1+1.0%)UdioN時(shí)，分接頭動(dòng)作以降低閥側(cè)電壓，使得Udio回到死區(qū)范圍內(nèi)。如果交流電壓降低，使得Udio下降至小于(1% ～1.0%)UdioN時(shí)，分接頭動(dòng)作，增大閥側(cè)電壓，直到重新回到死區(qū)范圍內(nèi)。

(4)gamma角度控制

逆變側(cè)的分接頭用來(lái)維持熄弧角 gamma在預(yù)期的范圍內(nèi)，其控制類似于alpha控制。gamma控制比較參考值與測(cè)量值之間的差值，如果差值超出了動(dòng)作死區(qū)，分接頭就要求動(dòng)作。在天廣直流工程中，分接頭控制的 gamma參考值為19°，死區(qū)大小設(shè)為 ±1.5°。

(5)Udio限制

Udio限制的目的是為了防止設(shè)備承受過(guò)高的穩(wěn)態(tài)電壓。因此，Udio限制是優(yōu)先于其他正常的分接頭控制之上的。通過(guò)控制換流變壓器閥側(cè)電壓來(lái)保證穩(wěn)態(tài)時(shí)的Udio永遠(yuǎn)不會(huì)大于UdioL。與Udio限制相關(guān)的限值有兩個(gè):UdioG和UdioL，這兩個(gè)限值在直流保護(hù)程序中整定。

Udio限制在以下電壓范圍內(nèi)起作用。

當(dāng)Udio大于UdioG但小于UdioL時(shí)，Udio限制閉鎖任何會(huì)增大換流變壓器閥側(cè)電壓的分接頭動(dòng)作指令。

當(dāng)Udio大于UdioL時(shí)，Udio限制發(fā)出降低換流變壓器閥側(cè)電壓的分接頭指令。

其中，UdioG為換流變壓器分接頭控制中能夠發(fā)出增大Udio指令的上限。為了避免分接頭的振蕩，例如緊跟著下調(diào)Udio的指令又發(fā)出一個(gè)上調(diào)Udio的指令，UdioL應(yīng)選的足夠高。

在所有控制模式，包括手動(dòng)模式下，Udio限制功能都被投入，它在分接頭控制中具有最高的優(yōu)先級(jí)。

(6)同步控制

當(dāng)換流變壓器的分接頭位置不一致時(shí)，同步控制功能可以自動(dòng)在分接頭之間進(jìn)行同步。同步控制功能僅在自動(dòng)模式下投入。

同步控制功能力圖同步換流變壓器的分接頭，如果同步不成功，將發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，并禁止其他自動(dòng)控制功能。

圖1 TCC功能概況圖

圖2 分接頭自動(dòng)控制邏輯框圖

圖3 分接頭允許動(dòng)作邏輯框圖

在手動(dòng)模式下，如果選擇了調(diào)節(jié)單個(gè)換流變壓器分接頭的控制方式，在返回自動(dòng)模式前換流變壓器分接頭必須被手動(dòng)同步。

2 軟件邏輯分析

2.1 功能配置

圖4 分接頭同步以及最終動(dòng)作指令邏輯框圖

分接頭控制的功能概況圖如圖1所示。

控制模式可在自動(dòng)和手動(dòng)模式下進(jìn)行切換。在自動(dòng)模式時(shí)，控制方式可以在角度控制和電壓控制之間手動(dòng)選擇切換;在分接頭不同步時(shí)自動(dòng)進(jìn)行分接頭的同步。當(dāng)Udio超出要求的限值時(shí)，立刻調(diào)節(jié)分接頭以降低Udio，當(dāng)該控制發(fā)出的指令與正常情況下分接頭控制發(fā)出的指令矛盾時(shí)，優(yōu)先執(zhí)行該控制發(fā)出的指令。

2.2 功能描述

2.2.1 自動(dòng)模式下各種控制方式及其協(xié)調(diào)選擇

空載控制只在直流系統(tǒng)未運(yùn)行或直流電流不大于允許的最小運(yùn)行電流時(shí)才起作用。在空載控制下，比較Udio和其參考值，差值大于死區(qū)范圍就產(chǎn)生增或減Udio的指令。

角度控制分別在整流側(cè)和逆變側(cè)比較alpha、gamma角和其參考值，如果差值大于死區(qū)范圍就產(chǎn)生增/減角度的指令。

電壓控制比較Udio和其額定值，如果差值大于死區(qū)范圍就產(chǎn)生增/減Udio的指令。

協(xié)調(diào)選擇功能根據(jù)該側(cè)的運(yùn)行方式?jīng)Q定最終選擇哪個(gè)控制功能產(chǎn)生的動(dòng)作指令作為增/減分接頭的指令［4］。

以上功能的邏輯實(shí)現(xiàn)框圖如圖2。

2.2.2 分接頭允許動(dòng)作

在一些情況下，對(duì)有分接頭動(dòng)作指令時(shí)該情況下是否允許動(dòng)作進(jìn)行判斷。當(dāng)分接頭擋位等于最大值時(shí)，禁止分接頭的上升;當(dāng)分接頭擋位等于最小值時(shí)，禁止分接頭的下降。

當(dāng)設(shè)備承受的應(yīng)力過(guò)大或直流電流過(guò)大時(shí)，禁止分接頭的動(dòng)作。

該功能的邏輯實(shí)現(xiàn)框圖如圖3。

2.2.3 分接頭的同步以及最終動(dòng)作指令的產(chǎn)生

當(dāng)某相分接頭擋位與擋位平均值不同時(shí)就要進(jìn)行分接頭的同步。如果同步不成功，將發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，并禁止其他自動(dòng)控制功能。

自動(dòng)模式下各控制功能產(chǎn)生的分接頭動(dòng)作指令或者人工模式下的動(dòng)作指令經(jīng)過(guò)判斷如果是允許被執(zhí)行的就產(chǎn)生最終的動(dòng)作指令。

該功能的邏輯實(shí)現(xiàn)框圖如圖4。

3 結(jié)語(yǔ)

直流輸電系統(tǒng)換流變壓器有載分接頭控制有定電壓控制和定角度控制兩類。定電壓控制，只需檢測(cè)換流變壓器二次側(cè)電壓，再經(jīng)過(guò)公式換算，求得的值與整定值進(jìn)行比較并根據(jù)差值決定動(dòng)作，所以控制較為簡(jiǎn)單，而且分接頭動(dòng)作不太頻繁，有利于延長(zhǎng)分接頭控制機(jī)構(gòu)的壽命。但由于要保持換流變壓器二次側(cè)電壓恒定，所以不管輸送功率和直流電壓如何變化，這一值都不變，從而導(dǎo)致?lián)Q流器控制角波動(dòng)范圍較大，尤其是在較小功率或降壓運(yùn)行時(shí)，換流器將運(yùn)行在較大的觸發(fā)角a和熄弧角r，這樣會(huì)導(dǎo)致以下不利影響:①換流器運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)，吸收無(wú)功多;②閥和直流開關(guān)場(chǎng)設(shè)備承受的電氣應(yīng)力增大，有可能因疲勞而影響壽命，尤其在降壓運(yùn)行時(shí)，更加明顯;③閥阻尼回路損耗大;④交、直流諧波分量增大，交直流濾波器應(yīng)力大，損耗大;⑤在所有低于額定功率的工況，由于換流變壓器二次側(cè)電壓選得高，降低了設(shè)備的絕緣余裕。定角度控制，通過(guò)調(diào)整分接頭位置來(lái)維持觸發(fā)角a或關(guān)斷角r在指定范圍內(nèi)，使換流器在各種運(yùn)行工況下保持較高的功率因數(shù)，也就是在輸送相同功率的情況下，換流器吸收的無(wú)功功率較少，但同時(shí)分接頭動(dòng)作次數(shù)比較頻繁，縮短分接頭的檢修周期。相比較而言，定角度控制除增加一定的維護(hù)費(fèi)用外，其他方面明顯優(yōu)于定電壓控制，因此正常控制模式時(shí)，推薦采用定角度控制。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［2］曹繼豐.高壓直流輸電現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)問(wèn)答［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［3］2008浙大直流組.直流輸電［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1982.

［4］中國(guó)南方電網(wǎng)公司.直流輸電技術(shù)研究［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.