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        基于UAPCPlatform的天廣直流換流變壓器分接頭控制原理

        2012-12-05 03:23:54
        四川電力技術(shù) 2012年2期
        關(guān)鍵詞:指令變壓器動(dòng)作

        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.

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