嚴(yán)偉, 秦金鋒, 葉志良, 許浩強(qiáng), 王子民，陳威

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510663；2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流器在運(yùn)行過(guò)程中需要吸收大量容性無(wú)功[1-3]，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波電壓和電流[4-6]。交流濾波器是高壓直流系統(tǒng)最主要的設(shè)備之一，其不僅可以濾除交流側(cè)諧波，還可以提供無(wú)功補(bǔ)償[7-9]。交流濾波器需要根據(jù)直流傳輸功率的變化進(jìn)行投切，而濾波器投入瞬間會(huì)產(chǎn)生合閘涌流，對(duì)設(shè)備本身和系統(tǒng)造成沖擊[10-11]。選相合閘裝置能夠控制斷路器在適當(dāng)時(shí)刻進(jìn)行合閘操作，有效縮短濾波器投入產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程，因此目前交流濾波器大多采用帶選相合閘裝置的斷路器進(jìn)行合閘[12-14]。

牛從直流工程是世界上第一個(gè)兩回直流落點(diǎn)在同一個(gè)換流站的±500 kV同塔雙回直流輸電工程，作為其逆變站，從西換流站(以下簡(jiǎn)稱“從西站”)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性不言而喻[15]。2017年1月4日和3月8日，分別監(jiān)測(cè)到從西站的直流電壓跌落57 kV和63 kV，持續(xù)時(shí)間均為133 ms左右。異常發(fā)生時(shí)刻未監(jiān)測(cè)到交流系統(tǒng)發(fā)生故障，牛從直流處于雙回四極正常運(yùn)行方式，且直流傳輸功率處于上升階段，無(wú)功要求分別投入C型交流濾波器584及595。通過(guò)梳理2017年1月16日—2月17日期間交流濾波器的投入情況與極控系統(tǒng)錄波發(fā)現(xiàn)，在此期間共發(fā)生24次交流濾波器投入導(dǎo)致的直流電壓跌落情況，跌落幅值30～70 kV不等，且全站22組交流濾波器均出現(xiàn)過(guò)至少1次投退。

本文首先對(duì)交流濾波器合閘涌流的產(chǎn)生機(jī)理及其危害進(jìn)行研究梳理，詳細(xì)闡述選相合閘裝置的工作原理；通過(guò)觀察交流濾波器投入時(shí)刻的電壓電流波形，對(duì)合閘涌流的抑制效果進(jìn)行分析；并根據(jù)極控系統(tǒng)的控制響應(yīng)情況，推導(dǎo)直流電壓跌落的原因；基于溪洛渡直流工程模型，利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證；最后根據(jù)斷路器合閘數(shù)據(jù)對(duì)選相合閘裝置合閘時(shí)間重新進(jìn)行整定，以避免該異?，F(xiàn)象的發(fā)生。

1 濾波器合閘涌流

1.1 涌流的危害

高壓直流輸電系統(tǒng)中的交流濾波器組需根據(jù)直流傳輸功率的變化進(jìn)行投切，在濾波器投入時(shí)，由于其電容器上的電壓與電網(wǎng)電壓不完全同步，濾波器支路上會(huì)產(chǎn)生合閘涌流[10]。

對(duì)于濾波器本身而言，合閘涌流會(huì)對(duì)濾波器設(shè)備造成一定沖擊，減少設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成電容器熔絲群爆等損壞，同時(shí)有可能導(dǎo)致濾波器保護(hù)誤動(dòng)作；另一方面，涌流也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，并可能引起避雷器頻繁動(dòng)作、直流換相失敗等現(xiàn)象的發(fā)生[11]。因此必須設(shè)法縮短交流濾波器投入的暫態(tài)過(guò)程，降低合閘涌流對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)造成的危害。

1.2 濾波器合閘涌流的產(chǎn)生機(jī)理

從西站共配置有5大組、22小組交流濾波器，其中4組DT11/24雙調(diào)諧濾波器，4組DT13/36雙調(diào)諧濾波器，14組Shunt C并聯(lián)電容器。上述不同型號(hào)的交流濾波器均可以簡(jiǎn)化為最基本的電阻電感電容串聯(lián)電路，如圖1所示，可將濾波器合閘過(guò)程看作電阻電感電容電路零狀態(tài)響應(yīng)過(guò)程來(lái)進(jìn)行分析。

us—濾波器母線電壓；R—回路總電阻；C—等效電容；L—等效電感。圖1 交流濾波器等效電路Fig.1 Equivalent circuit of AC filter

由圖1以及基爾霍夫電壓定律可以得到：

(1)

考慮R通常較小，且ωL<1/ωC，此外濾波器在合閘前通常經(jīng)過(guò)了充分放電，即電容初始電壓uc(0)=0，回路初始電流i(0)=0，求解式(1)并進(jìn)行一定簡(jiǎn)化后得到[10]：

(2)

(3)

(4)

將不同的θ代入上述公式發(fā)現(xiàn)，在θ=0(電壓過(guò)零點(diǎn))處合閘時(shí)產(chǎn)生的涌流i和過(guò)電壓uc最小，而θ=π/2(電壓峰值處)合閘時(shí)則最大。因此，濾波器合閘時(shí)刻應(yīng)當(dāng)選定在系統(tǒng)電壓過(guò)零點(diǎn)附近，以最大限度減小濾波器投入造成的沖擊。

2 選相合閘裝置

選相分合閘(controlled switching，CS)技術(shù)是指利用一定的方法令斷路器動(dòng)、靜觸頭在系統(tǒng)電壓的指定相位處分合的電力技術(shù)。選相合閘裝置廣泛適用于電容器、濾波器和變壓器等裝置的投切操作，其能夠控制電力設(shè)備在對(duì)自身和系統(tǒng)沖擊最小的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行投切，有效縮短斷路器分合閘操作產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)程，大大降低設(shè)備投切造成的過(guò)電流和過(guò)電壓，延長(zhǎng)電力設(shè)備的使用壽命，提高整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

不同廠家生產(chǎn)的選相合閘裝置原理基本類似，如圖2、3所示。以南瑞PCS-9830型選相合閘裝置為例，對(duì)選相合閘裝置的工作原理進(jìn)行說(shuō)明[12]。選相合閘裝置接收來(lái)自控制系統(tǒng)的分合閘命令，并將受控分、合閘命令輸出接點(diǎn)分別接至斷路器分、合閘回路；裝置需要接入電源側(cè)電壓作為選相控制的基準(zhǔn)電壓，通常取自斷路器高壓側(cè)母線電壓互感器；裝置將負(fù)荷側(cè)的電壓/電流量作為回采模擬量，根據(jù)模擬量的突變點(diǎn)得到斷路器實(shí)際投切時(shí)刻；基于模擬量回采，選相合閘裝置可以根據(jù)本次斷路器的動(dòng)作時(shí)間調(diào)整下次斷路器的預(yù)期動(dòng)作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)選相合閘控制自適應(yīng)功能。

VT—電壓互感器，voltage transformer的縮寫；CT—電流互感器，current transformer的縮寫。圖2 選相合閘裝置原理Fig.2 Schematic diagram of phase-selection controller

圖3 選相合閘裝置控制時(shí)序圖Fig.3 Sequence diagram of phase-selection controller

在具體的合閘過(guò)程中，選相合閘裝置在時(shí)刻①收到控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的投切命令后，為防止干擾，首先需要經(jīng)過(guò)40 ms的確定時(shí)間以在時(shí)刻②確認(rèn)命令有效。在安全模式下，隨后開(kāi)始連續(xù)檢測(cè)3個(gè)正向電壓過(guò)零點(diǎn)，根據(jù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間間隔相等與否來(lái)判斷系統(tǒng)頻率是否穩(wěn)定，避免頻率波動(dòng)造成的合閘相位誤差；如果檢測(cè)到的頻率不穩(wěn)定，重新開(kāi)始檢測(cè)；快速模式下則跳過(guò)該頻率穩(wěn)定檢測(cè)過(guò)程。在時(shí)刻③確定參考電壓頻率穩(wěn)定后，在時(shí)刻④將20 ms后的下一個(gè)電壓過(guò)零點(diǎn)作為最終參考過(guò)零點(diǎn)。假定時(shí)刻⑤為斷路器的目標(biāo)投切時(shí)刻，考慮斷路器的動(dòng)作時(shí)間，經(jīng)過(guò)一定的等待時(shí)刻后，于時(shí)刻⑥向斷路器分合閘回路發(fā)出動(dòng)作指令。由上述過(guò)程可知，選相合閘裝置從收到投切命令到向斷路器發(fā)出動(dòng)作指令，需要經(jīng)過(guò)至少大約120 ms的延時(shí)。

由第1節(jié)的分析可知，理想情況下交流濾波器開(kāi)關(guān)應(yīng)當(dāng)設(shè)置在電壓過(guò)零點(diǎn)處合閘，由此產(chǎn)生的涌流最小。而在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到合閘過(guò)程中斷路器的絕緣強(qiáng)度下降率和操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)作離散性，為防止發(fā)生預(yù)擊穿現(xiàn)象，在選相合閘裝置定值整定時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延長(zhǎng)等待時(shí)間，盡量將合閘點(diǎn)控制在系統(tǒng)電壓過(guò)零點(diǎn)之后的某個(gè)相位(一般為18°，即時(shí)間1 ms)。此時(shí)實(shí)際合閘時(shí)刻的系統(tǒng)電壓不高，產(chǎn)生的涌流較小，并且即使斷路器動(dòng)作時(shí)間出現(xiàn)偏移，實(shí)際合閘時(shí)刻變化也不大，保證了投切效果穩(wěn)定[13]。

3 濾波器投入導(dǎo)致直流電壓跌落分析

3.1 換相失敗預(yù)測(cè)控制

換相失敗預(yù)測(cè)控制(commutation failure prevention，CFPREV)是高壓直流系統(tǒng)用于預(yù)防交流故障引發(fā)換相失敗的控制策略，主要控制思路是：在檢測(cè)到交流系統(tǒng)發(fā)生一定程度故障時(shí)，將逆變器觸發(fā)角指令減去一定角度，從而通過(guò)提前觸發(fā)來(lái)增大換相裕度[16]。

CFPREV包含并列運(yùn)行的2個(gè)部分，一部分用于檢測(cè)得到換流母線電壓的零序分量，表征電壓的畸變程度，即

u0=uA+uB+uC.

(5)

式中uA、uB、uC分別為A、B、C三相的電壓。

當(dāng)檢測(cè)到的零序分量超過(guò)閾值時(shí)，則認(rèn)為交流系統(tǒng)發(fā)生了不對(duì)稱故障，并將零序分量按照一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為提前觸發(fā)角度α1；另一部分將三相電壓變換到靜止坐標(biāo)系下的uαβ，用以表征電壓的跌落程度，其中

(6)

式中uα和uβ分別為uαβ在α-β坐標(biāo)系α軸和β軸上對(duì)應(yīng)的分量。當(dāng)uαβ與故障前該量的差值大于閾值時(shí)，則將該差值按照一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為提前觸發(fā)角度α2，并與α1比較取大，在逆變器觸發(fā)角指令中減去該角度，提前觸發(fā)以預(yù)防換相失敗的發(fā)生[17-18]。

如果濾波器開(kāi)關(guān)選相合閘裝置的參數(shù)設(shè)置不合理，將可能使得濾波器投入時(shí)合閘涌流過(guò)大，導(dǎo)致交流母線電壓發(fā)生畸變，程度嚴(yán)重時(shí)可能引起上述CFPREV出現(xiàn)誤動(dòng)作，進(jìn)而對(duì)高壓直流系統(tǒng)造成更嚴(yán)重的影響[19-23]。

3.2 波形分析

以從西換流站584小組交流濾波器為例，圖4所示為交流濾波器投入時(shí)刻波形。由圖4可見(jiàn)，對(duì)比斷路器合閘瞬間(即各相電流出現(xiàn)時(shí)刻)的母線電壓值，除C相合閘時(shí)電壓較小外，其余A、B兩相均處于電壓較高值處，合閘后的電流峰值顯著偏大，選相合閘裝置的涌流抑制效果不佳。因此，交流濾波器開(kāi)關(guān)選相合閘裝置參數(shù)設(shè)置仍存在較大優(yōu)化空間。

圖4 交流濾波器投入時(shí)刻波形Fig.4 Waveforms at the moment of AC filter input

圖5所示為極控系統(tǒng)控制響應(yīng)與電壓波形，圖中UAC,A、UAC,B、UAC,C分別為A、B、C三相交流電壓，UAC,RMS為交流電壓有效值，UDL為直流電壓，γG為關(guān)斷角，SCFPREV為CFPREV的輸出角度。異常時(shí)刻交流母線電壓有效值出現(xiàn)了7～8 kV輕微下降，交流母線電壓畸變引起直流極控系統(tǒng)CFPREV動(dòng)作，逆變器提前觸發(fā)，關(guān)斷角增大了約12°，直流電壓出現(xiàn)顯著下降，隨后逐漸恢復(fù)正常。

圖5 極控系統(tǒng)控制響應(yīng)與電壓波形Fig.5 Control response and voltage waveforms of polar control system

逆變側(cè)直流電壓準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算公式為[1]

(7)

式中：Ud為逆變側(cè)直流電壓；N為6脈動(dòng)換流器數(shù)；U為換流變閥側(cè)空載線電壓有效值；Xr為換相電抗；Id為直流電流。

選相合閘裝置涌流抑制效果不佳，將導(dǎo)致交流濾波器合閘涌流過(guò)大，交流電壓發(fā)生畸變，從而可能引起CFPREV動(dòng)作。逆變器提前觸發(fā)，一方面將直接使得逆變器關(guān)斷角增大，另一方面還會(huì)使得逆變器消耗的無(wú)功功率增大，交流電壓幅值下降，由式(7)可知，二者將會(huì)共同導(dǎo)致直流電壓降低。

從影響程度來(lái)看，忽略換相壓降，分別將圖5中交流濾波器投入前后的關(guān)斷角和交流電壓有效值代入式(7)可知，關(guān)斷角的變化對(duì)直流電壓下降起主要作用。

4 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件，以溪洛渡直流工程模型為測(cè)試對(duì)象，對(duì)交流濾波器合閘相角對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

在交流電壓峰值處和過(guò)零點(diǎn)處分別投入一組C型濾波器，得到的仿真波形如圖6所示。

圖6 交流濾波器投入時(shí)的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms as AC filter is input

由圖6可以看到，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，CFPREV輸出為0，關(guān)斷角保持在20°左右；在交流電壓峰值處投入濾波器時(shí)，系統(tǒng)交流電壓和直流電壓幅值均出現(xiàn)了顯著下降，極控系統(tǒng)CFPREV動(dòng)作，逆變器提前觸發(fā)，導(dǎo)致關(guān)斷角增大，這與系統(tǒng)錄波情況基本吻合。而在相同條件下，在電壓過(guò)零點(diǎn)處投入濾波器時(shí)，直流電壓和交流電壓維持穩(wěn)定，CFPREV未動(dòng)作，關(guān)斷角未變化。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證CFPREV對(duì)直流電壓下降的作用，在交流電壓峰值處投入濾波器，當(dāng)CFPREV閉鎖時(shí)得到仿真波形如圖7所示。由圖7可以看到，交流濾波器投入后直流電壓基本保持平穩(wěn)，這說(shuō)明濾波器合閘涌流本身并不會(huì)直接導(dǎo)致直流電壓出現(xiàn)顯著下降，直流電壓下降是由CFPREV動(dòng)作所導(dǎo)致。這進(jìn)一步驗(yàn)證了上述理論分析的正確性。

圖7 閉鎖CFPREV時(shí)的仿真波形Fig.7 Simulation waveforms as CFPREV is blocked

5 解決措施

為避免交流濾波器投入導(dǎo)致的合閘涌流引起CFPREV誤動(dòng)作，一方面可以提高預(yù)測(cè)控制的故障判定閾值，降低故障檢測(cè)的靈敏度，但由此可能導(dǎo)致交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)預(yù)測(cè)控制無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作；另一方面，可以對(duì)選相合閘裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低濾波器合閘涌流大小，使得此時(shí)電壓畸變程度不足以引起預(yù)測(cè)控制動(dòng)作。

除了預(yù)擊穿特性以外，由于斷路器動(dòng)作離散性、裝置誤差等原因，交流濾波器投入時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確在電壓過(guò)零點(diǎn)處合閘，實(shí)際合閘時(shí)刻偏離過(guò)零點(diǎn)的角度大小決定了其對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的沖擊嚴(yán)重程度。工程經(jīng)驗(yàn)表明，合閘時(shí)刻與過(guò)零點(diǎn)的偏差在1.5 ms內(nèi)時(shí)通?？梢垣@得較好的合閘效果。實(shí)際上，斷路器在長(zhǎng)期分合操作和外部環(huán)境的作用下，不可避免地會(huì)出現(xiàn)元器件老化更替和機(jī)械磨損，導(dǎo)致斷路器電氣特性和機(jī)械特性發(fā)生變化，實(shí)際合閘時(shí)間隨之出現(xiàn)偏移。

表1為從西站584小組交流濾波器的部分合閘數(shù)據(jù)(2017年3月)，已知三相開(kāi)關(guān)原本設(shè)定的合閘角度和合閘時(shí)間分別為180°、120°、60°和61.9 ms、62.1 ms、59.8 ms。從表中可以看到，斷路器三相合閘時(shí)間與原本整定的合閘時(shí)間存在顯著差別，A相與設(shè)定合閘時(shí)間最大相差4.6 ms，導(dǎo)致合閘角與目標(biāo)合閘角最大相差75°，峰值電流最大達(dá)到8.14 kA；B、C相合閘時(shí)間最大相差分別為3.5 ms、3.3 ms，導(dǎo)致合閘角最大相差達(dá)到了58.2°、52.4°，峰值電流最大同樣接近8 kA。除584小組交流濾波器外，根據(jù)從西站其余21小組交流濾波器的合閘錄波數(shù)據(jù)可知，盡管選相合閘裝置在投運(yùn)前已進(jìn)行參數(shù)調(diào)校，但絕大部分?jǐn)嗦菲髟谶\(yùn)行多年后都出現(xiàn)了實(shí)際合閘時(shí)間與最初設(shè)定的合閘時(shí)間發(fā)生偏移的現(xiàn)象。

表1 584斷路器合閘數(shù)據(jù)
Tab.1 Closing data of 584 breaker

操作日期合閘角度/(°)A相B相C相合閘時(shí)間/msA相B相C相峰值電流/kAA相B相C相16日105.061.849.257.358.658.97.218.202.4317日108.068.412.657.558.856.87.577.456.8218日110.165.47.657.658.756.58.148.137.7620日119.873.135.358.159.158.17.647.706.1021日107.868.228.757.659.058.96.997.776.8922日108.070.230.757.558.958.07.507.346.46

由表1還可以看出，斷路器的實(shí)際合閘時(shí)間與原本設(shè)定的合閘時(shí)間之間的誤差大小基本是穩(wěn)定的，因此可以通過(guò)將584交流濾波器的選相合閘裝置按照57.6 ms、58.8 ms、57.8 ms重新設(shè)置三相合閘時(shí)間定值，以對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)現(xiàn)有的合閘時(shí)間，改善合閘涌流的抑制效果。事實(shí)上，在對(duì)從西換流站全站22小組交流濾波器的選相合閘裝置參數(shù)進(jìn)行重新整定以后，沒(méi)有再發(fā)生類似的由于交流濾波器投入導(dǎo)致CFPREV誤動(dòng)作直流電壓顯著下降的現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)交流濾波器合閘涌流的產(chǎn)生機(jī)理及其危害進(jìn)行了研究梳理，詳細(xì)闡述了選相合閘裝置的工作原理；通過(guò)對(duì)異常發(fā)生時(shí)刻的交流濾波器錄波和極控系統(tǒng)錄波進(jìn)行分析，認(rèn)為斷路器合閘時(shí)間偏移使得選相合閘裝置參數(shù)設(shè)置不合理，從而導(dǎo)致合閘涌流抑制效果不佳，引起CFPREV動(dòng)作，逆變器提前觸發(fā)，最終導(dǎo)致直流電壓跌落?；谙宥芍绷鞴こ棠Ｐ?，通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真證明了結(jié)論的正確性。根據(jù)斷路器歷次合閘數(shù)據(jù)，對(duì)選相合閘裝置的合閘時(shí)間重新進(jìn)行整定，有效避免了該異常現(xiàn)象的發(fā)生。