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0 引言

近年來，換流變有載調(diào)壓分接開關故障頻發(fā)，分接頭頻繁動作造成機械零件磨損變形甚至脫落是引發(fā)故障的原因之一。為了降低直流系統(tǒng)運行風險，通過控制手段來減少分接頭動作次數(shù)顯得尤為重要。

換流變分接頭控制在維持直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行方面起著至關重要的作用，通過調(diào)節(jié)換流變分接頭檔位，改變換流變變比，從而控制換流變閥側電壓，而換流變閥側電壓又正比于理想空載直流電壓[1]。對于換流變分接頭控制，國內(nèi)外學者進行了大量的研究，他們的研究可大致分為3 個方面：一是分接頭控制功能[2-6]；二是分接頭控制對直流系統(tǒng)運行的影響[7-9]；三是直流系統(tǒng)測量異常對分接頭控制的影響[10]。然而，對于減少分接開關動作次數(shù)的分接頭控制的研究還較少。

本文基于現(xiàn)有的換流變分接頭控制策略，通過分析分接頭頻繁動作的現(xiàn)象和原因，提出一種新的能大幅改善分接頭頻繁動作的控制措施。

1 換流變分接頭控制

換流變分接頭控制分手動模式和自動模式，自動模式控制功能包括空載控制、角度控制、電壓控制以及自動重同步，Udi0限制對手動模式和自動模式均有效，如圖1 所示。

圖1 分接頭控制邏輯

自動模式下，換流變分接頭三相同步調(diào)節(jié)，手動模式可以對換流變分接頭分相調(diào)節(jié)。直流系統(tǒng)正常運行時常采用自動模式，檢修調(diào)試時采用手動模式。

自動模式下，當不處于空載控制且分接頭同步時，分接頭將執(zhí)行角度控制或電壓控制。角度控制或電壓控制根據(jù)不同的情況來選擇。

由于直流系統(tǒng)閥組觸發(fā)控制作為一種快速控制手段，而換流變分接頭控制作為一種慢速的輔助手段，兩者相結合來實現(xiàn)直流控制目標。大多數(shù)直流工程中，整流側采用定電流控制，逆變側采用定熄弧角控制[11]，換流變分接頭在整流側執(zhí)行角度控制，逆變側執(zhí)行電壓控制。對于不同的閥組觸發(fā)角控制方式，分接頭與其配合的情況如表1 所示[7]。

表1 分接頭控制與觸發(fā)角控制的配合

當換流變分接頭三相之間或者同閥組星接和角接換流變分接頭檔位不同步時，將執(zhí)行自動重同步功能。

1.1 Udi0 限制

Udi0限制是為了防止閥受到電壓過應力損壞，Udi0限制功能包含2 個定值Udi0G和Udi0L，這2 個定值高于額定的換流變閥側空載電壓Udi0_nom，不同的直流工程定值有所不同，送端和受端定值也不盡相同。

假定Udi0_nom＜Udi0G＜Udi0L，當實際空載電壓Udi0滿足Udi0G＜Udi0＜Udi0L時，將禁止升分接頭，避免換流變閥側電壓升高。

當Udi0＞Udi0L時，系統(tǒng)將自動降分接頭，降低換流變閥側電壓。

1.2 空載控制

空載控制主要用于換流變閉鎖和OLT（開路試驗）。在換流變失電時和換流變充電時控制分接頭在預先設定的位置，比如17 檔。

OLT 時，空載控制根據(jù)OLT 需要的直流電壓控制分接頭升降來實現(xiàn)Udi0在參考值附近。

1.3 角度控制

分接頭角度控制作為直流解鎖后觸發(fā)角控制（整流側）或者熄弧角控制（逆變側）的補充手段，主要作用是維持觸發(fā)角或熄弧角在設定的運行范圍之內(nèi)。圖2 所示為逆變側換流變分接頭角度控制邏輯框圖。

圖2 分接頭角度控制邏輯框圖

直流系統(tǒng)逆變側在RPC 模式時，參考值γref通常為17°，γ 為運行實際值，當γ 小于γref-2.5°時，發(fā)出分接頭升檔指令；當γ 大于γref+2.5°時，發(fā)出分接頭降檔指令，從而維持γ 在γref±2.5°范圍內(nèi)。

若是整流側，則觸發(fā)角參考值αref通常為15°。

1.4 電壓控制

換流變分接頭電壓控制用在解鎖后維持直流系統(tǒng)逆變側的直流電壓穩(wěn)定。

Uref表示直流系統(tǒng)參考直流電壓，Ud表示直流系統(tǒng)逆變側實測直流電壓。為了不讓分接頭來回調(diào)節(jié)，設置死區(qū)值Ut，當Ud＜Uref-Ut時，發(fā)出分接頭升檔指令；當Ud＞Uref+Ut時，發(fā)出分接頭降檔指令。雙閥組運行時，電壓參考值Uref將取半數(shù)，控制邏輯如圖3 所示。

圖3 分接頭電壓控制邏輯框圖

若死區(qū)值選取過小，可能造成分接頭頻繁調(diào)節(jié)；死區(qū)值選取過大，不利于直流電壓的穩(wěn)定。

1.5 自動重同步

當換流變分接頭檔位三相不一致或同閥組的星接和角接換流變分接頭檔位不一致時，認為分接頭不同步，在自動模式下，25 s 內(nèi)允許進行重同步調(diào)節(jié)，將每一相的分接頭檔位與閥組的星接和角接換流變分接頭平均檔位比較，如果大于平均檔位，降低分接頭檔位；若小于平均檔位，則升高分接頭檔位，直到同閥組的分接頭檔位同步。然而，若25 s 內(nèi)分接頭檔位沒有調(diào)節(jié)到同步，將不允許再進行自動重同步調(diào)節(jié)，這是為了避免換流變因為分接頭檔位異常導致其他分接頭不斷調(diào)節(jié)引起零序電流保護動作閉鎖閥組。

2 紹興站換流變分接頭頻繁動作原因分析

2.1 紹興站換流變分接頭控制方式

紹興站作為靈紹直流的受端，采用定熄弧角控制方式，由表1 可得分接頭執(zhí)行電壓控制，紹興站分接頭電壓控制死區(qū)值Ut=2.7 kV。

2.2 紹興站換流變分接頭頻繁動作現(xiàn)象

自2016 年10 月投運以來，紹興站雙極高低端換流變分接頭動作頻繁。2018 年雙極高端分接頭動作次數(shù)統(tǒng)計如表2 所示。

從表2 中可看出，2018 年下半年，紹興站雙極高低端換流變分接頭的動作次數(shù)遠大于功率調(diào)節(jié)次數(shù)。然而，直流系統(tǒng)正常運行時，小幅度的功率調(diào)節(jié)不應引起分接頭動作。

表2 2018 年紹興站分接頭動作次數(shù)

事實上，紹興站在直流功率不變的情況下也會出現(xiàn)分接頭頻繁動作現(xiàn)象。

2019-01-17 的22:00—23:00，1 h 內(nèi)，靈紹直流功率保持5 385 MW 不變，極1 高端分接頭動作了23 次，低端動作22 次，在20 和21 檔位間頻繁調(diào)節(jié)。在這1 h 內(nèi)，交流電壓變化情況與分接頭動作次數(shù)如表3 所示。

表3 交流電壓變化與分接頭動作次數(shù)

從表3 可看出，在前15 min 內(nèi)，交流電壓下降了3 kV，分接頭動作5 次，接下來的15 min內(nèi)，交流電壓變化約2 kV，分接頭未調(diào)節(jié)，在22:30—23:00 時間段內(nèi)，電壓變化幾近于零，但是分接頭動作了18 次。由此可見，分接頭頻繁動作與交流電壓波動沒有直接關聯(lián)。

2.3 分接頭頻繁動作原因分析

通過上述分析，得出紹興站換流變分接頭頻繁動作現(xiàn)象與功率調(diào)節(jié)和交流電壓波動都沒有直接關聯(lián)。靈紹直流輸電系統(tǒng)中，紹興站分接頭電壓控制是通過改變抽頭位置來保持換流變閥側電壓在一定范圍內(nèi)。用于分接頭電壓控制的逆變側理想空載直流電壓Udi0計算公式為：

式中：UAC表示與直流系統(tǒng)相連的交流系統(tǒng)的測量電壓；TCP表示換流變分接頭位置；對于紹興站，Udi0_Nom，UAC_Nom，TCP_Nom，Stp_size分 別 為220.15 kV，510 kV，21 和0.012 5。

逆變站極對地直流電壓Ud2為：

式中：N2為逆變站每極的6 脈動換流器數(shù)；γ 為逆變器關斷角；Xr2為逆變器的等值換相電抗；Id為直流電流。其中，紹興站N2=4，γ=17°。

根據(jù)微量擾動理論，且認為直流系統(tǒng)接入的是強交流系統(tǒng)，分接頭調(diào)節(jié)1 檔時，紹興站單極直流電壓變化量ΔUd為：

根據(jù)式（3），計算得出ΔUd為10.4 kV。那么，紹興站單閥組直流電壓在分接頭調(diào)節(jié)1 檔時變化量約為5.2 kV。

而紹興站電壓控制死區(qū)值Ut=2.7 kV，則當直流電壓變化量超過5.4 kV 時，分接頭就會動作以改變換流變閥側電壓，而換流變閥側電壓與Udi0成正比，從而使直流電壓升高或降低，達到控制直流電壓的目的。

在交流電壓幾乎保持不變的情況下，紹興站分接頭每調(diào)節(jié)1 檔直流電壓變化約5.2 kV，接近死區(qū)值對應的直流變化量5.4 kV。然而，在實際運行過程中，考慮交流電壓的微小波動，以及控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度等因素的影響，當直流電壓降低至略小于Uref-Ut時，分接頭會升檔來提高直流電壓，升檔后，直流電壓又略大于Uref+Ut，這樣分接頭又會降檔來降低電壓，如此循環(huán)往復，造成分接頭頻繁動作。

因此，紹興站分接頭頻繁動作是由于分接頭電壓控制死區(qū)值設置不合理，導致電壓控制效果不能抵消交流電壓正常波動的影響造成的。

3 改善分接頭頻繁動作的控制措施

通過上述分析，分接頭頻繁動作是由于電壓控制死區(qū)值設置不合理以至于不能抵御交流電壓正常波動的影響，產(chǎn)生的一種反復調(diào)節(jié)現(xiàn)象。

分接頭頻繁動作易引起機械故障，危害極大?；诖?，本文從控制角度出發(fā)，提出一種改善分接頭頻繁動作的控制措施。

3.1 控制原理

直流電壓控制主要有2 種方式：一種是調(diào)整觸發(fā)角或熄弧角的大?。涣硪环N是調(diào)節(jié)換流變分接頭。直流系統(tǒng)為了防止換相失敗通常采用修正的定熄弧角控制AMAX[12]，防止熄弧角小于17°。

當直流電壓在額定800 kV 時，由于電壓調(diào)節(jié)器參考值偏移量的存在，參考直流電壓和實際直流電壓總是存在電壓偏差，該電壓偏差經(jīng)過PI環(huán)節(jié)之后，轉換得到的觸發(fā)角會不斷增加，最終被AMAX 的輸出角度限制住，因此，逆變側能夠維持在定熄弧角控制模式。

暫態(tài)過程中，當直流電壓小于額定時，可以通過2 種方式來使得直流電壓維持在額定：一種是減小熄弧角，使得直流電壓增大，但是熄弧角不能小于17°，因此會被AMAX 限幅，此時電壓調(diào)節(jié)器不會起作用，此方式不能提高直流電壓；另一種是通過升高分接頭檔位來升高直流電壓，但是分接頭電壓控制有死區(qū)值設置，需要滿足條件才能調(diào)節(jié)，由于電壓調(diào)節(jié)器不起作用，所以分接頭升檔死區(qū)值可以在滿足直流系統(tǒng)能穩(wěn)定運行的條件下設置得較大，當升檔死區(qū)值設置較大時，分接頭動作次數(shù)變少，但直流電壓可能比額定電壓小得多；當升檔死區(qū)值設置較小時，分接頭動作次數(shù)就變多，直流電壓越靠近額定直流電壓。

當直流電壓高于額定800 kV 時，同樣可以通過2 種方式來降低直流電壓：一種是增大熄弧角使得直流電壓減小，因為熄弧角增大不會被AMAX 限幅，因此電壓調(diào)節(jié)器將會起作用來減小觸發(fā)角，以使得熄弧角增大，但是逆變站一般采用定熄弧角控制，不希望采用此方式；另一種是分接頭降檔來降低直流電壓，這時候，需要考慮電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量，若直流電壓差值超過電壓調(diào)節(jié)器的偏移量，分接頭還未降檔降低電壓，逆變站只能從定熄弧角控制轉變?yōu)槎妷嚎刂?，依靠電壓調(diào)節(jié)器來減小觸發(fā)角，降低直流電壓，這是不希望的。因此，分接頭電壓控制降檔死區(qū)值設置需要考慮電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量。

降壓運行一般是70%或80%額定電壓。降壓運行時，通過增大熄弧角和降低分接頭檔位共同作用來降低直流電壓，此情況下必須保證分接頭的調(diào)壓能力，死區(qū)值應盡量設置得較小，以保證能使直流降壓至設定值。并且，降壓運行時，逆變站很可能從定熄弧角控制變成定電壓控制。

因此，分接頭電壓控制在全壓和降壓方式要分開考慮。

3.1.1 全壓方式下分接頭電壓控制

不考慮分接頭調(diào)節(jié)的影響，通過交直流系統(tǒng)潮流計算[13]可得到逆變站在交流電壓允許運行的范圍為[Uacmin，Uacmax]，對應的整流側的直流電壓運行范圍，假設大地回線方式直流電壓為[Udmin_GR，Udmax_GR]，金屬回線方式直流電壓為[Udmin_MR，Udmax_MR]。

當直流系統(tǒng)控制方式為整流站定電流控制，逆變站定熄弧角控制時，由表1 可知，整流站換流變分接頭執(zhí)行角度控制，而逆變站換流變分接頭執(zhí)行電壓控制。因此，只需考慮逆變站分接頭電壓控制死區(qū)值。

大地回線方式直流電壓允許最低值為Udmin_GR，當逆變站實際直流電壓降低到Udmin_GR以下時，必須通過分接頭電壓控制才能使得直流電壓在允許范圍內(nèi)，此時分接頭應升檔，以提升直流電壓。

大地回線方式直流電壓允許最高值為Udmax_GR，若Udmax_GR＞Uref，則，當逆變站實際直流電壓升高到Udmax_GR以上時，希望通過分接頭降檔來降低直流電壓，但是這里需要考慮電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量Uost。

可以得到升檔Ut1和降檔死區(qū)值Ut2的計算公式分別為：

式中：c 和c1表示修正系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗c 一般取5‰，c1一般取1.1。

金屬回線方式下的死區(qū)值求取方法與大地回線相同。

3.1.2 降壓方式下分接頭電壓控制

直流系統(tǒng)逆變側通常是通過增大熄弧角，同時調(diào)節(jié)換流變分接頭，使其在較低檔位，檔位越低，換流變變比越大，換流變閥側電壓越小，從而達到降壓運行的目的。降壓運行時，分接頭電壓控制死區(qū)值不超過式（5）所確定的值。

3.2 直流電壓動態(tài)調(diào)控

為了改善換流變分接頭頻繁動作情況，紹興站采用了直流電壓動態(tài)調(diào)控措施。

紹興站作為靈紹直流的受端，交流電壓波動范圍為498～518 kV，雙極大地回線方式，直流功率限額為0.89 p.u.，對應的送端直流電壓運行范圍為718～795 kV；金屬回線方式，直流功率限額為0.92 p.u.，對應的送端直流電壓運行范圍為746～800 kV。紹興站電壓調(diào)節(jié)器參考值偏移量為7.25 kV。

利用式（4）可得，大地回線升檔死區(qū)值為41.205，同理可得，金屬回線升檔死區(qū)值27.135。

利用式（5）可得，大地回線和金屬回線降檔死區(qū)值為3.3 kV。

因此，紹興站改進后的分接頭電壓控制邏輯如圖4 所示。

當任一極降壓運行時，自動退出直流電壓動態(tài)調(diào)控，此時，分接頭電壓控制升檔和降檔死區(qū)值都變?yōu)?.3 kV；雙極全壓運行時，直流電壓動態(tài)調(diào)控功能自動投入，OWS 后臺設置直流電壓動態(tài)調(diào)控投退按鈕。

3.3 改進前后效果對比

以2018 年最后2 個月為參考，改進前后的換流變分接頭日均動作次數(shù)如表4 所示。

從表4 可看出，改進后換流變分接頭動作次數(shù)大幅減少，驗證了所提控制策略的有效性和正確性。

4 結論

本文介紹了換流變分接頭控制，包括Udi0限幅、角度控制、電壓控制及自動重同步等，針對紹興站換流變分接頭頻繁動作現(xiàn)象，分析得出分接頭電壓控制死區(qū)值設置不合理是分接頭頻繁動作的主要原因，基于此，分析了分接頭電壓控制降檔死區(qū)值和升檔死區(qū)值在全壓運行和降壓運行下的設置方法，提出了一種能大幅減少分接頭頻繁動作的控制措施，通過紹興站對比驗證了該策略的有效性和正確性。綜合分析得出如下結論：

（1）全壓運行方式下，逆變站定熄弧角控制時分接頭執(zhí)行電壓控制，直流升壓時，由于熄弧角減小，電壓調(diào)節(jié)器被AMAX 限幅，因此電壓調(diào)節(jié)器不起作用，此時，電壓控制升檔死區(qū)值由直流系統(tǒng)允許的最低電壓確定；直流降壓時，熄弧角增大，電壓調(diào)節(jié)器不會被AMAX 限幅，若分接頭不及時降檔會導致逆變側進入定電壓控制，因此降檔死區(qū)值由電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量確定。

（2）降壓運行方式下，需要電壓調(diào)節(jié)器和分接頭共同調(diào)壓實現(xiàn)直流降壓至設定值，此種情況下升檔和降檔死區(qū)值均由電壓調(diào)節(jié)器的參考值偏移量確定，應退出直流電壓動態(tài)調(diào)控。

（3）該控制措施能大幅減少分接頭動作次數(shù)，但是犧牲了電壓控制精度，直流電壓可能偏離額定較遠運行，降低了直流的經(jīng)濟性，同時換流器無功消耗增加，影響逆變站交流濾波器投切策略，逆變站對頻率協(xié)控系統(tǒng)的最大可提升功率也將減小。