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        ±500 kV云貴互聯(lián)工程換流變壓器有載調(diào)壓開關(guān)控制策略分析

        2021-01-14 05:59:26何照能孫豪
        云南電力技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:檔位調(diào)壓直流

        何照能,孫豪

        (中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司昆明局,昆明 650217)

        0 前言

        ±500 kV云貴互聯(lián)通道工程是國家“十三五”規(guī)劃重點工程,由中國南方電網(wǎng)公司建設(shè)、運營,其西起云南祿勸換流站、中至貴州高坡?lián)Q流站、東達廣州肇慶站,雙極額定直流功率為3000 MW。與常規(guī)兩端直流輸電工程相比,其為國內(nèi)首個三端直流工程。

        相比于常規(guī)的±800 kV直流工程,云貴互聯(lián)通道工程沒有閥組控制級,相應(yīng)的換流變數(shù)量也少一半。但其有載調(diào)壓開關(guān)的控制策略與其它常規(guī)直流工程基本一致的。本文以祿勸換流站為例分析有載調(diào)壓開關(guān)的電壓控制模式和角度控制模式,引入分析幾種典型的有載調(diào)壓開關(guān)附加控制功能,并結(jié)合工程功能試驗階段的控保程序分析兩種控制模式下的開關(guān)動作特性。

        1 云貴互聯(lián)通道工程有載調(diào)壓開關(guān)

        1.1 有載調(diào)壓開關(guān)簡介

        工程所用有載調(diào)壓開關(guān)為VR型調(diào)壓開關(guān),安裝在換流變一次側(cè),一次部分采用真空室滅弧,具有開斷電流大、電壓等級高的特點。采用凸輪動作開關(guān)識別觸頭的位置,動作過程平穩(wěn)、一致性高[1]。

        該調(diào)壓開關(guān)共有-6~18共25個檔位,調(diào)節(jié)一檔的時間大概為5~10 s,調(diào)節(jié)范圍高達額定值的30%,調(diào)節(jié)步長為1.25%的額定值,能有較大裕度配合控保系統(tǒng)調(diào)節(jié)直流電壓[7]。

        1.2 有載調(diào)壓開關(guān)控制策略

        直流工程中常用的分接開關(guān)控制策略主要有電壓控制模式和角度控制模式。電壓控制模式以保證Udi0(無相控閥側(cè)理想空載直流電壓)的恒定為調(diào)節(jié)目的,角度控制模式以保證Alpha(觸發(fā)角)在規(guī)定的范圍內(nèi)為調(diào)節(jié)目的。在直流工程中主要使用角度控制模式,保證觸發(fā)角不致過小而導(dǎo)致調(diào)節(jié)范圍裕度不足,觸發(fā)角不致過大而導(dǎo)致閥片承受過大應(yīng)力和長期消耗過多無功[2]。

        為保證調(diào)壓開關(guān)可靠運行,除以上兩種主要的控制策略外,還設(shè)置自動重同步、開關(guān)起始檔位同步、開光調(diào)節(jié)時間監(jiān)視等附加控制功能。附加控制功能可以有效監(jiān)視調(diào)壓開關(guān)狀態(tài),并自動處理一些基本異常,如開關(guān)非同步運行、開關(guān)調(diào)節(jié)時間超時等,有效提高調(diào)壓開關(guān)的可用性。

        2 控制策略常用參數(shù)

        2.1 BCD碼

        調(diào)壓開關(guān)的原始檔位使用MR公司定義的BCD碼表示,BCD碼與十進制的轉(zhuǎn)換公式為:

        式(1) 中,n1、n2、n3、n4、n5、n6為 BCD碼中對應(yīng)的1至6數(shù)位。

        BCD碼的數(shù)位由調(diào)壓開關(guān)的凸輪動作開關(guān)輸入控保程序,通過式(1)轉(zhuǎn)換為可識別的十進制數(shù)用于其它邏輯運算[9]。

        2.2 有載調(diào)壓開關(guān)檔位

        調(diào)壓開關(guān)的檔位中含有極性反轉(zhuǎn)檔位,為直觀表示檔位的升降,需將BCD輸入的原始檔位減去極性反轉(zhuǎn)檔位以表示調(diào)壓開關(guān)的實際檔位,祿勸換流站調(diào)壓開關(guān)的極性反轉(zhuǎn)檔位為第7檔。

        祿勸換流站單極共有6臺換流變壓器,分為YD型連接方式和YY型連接方式。檔位計算方法如圖1所示,YD型連接的換流變和YY型連接的換流變分別相加后除以3取商得到各自的檔位,再將兩種連接方式的換流變檔位相加并除以2取商得到最終的調(diào)壓開關(guān)檔位。

        圖1 有載調(diào)壓開關(guān)檔位計算

        2.3 有載調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)特點

        為便于分析調(diào)壓開關(guān)的調(diào)節(jié)特點,假設(shè)換流變交流側(cè)電壓為不變的系統(tǒng)電壓,則根據(jù)變壓器電流公式可知換流變二次側(cè)電壓為[3]:

        式(2)中,UAC為換流變網(wǎng)側(cè)電壓,UAC'為換流變閥側(cè)電壓,n1和n2為網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組數(shù)。

        調(diào)壓開關(guān)安裝在換流變網(wǎng)側(cè),因此實際調(diào)節(jié)的是網(wǎng)側(cè)繞組數(shù)n1。由式(2)可知,調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)特點為:調(diào)壓開關(guān)升檔時,閥側(cè)電壓降低;當降檔時,閥側(cè)電壓升高[8]。

        3 電壓控制模式

        3.1 調(diào)壓開關(guān)控制原理

        換流閥直流側(cè)電壓為:

        式(3)中,Udi0為換流變閥側(cè)無相控理想空載直流電壓,α為換流閥觸發(fā)角,drl為等值換相阻抗,Id為直流電流。

        由式(3)可知,對于已經(jīng)建設(shè)完成的直流工程,直流電壓值取決于Udi0和α。α的控制由閥控系統(tǒng)完成,調(diào)節(jié)迅速、平滑,但調(diào)節(jié)范圍小,常用于直流系統(tǒng)電壓的快速變化;Udi0的控制由極控系統(tǒng)的有載調(diào)壓開關(guān)控制邏輯完成,受限于調(diào)壓開關(guān)本身機械特性的原因,調(diào)節(jié)速度過慢,不足以滿足直流系統(tǒng)快速的電壓變化調(diào)節(jié),但其調(diào)節(jié)范圍遠大于α,常被用于慢速而變化過大的直流電壓調(diào)節(jié)[4]。

        本文主要分析Udi0控制調(diào)節(jié),Udi0計算公式如下:

        從式(4)中可知,Udi0取決于換流變網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)電壓UAC和網(wǎng)側(cè)繞組數(shù)n1。通常系統(tǒng)電壓為遠方調(diào)度中心調(diào)控,所以默認系統(tǒng)電壓為定值。因此,Udi0調(diào)節(jié)的實質(zhì)為換流變網(wǎng)側(cè)繞組數(shù)n1調(diào)節(jié)。

        3.2 Udi0ACT與Udi0REF的計算

        Udi0ACT沒有對應(yīng)的一次設(shè)備測點,通常是通過額定Udi0換算得到,換算公式如下:

        式(5)中,Udi0N為額定網(wǎng)側(cè)電壓下調(diào)壓開關(guān)位于“0”檔時,Udi0的額定值;num原始為換流變調(diào)壓開關(guān)的原始檔位。

        如圖2所示,不同調(diào)壓開關(guān)控制模式下,Udi0REF不同,其中角度控制模式下的參考值小于電壓控制模式,這樣有利于系統(tǒng)過電壓的抑制。

        圖2 Udi0參考值折線圖

        3.3 電壓控制模式的控制邏輯

        如圖3所示,電壓控制模式通過計算Udi0ACT與Udi0REF之差,將該值與0.011和-0.011比較,若大于0.011則升調(diào)壓開關(guān),若小于-0.011則降調(diào)壓開關(guān)。

        圖3 電壓控制邏輯

        如圖3所示,Udi0控制模式針對Udi0的值進行調(diào)控,調(diào)節(jié)結(jié)果為保持Udi0不變。該種調(diào)節(jié)模式能有效調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓保持額定值,但在一些特殊的工況下將導(dǎo)致觸發(fā)角Alpha的運行工況變差,給閥帶來過大應(yīng)力。而直流系統(tǒng)調(diào)節(jié)主要以保持輸送的功率不變?yōu)橹?,這可通過與電流調(diào)節(jié)配合實現(xiàn)。因此,Udi0控制模式一般不作為調(diào)壓開關(guān)的主要控制模式,僅在閥組處于閉鎖狀態(tài)或空載加壓實驗時啟動。

        4 角度控制模式

        4.1 角度控制原理

        角度控制模式針對換流器不同的運行模式控制原理不同,當換流器運行在整流器模式時,控制原理為定觸發(fā)角控制;當運行在逆變模式時,控制原理為定關(guān)斷角控制[5]。

        由式(3)、式(5)可知,以整流器為例,調(diào)壓開關(guān)直接調(diào)節(jié)的量為Udi0的值,而直流系統(tǒng)維持直流電壓不變,若觸發(fā)角運行在額定工況以外,則通過調(diào)節(jié)Udi0的大小可將觸發(fā)角拉回額定值范圍。因此,角度控制的實質(zhì)為通過調(diào)節(jié)Udi0間接使觸發(fā)角或關(guān)斷角保持在額定范圍內(nèi)。

        4.2 角度控制模式的控制邏輯

        如圖4所示,角度控制模式直接采集控保系統(tǒng)輸出的觸發(fā)角,通過判斷觸發(fā)角是否運行在額定范圍(12.5°~17.5°)內(nèi)來調(diào)節(jié)調(diào)壓開關(guān)的升降。若觸發(fā)角大于17.5°,則升高調(diào)壓開關(guān)檔位;若觸發(fā)角小于12.5°,則降低調(diào)壓開關(guān)檔位。

        圖4 角度控制邏輯

        角度控制模式一般作為調(diào)壓開關(guān)控制的主要模式,該模式能有效改善觸發(fā)角的運行工況,使閥承受較小的應(yīng)力沖擊。

        無論電壓控制,還是角度控制,受限于其一次部分的機械特性,調(diào)壓開關(guān)對直流系統(tǒng)的調(diào)節(jié)屬于慢速控制。若Udi0或觸發(fā)角剛好位于調(diào)壓開關(guān)的調(diào)節(jié)邊緣,此時將可能造成控保系統(tǒng)其它快速控制功能與調(diào)壓開關(guān)慢速控制功能的反復(fù)調(diào)節(jié)[6],使得調(diào)壓開關(guān)反復(fù)動作。因此,通常給調(diào)壓開關(guān)的輸出設(shè)置一個延時時間,云貴互聯(lián)通道工程為5秒。

        5 附加控制功能

        5.1 調(diào)壓開關(guān)起始檔位同步功能

        在直流系統(tǒng)運行前,需將調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)到起始檔位,若通過工作站手動調(diào)節(jié)將會導(dǎo)致大量浪費時間。因此,設(shè)有起始檔位同步功能,運行人員可在工作站上手動啟動該功能,也可在換流變進線斷路器斷開時,由控制系統(tǒng)延時啟動該功能。

        5.2 調(diào)壓開關(guān)自動同步功能

        直流系統(tǒng)每一極對應(yīng)至少6臺換流變,在運行過程中要保持每臺換流變檔位一致,但受控制系統(tǒng)性能、一次設(shè)備特性和環(huán)境因素等原因影響,調(diào)壓開關(guān)可能發(fā)生失步。調(diào)壓開關(guān)檔位不一致將會引起直流系統(tǒng)諧波增加、閥電壓分布不均等問題。因此,控保系統(tǒng)設(shè)有調(diào)壓開關(guān)自動同步功能。

        自動同步功能基本原理為:若某臺調(diào)壓開關(guān)檔數(shù)高于其它開關(guān),則降低本開關(guān)檔位與其它的保持一致;若某臺調(diào)壓開關(guān)數(shù)本就低于其它開關(guān),則降低其它開關(guān)檔位與本開關(guān)保持一致。這樣的調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)了調(diào)壓開關(guān)不同步時,檔位向升高Udi0的方向調(diào)節(jié),保證閥側(cè)電壓始終滿足要求。

        5.3 調(diào)壓開關(guān)調(diào)節(jié)時間監(jiān)視功能

        調(diào)壓開關(guān)動作時,機械機構(gòu)需要一定時間才能切換到位。為準確判斷調(diào)壓開關(guān)是否動作到位,通常根據(jù)調(diào)壓開關(guān)的固有動作時間設(shè)置調(diào)節(jié)監(jiān)視時間。祿勸換流站使用的VR型調(diào)壓開關(guān)的固有動作時間一般為5~10秒,為有足夠的動作時間裕度,設(shè)置監(jiān)視時間為15秒。

        以降檔為例,當發(fā)出降檔指令時,監(jiān)視時間開始計時,并將此時的調(diào)壓開關(guān)檔位減一。當監(jiān)視時間結(jié)束時,比較現(xiàn)在的調(diào)壓開關(guān)檔位和之前減一后的調(diào)壓開關(guān)檔位,若相等則開關(guān)調(diào)節(jié)到位,若不等則調(diào)壓開關(guān)故障。

        5.4 調(diào)壓開關(guān)強制控制功能

        調(diào)壓開關(guān)的主要控制模式為角度控制模式,在某些極端的情況下,該種控制模式可能導(dǎo)致Udi0的值過高。由式(3)可知,當直流電流過大時將會導(dǎo)致?lián)Q相壓降過大,直流電壓降低,為保持直流電壓不變,控制系統(tǒng)將降低觸發(fā)角,過低的觸發(fā)角導(dǎo)致調(diào)壓開關(guān)降檔,最后導(dǎo)致Udi0過大,威脅調(diào)壓開關(guān)絕緣。

        為避免上述問題,通常設(shè)有調(diào)壓開關(guān)強制控制功能。以祿勸換流站為例,當Udi0的值大于101.25%的額定值時,禁止調(diào)壓開關(guān)降檔;當Udi0的值大于103%時,強制升高調(diào)壓開關(guān)檔位。附加控制功能保證調(diào)壓開關(guān)能夠安全、穩(wěn)定運行,同時提高運行人員操作的便利性。[10]

        6 結(jié)束語

        本文結(jié)合云貴互聯(lián)通道工程詳細分析了直流工程中2種常用的有載調(diào)壓控制模式和4種附加控制功能。常用的有載調(diào)壓控制模式保證調(diào)壓開關(guān)動作滿足直流系統(tǒng)的控制要求。

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