劉 凱 鄒 強(qiáng) 張慶武 肖建民 劉孝輝

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

目前國內(nèi)在運(yùn)的特高壓直流工程按高低壓閥組是否接入同一交流電網(wǎng)可以分為兩類：一類以天中、靈紹直流為代表，高低壓閥組接入同一交流電網(wǎng)，此類工程屬于不分層接入的直流工程[1-2]；另一類以昭沂、吉泉直流為代表，高壓閥組接入500kV 交流電網(wǎng)，低壓閥組接入1 000kV 交流電網(wǎng)，兩個電網(wǎng)相互獨(dú)立，無直接聯(lián)系，此類工程可以簡稱為分層接入直流[3]。分層接入與不分層接入直流相比，控制功能上更為復(fù)雜，集中體現(xiàn)在無功控制、閥組電壓平衡控制、分接開關(guān)控制等功能[4-6]。

青?！幽稀?00kV 特高壓直流輸電工程（以下簡稱“青豫直流”）額定電壓±800kV，直流線路長度1 587km，直流輸送容量8 000MW，是世界首個以輸送新能源為主的特高壓直流工程。與前期投運(yùn)的工程相比，青豫直流在一次主接線結(jié)構(gòu)上具有新的特點(diǎn)：受端直流高低壓閥組分別接入兩個500kV交流電網(wǎng)，兩個500kV 電網(wǎng)之間配置獨(dú)立的母聯(lián)斷路器，通過母聯(lián)斷路器的分合可以實(shí)現(xiàn)兩個交流電網(wǎng)的分裂與聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，提升功率潮流控制靈活性。直流中點(diǎn)分壓器是采用分層接入方式的特高壓直流工程的必備設(shè)備，但對不分層的直流工程而言卻不然，中點(diǎn)分壓器故障會引起直流功率擾動甚至換流器閉鎖。因此對于需要兼容分層及不分層兩種控制模式的青豫直流而言，需要解決中點(diǎn)分壓器的投入及退出運(yùn)行問題。

文獻(xiàn)[7]研究了分層接入方式直流工程兩個串聯(lián)閥組的電壓特性，提出電壓平衡控制策略。文獻(xiàn)[8]研究了適應(yīng)于分層接入直流工程特點(diǎn)的閥組選擇投退控制，協(xié)調(diào)功率控制等策略。文獻(xiàn)[9]研究了分層接入直流功率絕對最小濾波器不滿足回降功率的相關(guān)策略。文獻(xiàn)[10]研究了分層接入方式下交直流系統(tǒng)中長期電壓穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制的相關(guān)功能。文獻(xiàn)[11]提出了分層接入下預(yù)防換相失敗的相關(guān)優(yōu)化措施。上述文獻(xiàn)雖然從不同角度對分層接入方式給直流系統(tǒng)帶來的問題進(jìn)行了研究，但卻無法解決青豫直流面臨的問題。

本文重點(diǎn)研究不同運(yùn)行方式下直流中點(diǎn)分壓器的投入及退出運(yùn)行策略，既滿足交流運(yùn)行方式需要，又減小運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換、交流保護(hù)動作等情況下對直流系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊，改善中點(diǎn)分壓器故障后直流控制系統(tǒng)的響應(yīng)，從而提高直流系統(tǒng)的可靠性，保證長期穩(wěn)定運(yùn)行。最后基于實(shí)時數(shù)字仿真器（real time digital simulator, RTDS）搭建青豫直流實(shí)物控制保護(hù)系統(tǒng)平臺對直流中點(diǎn)分壓器投退策略的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 青豫直流受端接線方式

青豫直流豫南站主接線如圖1 所示。青豫直流受端豫南換流站為特高壓交直流合建站，高壓閥組所連500kV 交流電網(wǎng)（圖1 中AC 500kV 1#）共有豫螺、豫遲等4 回出線；低壓閥組所連500kV 交流電網(wǎng)（圖1 中AC 500kV 2#）共有豫摯、豫周等4回出線，同時通過兩臺聯(lián)絡(luò)變與1 000kV 交流電網(wǎng)相連。在兩個500kV 電網(wǎng)之間配置獨(dú)立的母聯(lián)斷路器：當(dāng)母聯(lián)斷路器合上時，兩個交流電網(wǎng)合而為一，所有閥組換流變壓器與交流濾波器連于同一交流電網(wǎng)，直流系統(tǒng)構(gòu)成不分層工程；當(dāng)母聯(lián)斷路器分開時，兩個交流電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，直流系統(tǒng)構(gòu)成分層工程。在直流場電壓分壓器配置方面，每極共設(shè)置三個直流電壓分壓器，分別是直流極線分壓器DL，直流中性線分壓器DN 和直流中點(diǎn)分壓器DM；通過DM 可以實(shí)現(xiàn)兩個閥組電壓的獨(dú)立控制及均衡兩個閥組電壓的目的。

圖1 青豫直流豫南站主接線

2 直流中點(diǎn)分壓器故障應(yīng)對策略分析

不分層特高壓直流的典型控制方式為，無論功率是正送還是反送，均為整流側(cè)控制直流電流，逆變側(cè)控制直流電壓，具體模式可分為兩種：一種為修正的定熄弧角控制（典型的熄弧角為17°），同時通過分接開關(guān)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)直流電壓的調(diào)節(jié)[12]；另一種為定直流電壓控制，即通過電壓調(diào)節(jié)器輸出的觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)直流電壓的精確調(diào)節(jié)[13]。在此過程中，通常設(shè)置高壓閥組為控制閥組，低壓閥組為非控制閥組，非控制閥組的觸發(fā)角和分接開關(guān)檔位跟隨控制閥組的觸發(fā)角和分接開關(guān)檔位[14]。由于高低壓換流變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致，交流電壓也完全一致，因此高低壓閥組角度和檔位的同步可以在維持直流額定運(yùn)行的同時保證高低壓閥組間的電壓平衡。因此，在高低壓閥組間無需配置直流中點(diǎn)分壓器DM。

分層接入特高壓直流典型控制方式為：分層側(cè)運(yùn)行于逆變模式時，主要目標(biāo)為建立直流電壓，不同的是高低壓閥組獨(dú)立控制各自閥組電壓（可通過改進(jìn)后定熄弧角配合分接開關(guān)控制或通過電壓調(diào)節(jié)器精確控制）；高壓閥組的閥組電壓通過DL 與DM分壓器獲取，低壓閥組的閥組電壓通過DM 與DN分壓器獲取。分層側(cè)運(yùn)行于整流模式時，主要目標(biāo)為控制直流電流，與此同時需要配置閥組電壓平衡控制器用以平衡高低閥組間直流電壓。直流分層側(cè)控制策略如圖2 所示。

圖2 直流分層控制策略

對于分層工程而言，由于高低壓換流變壓器參數(shù)（如檔位數(shù)、步長、換相電抗等）、換流變連接交流電壓不一致，采用角度同步結(jié)合檔位同步的策略無法保證兩個閥組電壓的平衡，因此必須配置中點(diǎn)分壓器DM。

通過對比不難看出，就交直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，不分層工程是分層工程的一種特殊應(yīng)用，理論上不分層工程配置DM 分壓器后完全可以適用分層工程的直流控制策略，但會帶來成本增加及運(yùn)行可靠性降低的問題，其中DM 分壓器故障較為典型。

DM 分壓器故障后，當(dāng)前在運(yùn)的直流控制保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)分為三種：

1）DM 分壓器可以輸出測點(diǎn)故障信號，直流控制系統(tǒng)利用該故障信號進(jìn)行系統(tǒng)切換，若故障仍然存在則切換至UDM計(jì)算值[15]。

2）DM 分壓器在測點(diǎn)無故障信號輸出情況下測點(diǎn)輸出異常，將計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行比較，超出限值后進(jìn)行系統(tǒng)切換，切換后故障仍然存在時切換至UDM計(jì)算值[16]。

3）DM 分壓器非電量保護(hù)動作，閉鎖低壓閥組，將UDM測點(diǎn)切換UDN維持直流繼續(xù)運(yùn)行。

直流控制系統(tǒng)對于DM 分壓器上述故障的處理雖然可以臨時應(yīng)對DM 分壓器故障導(dǎo)致直流整極閉鎖風(fēng)險(xiǎn)，但也存在三個問題：

一是直流中點(diǎn)電壓UDM的計(jì)算值由理論公式確定，當(dāng)直流處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，該計(jì)算值與實(shí)際值較為接近，可以用來臨時替換；但直流運(yùn)行狀況復(fù)雜，在直流電流短時斷流、交流電壓畸變、觸發(fā)角進(jìn)入U(xiǎn)min區(qū)間等工況出現(xiàn)時，理論計(jì)算值與實(shí)測UDM存在較大差異，若此時用計(jì)算值替換實(shí)測值參與控制將引起直流功率振蕩甚至閉鎖。

二是直流電壓的計(jì)算值無法體現(xiàn)一次回路中直流電壓特性，例如諧波、尖峰等，這將對直流控制系統(tǒng)抑制外界短時擾動不利。

三是DM 分壓器非電量保護(hù)動作后，直流通過閉鎖低壓閥組的方式將UDM測點(diǎn)退出控制，避免直流整極異常停運(yùn)，但分壓器的檢修、更換耗時較長，短時內(nèi)無法將低壓閥組再次投入運(yùn)行，直流可用率因此降低。

因此，DM 分壓器三種類型故障出現(xiàn)后，采取的應(yīng)對措施雖然可以避免直流整極閉鎖，但并不適宜長期運(yùn)行，更無法抵御交直流側(cè)較大程度擾動，直流運(yùn)行的可靠性、可用率均無法得到保證。

3 直流中點(diǎn)分壓器投退策略

基于上述分析，結(jié)合青豫直流結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)合理的控制策略完成直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行、退出運(yùn)行，降低交流運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換、中點(diǎn)分壓器故障對直流穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

3.1 直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行策略

青豫直流豫南站的兩個500kV 交流電網(wǎng)在運(yùn)行過程中會根據(jù)調(diào)度需求運(yùn)行于合環(huán)或分裂模式。當(dāng)運(yùn)行模式由合環(huán)轉(zhuǎn)為分裂模式時，將會觸發(fā)中點(diǎn)分壓器DM 投入運(yùn)行。

直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行策略具體過程如圖3所示，直流控制系統(tǒng)實(shí)時采集兩個500kV 電網(wǎng)間母聯(lián)開關(guān)位置，判定交流電網(wǎng)合環(huán)與分裂運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行人員手動操作母聯(lián)開關(guān)由合轉(zhuǎn)分或出現(xiàn)保護(hù)（如母聯(lián)開關(guān)保護(hù)、交流母線保護(hù)）動作跳開母聯(lián)開關(guān)時，起動分壓器投入運(yùn)行策略：

1）檢測中點(diǎn)分壓器是否存在故障，可通過分壓器本體送出的測量故障信號（包括非電量保護(hù)動作）或?qū)崪y值與計(jì)算值比較的方式判定。

圖3 直流中點(diǎn)分壓器投入運(yùn)行策略

2）若中點(diǎn)分壓器無故障，則進(jìn)行高、低壓閥組電壓測點(diǎn)切換。母聯(lián)合位時實(shí)際參與控制的電壓測點(diǎn)為UDL和UDN，高壓閥組的電壓參考值為UDREF/2，控制器的反饋量為(UDL-UDN)/2，低壓閥組通過觸發(fā)角與檔位同步的方式跟隨高壓閥組。測點(diǎn)切換后高、低壓閥組的電壓參考值均為UDREF/2，高壓閥組電壓控制器的反饋量為UDL-UDM，低壓閥組電壓控制器的反饋量為UDM-UDN。低壓閥組觸發(fā)角和檔位調(diào)節(jié)不再同步高壓閥組，切換為分層控制模式，具體策略如圖3 所示，路徑為1→2→3→4→5→6→7→8→18。

3）若中點(diǎn)分壓器存在故障（非電量保護(hù)未動作），首先將UDM測點(diǎn)切換至UDM計(jì)算值進(jìn)行過渡，過渡期控制策略切換至分層控制策略維持直流運(yùn)行。然后通過閥組切換使高壓閥組為控制閥組，低壓閥組通過分接開關(guān)檔位調(diào)節(jié)使低壓閥組空載額定電壓UDI0與高壓閥組UDI0一致。低壓閥組的觸發(fā)角切換為同步模式，同步跟隨高壓閥組的觸發(fā)角，最后UDM測點(diǎn)退出控制。路徑為1→2→3→4→9→10→11→12→13→18。

4）若中點(diǎn)分壓器非電量保護(hù)動作，則立即閉鎖、隔離低壓換流器，完成后分壓器進(jìn)行物理隔離，分壓器與直流主接線脫開后轉(zhuǎn)檢修。接著由運(yùn)行人員合母聯(lián)開關(guān)，低壓閥組帶電后通過閥組投入操作恢復(fù)運(yùn)行。路徑為1→2→3→4→9→14→15→16→17→18。

3.2 直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行策略

直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行的原因分為兩類，一類是在中點(diǎn)分壓器工作正常，交流側(cè)運(yùn)行方式由合環(huán)轉(zhuǎn)分裂運(yùn)行引起的分壓器退出運(yùn)行；另一類是直流分層運(yùn)行中出現(xiàn)分壓器故障導(dǎo)致的分壓器退出運(yùn)行。直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行策略如圖4 所示。

圖4 直流中點(diǎn)分壓器退出運(yùn)行策略

1）母聯(lián)開關(guān)分位條件下循環(huán)檢測中點(diǎn)分壓器是否存在故障，檢測方法與前述一致。

2）若中點(diǎn)分壓器無故障，在檢測到母聯(lián)開關(guān)位置由分轉(zhuǎn)合后進(jìn)行測點(diǎn)切換。高壓閥組的電壓參考值為UDREF/2 保持不變, 控制器的反饋量由UDL-UDM切換為(UDL-UDN)/2；低壓閥組不再獨(dú)立控制閥組電壓而是切換為觸發(fā)角和檔位同步高壓閥組的觸發(fā)角和檔位。路徑為1→2→3→4→5→6→7→8→19。

3）若中點(diǎn)分壓器存在故障（非電量保護(hù)未動作），首先將UDM測點(diǎn)切換至UDM計(jì)算值進(jìn)行過渡，過渡期仍以分層控制策略維持直流運(yùn)行。接著由運(yùn)行人員手動或直流控制系統(tǒng)自動下發(fā)（通過軟壓板選擇）合母聯(lián)開關(guān)的指令，形成交流側(cè)合環(huán)運(yùn)行的條件。最后通過觸發(fā)角同步和UDI0同步的方法完成DM 分壓器退出運(yùn)行。路徑為1→2→3→9→10→11→12→13→14→19。

4）若中點(diǎn)分壓器非電量保護(hù)動作，則立即閉鎖、隔離低壓換流器，完成后分壓器物理隔離，分壓器與直流主接線脫開后轉(zhuǎn)檢修。接著由運(yùn)行人員合母聯(lián)開關(guān)，低壓閥組帶電后通過閥組投入操作恢復(fù)運(yùn)行。路徑為1→2→3→9→15→16→17→18→19。

4 仿真驗(yàn)證

基于PCS9550 特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)及實(shí)時數(shù)字仿真器（RTDS），搭建青豫直流半實(shí)物仿真平臺，對本文所提的中點(diǎn)分壓器投退策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)中，直流控制保護(hù)核心程序與青豫直流工程現(xiàn)場一致，RTDS 中直流系統(tǒng)模型參數(shù)見表1。

表1 RTDS 中直流系統(tǒng)模型仿真參數(shù)

4.1 中點(diǎn)分壓器無故障，母聯(lián)開關(guān)分合試驗(yàn)

圖5 為直流雙閥組單極大地回線方式運(yùn)行，直流功率4 000MW，受端母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行合操作的試驗(yàn)結(jié)果。t1時刻母聯(lián)開關(guān)由分轉(zhuǎn)合，低壓閥組通過調(diào)節(jié)分接開關(guān)使UDI0與高壓閥組一致，在t2時刻進(jìn)行測點(diǎn)切換，切換后UDM測點(diǎn)退出控制，經(jīng)過較短擾動后，直流恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

圖5 中點(diǎn)分壓器無故障，合母聯(lián)開關(guān)仿真波形

圖6為直流雙閥組單極大地回線方式運(yùn)行，直流功率4 000MW，通過對受端母聯(lián)開關(guān)進(jìn)行分操作的試驗(yàn)結(jié)果。t1時刻母聯(lián)開關(guān)由合轉(zhuǎn)分，由于高低閥組的UDI0數(shù)值一致，立刻進(jìn)行測點(diǎn)切換，切換后UDM測點(diǎn)投入控制，隨后高低閥組通過分層控制分別調(diào)節(jié)高低閥組觸發(fā)角及分接開關(guān)，最終高低閥組電壓平衡，直流恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 中點(diǎn)分壓器無故障，分母聯(lián)開關(guān)仿真波形

4.2 中點(diǎn)分壓器故障試驗(yàn)

圖7為直流雙閥組單極大地回線方式運(yùn)行，直流功率4 000MW，母聯(lián)開關(guān)分位運(yùn)行時，模擬中點(diǎn)分壓器故障（非電量保護(hù)未動作）的試驗(yàn)結(jié)果。母聯(lián)開關(guān)分位時，直流以分層接入控制方式運(yùn)行，t1時刻中點(diǎn)分壓器故障，控制系統(tǒng)切換UDM至計(jì)算值，同時自動生成合母聯(lián)開關(guān)命令，母聯(lián)開關(guān)合上后進(jìn)行高低閥組UDI0同步。t2時刻UDM測點(diǎn)進(jìn)行切換，切換后UDM測點(diǎn)退出控制，直流恢復(fù)穩(wěn)定。

圖7 母聯(lián)開關(guān)分位，中點(diǎn)分壓器故障仿真波形

圖8為直流雙閥組單極大地回線方式運(yùn)行，直流功率4 000MW 且中點(diǎn)分壓器故障（非電量保護(hù)未動作）時，母聯(lián)開關(guān)跳開的試驗(yàn)結(jié)果。母聯(lián)合位時，中點(diǎn)分壓器故障不對直流運(yùn)行構(gòu)成影響，t1時刻母聯(lián)開關(guān)由于保護(hù)動作跳開，控制系統(tǒng)緊急切換UDM至計(jì)算值，接著在t2時刻啟動切換，低壓閥組開始同步高壓閥組的UDI0和觸發(fā)角，切換后UDM測點(diǎn)退出控制，直流恢復(fù)穩(wěn)定。

圖8 中點(diǎn)分壓器故障，母聯(lián)開關(guān)跳開波形

5 結(jié)論

針對青豫直流受端分層接入兩個500kV 交流電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過分析直流中點(diǎn)分壓器故障對直流產(chǎn)生的影響以及當(dāng)前控制系統(tǒng)應(yīng)對策略的不足，提出合理的中點(diǎn)分壓器投退策略，一方面滿足青豫直流受端交流電網(wǎng)合環(huán)與分裂方式的轉(zhuǎn)換需求，另一方面消除了中點(diǎn)分壓器故障后長期使用UDM計(jì)算值對于直流運(yùn)行的不利影響以及中點(diǎn)分壓器非電量保護(hù)動作后閉鎖閥組短時內(nèi)無法解鎖的問題，切實(shí)提高直流系統(tǒng)輸電的可靠性及可用率，為后續(xù)同類特高壓直流工程提供參考。