郭曉晨，張澤鳴，甘增朔，孫松松，褚澤坤

（國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

特高壓直流輸電系統(tǒng)相對交流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢之一是輸送功率變化速率較大，可以在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的啟動和停運(yùn)。直流輸送功率的變化會導(dǎo)致直流母線電壓變化，為了維持直流電壓的穩(wěn)定，換流變壓器的分接開關(guān)會頻繁動作。當(dāng)采用分接開關(guān)控制方式來控制直流電壓時，分接開關(guān)檔位的變化會導(dǎo)致?lián)Q流變壓器分接開關(guān)過極性，過極性放電會造成換流變壓器分接開關(guān)內(nèi)乙炔含量增加，影響換流變壓器的壽命，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

動態(tài)電壓控制策略在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠有效降低直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行過程中換流變壓器分接開關(guān)的動作次數(shù)，提高直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文對特高壓直流輸電系統(tǒng)現(xiàn)有的動態(tài)電壓控制策略進(jìn)行研究，分析采用該策略引發(fā)的問題，提出了改進(jìn)型動態(tài)電壓控制策略以解決這些問題。

1 動態(tài)電壓控制策略設(shè)計目的及原理

1.1 動態(tài)電壓控制策略設(shè)計目的

為了精確控制直流傳輸功率，直流輸電系統(tǒng)通常采用定功率控制方式，此時需要增加功率調(diào)節(jié)器。功率調(diào)節(jié)器以直流電流調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過改變其電流定值來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。在實(shí)際工程中，一般將運(yùn)行人員整定的功率定值除以實(shí)測的直流電壓值，從而得到為保證該功率定值所需要的直流電流定值［1］。直流電流是通過改變整流站、逆變站兩側(cè)的電壓差來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此要保證直流輸電系統(tǒng)功率輸送穩(wěn)定，必須首先保證整流站、逆變站兩側(cè)直流電壓穩(wěn)定。

逆變站直流電壓由換流器的息弧角與換流變壓器的分接開關(guān)檔位互相配合來調(diào)節(jié)。換流變壓器分接開關(guān)主要通過改變換流變壓器交流側(cè)繞組的匝數(shù)來保證閥側(cè)電壓的穩(wěn)定，即在交流側(cè)電壓波動的情況下，通過改變分接開關(guān)檔位來調(diào)節(jié)換流變壓器一次側(cè)的繞組匝數(shù)，以改變換流變壓器變比，從而得到穩(wěn)定的電壓輸出［2］。分接開關(guān)的頻繁動作容易造成檔位切換裝置損壞，影響直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

特高壓直流輸電系統(tǒng)動態(tài)電壓控制策略的主要目的是通過增大直流電壓的控制死區(qū)來減少逆變站換流變壓器分接開關(guān)的動作次數(shù)，在直流解鎖運(yùn)行后（分接開關(guān)處于0.1 p.u.功率檔位），即使直流功率升降或交流系統(tǒng)電壓變化，只要直流電壓死區(qū)不超過設(shè)定值，換流變壓器分接開關(guān)均不動作。由于直流電壓死區(qū)上限不應(yīng)超過設(shè)備允許的安全電壓（直流長期持續(xù)運(yùn)行電壓），其調(diào)整空間有限，而降低直流電壓死區(qū)下限不存在設(shè)備安全問題，所以采用降低直流電壓下限的策略。假定受端換流站換流變壓器分接開關(guān)不動作，通過主回路計算得出直流系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下的最低直流電壓，作為直流電壓死區(qū)下限的參考值。

1.2 動態(tài)電壓控制策略原理

在逆變站中，通過電壓控制功能，直流系統(tǒng)的直流電壓被控制在一個范圍內(nèi)，其中心值是給定的電壓參考值。如果直流電壓升高到大于電壓參考值加上電壓遲滯值的總和，分接開關(guān)控制策略將降低閥側(cè)電壓至允許范圍內(nèi)。如果直流電壓降低到小于電壓參考值減去電壓遲滯值的差值，分接開關(guān)控制策略將增加閥側(cè)電壓至允許范圍內(nèi)。

直流電壓動態(tài)控制策略就是預(yù)設(shè)逆變站換流變壓器分接開關(guān)檔位，并將死區(qū)下限值調(diào)整至當(dāng)前系統(tǒng)條件、全壓運(yùn)行模式下可能達(dá)到的最低直流運(yùn)行電壓以下，以保證在直流功率限值內(nèi)逆變站換流變壓器分接開關(guān)不動作。采用該策略時，直流電壓死區(qū)下限范圍擴(kuò)大，即使達(dá)到最低直流運(yùn)行電壓時，逆變站換流變壓器分接開關(guān)也不會動作，減少了逆變站換流變壓器分接開關(guān)的動作次數(shù)［3］。

動態(tài)電壓控制策略投入后，隨著直流輸送功率的增加，由于逆變站換流變壓器分接開關(guān)不動作，直流電壓逐步下降，不再維持在直流電壓參考值，直流系統(tǒng)從一個直流電壓恒定、開關(guān)動作頻繁的狀態(tài)變?yōu)橹绷麟妷簞討B(tài)調(diào)節(jié)、逆變站換流變壓器分接開關(guān)極少動作的狀態(tài)。

2 動態(tài)電壓控制策略運(yùn)行成效

2.1 分接開關(guān)檔位變化情況

采用原策略時直流系統(tǒng)部分參數(shù)如表1 所示。由表1 可見，某直流系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，直流功率由1000 MW 提升至7000 MW，逆變站低端換流變壓器分接開關(guān)的檔位由10檔升至20檔。

表1 采用原策略時直流系統(tǒng)部分參數(shù)

采用動態(tài)電壓控制策略時直流系統(tǒng)部分參數(shù)如表2 所示。由表2 可見，直流解鎖后，由于采用動態(tài)電壓控制策略，分接開關(guān)檔位被限制在第10 檔，逆變站換流變壓器分接開關(guān)不動作。

表2 采用動態(tài)電壓控制策略時直流系統(tǒng)部分參數(shù)

2.2 動態(tài)電壓控制策略的應(yīng)用

由于動態(tài)電壓控制策略投入后直流輸送功率限額會降低，通常會在直流輸送功率超限額前后向調(diào)度申請退出動態(tài)電壓控制策略。投入和退出動態(tài)電壓控制策略均會導(dǎo)致?lián)Q流變壓器分接開關(guān)動作，給數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作帶來一定的困難。

表3 為動態(tài)電壓控制策略實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。由表3 可見，動態(tài)電壓控制策略投入期間，逆變站換流變壓器分接開關(guān)的動作次數(shù)顯著減少，表明該策略能夠有效降低分接開關(guān)的動作次數(shù)。

表3 動態(tài)電壓控制策略實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 動態(tài)電壓控制策略存在的問題

3.1 造成交流濾波器投切策略的變化

直流換流器在換相過程中會消耗大量的無功功率，且輸送的有功功率越高，所需要的無功功率越多。交流濾波器能夠提供無功功率，要根據(jù)直流系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的無功功率，按照相關(guān)控制要求對換流站內(nèi)的交流濾波器進(jìn)行投切。

啟用動態(tài)電壓控制策略后，當(dāng)直流系統(tǒng)輸送相同的有功功率時，直流電壓可能低于額定值，直流電流會增加，換流產(chǎn)生的諧波水平也與全壓運(yùn)行時不同，需要消耗更多的無功功率，投入更多的交流濾波器，造成交流濾波器投切策略的變化。由于特高壓直流大功率饋入、交直流混聯(lián)受電比重增大及逆變站近電氣距離多落點(diǎn)等因素，受端電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題變得更復(fù)雜［4］。

3.2 降低直流系統(tǒng)輸送功率上限

該直流輸電系統(tǒng)輸送功率的限額與送端電源的開機(jī)方式有關(guān)。通常情況下，電力調(diào)度機(jī)構(gòu)決定發(fā)電機(jī)組的開機(jī)方式。動態(tài)電壓控制策略給直流系統(tǒng)的運(yùn)行方式引入了新的變量。受整流站交流暫態(tài)過電壓的限制，根據(jù)調(diào)度運(yùn)行規(guī)定，在相同的送端網(wǎng)架和開機(jī)方式下，啟用動態(tài)電壓控制策略時，該直流系統(tǒng)的最大輸送功率比動態(tài)電壓控制策略退出時低，主要原因為：

1）直流最小限制運(yùn)行電壓與初始解鎖狀態(tài)下的交流電壓相關(guān)，交流電壓越高，解鎖時的分接開關(guān)檔位越低。若直流解鎖后直流功率上升，且交流電壓受其他因素影響下降，為保證分接開關(guān)檔位不變，直流系統(tǒng)輸送功率上限會受到限制。

2）啟用動態(tài)電壓控制策略時，相同功率下，直流電壓始終低于采用原策略時的電壓，直流電流則大于采用原策略時的電流，若輸送功率過大，會有過電流的風(fēng)險。

3.3 低端換流變壓器分接開關(guān)過極性

直流輸電系統(tǒng)要求有載調(diào)壓分接開關(guān)有較大的調(diào)壓范圍，線性調(diào)壓不能滿足運(yùn)行要求。此時通過極性選擇開關(guān)，換流變壓器分接開關(guān)繞組與主繞組有正向和反向兩種接法，從而在不增加繞組觸頭的情況下擴(kuò)大分接范圍。極性選擇開關(guān)切換動作時會引起觸頭間火花放電，產(chǎn)生少量的乙炔氣體，影響設(shè)備的可靠性［5］。

該直流輸電系統(tǒng)采用動態(tài)電壓控制策略的總體原則是確保在直流解鎖后，功率升降時分接開關(guān)不會動作。分接開關(guān)的初始檔位是基于直流解鎖后分接開關(guān)不動作的原則確定的，因此，初始檔位與解鎖前的交流電壓有關(guān)。以雙極四閥組為例，根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，逆變站低端換流變壓器分接開關(guān)的初始檔位通常為10 檔，高端換流變壓器分接開關(guān)的初始檔位通常為19 檔，所以在功率升降過程中低端換流變壓器分接開關(guān)檔位會反復(fù)突破極性檔位16 檔。

啟用動態(tài)電壓控制策略時，該直流輸電系統(tǒng)最大運(yùn)行功率限值為6200 MW，若突破限值，需要運(yùn)行人員手動退出動態(tài)電壓控制策略壓板。停用動態(tài)電壓控制策略后，直流電壓死區(qū)會恢復(fù)到正常范圍，分接開關(guān)檔位控制邏輯發(fā)生變化，逆變站低端換流變壓器分接開關(guān)檔位將升至17 檔或更高檔位。在直流功率降低后，分接開關(guān)檔位又會回調(diào)至16 檔或更低檔位。逆變站低端換流變壓器的極性檔位是16檔，這種反復(fù)的過極性問題給直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一定的挑戰(zhàn)。

4 動態(tài)電壓控制策略改進(jìn)措施

4.1 利用小功率運(yùn)行時分接開關(guān)的調(diào)節(jié)能力減少無功功率損耗

若系統(tǒng)無功功率無法平衡，系統(tǒng)電壓持續(xù)降低，會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓崩潰［6］。建議在直流解鎖及小功率運(yùn)行時不啟用動態(tài)電壓控制策略；當(dāng)逆變站低端換流變壓器分接開關(guān)調(diào)整至16 檔時，自動啟用動態(tài)電壓控制策略，改變直流電壓死區(qū)；直流功率進(jìn)一步增大時，改變實(shí)際運(yùn)行的直流電壓以維持分接開關(guān)檔位不變，由于并未越過分接開關(guān)的極性檔位，不會產(chǎn)生乙炔。采用這種方式可以縮小直流系統(tǒng)降壓的幅度，相同有功功率下，直流運(yùn)行電壓的提高減小了直流系統(tǒng)消耗的無功功率，此時在動態(tài)電壓控制策略動作過程中，交流濾波器投切可依舊采用原策略，減少1～2 組濾波器的投入，有利于降低直流故障擾動時交流過電壓的水平。

4.2 利用分接開關(guān)小檔位調(diào)節(jié)能力提高直流系統(tǒng)功率輸送上限

充分利用逆變站換流變壓器分接開關(guān)在極性檔位以下時的調(diào)節(jié)能力，以實(shí)現(xiàn)更有效的電壓控制，當(dāng)逆變站低端換流變壓器分接開關(guān)調(diào)整至16 檔時，自動啟用動態(tài)電壓控制策略。

直流解鎖時低端換流變壓器分接開關(guān)檔位維持10 檔不變。若直流解鎖后直流功率上升，且交流系統(tǒng)電壓受其他因素影響下降，無需維持換流變壓器分接開關(guān)檔位，可以通過升高分接開關(guān)檔位的方式調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)電壓，通過提高直流系統(tǒng)電壓下限的方式間接降低相同功率運(yùn)行情況下直流電流的數(shù)值，減少過電流風(fēng)險，提高直流系統(tǒng)輸送功率的上限。

4.3 充分利用熄弧角調(diào)節(jié)直流電壓

在低端換流變壓器分接開關(guān)升至極性檔位（16檔）時，動態(tài)電壓控制策略自動激活，可以維持16 檔不變，最大程度降低換流變壓器分接開關(guān)過極性的次數(shù)。也可通過熄弧角和分接開關(guān)的綜合調(diào)節(jié)，保證直流解鎖時及在0.1～1.0 p.u.功率范圍內(nèi)運(yùn)行時，低端換流變壓器分接開關(guān)均運(yùn)行在極性檔位以上，以解決分接開關(guān)過極性問題。

5 結(jié)語

動態(tài)電壓控制策略通過增大直流電壓死區(qū)，可有效降低換流變壓器分接開關(guān)動作的次數(shù)，提高直流系統(tǒng)換流變壓器的穩(wěn)定性，具有較好的工程應(yīng)用價值。動態(tài)電壓控制策略還存在一些問題，仍需要在提高直流系統(tǒng)輸送功率限額、防止換流變壓器分接開關(guān)過極性等問題上進(jìn)行深入研究。