賈軒濤 熊 飛 張玉鐸

某特高壓直流輸電工程直流電壓異常分析及解決措施

賈軒濤1熊 飛2張玉鐸1

（1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司超高壓分公司，杭州 311121； 2. 許繼電氣直流輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000）

某特高壓直流輸電工程系統(tǒng)試驗(yàn)期間整流側(cè)直流分壓器數(shù)據(jù)異常，特別是功率反送時(shí)尤為明顯，與電氣原理不符。根據(jù)系統(tǒng)試驗(yàn)期間不同功率等級、功率正反送工況下對應(yīng)的交流電壓、直流電壓、電流、分接開關(guān)檔位及觸發(fā)角（熄弧角）等信息，從理論計(jì)算角度分析問題產(chǎn)生的可能原因，并進(jìn)行相應(yīng)的模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。最后，本文利用逆變側(cè)直流分壓器進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償，使直流系統(tǒng)實(shí)際電壓值與成套設(shè)計(jì)吻合，從而保證了此特高壓直流工程安全穩(wěn)定運(yùn)行。

特高壓直流（UHVDC）；直流分壓器；逆變側(cè)；校準(zhǔn)

0 引言

直流分壓器實(shí)時(shí)測量直流系統(tǒng)線路電壓，是直流輸電系統(tǒng)必不可少的設(shè)備之一[1-5]，測量結(jié)果直接作用于直流控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制和保護(hù)系統(tǒng)[6-12]，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響直流控制保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，進(jìn)而影響大電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。

實(shí)踐表明，直流分壓器測量異常影響直流系統(tǒng)正常運(yùn)行的事件并不罕見[13]。針對此類問題，文獻(xiàn)[14]分析研究特高壓換流站直流分壓器的結(jié)構(gòu)，闡述了直流分壓器的測量原理，以及如何與控制保護(hù)系統(tǒng)配合。文獻(xiàn)[15]介紹了一種典型直流輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制方法，詳細(xì)分析了高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)對電壓測量故障響應(yīng)的影響因素。文獻(xiàn)[16]分別詳細(xì)研究了陰雨、霧霾天氣下特高壓換流站遭受雷擊時(shí)，直流分壓器異常導(dǎo)致過電壓保護(hù)器件動(dòng)作的情況。文獻(xiàn)[17]分析了直流分壓器工作原理及其內(nèi)部電阻發(fā)熱、外部電場畸變等問題，提出直流分壓器設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[18]針對某直流電壓異常波動(dòng)問題進(jìn)行分析，給出事故原因?yàn)橹绷鞣謮浩鞴怆娹D(zhuǎn)換模塊工作不穩(wěn)定，進(jìn)而影響直流系統(tǒng)的調(diào)制功能。

本文詳細(xì)描述某直流工程直流電壓異常狀況，分析其產(chǎn)生原因并給出利用逆變側(cè)直流分壓器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕鉀Q措施。

1 電壓異常現(xiàn)象描述

在某特高壓直流輸電工程系統(tǒng)調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)直流電壓異常，主要表現(xiàn)為整流側(cè)電壓偏高。以極2為例，功率正送時(shí)兩站極2穩(wěn)態(tài)電壓如圖1所示，功率正送解鎖后，整流站S1測量直流電壓平均值為-807kV，峰值為-809kV；逆變站S2直流電壓平均值為-798kV，S2電壓處于正常范圍。在雙極四閥組最小功率輸送方式下，其余同電壓等級直流工程S1電壓平均值為800kV，S2為797kV。對比可知，本工程S1電壓偏高，兩站電壓差過大。

圖1 功率正送時(shí)兩站極2穩(wěn)態(tài)電壓

在功率反送工況下，直流電壓異常更為明顯。仍以極2為例，功率反送時(shí)兩站極2穩(wěn)態(tài)電壓如圖2所示，反送時(shí)S2作為整流站，S1作為逆變站，由于換流閥的單向?qū)ㄌ匦?，電流只能從S2流向S1，即S2電壓始終要高于S1。解鎖后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)S1站極2電壓平均值為798kV，S2站極2電壓平均值為793kV。S2直流電壓低于S1電壓，與實(shí)際工況相違背，說明S2電壓測量存在異常。此異常導(dǎo)致雙極四閥組最小功率運(yùn)行方式下，系統(tǒng)實(shí)際輸送的功率為807MW，高出最小功率7MW，與調(diào)度計(jì)劃不一致，對電網(wǎng)安全運(yùn)行造成不利影響。最小功率是指在額定直流電壓前提下，直流電流為0.1p.u.時(shí)對應(yīng)的功率，本工程為2×800kV×500A=800MW。

圖2 功率反送時(shí)兩站極2穩(wěn)態(tài)電壓

需要特別說明的是，若直流功率高于810MW，即使電壓測量存在異常，仍能通過調(diào)整直流電流值使實(shí)際功率與計(jì)劃功率保持一致。

綜上所述，某特高壓直流輸電工程存在直流電壓異常偏高現(xiàn)象，本文針對此異常現(xiàn)象展開分析，并提出一種工程實(shí)用解決方案。

2 原因分析

2.1 直流電壓測量原理

特高壓直流輸電工程整流站、逆變站均配置了直流分壓器[19]，直流分壓器按極配置，每極配置dL、dN兩個(gè)測點(diǎn)，用于采集極母線和中性母線直流電壓。直流電壓測點(diǎn)配置示意圖如圖3所示。

圖3 直流電壓測點(diǎn)配置示意圖

直流分壓器采用阻容式分壓設(shè)計(jì)，以dL為例，直流分壓器測量原理如圖4所示。

直流分壓器采用2級分壓設(shè)計(jì)方案，通過高、低壓臂分壓電阻1、2和均壓電容1、2進(jìn)行一次分壓，一次分壓得到的電壓信號(hào)傳輸至二次分壓板，每個(gè)二次分壓板進(jìn)行二次分壓輸出5V電壓信號(hào)。在高頻段下電容分壓器主導(dǎo)分壓比，在低頻段下由電阻分壓器主導(dǎo)。當(dāng)滿足11=22時(shí)，分壓比不受頻率影響。

圖4 直流分壓器測量原理

2.2 逆變站電壓計(jì)算方法

為了保持直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)平衡運(yùn)行，S1和S2常采取不同控制策略，一般由S1進(jìn)行定電流控制，S2進(jìn)行定電壓控制。需要指出的是，S2控制電壓為控制S1直流電壓到額定值，即±800kV。

雖然兩站間能夠通信，但逆變站并不直接采用整流站直流分壓器測量值，而是根據(jù)本站的測量值加上線路壓降作為被控對象，具體計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示。

式中：drec為S1直流電壓；dinv為S2直流電壓；d為直流線路等效電阻；d為直流電流；dinvl為S2極線電壓；dinvn為S2中性線電壓。

線路壓降等于線路電流與線路電阻的乘積，而在直流最小功率下電流被控制在給定值，由于直流輸電線路距離長，其線路電阻為變化量，因此線路電阻的大小成為計(jì)算線路壓降的關(guān)鍵。本工程線路及接地極電阻見表1。

表1 線路及接地極電阻 單位: W

S1直流電壓計(jì)算邏輯如圖5所示，S1直流電壓減去S2直流電壓測量值，除以直流電流得到線路電阻，經(jīng)過最大最小阻值限幅后的值作為線路電阻計(jì)算值，此阻值乘以直流電流得到直流線路的壓降（金屬回線時(shí)壓降值乘以2），再加上接地極的壓降和S2直流電壓測量值，作為整流側(cè)直流電壓測量值。

圖5 S1直流電壓計(jì)算邏輯

本工程設(shè)計(jì)額定電流5 000A，額定電壓800kV，即此工況下對應(yīng)電阻為160W，以此為1p.u.，將線路電阻最大最小值轉(zhuǎn)化為標(biāo)幺值，即圖5中0.032 75和0.020 75。相較于極線直流線路，接地極線路長度較短，受溫度、濕度等影響較小，計(jì)算中性線壓降時(shí)取額定值作為接地極電阻，即0.55W+1.9W= 2.45W，其標(biāo)幺值為0.015 312 5。

2.3 理論分析

如果直流分壓器測量正確，直流電壓異常由控制系統(tǒng)引起，則反送時(shí)S1電壓不會(huì)低于S2電壓，因此排除控制系統(tǒng)故障。存在以下兩種異常可能：①在S1電壓測量結(jié)果偏高、S2電壓測量結(jié)果正確的情況下，以S1電壓測量值為基礎(chǔ)加上線路壓降，雖然S2電壓測量值偏高，但線路壓降有上限，此時(shí)S2控制器所得到的S1電壓仍處于正常范圍；②假設(shè)S2測量值偏低，此時(shí)控制系統(tǒng)以此低壓值為基準(zhǔn)，加上電壓差，計(jì)算出的S1電壓偏低，則S1會(huì)調(diào)整觸發(fā)角升高電壓，S1電壓將偏高。根據(jù)上述分析，S2電壓測量偏低或者S1電壓測量偏高都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓偏高。

依據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)參數(shù)校核，即根據(jù)穩(wěn)態(tài)下的觸發(fā)角度、分接頭檔位、交流電壓、直流電壓、直流電流來推斷分壓器異常測點(diǎn)及測量偏差范圍。

式中：di0為換流變閥側(cè)電壓；ac為交流電網(wǎng)線電壓有效值；為當(dāng)前檔位與額定檔位（26檔）差值；D為換流變檔位步長；line為換流變網(wǎng)側(cè)相電壓額定值；valve為換流變閥側(cè)相電壓額定值。

式中：為閥組個(gè)數(shù)，特高壓直流工程為2；為觸發(fā)角；為熄弧角；d為等效換相電抗；d為等效換相電阻；dN為直流額定電流；d為直流電流實(shí)際值；di0N為理想空載電壓，整流側(cè)為236.2kV，逆變側(cè)為227.0kV。整流側(cè)計(jì)算直流電壓采用式（4），逆變側(cè)計(jì)算直流電壓采用式（5）。

系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，式（3）、式（4）或式（5）中ac、line、valve、d、d及換流變檔位等參數(shù)為定值，非定值參數(shù)為觸發(fā)角（熄弧角），因此參數(shù)校核過程主要校對觸發(fā)角和直流電壓是否對應(yīng)。

需要特別說明的是，在工程調(diào)試過程中，控制系統(tǒng)下發(fā)觸發(fā)角指令，換流閥側(cè)通過高精度故障錄波手動(dòng)測量觸發(fā)角，若二者有偏差則通過調(diào)整閥組控制系統(tǒng)中相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到測量值和指令值一致，但由于外置故障錄波器固有精度問題（采樣周期50ms），所以觸發(fā)角會(huì)有0.9°左右的誤差。整流站、逆變站換流變參數(shù)分別見表2、表3。

表2 整流站換流變參數(shù)

表3 逆變站換流變參數(shù)

2.4 整流站參數(shù)校核

調(diào)取此工程之前0.1p.u.工況下系統(tǒng)調(diào)試錄波，將直流電流、兩站直流電壓與理想空載電壓、直流輸送功率、觸發(fā)角等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到整流側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)見表4，其中下標(biāo)R表示整流側(cè)參數(shù)，下標(biāo)I表示逆變側(cè)參數(shù)。

將表4數(shù)據(jù)代入式（3）、式（4），經(jīng)推算得到：

表4 整流側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)

1）假定S1直流電壓測量正確，則可計(jì)算出對應(yīng)的觸發(fā)角為23.6°，與控制中觸發(fā)角指令值22.7°相差不到1°，穩(wěn)態(tài)參數(shù)基本吻合。

2）假定S2直流電壓測量正確，則S1的直流電壓=S2直流電壓+線路壓降（2kV）=801kV，將801kV代入式（4）反推，此電壓對應(yīng)的觸發(fā)角為24.6°，這一值與實(shí)際錄波值22.7°已有1.9°差值，此情況可能性較小。

3）若實(shí)際觸發(fā)角為22.7°，由此計(jì)算得到的直流電壓為813kV，比測量值大，即測量值偏低，在此條件下前文S1電壓測量值偏高的假設(shè)不滿足。

綜合上述1）、2）、3），推出應(yīng)為S2測量值偏低，且偏低約6kV。

2.5 逆變站參數(shù)校核

調(diào)取系統(tǒng)調(diào)試期間逆變側(cè)0.1p.u.工況下的錄波，獲得逆變側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)見表5。

表5 逆變側(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)

將錄波中主要狀態(tài)量代入式（3）和式（5）推算得到：

1）假定S2直流電壓測量值準(zhǔn)確，計(jì)算得到的熄弧角為20.7°，與指令值18.7°相差2°，此種可能性不大。

2）假定S1直流電壓測量值準(zhǔn)確，則整流站測量值減去線路壓降后得到逆變站的直流電壓為805kV，由此計(jì)算得到的熄弧角為19.7°，與錄波值18.7°相差1°，在誤差允許范圍內(nèi)。

綜合上述1）、2），S2測量值存在偏差的可能性更大，且偏低約6kV。

依據(jù)上述過程分別在0.2p.u.和1.0p.u.工況下對S1、S2參數(shù)進(jìn)行校核，分析結(jié)果基本一致。綜合校核結(jié)果，確認(rèn)逆變站直流分壓器測量值偏低，且偏低約6kV。

3 檢查及校準(zhǔn)

此工程直流系統(tǒng)停運(yùn)期間，利用標(biāo)準(zhǔn)源對兩站直流分壓器進(jìn)行檢查。S1站800kV分壓器、中性線50kV分壓器誤差在0.05%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。S2站校準(zhǔn)前800kV分壓器檢測結(jié)果見表6。檢測結(jié)果表明，S2極1、極2母線800kV分壓器測量值與標(biāo)準(zhǔn)值有0.7%左右的負(fù)偏差，S2低于正常值約800kV×0.007=5.6kV，此結(jié)果與之前理論分析結(jié)果基本一致。此外，極1、極2閥組400kV分壓器，極1、極2中性線50kV分壓器與800kV分壓器類似，也有0.7%～1%的負(fù)偏差。

根據(jù)檢測結(jié)果，現(xiàn)場對全站直流分壓器進(jìn)行0.7%的正補(bǔ)償，補(bǔ)償之后再次對800kV分壓器進(jìn)行檢測，結(jié)果見表7，測量比差在-0.06%內(nèi)，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。極1、極2閥組400kV分壓器，極1、極2中性線50kV分壓器檢測結(jié)果與800kV分壓器類似。

系統(tǒng)解鎖功率正送時(shí)校準(zhǔn)后兩站極2直流電壓及功率如圖6所示，S2直流電壓為-797kV左右，S1直流電壓為-800kV左右，均與成套設(shè)計(jì)一致，滿足現(xiàn)場運(yùn)行需求。

表7 S2站校準(zhǔn)后800kV分壓器檢測結(jié)果

圖6 校準(zhǔn)后兩站極2直流電壓及功率

4 結(jié)論

在精度校準(zhǔn)后，現(xiàn)場直流電壓恢復(fù)正常，與理論分析相符，且系統(tǒng)功率與直流電流均和設(shè)計(jì)值一致，滿足成套設(shè)計(jì)要求。通過本次直流電壓異常分析處理，可以得出以下結(jié)論：

1）分系統(tǒng)調(diào)試做到數(shù)據(jù)記錄詳實(shí)，結(jié)論明確，減少投運(yùn)后的工作量，降低因調(diào)試期間精度校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)記錄不實(shí)而影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

2）通過單變量穩(wěn)態(tài)校核能夠快速準(zhǔn)確定位直流輸電系統(tǒng)電壓、電流、角度異常位置及原因。

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Analysis of abnormal direct current voltage in an ultra high voltage direct current transmission project

JIA Xuantao1XIONG Fei2ZHANG Yuduo1

(1. EHV Branch Company of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd, Hangzhou 311121; 2. XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

During the test of an ultra high voltage direct current (UHVDC) transmission project, the data of the voltage divider on the rectifier side is abnormal, especially when the direction of power transmission is reversed. According to the information of AC voltage, DC voltage, DC current, tap switch gear and trigger angle (arc extinguishing Angle) under different power levels with power forward and reverse transmission conditions during the system test, the possible causes of the problem are analyzed from the perspective of theoretical calculation, and the simulation test results are basically consistent with the theoretical calculation. Finally, the inverter side DC voltage divider is utilized to compensate calibration in this paper. The actual voltage value of the DC system is moderate with the complete design, thus the safe and stable operation of the UHVDC project is ensured.

ultra high voltage direct current (UHVDC); DC voltage divider; inverter station; calibration

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（5100-202256001A-1-1-ZN）

2023-08-09

2023-08-30

賈軒濤（1982—），男，高級工程師，主要從事直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)研究及應(yīng)用管理工作。