UHVDC高端换流变取消分接头对运行工况影响的仿真研究

颜 均，钱珞江，兰泳文，蒋维勇

（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；2.国网北京经济技术研究院，北京 102209）

UHVDC高端换流变取消分接头对运行工况影响的仿真研究

颜 均1，钱珞江1，兰泳文1，蒋维勇2

（1.武汉大学电气工程学院，湖北武汉 430072；2.国网北京经济技术研究院，北京 102209）

为研究高端换流变取消分接头对直流系统运行工况的影响，根据实际输电工程的换流器控制系统包括阀组触发角控制和换流变分接头控制建立仿真模型，通过对系统的全电压运行与降压运行的仿真，对各个工况下高端换流变取消分接头引起的高低端换流器运行和控制的不对称性进行分析评估，这对研究换流变取消分接头的可行性及其主回路参数的设计有重要的现实意义。

特高压直流；换流变；分接头；阀组触发角；运行工况

0　引 言

取消换流变压器分接开关或减少档位数不仅可以减小换流变尺寸，解决换流变的运输问题，大大降低工程造价［12］，还可以简化换流站控制，避免因分接头频繁动作引起的设备损坏和系统停运，从而提高设备和系统的可靠性；但为了使换流站处于最佳运行状态，又不能取消所有换流变的分接头调节功能［3］。在综合考虑上述因素的基础上，针对特高压直流（ultra high voltage direct current，UHVDC）换流站的结构特点，本文提出一种取消高端换流变分接开关、由低端换流变维持整个换流器档位调节作用的设计方案。

高端换流变分接开关取消后，最主要的问题是高、低端换流器运行状态的不平衡，因此为了准确掌握着这种不平衡问题对设计方案工程可行性的影响程度，文章首先根据实际UHVDC系统运行与控制的机理建立实时数字仿真（real time digital simulation，RTDS）模型；其次，基于RTDS模型分别对直流系统全电压运行方式与降压运行方式进行仿真；最后，从整流/逆变控制与直流系统运行工况动态关联性的角度，对仿真结果进行了全面分析，归纳出高、低端换流器电压、控制角等工况变量的不平衡状态及其变化规律。

1　UHVDC串联换流器的控制

图1　UHVDC同极串联换流器的控制原理图

根据对象的不同，换流器控制系统包括有阀组触发角控制和换流变分接头控制，两者分述如下。

1.1阀组触发角控制

在UHVDC控制系统中，阀组触发角控制因其快速且无级调节的固有特性（动作响应时间一般在1～10ms范围内），故而是换流器运行的主控部件。阀组触发角控制的依据是直流系统UdId特性［7］，即通过调节整流器和逆变器的触发角α来控制直流电压Ud和直流电流Id，如图2所示。

图2　UHVDC换流器触发控制的伏安特性

按国际大电网会议（Cigre）第I类标准［8］，整流器采用定电流控制，控制方式为电流偏差式带限幅的比例-积分PI调节，如图3所示。

图中电流指令IdO由功率指令Pset与实测直流电压Ud动态计算得出，计算公式为

图3　UHVDC整流器电流调节功能框图

UHVDC系统的直流电压是通过逆变器的触发角确定的，即所谓的定电压或定熄弧角γ控制。较整流侧稍复杂，逆变器控制由多个调节器级联而成，包括越前触发角计算、电压PI调节、电流PI调节等控制环节，如图4所示。

图4　UHVDC逆变器电压控制功能框图

图中电压指令UdO为逆变侧同一极的换流器均分极线直流电压Ud所得。

1.2 换流变分接头控制

换流变分接头控制是直流输电系统中用于自动调整换流变有载调压分接头位置的一个环节。由于换流变的分接开关是机械式的，转换一档通常需要3～5s的时间，对控制的响应很慢。所以，它一般是作为换流器控制系统的辅助控制手段［9］。

换流变分接头控制的功能是配合阀组触发角控制，调节分接头位置以保持被控量在一定范围［10］，当检测到被控量大于其范围的上限值时，发出降分接头的命令，使换流变变比增大，再通过阀组触发角调节使被控量减少。与之相反的是，当检测到被控量小于其范围的下限时，发出升分接头的命令，使换流变变比降低，则再通过阀组触发角控制的作用增大被控量。但是为避免分接头频繁动作，被控量瞬时超过其限定范围时，分接头不应动作，只有当被控量连续超过限定范围并维持一定的时间后，分接头才会动作。

根据被控量的不同，换流变分接头控制分为：调电压模式和调角度模式，其被控变量的调节范围如表1所示。换流变分接头控制要根据系统的运行工况选择不同的直流电压参考值Udref：全电压运行时，其值均为100%；降压运行时，其值与相应的降压整定值有关，如80%降压运行时，其值均取80%。

表1　换流变压器分接头控制系统的参数及范围

整流器和逆变器的换流变分接头控制与阀组触发角控制的配合分别如表2和表3所示。

基于上述的系统结构和控制原理，建立如下仿真模型：

①一次系统仿真模型：高端换流变取消分接头。

②控制系统仿真模型：高端换流器控制仅采用阀组触发角控制；低端换流器除了采用同高端相同的阀组触发角控制外，还拥有与之匹配的换流变分接头调节。

表2　整流侧换流变分接头控制与阀组触发角控制的配合

表3　逆变侧换流变分接头控制与阀组触发角控制的配合

UHVDC系统应能实现全电压和降压运行控制模式［11］。所以为了研究高端换流变取消分接头对系统运行工况的影响，对所建的仿真模型的全电压及降压运行进行试验分析。

2　全电压运行工况的仿真分析

全电压运行工况是指UHVDC系统运行在额定直流电压的情形，此时整流器处于定电流控制，逆变器则采用定γ角控制。为研究在该控制方式下取消高端换流变分接头对直流输电系统的影响，对系统全电压运行工况进行仿真分析。

2.1网侧交流母线电压额定情形的分析

由于取消了高端换流变压器分接头，所以高端换流变压器的变比为一固定值，该值与换流变压器网侧交流电压额定值UacN有关，可由式（3）计算得到。高端换流变压器的固定变比nUH确定后，对网侧交流母线电压额定时的系统全电压运行工况进行仿真，其仿真结果见表4，表中电流、电压均为标幺值。

为方便说明，表中以TCCHL表示高低端换流变压均有分接头；TCCL表示高端换流变取消分接头。试验表明，在此固定变比下，在网侧交流母线电压额定时，高端换流变取消分接头的全电压运行工况与高端换流变有分接头的全电压运行工况得到很好的吻合，所有的系统控制参数均一致。

表4　系统网侧交流母线电压额定的全电压运行工况

2.2网侧交流母线电压波动对系统的影响

随着电力网负荷急剧增加，特别是冲击性、非线性负荷所占比重不断加大，使实际系统中交流电压不可能是理想的，而是在一定范围内有规律或随机地变化，即称为电压波动［12］。电压波动通常会引起许多电气设备无法正常工作，影响系统的连续运行，所以有必要考虑网侧交流母线的电压波动对系统运行的影响。对网侧交流母线电压波动最严重情形下的全电压运行进行仿真。

保持逆变侧交流电压额定，整流侧交流电压在其额定值与上限或下限之间波动时，系统运行与控制的暂态仿真波形如图5所示，图中电压电流均为标幺值。由图可见，在t=2s时，网侧交流母线电压在其额定值附近发生较大波动，此时阀组触发角控制需增加或减少触发角来保持直流电流不变，这样使得低端整流器触发角长时间高于或低于其运行范围，低端换流变分接头控制发出升或降分接头档位TCPrL的命令，以维持低端整流器触发角在其运行范围内，但又由于高端换流器没有分接头调节功能，所以分接头取消后的整流侧高端和低端的换流器变比不一致，从而造成整流侧高端和低端换流器承受的直流电压不等。

图5　整流侧交流电压波动的仿真波形

与整流侧不同的是，逆变侧虽然高端和低端换流器都采用相同的定γ角控制，但这不意味着二者的熄弧角相等。整流侧交流电压保持额定值，而逆变侧交流系统电压波动的暂态运行结果如图6所示。由图可知，当网侧交流母线电压工作在上限或下限时，此时逆变侧直流电压随之增加或减少，这样使得低端逆变器的直流电压长时间高于或低于其运行范围，低端换流变分接头控制发出升或降分接头的命令，以维持低端直流电压在其运行范围内。低端换流变分接头动作，导致高端换流变与低端换流变的变比存在差异，造成高端和低端逆变器的理想空载直流电压不等，从而影响高端和低端逆变器的直流电压和熄弧角的对称运行，即其值均不同。

图6　逆变侧交流电压波动的仿真波形

由于高端换流器取消分接头，高端逆变器就只能在定γ角控制控制方式下在一定的范围内增加或减少熄弧角来尽量保持直流电压不变，但由于受定γ角调节范围限制的影响，高端逆变器电压调节能力有限，当交流侧电网电压波动时，高端直流电压也随之发生的波动，所以即使低端逆变器能保持直流电压不变，极线电压也会随交流侧电网电压波动而波动。

3　降压运行工况的仿真分析

恶劣的气候条件或严重污染的情况下，直流架空线路如果仍在全电压下运行，则会发生较高的故障率。为了提高输电线路的可靠性和可用率，直流输电系统应具有降压运行的性能［13］。系统降压运行时，整流器依旧处于定电流控制，逆变器则转换为定电压控制。降压运行时低端换流器分接头动作，引起高端和低端换流变的变比不一致，进而导致高端和低端换流器的不对称运行。因此，需要对降压运行时高端和低端换流变的运行和控制特性进行分析和评估。

3.1网侧交流母线电压额定情形的分析

为不增加换流站的造价，降压方式应尽量争取较大的直流电流来保持较大的直流功率。对直流电压降低至额定直流电压80%，直流输电工程在额定电流下降压运行工况进行仿真，其稳态运行的仿真结果如表5所示。

表5　系统网侧交流母线电压额定的降压运行工况

与全电压运行时相同的是：降压运行工况下整流器亦处于定电流控制方式下，所以仍存在有高端和低端换流器触发角相等，但其所承受的直流电压值不等的现象。不同之处在于：降压运行时系统运行在较大的触发角下，因为降压运行时换流器触发控制需大幅度的增加触发角来保持直流电流不变，低端触发角长时间高于其运行范围，其换流变分接头控制系统将发出升分接头的命令，直至分接头档位调至其上限后，就只能让系统运行在较大的触发角控制下，以保持直流电流不变。

降压运行工况下逆变器处于定电压控制，由于高端和低端逆变器采用相同的定电压控制环节和等值的电压指令，所以高端和低端逆变器的直流电压相等。当系统接收到降压运行指令后，逆变器由定γ角控制转换为定电压控制，通过增加熄弧角来实现系统的降压运行，而低端逆变器的熄弧角长时间超出其运行范围，其分接头控制系统将发出升分接头的命令，以维持低端逆变器的熄弧角运行在指定范围内，但高端逆变器没有分接头调节功能，故高端逆变器只能在大熄弧角下运行，由此造成高端和低端逆变器的熄弧角不等。

3.2网侧交流母线电压波动对系统的影响

为探讨降压运行工况下，网侧交流母线电压波动对系统控制运行的影响，对系统网侧交流母线电压运行在极端情况下的降压运行工况进行仿真。

网侧交流母线电压波动时的暂态仿真波形如图7所示，由图可知在t=1.5s时，系统电压发生波动。由于逆变侧采用定电压控制可以通过调节γ角保持直流电压不变，所以网侧交流母线电压波动时，仍能保持系统的极线直流电压、电流的稳定。即取消高端换流变分接头后对直流系统的每一极的运行影响不大，但由于低端换流变分接头的动作，高端和低端换流器依旧存在有高低端的整流器直流电压、逆变器熄弧角不平衡的现象。

4　结 论

本文实现了利用RTDS建立高端换流变分接头取消的直流系统模型，并运用所建立的模型就直流全电压运行和降压运行的稳态运行，及其在网侧交流母线电压波动时的暂态过程进行了仿真分析，仿真结果表明：

①通过选取恰当的高端换流变的固定变比参数，即同高端换流变有分接头时的相应变比值的方法，可以保证高端换流变取消分接头后系统的额定运行不受影响。

②系统网侧交流电压波动或降压运行时，高端换流变取消分接头，低端换流变分接头动作，使得相互串联的高低端换流变变比存在差别，引起高低端换流器的不平衡。

③特高压直流系统高端换流变取消分接头后，同极串联高低端整流器的不平衡表现在直流电压的不对称。

④不同工况下逆变器的控制方式也存在区别，导致同极串联的高低端换流器的不平衡性也存在差异。全电压运行工况下逆变器的熄弧角和直流电压均不对称，而降压运行时仅熄弧角不对称。

图7　降压运行工况下网侧交流电压波动的仿真波形

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（责任编辑:杨秋霞）

Simulation Analysis on the Influence of the High-end Converter Transformer Without Tap-changer in the UHVDC on Its Operation Condition

UAN Jun1，QIAN Luojiang1，LAN Uongwen1，JIANG Weiyong2
（1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.State Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China）

To study the effect of high converter transformer with no tap-changer on operating conditions of DCsystem，a simulation model is established according to the converter control system of real transmission project that includes valve group firing angle control and converter transformer tap-changer control.By means of simulating the full voltage operation and decompression operation of the system，the asymmetry caused by the operation and control of high-end and low-end converter transformers is analyzed and evaluated，which has important realistic meaning for studying the feasibility of converter transformer without tap-changer and the parameters designing of its main circuit.

UHVDC；converter transformer；tap-changer；triggering angle；operation conditions

1007-2322（2015）02-0082-07

A

TM743

2014-05-28

颜 均（1990—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制，E-mail：970785661@qq.com；

钱珞江（1961—），男，副教授，硕士生导师，研究方向为电力系统运行与控制，电力系统过电压及绝缘配合，E-mail：ljqian@whu.edu.cn。

国家电网公司科技项目（GWJUUKJ［2012］277）