分层接入特高压直流系统换相失败预测控制策略研究

焦 浩，高 炜，宋慧慧

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250118）

0 引言

上海庙—临沂±800 kV特高压直流输电工程起于内蒙古鄂尔多斯上海庙换流站，止于山东省临沂市沂南换流站，采用分层接入方式。其中，±800 kV沂南换流站 （简称沂南站）由500 kV智圣变电站和±800 kV沂南换流站合建而成，双极四阀组额定输送容量 10 000 MW，额定电压±800 kV，额定电流6 250 A。上海庙—临沂±800 kV特高压直流输电作为国内第一批特高压±800 kV／6 250 A／10 000 MW受端分层接入直流输电工程，其特高压直流受端分层接入不同电压等级交流电网，可有效提高受端交流系统的电压支撑能力、改善电网潮流分布，对保障电网的安全稳定运行具有重要意义。

上海庙—临沂±800 kV特高压直流输电工程受端与常规特高压直流工程不同，采用分层接入方式，每极高低端阀组分别接入500 kV与1 000 kV交流电网。受端两个交流电网通过交流联络变压器相连，存在耦合度。根据华北地区多馈入直流输电系统换相失败仿真分析可知，宁东—青岛、上海庙—临沂、扎鲁特—青州直流逆变站换流母线附近发生故障，均引起胶东换流站、沂南换流站、广固换流站母线电压同时下降，从而导致3回直流同时发生换相失败，电压跌落严重，引起连续换相失败，影响整个直流系统正常运行。

在分层接入方式下，沂南站同一极高端阀组接入500 kV交流电网，低端阀组接入1 000 kV交流电网，主回路结构与常规特高压换流站差异明显。沂南站具体分层接入交流电网系统结构如图1所示。

直流控制系统作为换流站最核心的设备，相比常规换流站更为复杂。针对已投运直流工程换相失败导致直流系统闭锁案例，结合整个山东电网现状，有必要对换相失败预测控制功能做相应的修改与分析。

1 常规特高压直流换相失败预测控制策略

换相失败预测控制（CFPRED）［1］用于防止由交流故障引起的换相失败。常规特高压直流该功能包括2个并行的部分：一部分是基于零序检测法检测不对称故障；另一部分是基于交流电压αβ转换检测三相故障。

1.1 换相失败预测控制判据

1.1.1 零序电压判据

零序电压判据主要针对交流系统发生不对称故障的工况。当逆变侧交流系统发生不对称故障（单相接地、两相接地、两相短路）时，交流母线电压出现零序分量，即三相相电压总和不为零。若零序分量大于设定值，则启动换相失败预测控制功能。

动作条件为：

式中：U0为零序电压分量，pu；Ua，Ub，Uc为交流母线三相相电压，pu。

1.1.2 αβ变换电压判据

αβ变化电压判据主要是针对逆变侧交流系统的扰动工况。交流电压通过abc—αβ变换得到α轴和β轴上对应的2个分量，三相对称分量经变换后在α－β平面得到一个以角速度旋转的矢量。

当逆变侧交流系统发生三相接地故障时，若αβ变换输出值小于稳态工况下αβ变换输出值，且变化量ΔUαβ超过设定值时则启动换相失败预测控制功能。

动作条件为

1.2 保护动作顺序

图2 阀组保护性闭锁或线路保护移相重启

常规特高压直流系统针对换相失败的控制策略是通过测量逆变侧换流变支路上的交流相电压，计算其零序分量和αβ变换后的变化量，如果计算值超过门槛值，极控系统将增大熄弧角。同时还配有检测对阀执行换流器X/Y闭锁时增大本阀组GAMMA角功能。

2 沂南换流站换相失败预测控制策略

沂南站为分层接入系统［2］，其主回路特征是：受端高端和低端阀组分别接入500 kV和1 000 kV两个交流电网。

图3 本阀及对阀换相失败预测模块

当受端分层接入的两个交流电网耦合紧密时，一个电网交流故障对另一个交流电网的影响很强，采用常规直流工程的零序电压法［3］和αβ变换法换相失败预测控制功能，两个交流电网所连接的两个阀组能够同步检测到交流故障，能够同时启动换相失败预测控制，同时增大熄弧角γ以防止换相失败。

当受端分层接入的两个交流电网耦合性低或无耦合时，一个电网交流故障对另一个交流电网的影响不大，采用常规直流工程的换相失败预测控制功能，发生交流故障电网所连接的阀组能够及时启动换相失败预测控制，而另一个交流电网所连接的阀组并不能够同时启动换相失败预测控制。启动换相失败预测控制的阀组所接交流电网故障，造成阀组电压的跌落，引起直流电流的快速增大；而高低压阀组是串联在一起的，直流电流的快速增大造成另一阀组的换相时间变长，叠弧角增大，熄弧角快速减小，在该阀组未能及时启动换相失败预测控制的情况下，增大了该阀组换相失败的概率。

针对分层接入时两个交流电网相互影响会导致换相失败概率提高，在沂南站基于常规换流站换相失败预测控制策略进行改进。

2.1 极间交换运行状态避免换相失败

通过极间通信传递对极运行状态，阀组保护性闭锁或者由于线路故障导致线路保护动作移相重启时，向对极发送增大GAMMA信号，避免一极由于故障发生闭锁或者移相重启时，导致另一极电压波动而引起闭锁。如图2所示，该逻辑主要用来检测对极运行状态，对极故障引起阀组保护性闭锁或由于线路故障引起线路移相重启时，本极要增大GAMMA角预防换相失败。

2.2 同时配置两个换相失败预测控制模块策略

如图3所示，受端两交流电网的电压信号同时接入高、低压阀组，受端高、低压阀组控制主机分别配置两个换相失败预测控制模块，同时检测两个交流电网的故障，当任一模块换相失败预测控制启动时，则立即增大熄弧角，以防止换相失败情况的发生，增大的角度取两个预测模块计算值中较大值。

2.3 采用直流电流上升率为判据的策略

鉴于单个阀组发生换相失败会存在因为直流电流的冲击而造成另一个阀组跟着换相失败的可能，在特高压分层接入工程中增加以直流电流上升率为判据的换相失败预测功能，判据启动后立即增大熄弧角，提供阀更大的换相裕度［4］，以防止换相失败情况的发生；在某些工况下可以提升受端抵御换相失败的能力。

如图4所示，采用直流电流上升率为判据的略，其判据应满足式（7），且保持2 ms。

图4 增大GAMMA指令

式中：IDNC为直流电流实测值，pu；Iord为直流电流指令值，pu。

换相失败预测控制策略如图5所示，策略主要包括：换相失败预测控制（配置对本阀换相失败预测和对对阀换相失败预测）输出GAMMA增量［5］；电流上升率换相失败预测［6］、对阀执行换流器X/Y闭锁、对极有阀组保护性闭锁或线路保护移相重启，任一条件满足时，增大GAMMA角5°。输出上述两种策略中较大GAMMA角增量，如图6所示。

图5 换相失败预测控制策略

其中，对对阀进行换相失败预测、电流上升率换相失败预测是区别于常规特高压，针对分层接入系统增加的换相失败预测控制策略，如图5中红色框部分所示。

图6 GAMMA角增量选择

3 结语

以特高压直流输电换相失败机理为理论基础，并结合华北电网多馈入直流系统现状［7］，考虑各种故障下交直流间及各条直流间的相互影响，以昭沂直流工程沂南站为例，结合常规特高压直流换相失败控制策略，分析总结特高压直流系统分层接入后的换相失败预测控制策略。基于RTDS仿真模拟临沂站交流母线电压发生单相和三相永久接地故障，验证所提控制策略能有效抑制换相失败的发生。