改善换流变分接头频繁动作的控制措施研究

（国网浙江省电力有限公司检修分公司，杭州 311232）

0 引言

近年来，换流变有载调压分接开关故障频发，分接头频繁动作造成机械零件磨损变形甚至脱落是引发故障的原因之一。为了降低直流系统运行风险，通过控制手段来减少分接头动作次数显得尤为重要。

换流变分接头控制在维持直流系统稳定运行方面起着至关重要的作用，通过调节换流变分接头档位，改变换流变变比，从而控制换流变阀侧电压，而换流变阀侧电压又正比于理想空载直流电压[1]。对于换流变分接头控制，国内外学者进行了大量的研究，他们的研究可大致分为3 个方面：一是分接头控制功能[2-6]；二是分接头控制对直流系统运行的影响[7-9]；三是直流系统测量异常对分接头控制的影响[10]。然而，对于减少分接开关动作次数的分接头控制的研究还较少。

本文基于现有的换流变分接头控制策略，通过分析分接头频繁动作的现象和原因，提出一种新的能大幅改善分接头频繁动作的控制措施。

1 换流变分接头控制

换流变分接头控制分手动模式和自动模式，自动模式控制功能包括空载控制、角度控制、电压控制以及自动重同步，Udi0限制对手动模式和自动模式均有效，如图1 所示。

图1 分接头控制逻辑

自动模式下，换流变分接头三相同步调节，手动模式可以对换流变分接头分相调节。直流系统正常运行时常采用自动模式，检修调试时采用手动模式。

自动模式下，当不处于空载控制且分接头同步时，分接头将执行角度控制或电压控制。角度控制或电压控制根据不同的情况来选择。

由于直流系统阀组触发控制作为一种快速控制手段，而换流变分接头控制作为一种慢速的辅助手段，两者相结合来实现直流控制目标。大多数直流工程中，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定熄弧角控制[11]，换流变分接头在整流侧执行角度控制，逆变侧执行电压控制。对于不同的阀组触发角控制方式，分接头与其配合的情况如表1 所示[7]。

表1 分接头控制与触发角控制的配合

当换流变分接头三相之间或者同阀组星接和角接换流变分接头档位不同步时，将执行自动重同步功能。

1.1 Udi0 限制

Udi0限制是为了防止阀受到电压过应力损坏，Udi0限制功能包含2 个定值Udi0G和Udi0L，这2 个定值高于额定的换流变阀侧空载电压Udi0_nom，不同的直流工程定值有所不同，送端和受端定值也不尽相同。

假定Udi0_nom＜Udi0G＜Udi0L，当实际空载电压Udi0满足Udi0G＜Udi0＜Udi0L时，将禁止升分接头，避免换流变阀侧电压升高。

当Udi0＞Udi0L时，系统将自动降分接头，降低换流变阀侧电压。

1.2 空载控制

空载控制主要用于换流变闭锁和OLT（开路试验）。在换流变失电时和换流变充电时控制分接头在预先设定的位置，比如17 档。

OLT 时，空载控制根据OLT 需要的直流电压控制分接头升降来实现Udi0在参考值附近。

1.3 角度控制

分接头角度控制作为直流解锁后触发角控制（整流侧）或者熄弧角控制（逆变侧）的补充手段，主要作用是维持触发角或熄弧角在设定的运行范围之内。图2 所示为逆变侧换流变分接头角度控制逻辑框图。

图2 分接头角度控制逻辑框图

直流系统逆变侧在RPC 模式时，参考值γref通常为17°，γ 为运行实际值，当γ 小于γref-2.5°时，发出分接头升档指令；当γ 大于γref+2.5°时，发出分接头降档指令，从而维持γ 在γref±2.5°范围内。

若是整流侧，则触发角参考值αref通常为15°。

1.4 电压控制

换流变分接头电压控制用在解锁后维持直流系统逆变侧的直流电压稳定。

Uref表示直流系统参考直流电压，Ud表示直流系统逆变侧实测直流电压。为了不让分接头来回调节，设置死区值Ut，当Ud＜Uref-Ut时，发出分接头升档指令；当Ud＞Uref+Ut时，发出分接头降档指令。双阀组运行时，电压参考值Uref将取半数，控制逻辑如图3 所示。

图3 分接头电压控制逻辑框图

若死区值选取过小，可能造成分接头频繁调节；死区值选取过大，不利于直流电压的稳定。

1.5 自动重同步

当换流变分接头档位三相不一致或同阀组的星接和角接换流变分接头档位不一致时，认为分接头不同步，在自动模式下，25 s 内允许进行重同步调节，将每一相的分接头档位与阀组的星接和角接换流变分接头平均档位比较，如果大于平均档位，降低分接头档位；若小于平均档位，则升高分接头档位，直到同阀组的分接头档位同步。然而，若25 s 内分接头档位没有调节到同步，将不允许再进行自动重同步调节，这是为了避免换流变因为分接头档位异常导致其他分接头不断调节引起零序电流保护动作闭锁阀组。

2 绍兴站换流变分接头频繁动作原因分析

2.1 绍兴站换流变分接头控制方式

绍兴站作为灵绍直流的受端，采用定熄弧角控制方式，由表1 可得分接头执行电压控制，绍兴站分接头电压控制死区值Ut=2.7 kV。

2.2 绍兴站换流变分接头频繁动作现象

自2016 年10 月投运以来，绍兴站双极高低端换流变分接头动作频繁。2018 年双极高端分接头动作次数统计如表2 所示。

从表2 中可看出，2018 年下半年，绍兴站双极高低端换流变分接头的动作次数远大于功率调节次数。然而，直流系统正常运行时，小幅度的功率调节不应引起分接头动作。

表2 2018 年绍兴站分接头动作次数

事实上，绍兴站在直流功率不变的情况下也会出现分接头频繁动作现象。

2019-01-17 的22:00—23:00，1 h 内，灵绍直流功率保持5 385 MW 不变，极1 高端分接头动作了23 次，低端动作22 次，在20 和21 档位间频繁调节。在这1 h 内，交流电压变化情况与分接头动作次数如表3 所示。

表3 交流电压变化与分接头动作次数

从表3 可看出，在前15 min 内，交流电压下降了3 kV，分接头动作5 次，接下来的15 min内，交流电压变化约2 kV，分接头未调节，在22:30—23:00 时间段内，电压变化几近于零，但是分接头动作了18 次。由此可见，分接头频繁动作与交流电压波动没有直接关联。

2.3 分接头频繁动作原因分析

通过上述分析，得出绍兴站换流变分接头频繁动作现象与功率调节和交流电压波动都没有直接关联。灵绍直流输电系统中，绍兴站分接头电压控制是通过改变抽头位置来保持换流变阀侧电压在一定范围内。用于分接头电压控制的逆变侧理想空载直流电压Udi0计算公式为：

式中：UAC表示与直流系统相连的交流系统的测量电压；TCP表示换流变分接头位置；对于绍兴站，Udi0_Nom，UAC_Nom，TCP_Nom，Stp_size分 别 为220.15 kV，510 kV，21 和0.012 5。

逆变站极对地直流电压Ud2为：

式中：N2为逆变站每极的6 脉动换流器数；γ 为逆变器关断角；Xr2为逆变器的等值换相电抗；Id为直流电流。其中，绍兴站N2=4，γ=17°。

根据微量扰动理论，且认为直流系统接入的是强交流系统，分接头调节1 档时，绍兴站单极直流电压变化量ΔUd为：

根据式（3），计算得出ΔUd为10.4 kV。那么，绍兴站单阀组直流电压在分接头调节1 档时变化量约为5.2 kV。

而绍兴站电压控制死区值Ut=2.7 kV，则当直流电压变化量超过5.4 kV 时，分接头就会动作以改变换流变阀侧电压，而换流变阀侧电压与Udi0成正比，从而使直流电压升高或降低，达到控制直流电压的目的。

在交流电压几乎保持不变的情况下，绍兴站分接头每调节1 档直流电压变化约5.2 kV，接近死区值对应的直流变化量5.4 kV。然而，在实际运行过程中，考虑交流电压的微小波动，以及控制系统调节精度等因素的影响，当直流电压降低至略小于Uref-Ut时，分接头会升档来提高直流电压，升档后，直流电压又略大于Uref+Ut，这样分接头又会降档来降低电压，如此循环往复，造成分接头频繁动作。

因此，绍兴站分接头频繁动作是由于分接头电压控制死区值设置不合理，导致电压控制效果不能抵消交流电压正常波动的影响造成的。

3 改善分接头频繁动作的控制措施

通过上述分析，分接头频繁动作是由于电压控制死区值设置不合理以至于不能抵御交流电压正常波动的影响，产生的一种反复调节现象。

分接头频繁动作易引起机械故障，危害极大。基于此，本文从控制角度出发，提出一种改善分接头频繁动作的控制措施。

3.1 控制原理

直流电压控制主要有2 种方式：一种是调整触发角或熄弧角的大小；另一种是调节换流变分接头。直流系统为了防止换相失败通常采用修正的定熄弧角控制AMAX[12]，防止熄弧角小于17°。

当直流电压在额定800 kV 时，由于电压调节器参考值偏移量的存在，参考直流电压和实际直流电压总是存在电压偏差，该电压偏差经过PI环节之后，转换得到的触发角会不断增加，最终被AMAX 的输出角度限制住，因此，逆变侧能够维持在定熄弧角控制模式。

暂态过程中，当直流电压小于额定时，可以通过2 种方式来使得直流电压维持在额定：一种是减小熄弧角，使得直流电压增大，但是熄弧角不能小于17°，因此会被AMAX 限幅，此时电压调节器不会起作用，此方式不能提高直流电压；另一种是通过升高分接头档位来升高直流电压，但是分接头电压控制有死区值设置，需要满足条件才能调节，由于电压调节器不起作用，所以分接头升档死区值可以在满足直流系统能稳定运行的条件下设置得较大，当升档死区值设置较大时，分接头动作次数变少，但直流电压可能比额定电压小得多；当升档死区值设置较小时，分接头动作次数就变多，直流电压越靠近额定直流电压。

当直流电压高于额定800 kV 时，同样可以通过2 种方式来降低直流电压：一种是增大熄弧角使得直流电压减小，因为熄弧角增大不会被AMAX 限幅，因此电压调节器将会起作用来减小触发角，以使得熄弧角增大，但是逆变站一般采用定熄弧角控制，不希望采用此方式；另一种是分接头降档来降低直流电压，这时候，需要考虑电压调节器的参考值偏移量，若直流电压差值超过电压调节器的偏移量，分接头还未降档降低电压，逆变站只能从定熄弧角控制转变为定电压控制，依靠电压调节器来减小触发角，降低直流电压，这是不希望的。因此，分接头电压控制降档死区值设置需要考虑电压调节器的参考值偏移量。

降压运行一般是70%或80%额定电压。降压运行时，通过增大熄弧角和降低分接头档位共同作用来降低直流电压，此情况下必须保证分接头的调压能力，死区值应尽量设置得较小，以保证能使直流降压至设定值。并且，降压运行时，逆变站很可能从定熄弧角控制变成定电压控制。

因此，分接头电压控制在全压和降压方式要分开考虑。

3.1.1 全压方式下分接头电压控制

不考虑分接头调节的影响，通过交直流系统潮流计算[13]可得到逆变站在交流电压允许运行的范围为[Uacmin，Uacmax]，对应的整流侧的直流电压运行范围，假设大地回线方式直流电压为[Udmin_GR，Udmax_GR]，金属回线方式直流电压为[Udmin_MR，Udmax_MR]。

当直流系统控制方式为整流站定电流控制，逆变站定熄弧角控制时，由表1 可知，整流站换流变分接头执行角度控制，而逆变站换流变分接头执行电压控制。因此，只需考虑逆变站分接头电压控制死区值。

大地回线方式直流电压允许最低值为Udmin_GR，当逆变站实际直流电压降低到Udmin_GR以下时，必须通过分接头电压控制才能使得直流电压在允许范围内，此时分接头应升档，以提升直流电压。

大地回线方式直流电压允许最高值为Udmax_GR，若Udmax_GR＞Uref，则，当逆变站实际直流电压升高到Udmax_GR以上时，希望通过分接头降档来降低直流电压，但是这里需要考虑电压调节器的参考值偏移量Uost。

可以得到升档Ut1和降档死区值Ut2的计算公式分别为：

式中：c 和c1表示修正系数，根据工程经验c 一般取5‰，c1一般取1.1。

金属回线方式下的死区值求取方法与大地回线相同。

3.1.2 降压方式下分接头电压控制

直流系统逆变侧通常是通过增大熄弧角，同时调节换流变分接头，使其在较低档位，档位越低，换流变变比越大，换流变阀侧电压越小，从而达到降压运行的目的。降压运行时，分接头电压控制死区值不超过式（5）所确定的值。

3.2 直流电压动态调控

为了改善换流变分接头频繁动作情况，绍兴站采用了直流电压动态调控措施。

绍兴站作为灵绍直流的受端，交流电压波动范围为498～518 kV，双极大地回线方式，直流功率限额为0.89 p.u.，对应的送端直流电压运行范围为718～795 kV；金属回线方式，直流功率限额为0.92 p.u.，对应的送端直流电压运行范围为746～800 kV。绍兴站电压调节器参考值偏移量为7.25 kV。

利用式（4）可得，大地回线升档死区值为41.205，同理可得，金属回线升档死区值27.135。

利用式（5）可得，大地回线和金属回线降档死区值为3.3 kV。

因此，绍兴站改进后的分接头电压控制逻辑如图4 所示。

当任一极降压运行时，自动退出直流电压动态调控，此时，分接头电压控制升档和降档死区值都变为3.3 kV；双极全压运行时，直流电压动态调控功能自动投入，OWS 后台设置直流电压动态调控投退按钮。

3.3 改进前后效果对比

以2018 年最后2 个月为参考，改进前后的换流变分接头日均动作次数如表4 所示。

从表4 可看出，改进后换流变分接头动作次数大幅减少，验证了所提控制策略的有效性和正确性。

4 结论

本文介绍了换流变分接头控制，包括Udi0限幅、角度控制、电压控制及自动重同步等，针对绍兴站换流变分接头频繁动作现象，分析得出分接头电压控制死区值设置不合理是分接头频繁动作的主要原因，基于此，分析了分接头电压控制降档死区值和升档死区值在全压运行和降压运行下的设置方法，提出了一种能大幅减少分接头频繁动作的控制措施，通过绍兴站对比验证了该策略的有效性和正确性。综合分析得出如下结论：

（1）全压运行方式下，逆变站定熄弧角控制时分接头执行电压控制，直流升压时，由于熄弧角减小，电压调节器被AMAX 限幅，因此电压调节器不起作用，此时，电压控制升档死区值由直流系统允许的最低电压确定；直流降压时，熄弧角增大，电压调节器不会被AMAX 限幅，若分接头不及时降档会导致逆变侧进入定电压控制，因此降档死区值由电压调节器的参考值偏移量确定。

（2）降压运行方式下，需要电压调节器和分接头共同调压实现直流降压至设定值，此种情况下升档和降档死区值均由电压调节器的参考值偏移量确定，应退出直流电压动态调控。

（3）该控制措施能大幅减少分接头动作次数，但是牺牲了电压控制精度，直流电压可能偏离额定较远运行，降低了直流的经济性，同时换流器无功消耗增加，影响逆变站交流滤波器投切策略，逆变站对频率协控系统的最大可提升功率也将减小。