基于UAPCPlatform的天廣直流換流變壓器分接頭控制原理

劉 洋

(中國南方電網(wǎng)有限責任公司教育培訓評價中心，廣東廣州 510520)

0 引言

分接頭控制(tap changer control，TCC)是直流極控系統(tǒng)中的一個重要功能模塊，其作用是通過對換流變壓器分接頭的控制使觸發(fā)角(alpha)、熄弧角(gamma)或閥側(cè)理想空載直流電壓Udio等被控量保持在其參考值附近，以提高換流器工作的功率因數(shù)，減小其無功消耗，降低直流傳輸中的線損等。此外，分接頭控制還用于確保Udio低于其最大限值。分析清楚天廣直流工程中的分接頭控制功能及其優(yōu)缺點，具有重要的實際運用意義，對高壓直流輸電系統(tǒng)的運行和維護具有很好的借鑒作用。

1 分接頭控制功能

1.1 總體說明

按照分接頭控制策略，在正常運行時，分接頭控制可采用角度控制或電壓控制兩種控制方式。角度控制方式用于保持觸發(fā)角(alpha)、熄弧角(gamma)在額定值附近，電壓控制方式用于保持閥側(cè)理想空載直流電壓Udio在其額定值附近［1］。

由于分接頭的動作是逐級而非連續(xù)的，因此需要為被控量設(shè)定一個合適的動作死區(qū)以避免分接頭動作振蕩。

實際采用的分接頭控制方式由運行人員確定，在角度控制和電壓控制中選擇一種方式。

在角度控制方式下，整流側(cè)分接頭控制α角為15°±2°，逆變側(cè)分接頭控制 γ 角為 19°±1.5°。

在電壓控制方式下，分接頭控制本側(cè)Udio為(1±1%)Udio，其中整流側(cè) UdioN=281.6 kV，逆變側(cè) UdioN=268 kV。

為了避免設(shè)備承受過高的穩(wěn)態(tài)電壓，分接頭控制應(yīng)保證Udio不大于某一最大限值。當Udio大于該最大限值時，分接頭立即動作使Udio降低到限值以下。

換流變壓器未充電時，分接頭的位置應(yīng)位于初始擋位。當分接頭調(diào)至規(guī)定的最高或最低位置后，就應(yīng)不再允許分接頭繼續(xù)上調(diào)或下調(diào)。

當分接頭之間出現(xiàn)不同步時應(yīng)能通過對分接頭的自動控制使分接頭之間自動恢復同步。

1.2 控制模式

1.2.1 手動模式

換流變壓器分接頭控制具有手動和自動兩種模式［2］。如果選擇了手動模式，報警信號將送至SCADA系統(tǒng)。當運行在手動模式時，可調(diào)節(jié)單相換流變壓器分接頭，也可同時調(diào)節(jié)三相換流變壓器分接頭。如果選擇了調(diào)節(jié)單個分接頭，那么在切換回自動模式前，必須對所有換流變壓器的分接頭進行手動同步。手動控制模式僅在自動控制模式失效的情況下才被啟用。而且在傳輸直流功率的過程中應(yīng)避免對分接頭進行手動控制，因為在傳輸功率的過程中，分接頭是用于控制觸發(fā)/熄弧角和Udio的。無論是在手動模式還是在自動模式，當分接頭被升至最高位或降至最低位時，極控系統(tǒng)將發(fā)出信號至 SCADA系統(tǒng)，并禁止分接頭繼續(xù)升高或降低。

1.2.2 自動模式

自動模式是分接頭控制的主要控制模式，它是根據(jù)被控量偏離其參考值的程度來自動的調(diào)節(jié)分接頭，使被控量恢復到要求的范圍內(nèi)。根據(jù)被控量的不同可分為以下幾項。

(1)空載控制

換流變壓器分接頭的空載控制用于換流器閉鎖和空載加壓試驗的情況下?？蛰d控制能將換流變壓器分接頭控制在預(yù)先設(shè)定的位置。如果換流變壓器失電(交流斷路器斷開)，換流變壓器分接頭將移至初始位置(天生橋站12擋，廣州站7擋)。如果換流變壓器充電，并且不在空載加壓試驗的狀態(tài)下，換流變壓器分接頭會根據(jù)最小運行電流(0.1 p.u.)工況的需要建立Udio。

在空載加壓試驗時，空載控制根據(jù)試驗需要的直流電壓值控制Udio到要求的值。在天廣直流中，分接頭動作死區(qū)設(shè)為±1倍的一擋調(diào)節(jié)量，即 ±1.0%UdioN。

(2)alpha角度控制

整流側(cè)的alpha控制用來維持觸發(fā)角(alpha)為要求的參考值，alpha參考值由VARC(電壓角度參考值計算)功能產(chǎn)生［3］。為了防止分接頭動作產(chǎn)生振蕩，alpha控制的目標是將alpha控制在以其參考值為中心的動作死區(qū)范圍內(nèi)，alpha控制比較參考值和測量值，如果其差值超出了動作死區(qū)，分接頭就要求動作。在天廣直流工程中，整流側(cè)alpha參考值為15°，死區(qū)大小設(shè)為 ±2°。

假設(shè)整流側(cè)交流電壓上升，換流器觸發(fā)控制將迅速增大觸發(fā)角以保持直流電流等于電流指令值。如果 alpha變化至大于 alpha參考值加上2°(17°)，分接頭動作，降低閥側(cè)電壓來使 alpha回到動作死區(qū)范圍內(nèi)。如果交流電壓下降，alpha下降至小于 alpha參考值減去2°(13°)，分接頭動作，增大閥側(cè)電壓，直到alpha重新回到死區(qū)范圍內(nèi)。

(3)電壓控制

正常工況下，電壓控制用于維持換流變壓器閥側(cè)的理想空載直流電壓Udio恒定。為了防止分接頭動作產(chǎn)生振蕩，電壓控制的目標是將Udio控制在以其額定值為中心的動作死區(qū)范圍內(nèi)，死區(qū)大小可設(shè)為±1.0%UdioN。

假設(shè)交流電壓上升，使得Udio上升至大于(1+1.0%)UdioN時，分接頭動作以降低閥側(cè)電壓，使得Udio回到死區(qū)范圍內(nèi)。如果交流電壓降低，使得Udio下降至小于(1% ～1.0%)UdioN時，分接頭動作，增大閥側(cè)電壓，直到重新回到死區(qū)范圍內(nèi)。

(4)gamma角度控制

逆變側(cè)的分接頭用來維持熄弧角 gamma在預(yù)期的范圍內(nèi)，其控制類似于alpha控制。gamma控制比較參考值與測量值之間的差值，如果差值超出了動作死區(qū)，分接頭就要求動作。在天廣直流工程中，分接頭控制的 gamma參考值為19°，死區(qū)大小設(shè)為 ±1.5°。

(5)Udio限制

Udio限制的目的是為了防止設(shè)備承受過高的穩(wěn)態(tài)電壓。因此，Udio限制是優(yōu)先于其他正常的分接頭控制之上的。通過控制換流變壓器閥側(cè)電壓來保證穩(wěn)態(tài)時的Udio永遠不會大于UdioL。與Udio限制相關(guān)的限值有兩個:UdioG和UdioL，這兩個限值在直流保護程序中整定。

Udio限制在以下電壓范圍內(nèi)起作用。

當Udio大于UdioG但小于UdioL時，Udio限制閉鎖任何會增大換流變壓器閥側(cè)電壓的分接頭動作指令。

當Udio大于UdioL時，Udio限制發(fā)出降低換流變壓器閥側(cè)電壓的分接頭指令。

其中，UdioG為換流變壓器分接頭控制中能夠發(fā)出增大Udio指令的上限。為了避免分接頭的振蕩，例如緊跟著下調(diào)Udio的指令又發(fā)出一個上調(diào)Udio的指令，UdioL應(yīng)選的足夠高。

在所有控制模式，包括手動模式下，Udio限制功能都被投入，它在分接頭控制中具有最高的優(yōu)先級。

(6)同步控制

當換流變壓器的分接頭位置不一致時，同步控制功能可以自動在分接頭之間進行同步。同步控制功能僅在自動模式下投入。

同步控制功能力圖同步換流變壓器的分接頭，如果同步不成功，將發(fā)出一個報警信號，并禁止其他自動控制功能。

圖1 TCC功能概況圖

圖2 分接頭自動控制邏輯框圖

圖3 分接頭允許動作邏輯框圖

在手動模式下，如果選擇了調(diào)節(jié)單個換流變壓器分接頭的控制方式，在返回自動模式前換流變壓器分接頭必須被手動同步。

2 軟件邏輯分析

2.1 功能配置

圖4 分接頭同步以及最終動作指令邏輯框圖

分接頭控制的功能概況圖如圖1所示。

控制模式可在自動和手動模式下進行切換。在自動模式時，控制方式可以在角度控制和電壓控制之間手動選擇切換;在分接頭不同步時自動進行分接頭的同步。當Udio超出要求的限值時，立刻調(diào)節(jié)分接頭以降低Udio，當該控制發(fā)出的指令與正常情況下分接頭控制發(fā)出的指令矛盾時，優(yōu)先執(zhí)行該控制發(fā)出的指令。

2.2 功能描述

2.2.1 自動模式下各種控制方式及其協(xié)調(diào)選擇

空載控制只在直流系統(tǒng)未運行或直流電流不大于允許的最小運行電流時才起作用。在空載控制下，比較Udio和其參考值，差值大于死區(qū)范圍就產(chǎn)生增或減Udio的指令。

角度控制分別在整流側(cè)和逆變側(cè)比較alpha、gamma角和其參考值，如果差值大于死區(qū)范圍就產(chǎn)生增/減角度的指令。

電壓控制比較Udio和其額定值，如果差值大于死區(qū)范圍就產(chǎn)生增/減Udio的指令。

協(xié)調(diào)選擇功能根據(jù)該側(cè)的運行方式?jīng)Q定最終選擇哪個控制功能產(chǎn)生的動作指令作為增/減分接頭的指令［4］。

以上功能的邏輯實現(xiàn)框圖如圖2。

2.2.2 分接頭允許動作

在一些情況下，對有分接頭動作指令時該情況下是否允許動作進行判斷。當分接頭擋位等于最大值時，禁止分接頭的上升;當分接頭擋位等于最小值時，禁止分接頭的下降。

當設(shè)備承受的應(yīng)力過大或直流電流過大時，禁止分接頭的動作。

該功能的邏輯實現(xiàn)框圖如圖3。

2.2.3 分接頭的同步以及最終動作指令的產(chǎn)生

當某相分接頭擋位與擋位平均值不同時就要進行分接頭的同步。如果同步不成功，將發(fā)出一個報警信號，并禁止其他自動控制功能。

自動模式下各控制功能產(chǎn)生的分接頭動作指令或者人工模式下的動作指令經(jīng)過判斷如果是允許被執(zhí)行的就產(chǎn)生最終的動作指令。

該功能的邏輯實現(xiàn)框圖如圖4。

3 結(jié)語

直流輸電系統(tǒng)換流變壓器有載分接頭控制有定電壓控制和定角度控制兩類。定電壓控制，只需檢測換流變壓器二次側(cè)電壓，再經(jīng)過公式換算，求得的值與整定值進行比較并根據(jù)差值決定動作，所以控制較為簡單，而且分接頭動作不太頻繁，有利于延長分接頭控制機構(gòu)的壽命。但由于要保持換流變壓器二次側(cè)電壓恒定，所以不管輸送功率和直流電壓如何變化，這一值都不變，從而導致?lián)Q流器控制角波動范圍較大，尤其是在較小功率或降壓運行時，換流器將運行在較大的觸發(fā)角a和熄弧角r，這樣會導致以下不利影響:①換流器運行不經(jīng)濟，吸收無功多;②閥和直流開關(guān)場設(shè)備承受的電氣應(yīng)力增大，有可能因疲勞而影響壽命，尤其在降壓運行時，更加明顯;③閥阻尼回路損耗大;④交、直流諧波分量增大，交直流濾波器應(yīng)力大，損耗大;⑤在所有低于額定功率的工況，由于換流變壓器二次側(cè)電壓選得高，降低了設(shè)備的絕緣余裕。定角度控制，通過調(diào)整分接頭位置來維持觸發(fā)角a或關(guān)斷角r在指定范圍內(nèi)，使換流器在各種運行工況下保持較高的功率因數(shù)，也就是在輸送相同功率的情況下，換流器吸收的無功功率較少，但同時分接頭動作次數(shù)比較頻繁，縮短分接頭的檢修周期。相比較而言，定角度控制除增加一定的維護費用外，其他方面明顯優(yōu)于定電壓控制，因此正常控制模式時，推薦采用定角度控制。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］曹繼豐.高壓直流輸電現(xiàn)場實用技術(shù)問答［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［3］2008浙大直流組.直流輸電［M］.北京:電力工業(yè)出版社，1982.

［4］中國南方電網(wǎng)公司.直流輸電技術(shù)研究［M］.北京:中國電力出版社，2006.