±500 kV云貴互聯工程換流變壓器有載調壓開關控制策略分析

何照能，孫豪

（中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

±500 kV云貴互聯通道工程是國家“十三五”規劃重點工程，由中國南方電網公司建設、運營，其西起云南祿勸換流站、中至貴州高坡換流站、東達廣州肇慶站，雙極額定直流功率為3000 MW。與常規兩端直流輸電工程相比，其為國內首個三端直流工程。

相比于常規的±800 kV直流工程，云貴互聯通道工程沒有閥組控制級，相應的換流變數量也少一半。但其有載調壓開關的控制策略與其它常規直流工程基本一致的。本文以祿勸換流站為例分析有載調壓開關的電壓控制模式和角度控制模式，引入分析幾種典型的有載調壓開關附加控制功能，并結合工程功能試驗階段的控保程序分析兩種控制模式下的開關動作特性。

1 云貴互聯通道工程有載調壓開關

1.1 有載調壓開關簡介

工程所用有載調壓開關為VR型調壓開關，安裝在換流變一次側，一次部分采用真空室滅弧，具有開斷電流大、電壓等級高的特點。采用凸輪動作開關識別觸頭的位置，動作過程平穩、一致性高[1]。

該調壓開關共有-6～18共25個檔位,調節一檔的時間大概為5～10 s，調節范圍高達額定值的30%，調節步長為1.25%的額定值，能有較大裕度配合控保系統調節直流電壓[7]。

1.2 有載調壓開關控制策略

直流工程中常用的分接開關控制策略主要有電壓控制模式和角度控制模式。電壓控制模式以保證Udi0（無相控閥側理想空載直流電壓）的恒定為調節目的，角度控制模式以保證Alpha（觸發角）在規定的范圍內為調節目的。在直流工程中主要使用角度控制模式，保證觸發角不致過小而導致調節范圍裕度不足，觸發角不致過大而導致閥片承受過大應力和長期消耗過多無功[2]。

為保證調壓開關可靠運行，除以上兩種主要的控制策略外，還設置自動重同步、開關起始檔位同步、開光調節時間監視等附加控制功能。附加控制功能可以有效監視調壓開關狀態，并自動處理一些基本異常，如開關非同步運行、開關調節時間超時等，有效提高調壓開關的可用性。

2 控制策略常用參數

2.1 BCD碼

調壓開關的原始檔位使用MR公司定義的BCD碼表示，BCD碼與十進制的轉換公式為：

式（1） 中，n1、n2、n3、n4、n5、n6為 BCD碼中對應的1至6數位。

BCD碼的數位由調壓開關的凸輪動作開關輸入控保程序，通過式（1）轉換為可識別的十進制數用于其它邏輯運算[9]。

2.2 有載調壓開關檔位

調壓開關的檔位中含有極性反轉檔位，為直觀表示檔位的升降，需將BCD輸入的原始檔位減去極性反轉檔位以表示調壓開關的實際檔位，祿勸換流站調壓開關的極性反轉檔位為第7檔。

祿勸換流站單極共有6臺換流變壓器，分為YD型連接方式和YY型連接方式。檔位計算方法如圖1所示，YD型連接的換流變和YY型連接的換流變分別相加后除以3取商得到各自的檔位，再將兩種連接方式的換流變檔位相加并除以2取商得到最終的調壓開關檔位。

圖1 有載調壓開關檔位計算

2.3 有載調壓開關調節特點

為便于分析調壓開關的調節特點，假設換流變交流側電壓為不變的系統電壓，則根據變壓器電流公式可知換流變二次側電壓為[3]：

式（2）中，UAC為換流變網側電壓，UAC'為換流變閥側電壓，n1和n2為網側和閥側繞組數。

調壓開關安裝在換流變網側，因此實際調節的是網側繞組數n1。由式（2）可知，調壓開關調節特點為：調壓開關升檔時，閥側電壓降低；當降檔時，閥側電壓升高[8]。

3 電壓控制模式

3.1 調壓開關控制原理

換流閥直流側電壓為：

式（3）中，Udi0為換流變閥側無相控理想空載直流電壓，α為換流閥觸發角，drl為等值換相阻抗，Id為直流電流。

由式（3）可知，對于已經建設完成的直流工程，直流電壓值取決于Udi0和α。α的控制由閥控系統完成，調節迅速、平滑，但調節范圍小，常用于直流系統電壓的快速變化；Udi0的控制由極控系統的有載調壓開關控制邏輯完成，受限于調壓開關本身機械特性的原因，調節速度過慢，不足以滿足直流系統快速的電壓變化調節，但其調節范圍遠大于α，常被用于慢速而變化過大的直流電壓調節[4]。

本文主要分析Udi0控制調節，Udi0計算公式如下：

從式（4）中可知，Udi0取決于換流變網側系統電壓UAC和網側繞組數n1。通常系統電壓為遠方調度中心調控，所以默認系統電壓為定值。因此，Udi0調節的實質為換流變網側繞組數n1調節。

3.2 Udi0ACT與Udi0REF的計算

Udi0ACT沒有對應的一次設備測點，通常是通過額定Udi0換算得到，換算公式如下：

式（5）中，Udi0N為額定網側電壓下調壓開關位于“0”檔時，Udi0的額定值；num原始為換流變調壓開關的原始檔位。

如圖2所示，不同調壓開關控制模式下，Udi0REF不同，其中角度控制模式下的參考值小于電壓控制模式，這樣有利于系統過電壓的抑制。

圖2 Udi0參考值折線圖

3.3 電壓控制模式的控制邏輯

如圖3所示，電壓控制模式通過計算Udi0ACT與Udi0REF之差，將該值與0.011和-0.011比較，若大于0.011則升調壓開關，若小于-0.011則降調壓開關。

圖3 電壓控制邏輯

如圖3所示，Udi0控制模式針對Udi0的值進行調控，調節結果為保持Udi0不變。該種調節模式能有效調節直流側電壓保持額定值，但在一些特殊的工況下將導致觸發角Alpha的運行工況變差，給閥帶來過大應力。而直流系統調節主要以保持輸送的功率不變為主，這可通過與電流調節配合實現。因此，Udi0控制模式一般不作為調壓開關的主要控制模式，僅在閥組處于閉鎖狀態或空載加壓實驗時啟動。

4 角度控制模式

4.1 角度控制原理

角度控制模式針對換流器不同的運行模式控制原理不同，當換流器運行在整流器模式時，控制原理為定觸發角控制；當運行在逆變模式時，控制原理為定關斷角控制[5]。

由式（3）、式（5）可知，以整流器為例，調壓開關直接調節的量為Udi0的值，而直流系統維持直流電壓不變，若觸發角運行在額定工況以外，則通過調節Udi0的大小可將觸發角拉回額定值范圍。因此，角度控制的實質為通過調節Udi0間接使觸發角或關斷角保持在額定范圍內。

4.2 角度控制模式的控制邏輯

如圖4所示，角度控制模式直接采集控保系統輸出的觸發角，通過判斷觸發角是否運行在額定范圍（12.5°～17.5°）內來調節調壓開關的升降。若觸發角大于17.5°，則升高調壓開關檔位；若觸發角小于12.5°，則降低調壓開關檔位。

圖4 角度控制邏輯

角度控制模式一般作為調壓開關控制的主要模式，該模式能有效改善觸發角的運行工況，使閥承受較小的應力沖擊。

無論電壓控制，還是角度控制，受限于其一次部分的機械特性，調壓開關對直流系統的調節屬于慢速控制。若Udi0或觸發角剛好位于調壓開關的調節邊緣，此時將可能造成控保系統其它快速控制功能與調壓開關慢速控制功能的反復調節[6]，使得調壓開關反復動作。因此，通常給調壓開關的輸出設置一個延時時間，云貴互聯通道工程為5秒。

5 附加控制功能

5.1 調壓開關起始檔位同步功能

在直流系統運行前，需將調壓開關調節到起始檔位，若通過工作站手動調節將會導致大量浪費時間。因此，設有起始檔位同步功能，運行人員可在工作站上手動啟動該功能，也可在換流變進線斷路器斷開時，由控制系統延時啟動該功能。

5.2 調壓開關自動同步功能

直流系統每一極對應至少6臺換流變，在運行過程中要保持每臺換流變檔位一致，但受控制系統性能、一次設備特性和環境因素等原因影響，調壓開關可能發生失步。調壓開關檔位不一致將會引起直流系統諧波增加、閥電壓分布不均等問題。因此，控保系統設有調壓開關自動同步功能。

自動同步功能基本原理為：若某臺調壓開關檔數高于其它開關，則降低本開關檔位與其它的保持一致；若某臺調壓開關數本就低于其它開關，則降低其它開關檔位與本開關保持一致。這樣的調節方法實現了調壓開關不同步時，檔位向升高Udi0的方向調節，保證閥側電壓始終滿足要求。

5.3 調壓開關調節時間監視功能

調壓開關動作時，機械機構需要一定時間才能切換到位。為準確判斷調壓開關是否動作到位，通常根據調壓開關的固有動作時間設置調節監視時間。祿勸換流站使用的VR型調壓開關的固有動作時間一般為5～10秒，為有足夠的動作時間裕度，設置監視時間為15秒。

以降檔為例，當發出降檔指令時，監視時間開始計時，并將此時的調壓開關檔位減一。當監視時間結束時，比較現在的調壓開關檔位和之前減一后的調壓開關檔位，若相等則開關調節到位，若不等則調壓開關故障。

5.4 調壓開關強制控制功能

調壓開關的主要控制模式為角度控制模式，在某些極端的情況下，該種控制模式可能導致Udi0的值過高。由式（3）可知，當直流電流過大時將會導致換相壓降過大，直流電壓降低，為保持直流電壓不變，控制系統將降低觸發角，過低的觸發角導致調壓開關降檔，最后導致Udi0過大，威脅調壓開關絕緣。

為避免上述問題，通常設有調壓開關強制控制功能。以祿勸換流站為例，當Udi0的值大于101.25%的額定值時，禁止調壓開關降檔；當Udi0的值大于103%時，強制升高調壓開關檔位。附加控制功能保證調壓開關能夠安全、穩定運行，同時提高運行人員操作的便利性。[10]

6 結束語

本文結合云貴互聯通道工程詳細分析了直流工程中2種常用的有載調壓控制模式和4種附加控制功能。常用的有載調壓控制模式保證調壓開關動作滿足直流系統的控制要求。