基于滤波规则的HVDC交流过电压快切滤波器控制策略
2018-08-09卢东斌薛海平沈全荣张庆武王永平
卢东斌, 薛海平, 沈全荣, 尹 健, 张庆武, 王永平
(1. 南京南瑞继保电气有限公司, 江苏省南京市 211102; 2. 国网北京经济技术研究院, 北京市102209)
0 引言
高压直流输电的换流器采用晶闸管作为开关器件,由于晶闸管只能控制开通,不能控制关断,在传送有功功率的同时需要消耗大量的无功功率,因此需要配置无功补偿设备[1]。如果交流电网故障产生过电压[2-6],或者接入到较弱的交流系统或孤岛运行的换流器发生闭锁[7-8]、紧急停运、功率回降、连续换相失败,无功补偿设备不能及时切除很容易产生交流过电压。交流工频过电压会导致交流设备的内绝缘受损击穿、外绝缘闪络,严重时引起设备故障甚至导致整个直流闭锁。
由于直流输电工程的无功补偿设备还具有滤除谐波功能,换流站所配置的不同类型的交流滤波器在功能上并不等价,单独依靠保护判据去切除滤波器不能满足直流输电对滤除谐波的需求。为了兼顾交流滤波器的滤波功能,过电压保护的功能逐渐从保护装置移植到直流控制主机,这样在满足直流运行所需的绝对最小滤波器同时,切除滤波器类型更优,抑制谐波和过电压效果更好。
早期的高压直流工程,如三峡—常州直流输电工程[9]、德阳—宝鸡直流输电工程,直流控制主机采用最高电压(Umax)限制功能来抑制交流过电压;母线保护装置配置过电压分段保护。近些年的特高压直流工程(2014年以前),如锦屏—苏州直流输电工程、哈密南—郑州直流输电工程[10],直流控制主机除采用Umax限制功能来抑制交流过电压,还增加过电压快速切除单组交流滤波器功能;交流滤波器保护装置增加引线过电压保护功能。但实际工程仍发生过交流过电压后滤波器没有快速切除导致水冷装置过压跳闸,引起直流闭锁的事故。国家电网公司最新的特高压直流工程(2014年以后)如灵州—绍兴、晋北—江苏和酒泉—湖南直流输电工程[11],受端分层接入方式的特高压直流工程[12]如上海庙—山东、锡盟—泰州、扎鲁特—青州和昌吉—古泉直流输电工程,直流控制主机除采用Umax限制功能来抑制交流过电压,均增加过电压快速同时切除多组交流滤波器功能;交流滤波器保护装置配置有引线过电压保护功能。
相比切除单组交流滤波器,同时切除多组交流滤波器需要兼顾直流输电系统的交流滤波需求。本文提出一种特高压直流输电交流过电压时同时切除多组交流滤波器的控制实现策略,通过检测交流滤波器已投入的类型,选择切除合适类型的交流滤波器,最大限度地不影响直流输电滤波功能。仿真和试验结果验证本策略的有效性,该策略已经应用到最新的直流输电工程。
1 交流过电压切除单组滤波器策略
高压直流输电工程中,基于晶闸管的电网换相换流器在进行功率变换时需要消耗大量的无功功率,为了控制与交流系统的无功功率交换或控制交流母线电压,无功功率控制(reactive power control,RPC)会投切交流滤波器或并联电容器组来实现无功功率或交流电压控制。RPC提供的最小滤波器功能和绝对最小滤波器功能会同时控制满足谐波滤波的要求。为了避免过电压,在无功功率控制中提供了最大无功功率Qmax限制功能和Umax限制功能,这两个功能允许无功功率控制切除滤波器和电容器组,来最大限度地减少过电压保护动作。在Umax限制功能的基础上,进一步增加过电压快速切除滤波器和电容器组功能。
1.1 交流过电压切除单组滤波器设计思路[10]
根据国家标准[13],252 kV 交流母线的电压变化水平与无功功率变化和短路电流的关系为: (1) 式中:ΔUAC为交流母线的线电压变化值;ΔQAC为交流母线处的单组滤波器无功容量;ISC为交流母线处的短路电流;φ为交流电源的线电压和线电流相位差。 如果交流滤波器容量相同,则将交流电压由当前值降低到目标值,需要切除交流滤波器的数量为: (2) 式中:Δn为需要切除交流滤波器的数量;UAC,CUR为当前交流母线的线电压;UAC,OBJ为目标交流母线的线电压。 近些年的特高压直流工程(2014年以前),如哈密南—郑州直流输电工程,在发生交流过电压Uac时,直流控制主机中无功功率控制功能采用切除单组滤波器功能,策略为:①如果Uac>1.1(标幺值),则每隔1 s切除1个滤波器小组;②如果Uac>1.2,则每隔500 ms切除1个滤波器小组;③如果Uac>1.3,交流滤波器引线过电压保护延时500 ms跳闸;④如果Uac>1.5,交流滤波器引线过电压保护立即跳闸。 如果交流系统产生过电压,无功控制功能将按照绝对最小滤波器和最小滤波器投切表逐个切除交流滤波器,能够满足直流输电滤波需求;缺点是切除速度相对较慢,不能迅速避免过电压。 高压直流输电系统需要配置大量用于无功补偿和谐波滤除的交流滤波器,直流控制中的无功功率控制功能实现对全站交流滤波器的控制。无功功率控制提供的最小滤波器和绝对最小滤波器功能会同时控制满足谐波滤波的要求。为了提供较好的电能质量,交流过电压快切时尽量不影响交流滤波器的滤波性能。 最小滤波器和绝对最小滤波器分别指在对应输送功率水平、运行方式、直流电压水平下为满足滤波性能和定值要求最少需要投入滤波器型式和数量的组合。交流过电压快切时按照最小滤波器和绝对最小滤波器投切表进行切除操作。 以哈密站为例,双极四阀组运行时最小滤波器策略如表1所示。 表1 哈密站性能、功率以及最小滤波器配置Table 1 Performance, power and minimum filter configuration for Hami station 在表1中,为了达到较好的滤波效果,当直流功率大于表中功率等级中的定值时,就要按照表1中交流滤波器类型投入滤波器。其中,BP11/13类型、HP24/36类型和HP3类型滤波器参与最小滤波器和绝对最小滤波器功能,而SC型滤波器不参与最小滤波器和绝对最小滤波器功能。 为了实现上述控制策略,首先根据不同类型滤波器选择切除滤波器的功率水平,如图1所示。在图1(a)中,n1表示BP11/BP13型滤波器的连接组数;P1,1st表示连接1组BP11/BP13型滤波器的功率水平;P1,2nd表示连接2组BP11/BP13型滤波器的功率水平;P1,3rd表示连接3组BP11/BP13型滤波器的功率水平;P1,4th表示连接4组BP11/BP13型滤波器的功率水平;P1,disc表示最终选择的功率水平。图1(b)和(c)分别表示HP24/36和HP3型滤波器的切除滤波器功率水平。 图1 3种类型滤波器切除功率水平Fig.1 Switching-off power level of three kinds of filters 交流滤波器切除时的类型选择逻辑如图2所示,图中y={x,z,u,v,w}。各种类型的交流滤波器投切功率等级与其最大值进行比较,如果相等则相应的类型滤波器输出为1,经Setmpx软件后得出类型值,如果最大功率值等于第1种类型的功率等级,则输出值kdisc为1;如果最大功率值等于第2种类型的功率等级,则输出值kdisc为2,从而决定下一组切除的滤波器类型。 图2 滤波器类型选择逻辑Fig.2 Select logic of filter types 当检测到交流电压Uac大于过电压限制值Umax1=1.1(标幺值)时,延时1 s发出切除交流滤波器指令;当交流滤波器分开时,检测到前一个周期的滤波器总数大于当前的滤波器组数nsum时,延时关断1 s,屏蔽切除命令1 s,如图3所示。 根据类型选择逻辑并选择下一组需要切除的交流滤波器类型,当切除交流滤波器命令发出后,切除该类型的一组交流滤波器。由上文分析可知,基于投切顺序表的交流过电压快切滤波器控制策略需要切除的交流滤波器返回状态后才能继续切除下一组交流滤波器,只能实现单组滤波器切除。交流滤波器切除过程程序判断逻辑存在较多延时,因此不能实现快速切除多组交流滤波器。 图3 交流过电压切除滤波器逻辑Fig.3 Switching-off logic of filters for overvoltage 最新的直流工程(2014年以后),如灵州—绍兴直流输电工程,在发生交流过电压时,为了更快速地抑制过电压,直流控制主机中无功控制功能要求采用同时切除多组滤波器功能,设计如下。 1)如果Uac>1.1,则每隔8 s切除4小组滤波器,达到当前功率的绝对最小滤波器后,如果过电压定值依然满足,则每隔8 s切除4小组交流滤波器直到最小功率下的绝对最小滤波器,最终由交流滤波器过电压保护动作。 2)如果Uac>1.2,则每隔1 s切除4小组滤波器,达到当前功率的绝对最小滤波器后,如果过电压定值依然满足,则每隔1 s切除4小组交流滤波器直到最小功率下的绝对最小滤波器,最终由交流滤波器过电压保护动作。 3)如果Uac>1.3,则每隔250 ms切除4小组滤波器,达到当前功率的绝对最小滤波器后,如果过电压定值依然满足,则每隔250 ms切除4小组交流滤波器直到最小功率下的绝对最小滤波器,最终由交流滤波器过电压保护动作。 交流滤波器过电压控制切除滤波器的过程中,在达到当前功率或最小功率的绝对最小滤波器前,若某一轮次待切交流滤波器不足4小组时,则切除滤波器的小组数可根据实际投入的交流滤波器数量设为3,2,1组。 交流滤波器过电压保护策略为:①如果Uac>1.1,延时40 s切除所有交流滤波器;②如果Uac>1.3,延时500 ms切除所有交流滤波器;③如果Uac>1.5,延时20 ms切除所有交流滤波器。 上述切除一定数量的交流滤波器后,剩余连接的交流滤波器短时能承受谐波过负荷,30 s后将按照绝对最小滤波器满足条件,回降直流功率,防止交流滤波器谐波过负荷。 传统的基于投切顺序表的交流过电压快切滤波器控制策略,采用查表法实现滤波器投切,根据现有连接的滤波器选择要切除的下一组滤波器,而切除的滤波器状态返回需要一定时间,当滤波器切除状态不返回时,只能选择切除相同组滤波器,因此,不能实现快速切除多组滤波器。本文将根据2.1节中切除多组滤波器设计思路,提出一种基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略,根据换流器产生的谐波特征和交流滤波器的滤波性能得到一种快速选取多组要切除滤波器的计算方法,兼顾降低交流电压和滤除谐波效果,来实现快速切除多组滤波器。 以灵州—绍兴直流工程送端灵州站为例,双极四阀组运行时绝对最小滤波器策略如表2所示。 表2 灵州站定值、功率及绝对最小滤波器配置Table 2 Performance, power and configuration of absolute minimum filter for Lingzhou station 高压直流输电为了达到较好的滤波性能,灵州站交流滤波器的投入顺序依次为BP11/BP13类型、HP24/36类型、HP3类型滤波器循环进行;SC类型型滤波器不参与最小滤波器和绝对最小滤波器功能。因此,当发生交流过电压时,首先切除SC类型滤波器,其他类型滤波器采用循环切除;同时考虑到当前功率下的绝对最小滤波器需求和最小滤波器性能要求,本文提出了基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略。 对于SC型滤波器,当出现过电压时首先切除,切除SC型滤波器组数为: (3) 式中:n4,disc为计算切除的SC型滤波器组数;n4为投入的SC型滤波器组数;nsum,disc为一次要求切除的滤波器总组数,灵州站此值设为4。 对于HP3型滤波器,在大于当前功率下的绝对最小滤波器时,每一轮切除组数选择剩余需要切除的滤波器的1/3并向上取整(ceil函数)和剩余需要切除的滤波器组数与当前功率下的绝对最小滤波器的差值再取最小值;在等于当前功率下的绝对最小滤波器时,如果其他类型的绝对最小滤波器有剩余,则此轮不切除。绝对最小滤波器满足当前功率需求情况下,如果过电压现象消除,则停止切除滤波器,防止直流功率回降。如果过电压依然存在,在大于最小功率下的绝对最小滤波器时,每一轮切除组数选择剩余需要切除的滤波器的1/3并向上取整(ceil函数)和剩余需要切除的滤波器组数与最小功率下的绝对最小滤波器的差值再取最小值。切除HP3型滤波器组数计算如式(4)所示。 (4) 式中:n3,disc为计算切除的HP3型滤波器组数;n3为投入的HP3型滤波器组数;n3,Abs,Pmin为最小功率下的HP3型绝对最小滤波器组数;n3,Abs,Pcur为当前功率下的HP3型绝对最小滤波器组数;n1和n2为投入的BP11/BP13型和HP24/36型滤波器组数;n2,Abs,Pcur为当前功率下的HP24/36型绝对最小滤波器组数;n1,Abs,Pcur为当前功率下的BP11/BP13型绝对最小滤波器组数。 对于HP24/36型滤波器,在大于或等于当前功率下的绝对最小滤波器时,每一轮切除的滤波器组数分为2种情况:当投入的HP24/36型滤波器多于投入的BP11/BP13型滤波器时,切除组数选择剩余需要切除的滤波器的1/2并向上取整(ceil函数);当投入的HP24/36型滤波器少于投入的BP11/BP13型滤波器时,切除组数选择剩余需要切除的滤波器的1/2并向下取整(floor函数),并且需要与投入的HP24/36型滤波器和当前功率下的绝对最小滤波器的差值再取最小值(min函数)。在小于当前功率下的绝对最小滤波器时,情况类似,只是需要与投入的HP24/36型滤波器和最小功率下的绝对最小滤波器的差值再取最小值。切除HP24/36型滤波器组数计算如式(5)所示。 (5) 式中:n2,disc为计算切除的HP24/36型滤波器组数;n2为投入的HP24/36型滤波器组数;n2,Abs,Pmin为最小功率下的HP24/36型绝对最小滤波器组数。 对于BP11/BP13型滤波器,在大于或等于当前功率下的绝对最小滤波器时,每一轮切除的滤波器组数为剩余需要切除的滤波器组数与当前功率下的绝对最小滤波器的差值再取最小值。在小于当前功率下的绝对最小滤波器时,每一轮切除的滤波器组数为剩余需要切除的滤波器组数与最小功率下的绝对最小滤波器的差值再取最小值。切除BP11/BP13型滤波器组数计算如式(6)所示。 (6) 式中:n1,disc为计算切除的BP11/BP13型滤波器组数;n1,Abs,Pmin为最小功率下的BP11/BP13型绝对最小滤波器组数。 基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略实现框图如图4所示。 图4 基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略Fig.4 Rule-based control strategy of switching-off filters for overvoltage 首先根据绝对最小滤波器投切表,分别计算当前功率和最小功率下需要投入的绝对最小滤波器组数(ni,Abs,Pmin(i=1,2,3),ni(i=1,2,3,4)),其次根据当前投入的交流滤波器组数(ni)和每次需要切除组数定值(nsum,disc)经基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制器(根据式(3)—式(6)计算)得到切除的不同类型的交流滤波器数量。交流过电压判断逻辑同图3,当交流产生过电压切除交流滤波器命令时,按照不同类型的交流滤波器数量切除滤波器。 本文将以特高压直流输电工程(灵州—绍兴直流)系统参数来对比两种交流过电压切除滤波器试验结果。采用先进的RTDS仿真试验手段,搭建灵州—绍兴直流工程的闭环实时数字仿真系统,直流控制主机采用应用于实际工程的直流输电控制保护系统。灵州—绍兴直流工程额定直流电压为±800 kV,输送功率为8 000 MW,系统参数见附录A表A1[11]。换流器采用两个12脉动阀组串联方式,此种结构有利于减小换流器尺寸并且增加了系统冗余性,单极主回路结构如附录A图A1所示,交流滤波器通过交流开关与交流母线相连。 以灵州换流站为例,交流滤波器配置如表3所示[11]。每一小组交流滤波器通过交流开关与交流换流母线相连。仿真中交流过电压由外部电源引起,当交流过电压需要切除交流滤波器时,将此交流滤波器与交流换流母线的开关分开,即实现切除该组交流滤波器。 表3 灵州站交流滤波器配置Table 3 AC filter configuration of Lingzhou station 本节介绍基于投切顺序表的交流过电压快切滤波器控制策略,一次只切除1组交流滤波器。直流控制系统从发送切除命令到交流滤波器分位上送需要约0.18 s,包括极控主机(PCP)发切除指令送交流滤波器控制主机(AFC)执行周期6 ms、PCP与AFC通信时间10 ms、AFC执行周期12 ms、IO板卡及继电器执行时间12 ms、选相合闸装置收到切除命令到交流滤波器分位上送时间100 ms(现场实测,包括选相合闸装置防抖时间20 ms、命令延时20 ms、开关主断口断开30 ms、合位消失10 ms、分位出现20 ms)、IO板卡及继电器接收时间12 ms、AFC执行周期12 ms、AFC与PCP通信时间10 ms和PCP接收AFC上送分位信号为6 ms,如附录A图A2所示。需要指出,上述执行周期时间是按照最大值给出。 直流系统双极在额定工况下运行,极Ⅰ和极Ⅱ直流电压分别为800 kV和-800 kV,直流电流为5 000 A,交流电压为765 kV。当交流系统突然发生交流过电压为1.2(标幺值)时,无功功率控制切除交流滤波器的试验结果如附录A图A3所示。t1时刻,交流产生过电压;t2时刻,交流过电压满足切除条件,首先切除SC型滤波器;当所有SC型滤波器被切除后,t3时刻,开始轮流切除HP3型,HP24/36型和BP11/BP13型滤波器,直至切除所有交流滤波器。从开始过电压到所有交流滤波器切除,经历了10 s。 需要指出的是,由于绝对最小滤波器不满足功率第一次回降延时30 s才执行,如果绝对最小滤波器还不满足,则每隔1 s再回降一次。上述因为过电压切除交流滤波器的时间为10 s,因此,直流功率没有回降。 灵州站额定交流电压为765 kV,最小短路电流为27.79 kA,1组交流滤波器的容量为295 Mvar,由式(1)可推得切除1组交流滤波器时换流母线电压下降6 kV(0.007 8 (标幺值))[11]。基于投切顺序表的交流过电压快切滤波器控制策略一次只能切除1组交流滤波器, 当Uac>1.3时,以交流电压下降0.062为例,需要切除8组交流滤波器,如果收到交流滤波器分位即发切除下一组交流滤波器命令,则耗时1.44 s。如果按照1.1节的策略,则耗时4 s。因此,一次只切除1组交流滤波器很难满足在国家标准[12]规定的0.5 s交流滤波器过压保护动作前抑制过电压要求。 本节介绍基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略,一次切除多组交流滤波器。 与3.1节初始运行状态相同,直流系统双极在额定工况下运行,极Ⅰ和极Ⅱ直流电压分别为800 kV和-800 kV,直流电流为5 000 A,交流电压为765 kV。当交流系统发生交流过电压为1.2时,无功功率控制切除交流滤波器的试验结果如附录A图A4所示。t1时刻,交流产生过电压;t2时刻,交流过电压满足切除条件,首先切除3组SC型滤波器和1组HP3型滤波器;t3时刻,切除1组HP24/36型滤波器和1组BP11/BP13型滤波器,达到当前功率下的绝对最小滤波器;t4时刻,切除1组HP3型滤波器、2组HP24/36型滤波器和1组BP11/BP13型滤波器;t5时刻,切除1组HP3型滤波器和1组BP11/BP13型滤波器,达到最小功率下的绝对最小滤波器。从开始过电压到达到最小功率下的绝对最小滤波器,经历了5 s。由于直流功率在绝对最小滤波器不满足条件下,需要30 s后才开始功率回降,因此直流功率在此期间没有发生变化。另外,根据现有交流滤波器性能,最小功率下的绝对最小滤波器能够承受满负荷下30 s的谐波过负荷。 基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略可通过一次计算完成每一种类型的交流滤波器需要切除的组数,同时发出切除命令,因此,切除多组滤波器需要较短时间。 两种控制策略在故障发生后不同时刻的交流电压如表4所示。在故障后2 s,基于投切顺序表的控制策略得到的电压为965.1 kV,而基于滤波规则的控制策略得到的电压为953.4 kV,电压下降11.7 kV;在故障后4 s,基于投切顺序表的控制策略得到的电压为944.5 kV,而基于滤波规则的控制策略得到的电压为917.3 kV,电压下降27.2 kV;在故障后6 s,基于投切顺序表的控制策略得到的电压为919.6 kV,而基于滤波规则的控制策略得到的电压为903.6 kV,电压下降16 kV。 表4 故障后不同时刻的交流电压Table 4 AC voltage in different time after fault 仍以灵州站最小短路电流为例,基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略一次切除4组交流滤波器,当Uac>1.3时,以交流电压下降为0.062为例,需要切除8组交流滤波器,如果收到4组交流滤波器分位即发切除下4组交流滤波器命令,则耗时0.36 s。如果按照2.1节的策略,则耗时0.5 s。而3.1节中基于投切顺序表的交流过电压快切滤波器控制策略切除8组交流滤波器最少耗时1.44 s,极端工况下,可能会因为交流滤波器不能及时切除引起过电压导致直流系统闭锁。因此,基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略在抑制极端工况下的过电压效果更好。 为了精确比较上述两种快切滤波器控制策略,仿真中假设工频过电压由外部电源引起。实际中,由直流系统故障甩负荷或换流阀闭锁导致换流站无功功率过剩从而引起工频过电压更为常见。以灵州站双极额定功率运行发生单极闭锁为例,如附录A图A5所示,额定功率运行时,双极功率为8 000 MW,2 s时,极Ⅰ发生闭锁,极Ⅰ功率从4 000 MW降为0,极Ⅱ功率不变;灵州站交流母线电压有效值从额定电压765 kV开始上升,满足大于1.1(标幺值)条件8 s后,同时切除4组SC型交流滤波器,交流电压迅速降至805 kV(1.05(标幺值)),上述试验验证了基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略在直流系统故障时能够快速切除交流滤波器,抑制工频过电压并实现无功功率迅速平衡。 传统的基于投切顺序表的交流过电压快切滤波器控制策略根据系统分析得到的投切顺序表进行单组精确切除,保证剩余投入的滤波器类型具有最好的滤波效果,采用闭环控制策略,需要较长的判断和执行时间,很难满足极端过电压情况下控制要求。本文提出了一种基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略,可实现快速、同时切除多组交流滤波器,采用开环控制策略,通过计算每种交流滤波器切除组数,完成一次切除多组交流滤波器。在极端过电压情况下,抑制交流过电压的效果更好,在最大限度维持直流运行功率情况下,保护直流站内设备免受交流过电压损坏。本文所提控制策略已经应用到实际直流工程。 附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。1.2 基于投切顺序表的交流过电压快切滤波器控制策略
2 交流过电压切除多组滤波器策略
2.1 交流过电压切除多组滤波器设计思路[11]
2.2 基于滤波规则的交流过电压快切滤波器控制策略
3 仿真与试验
3.1 交流过电压切除单组滤波器仿真结果
3.2 交流过电压切除多组滤波器仿真结果
4 结语