换流变压器分接开关控制及典型故障分析

2019-03-16石丹丹宗凡琪杨韦国

山东电力技术 2019年2期

石丹丹，宗凡琪，杨韦国

（国网山东省电力公司检修公司，山东济南 250118）

0 引言

±800 kV沂南换流站电压等级高，输送功率大，该工程是山东省内首座特高压直流输电工程，也是首个与500 kV变电站及调相机站合建的三站合一工程。

换流变压器作为换流站内重要设备，承担着交直流系统隔离，传送电力的重要任务，并将换流变压器网侧交流电压和换流桥直流侧电压控制在符合两侧的额定电压和容许的电压偏差范围内，其分接开关的可靠动作对直流系统稳定运行至关重要。换流变压器分接开关在切换分接头时不需要将换流变压器从电网中退出，即可以带负载切换［1］。

±800 kV沂南换流站网侧采用分层接入技术，高端换流变压器采用ABB技术，接入500 kV电压等级交流系统，阻抗为20%，分接头级差1.25%；低端换流变压器采用西门子技术，接入1 000 kV电压等级交流系统，阻抗为20%，分接头级差0.65%。沂南换流站高低端换流变压器均有31个档位，高端换流变压器额定档位为26档（可调范围+21～-9档），低端换流变压器额定档位为22档（可调范围+25～-5档）。以沂南换流站为例，介绍分接开关的控制策略及运行模式，并结合典型故障进行具体分析与总结。

1 换流变压器分接开关控制策略

换流变压器分接开关的控制目标是维持触发角α，关断角γ与直流电压恒定。整流侧的分接开关用来维持换流变压器阀侧电压Udi0不变或者触发角维持在恒定范围内；逆变侧的分接开关用来维持整流侧线路平波电抗器出口直流电压，在逆变侧定电流控制时，分接头控制维持逆变侧熄弧角恒定［2］。

在分接头控制过程中，角度或电压参考值将会与实际测量的角度或电压进行比较，当此差值高于或低于一个迟滞值（分接头死区）时，有载调压开关则被命令进行步进，实现直流输电的相关控制。

换流器控制系统CCP中的分接头控制TCC承担单12脉动换流器的分接头控制和本极高低端换流器分接头同步的任务。极控制系统PCP中的TCC主要维持双极换流变压器分接头的同步功能。

有载调压开关控制的特点是慢速（每步5～10 s）以及逐级转动（每阶1.25%），即TCC主要为稳态调整，换流器触发控制CFC才是快速调整。分接头控制策略如图1所示。

图1 分接头控制策略

2 换流变压器分接头运行模式

分接开关有载调压装置正常运行时采用手动调节或自动控制；当换流变压器在正常运行时，分接开关不允许在现场进行电动和手动操作；当换流变压器停电或检修时可在现场操作箱内采用就地电动或手动调节；当控制方式由手动转为自动前，应预先将三相换流变压器分接开关位置调节一致。手动控制为自主进行调节，对换流器层的分接头进行手动操作，可以选择对独立的或全部换流变压器分接头进行升降操作［3］。

2.1 手动控制模式

手动控制模式包括：1）对单相换流变压器分接头移动或对同一阀组换流变压器分接头同步移动；2）最大换流变压器阀侧理想空载直流电压Udi0的限制。手动控制可看作是后备控制方式，在自动控制模式失效情况使用。功率传输期间避免使用手动控制。

2.2 自动控制模式

在功率正常传输时，选择自动控制模式，自动控制模式分为5种控制方式，如图2所示。

图2 自动模式下的分接头控制模式

2.2.1 空载控制

当换流器闭锁或线路开路试验等情况采用空载控制，即控制换流变压器分接头位置在以下预先设定的位置：1）换流变压器未充电，换流变压器开关Udi0降至最小值，分接头移至最低档位1档；2）换流变压器带电，不在OLT试验状态下，且本极另一换流器未运行，换流变压器分接头根据允许的最小运行电流（0.1pu）建立 Udi0；3）换流变压器带电，且本极另一换流器已运行，则未运行的换流变压器分接头根据运行的换流器的Udi0进行同步；4）OLT时，换流变压器分接头的空载控制根据OLT需要的直流电压等级控制 Udi0为参考值［3］。

2.2.2 角度控制

角度控制分为触发角控制和熄弧角控制，触发角控制为整流器控制的基本方式，熄弧角控制为逆变器控制的基本方式。控制角度在参考值范围内，该参考值由VARC计算得出。角度控制将角度实测值与参考值进行比较，得到角度差超过动作死区范围时，发出降分接头的命令。为避免分接头在交、直流电压扰动时发生调节，需要对升降指令设置一定延时［4］。

2.2.3 直流电压控制

电压控制用于逆变侧正常运行下换流变压器分接头的控制，逆变侧计算线路电压降，根据本侧直流电压确定整流侧直流电压在设定值附近，同时，由于受端沂南站高低端阀组分层接入不同交流电网，同极两换流器电压平衡功能对分接头档位的进行调节，即利用分接头控制实现高、低压换流器电压的平衡。

电压控制与角度控制相同，为避免分接开关的振荡，直流电压控制尽量在给定电压参考值为中间值的范围内进行。将逆变侧直流电压的实测值与参考值进行比较，得到电压差，当差值超过动作死区上限时，发出降分接头的命令；当电压差超过动作死区下限时，发出升分接头的命令。分接头升降指令时有一定延时，避免分接头在交、直流电压扰动时发生升降。避免有载调压开关的摆动，直流电压控制仅在以给定的电压参考值为中间值的范围内进行。

正常运行情况下，逆变侧靠分接头来控制整流侧电压，逆变侧的电压控制器VCA不起作用。为了使TCC优先调节分接头改变直流电压，逆变侧根据运行状态在给VCA的电压参考值中加入0～7.25 kV的电压偏移量Uin，使其高于给TCC的电压参考值。

式中：Urefvcainv为逆变侧VCA控制器直流电压参考值；Urefrect为整流侧出线直流电压参考值；ΔU为直流线路压降；Ureftccinv为逆变侧TCC控制器直流电压参考值。

正常运行时，电压偏移量Uin为设定值。当降压运行时，阀组进入电压控制器控制且分接头降至最低档，无法再调节电压，由电压控制器VCA来进行电压调节。此时电压偏移量Uin将逐渐减小至0，使VCA接收到的电压参考值为实际需要控制到的电压，从而将电压准确控制到预期值。

2.2.4 Udi0限制

TCC控制系统中Udi0限制的目的是防止设备由于稳态过电压而受到的应力，它在分接头控制中具有最高优先级。Udi0限制也是一种保护功能，确保Udi0不会超过Udi0参考值，Udi0限制功能在所有控制方式下有效，包括手动控制功能。此逻辑位于电压过应力保护（VSP）内［5］。

Udi0N为当分接头档位为0档，交流电压为额定电压时对应的Udi0，同时也是交流电压为额定值，直流功率为额定功率时对应的Udi0。Udi0G为出于电压应力考虑的禁止升分接头的最大Udi0，沂南站定值为228.14 kV（正送）、230.18 kV（反送）。Udi0L为出于电压应力考虑的强制降分接头的最大Udi0，定值为232.38 kV。

式中：Udi0calc高端为高端不同档位对应的Udi0计算值；Udi0calc低端为低端不同档位对应的Udi0计算值；Uac为交流网侧线电压；T为换流变分接开关档位。

表1 Udi0限幅范围

若上述均不能将Udi0限制住，则电压应力保护延时5 s请求切换系统，发 “电压应力保护请求切换”；延时8 s，执行换流器层Y闭锁，跳交流开关失灵，锁定交流断路器，发“电压应力保护动作”，闭锁时内置录波如图3所示。

图3 电压应力保护动作时的故障录波

2.2.5 分接头同步功能

当12脉动换流器的各分接头的档位不一致时，产生报警信号至SCADA系统。此时，自动同步功能要对换流变压器分接头重新调节［3］。

自动同步功能力同步换流变压器的分接头位置，如果同步功能不成功，将发出一个报警信号（分接头不一致，置成轻微故障），并禁止自动控制。此功能可防止由于测量不精确导致分接头位置的不同［3］。

沂南换流站因网侧采用分层接入技术，故无极同步功能，增加双极同步功能。

1）12脉动换流器同步功能。若一个换流器内换流变压器有载分接开关位置不同步，自动再同步功能将启用同步功能。对同一阀组的Y／Y换流变压器和Y／D换流变压器三相的分接头档位求平均值，并做四舍五入，并作为该换流器分接头档位TCP。与其他相别分接头档位相比，发出升或降分接头命令。

式中：T为换流变分接开关档位；Tm为Y／Y换流变压器不同相别对应的档位；Tn为Y／D换流变压器不同相别对应的档位。

分接头调节时间发生在分接头不同步开始的10 s内，10 s后不进行分接头同步调节。

2）双极分接头同步功能。双极分接头控制在极控制系统PCP中，主要负责双极换流器分接头双极再同步控制。沂南换流站分层接入，每极的高压阀组和低压阀组换流变压器分别连接到500 kV和1 000 kV的交流电网，相应的两个换流单元对应换流变压器的分接头档位数目和每档的电压大小都有所差别，不能采用对4个阀组平衡同步的功能，需要按统一交流网统一特性换流变压器分别同步，即配置双极按高阀对高阀、低阀对低阀分别对分接头进行同步功能。

如果两个极高端对高端（或低端对低端）换流变压器的分接头档位之间为2档时，则进行分接头同步。向较高档位的换流器极内的较高档位换流器下达降分接头命令，向较低档位的换流器极内的较低档位换流器下达升分接头命令。

图4 双极分接头同步逻辑

3 系统调试期间异常分析

直流系统调试试验期间，在RTDS中将逆变侧1 000 kV交流电压置数为1 100 kV。试验现象为γ=27°，换流变压器分接头17档不降档。

表2 试验现象

当Uac升高时，Udi0随之升高，直流电压Udl随之升高。逆变侧的电压控制器VCA起作用，限制直流电压升高，即减小α（增大γ），当α减小时，是朝着远离AMAX限制的方向动作，VCA不受AMAX限制，此时VCA控制器起作用。调整α为快速调节，迅速将直流电压调节到指定值，但此时VCA调节的整流侧参考电压值是电压参考值加上OFFSET值（2.5 kV），即高于分接头的正常电压参考值，VCA调节后的电压值恰好在分接头死区范围附近（分接头电压参考值+死区），导致分接头无法动作，故分接头不动作（分接头不能控角度，只能控电压）。

后续将低端阀组的OFFSET值在程序内置成3 kV，分接头能正常调节，γ降到17.5°，试验结果正常。