±500 kV云贵互联工程换流变压器有载调压开关控制策略分析

何照能，孙豪

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司昆明局，昆明 650217）

0 前言

±500 kV云贵互联通道工程是国家“十三五”规划重点工程，由中国南方电网公司建设、运营，其西起云南禄劝换流站、中至贵州高坡换流站、东达广州肇庆站，双极额定直流功率为3000 MW。与常规两端直流输电工程相比，其为国内首个三端直流工程。

相比于常规的±800 kV直流工程，云贵互联通道工程没有阀组控制级，相应的换流变数量也少一半。但其有载调压开关的控制策略与其它常规直流工程基本一致的。本文以禄劝换流站为例分析有载调压开关的电压控制模式和角度控制模式，引入分析几种典型的有载调压开关附加控制功能，并结合工程功能试验阶段的控保程序分析两种控制模式下的开关动作特性。

1 云贵互联通道工程有载调压开关

1.1 有载调压开关简介

工程所用有载调压开关为VR型调压开关，安装在换流变一次侧，一次部分采用真空室灭弧，具有开断电流大、电压等级高的特点。采用凸轮动作开关识别触头的位置，动作过程平稳、一致性高[1]。

该调压开关共有-6～18共25个档位,调节一档的时间大概为5～10 s，调节范围高达额定值的30%，调节步长为1.25%的额定值，能有较大裕度配合控保系统调节直流电压[7]。

1.2 有载调压开关控制策略

直流工程中常用的分接开关控制策略主要有电压控制模式和角度控制模式。电压控制模式以保证Udi0（无相控阀侧理想空载直流电压）的恒定为调节目的，角度控制模式以保证Alpha（触发角）在规定的范围内为调节目的。在直流工程中主要使用角度控制模式，保证触发角不致过小而导致调节范围裕度不足，触发角不致过大而导致阀片承受过大应力和长期消耗过多无功[2]。

为保证调压开关可靠运行，除以上两种主要的控制策略外，还设置自动重同步、开关起始档位同步、开光调节时间监视等附加控制功能。附加控制功能可以有效监视调压开关状态，并自动处理一些基本异常，如开关非同步运行、开关调节时间超时等，有效提高调压开关的可用性。

2 控制策略常用参数

2.1 BCD码

调压开关的原始档位使用MR公司定义的BCD码表示，BCD码与十进制的转换公式为：

式（1） 中，n1、n2、n3、n4、n5、n6为 BCD码中对应的1至6数位。

BCD码的数位由调压开关的凸轮动作开关输入控保程序，通过式（1）转换为可识别的十进制数用于其它逻辑运算[9]。

2.2 有载调压开关档位

调压开关的档位中含有极性反转档位，为直观表示档位的升降，需将BCD输入的原始档位减去极性反转档位以表示调压开关的实际档位，禄劝换流站调压开关的极性反转档位为第7档。

禄劝换流站单极共有6台换流变压器，分为YD型连接方式和YY型连接方式。档位计算方法如图1所示，YD型连接的换流变和YY型连接的换流变分别相加后除以3取商得到各自的档位，再将两种连接方式的换流变档位相加并除以2取商得到最终的调压开关档位。

图1 有载调压开关档位计算

2.3 有载调压开关调节特点

为便于分析调压开关的调节特点，假设换流变交流侧电压为不变的系统电压，则根据变压器电流公式可知换流变二次侧电压为[3]：

式（2）中，UAC为换流变网侧电压，UAC'为换流变阀侧电压，n1和n2为网侧和阀侧绕组数。

调压开关安装在换流变网侧，因此实际调节的是网侧绕组数n1。由式（2）可知，调压开关调节特点为：调压开关升档时，阀侧电压降低；当降档时，阀侧电压升高[8]。

3 电压控制模式

3.1 调压开关控制原理

换流阀直流侧电压为：

式（3）中，Udi0为换流变阀侧无相控理想空载直流电压，α为换流阀触发角，drl为等值换相阻抗，Id为直流电流。

由式（3）可知，对于已经建设完成的直流工程，直流电压值取决于Udi0和α。α的控制由阀控系统完成，调节迅速、平滑，但调节范围小，常用于直流系统电压的快速变化；Udi0的控制由极控系统的有载调压开关控制逻辑完成，受限于调压开关本身机械特性的原因，调节速度过慢，不足以满足直流系统快速的电压变化调节，但其调节范围远大于α，常被用于慢速而变化过大的直流电压调节[4]。

本文主要分析Udi0控制调节，Udi0计算公式如下：

从式（4）中可知，Udi0取决于换流变网侧系统电压UAC和网侧绕组数n1。通常系统电压为远方调度中心调控，所以默认系统电压为定值。因此，Udi0调节的实质为换流变网侧绕组数n1调节。

3.2 Udi0ACT与Udi0REF的计算

Udi0ACT没有对应的一次设备测点，通常是通过额定Udi0换算得到，换算公式如下：

式（5）中，Udi0N为额定网侧电压下调压开关位于“0”档时，Udi0的额定值；num原始为换流变调压开关的原始档位。

如图2所示，不同调压开关控制模式下，Udi0REF不同，其中角度控制模式下的参考值小于电压控制模式，这样有利于系统过电压的抑制。

图2 Udi0参考值折线图

3.3 电压控制模式的控制逻辑

如图3所示，电压控制模式通过计算Udi0ACT与Udi0REF之差，将该值与0.011和-0.011比较，若大于0.011则升调压开关，若小于-0.011则降调压开关。

图3 电压控制逻辑

如图3所示，Udi0控制模式针对Udi0的值进行调控，调节结果为保持Udi0不变。该种调节模式能有效调节直流侧电压保持额定值，但在一些特殊的工况下将导致触发角Alpha的运行工况变差，给阀带来过大应力。而直流系统调节主要以保持输送的功率不变为主，这可通过与电流调节配合实现。因此，Udi0控制模式一般不作为调压开关的主要控制模式，仅在阀组处于闭锁状态或空载加压实验时启动。

4 角度控制模式

4.1 角度控制原理

角度控制模式针对换流器不同的运行模式控制原理不同，当换流器运行在整流器模式时，控制原理为定触发角控制；当运行在逆变模式时，控制原理为定关断角控制[5]。

由式（3）、式（5）可知，以整流器为例，调压开关直接调节的量为Udi0的值，而直流系统维持直流电压不变，若触发角运行在额定工况以外，则通过调节Udi0的大小可将触发角拉回额定值范围。因此，角度控制的实质为通过调节Udi0间接使触发角或关断角保持在额定范围内。

4.2 角度控制模式的控制逻辑

如图4所示，角度控制模式直接采集控保系统输出的触发角，通过判断触发角是否运行在额定范围（12.5°～17.5°）内来调节调压开关的升降。若触发角大于17.5°，则升高调压开关档位；若触发角小于12.5°，则降低调压开关档位。

图4 角度控制逻辑

角度控制模式一般作为调压开关控制的主要模式，该模式能有效改善触发角的运行工况，使阀承受较小的应力冲击。

无论电压控制，还是角度控制，受限于其一次部分的机械特性，调压开关对直流系统的调节属于慢速控制。若Udi0或触发角刚好位于调压开关的调节边缘，此时将可能造成控保系统其它快速控制功能与调压开关慢速控制功能的反复调节[6]，使得调压开关反复动作。因此，通常给调压开关的输出设置一个延时时间，云贵互联通道工程为5秒。

5 附加控制功能

5.1 调压开关起始档位同步功能

在直流系统运行前，需将调压开关调节到起始档位，若通过工作站手动调节将会导致大量浪费时间。因此，设有起始档位同步功能，运行人员可在工作站上手动启动该功能，也可在换流变进线断路器断开时，由控制系统延时启动该功能。

5.2 调压开关自动同步功能

直流系统每一极对应至少6台换流变，在运行过程中要保持每台换流变档位一致，但受控制系统性能、一次设备特性和环境因素等原因影响，调压开关可能发生失步。调压开关档位不一致将会引起直流系统谐波增加、阀电压分布不均等问题。因此，控保系统设有调压开关自动同步功能。

自动同步功能基本原理为：若某台调压开关档数高于其它开关，则降低本开关档位与其它的保持一致；若某台调压开关数本就低于其它开关，则降低其它开关档位与本开关保持一致。这样的调节方法实现了调压开关不同步时，档位向升高Udi0的方向调节，保证阀侧电压始终满足要求。

5.3 调压开关调节时间监视功能

调压开关动作时，机械机构需要一定时间才能切换到位。为准确判断调压开关是否动作到位，通常根据调压开关的固有动作时间设置调节监视时间。禄劝换流站使用的VR型调压开关的固有动作时间一般为5～10秒，为有足够的动作时间裕度，设置监视时间为15秒。

以降档为例，当发出降档指令时，监视时间开始计时，并将此时的调压开关档位减一。当监视时间结束时，比较现在的调压开关档位和之前减一后的调压开关档位，若相等则开关调节到位，若不等则调压开关故障。

5.4 调压开关强制控制功能

调压开关的主要控制模式为角度控制模式，在某些极端的情况下，该种控制模式可能导致Udi0的值过高。由式（3）可知，当直流电流过大时将会导致换相压降过大，直流电压降低，为保持直流电压不变，控制系统将降低触发角，过低的触发角导致调压开关降档，最后导致Udi0过大，威胁调压开关绝缘。

为避免上述问题，通常设有调压开关强制控制功能。以禄劝换流站为例，当Udi0的值大于101.25%的额定值时，禁止调压开关降档；当Udi0的值大于103%时，强制升高调压开关档位。附加控制功能保证调压开关能够安全、稳定运行，同时提高运行人员操作的便利性。[10]

6 结束语

本文结合云贵互联通道工程详细分析了直流工程中2种常用的有载调压控制模式和4种附加控制功能。常用的有载调压控制模式保证调压开关动作满足直流系统的控制要求。