青豫直流受端中点分压器投退策略研究

刘 凯 邹 强 张庆武 肖建民 刘孝辉

（南京南瑞继保电气有限公司，南京 211102）

0 引言

目前国内在运的特高压直流工程按高低压阀组是否接入同一交流电网可以分为两类：一类以天中、灵绍直流为代表，高低压阀组接入同一交流电网，此类工程属于不分层接入的直流工程[1-2]；另一类以昭沂、吉泉直流为代表，高压阀组接入500kV 交流电网，低压阀组接入1 000kV 交流电网，两个电网相互独立，无直接联系，此类工程可以简称为分层接入直流[3]。分层接入与不分层接入直流相比，控制功能上更为复杂，集中体现在无功控制、阀组电压平衡控制、分接开关控制等功能[4-6]。

青海—河南±800kV 特高压直流输电工程（以下简称“青豫直流”）额定电压±800kV，直流线路长度1 587km，直流输送容量8 000MW，是世界首个以输送新能源为主的特高压直流工程。与前期投运的工程相比，青豫直流在一次主接线结构上具有新的特点：受端直流高低压阀组分别接入两个500kV交流电网，两个500kV 电网之间配置独立的母联断路器，通过母联断路器的分合可以实现两个交流电网的分裂与联络运行，提升功率潮流控制灵活性。直流中点分压器是采用分层接入方式的特高压直流工程的必备设备，但对不分层的直流工程而言却不然，中点分压器故障会引起直流功率扰动甚至换流器闭锁。因此对于需要兼容分层及不分层两种控制模式的青豫直流而言，需要解决中点分压器的投入及退出运行问题。

文献[7]研究了分层接入方式直流工程两个串联阀组的电压特性，提出电压平衡控制策略。文献[8]研究了适应于分层接入直流工程特点的阀组选择投退控制，协调功率控制等策略。文献[9]研究了分层接入直流功率绝对最小滤波器不满足回降功率的相关策略。文献[10]研究了分层接入方式下交直流系统中长期电压稳定协调控制的相关功能。文献[11]提出了分层接入下预防换相失败的相关优化措施。上述文献虽然从不同角度对分层接入方式给直流系统带来的问题进行了研究，但却无法解决青豫直流面临的问题。

本文重点研究不同运行方式下直流中点分压器的投入及退出运行策略，既满足交流运行方式需要，又减小运行方式转换、交流保护动作等情况下对直流系统产生的冲击，改善中点分压器故障后直流控制系统的响应，从而提高直流系统的可靠性，保证长期稳定运行。最后基于实时数字仿真器（real time digital simulator, RTDS）搭建青豫直流实物控制保护系统平台对直流中点分压器投退策略的正确性进行验证。

1 青豫直流受端接线方式

青豫直流豫南站主接线如图1 所示。青豫直流受端豫南换流站为特高压交直流合建站，高压阀组所连500kV 交流电网（图1 中AC 500kV 1#）共有豫螺、豫迟等4 回出线；低压阀组所连500kV 交流电网（图1 中AC 500kV 2#）共有豫挚、豫周等4回出线，同时通过两台联络变与1 000kV 交流电网相连。在两个500kV 电网之间配置独立的母联断路器：当母联断路器合上时，两个交流电网合而为一，所有阀组换流变压器与交流滤波器连于同一交流电网，直流系统构成不分层工程；当母联断路器分开时，两个交流电网独立运行，直流系统构成分层工程。在直流场电压分压器配置方面，每极共设置三个直流电压分压器，分别是直流极线分压器DL，直流中性线分压器DN 和直流中点分压器DM；通过DM 可以实现两个阀组电压的独立控制及均衡两个阀组电压的目的。

图1 青豫直流豫南站主接线

2 直流中点分压器故障应对策略分析

不分层特高压直流的典型控制方式为，无论功率是正送还是反送，均为整流侧控制直流电流，逆变侧控制直流电压，具体模式可分为两种：一种为修正的定熄弧角控制（典型的熄弧角为17°），同时通过分接开关的调节实现直流电压的调节[12]；另一种为定直流电压控制，即通过电压调节器输出的触发角实现直流电压的精确调节[13]。在此过程中，通常设置高压阀组为控制阀组，低压阀组为非控制阀组，非控制阀组的触发角和分接开关档位跟随控制阀组的触发角和分接开关档位[14]。由于高低压换流变压器的设计参数基本一致，交流电压也完全一致，因此高低压阀组角度和档位的同步可以在维持直流额定运行的同时保证高低压阀组间的电压平衡。因此，在高低压阀组间无需配置直流中点分压器DM。

分层接入特高压直流典型控制方式为：分层侧运行于逆变模式时，主要目标为建立直流电压，不同的是高低压阀组独立控制各自阀组电压（可通过改进后定熄弧角配合分接开关控制或通过电压调节器精确控制）；高压阀组的阀组电压通过DL 与DM分压器获取，低压阀组的阀组电压通过DM 与DN分压器获取。分层侧运行于整流模式时，主要目标为控制直流电流，与此同时需要配置阀组电压平衡控制器用以平衡高低阀组间直流电压。直流分层侧控制策略如图2 所示。

图2 直流分层控制策略

对于分层工程而言，由于高低压换流变压器参数（如档位数、步长、换相电抗等）、换流变连接交流电压不一致，采用角度同步结合档位同步的策略无法保证两个阀组电压的平衡，因此必须配置中点分压器DM。

通过对比不难看出，就交直流系统结构而言，不分层工程是分层工程的一种特殊应用，理论上不分层工程配置DM 分压器后完全可以适用分层工程的直流控制策略，但会带来成本增加及运行可靠性降低的问题，其中DM 分压器故障较为典型。

DM 分压器故障后，当前在运的直流控制保护系统的响应分为三种：

1）DM 分压器可以输出测点故障信号，直流控制系统利用该故障信号进行系统切换，若故障仍然存在则切换至UDM计算值[15]。

2）DM 分压器在测点无故障信号输出情况下测点输出异常，将计算值与实测值进行比较，超出限值后进行系统切换，切换后故障仍然存在时切换至UDM计算值[16]。

3）DM 分压器非电量保护动作，闭锁低压阀组，将UDM测点切换UDN维持直流继续运行。

直流控制系统对于DM 分压器上述故障的处理虽然可以临时应对DM 分压器故障导致直流整极闭锁风险，但也存在三个问题：

一是直流中点电压UDM的计算值由理论公式确定，当直流处于稳态运行时，该计算值与实际值较为接近，可以用来临时替换；但直流运行状况复杂，在直流电流短时断流、交流电压畸变、触发角进入Umin区间等工况出现时，理论计算值与实测UDM存在较大差异，若此时用计算值替换实测值参与控制将引起直流功率振荡甚至闭锁。

二是直流电压的计算值无法体现一次回路中直流电压特性，例如谐波、尖峰等，这将对直流控制系统抑制外界短时扰动不利。

三是DM 分压器非电量保护动作后，直流通过闭锁低压阀组的方式将UDM测点退出控制，避免直流整极异常停运，但分压器的检修、更换耗时较长，短时内无法将低压阀组再次投入运行，直流可用率因此降低。

因此，DM 分压器三种类型故障出现后，采取的应对措施虽然可以避免直流整极闭锁，但并不适宜长期运行，更无法抵御交直流侧较大程度扰动，直流运行的可靠性、可用率均无法得到保证。

3 直流中点分压器投退策略

基于上述分析，结合青豫直流结构的特点，通过设计合理的控制策略完成直流中点分压器投入运行、退出运行，降低交流运行方式转换、中点分压器故障对直流稳定运行的影响。

3.1 直流中点分压器投入运行策略

青豫直流豫南站的两个500kV 交流电网在运行过程中会根据调度需求运行于合环或分裂模式。当运行模式由合环转为分裂模式时，将会触发中点分压器DM 投入运行。

直流中点分压器投入运行策略具体过程如图3所示，直流控制系统实时采集两个500kV 电网间母联开关位置，判定交流电网合环与分裂运行状态，当运行人员手动操作母联开关由合转分或出现保护（如母联开关保护、交流母线保护）动作跳开母联开关时，起动分压器投入运行策略：

1）检测中点分压器是否存在故障，可通过分压器本体送出的测量故障信号（包括非电量保护动作）或实测值与计算值比较的方式判定。

图3 直流中点分压器投入运行策略

2）若中点分压器无故障，则进行高、低压阀组电压测点切换。母联合位时实际参与控制的电压测点为UDL和UDN，高压阀组的电压参考值为UDREF/2，控制器的反馈量为(UDL-UDN)/2，低压阀组通过触发角与档位同步的方式跟随高压阀组。测点切换后高、低压阀组的电压参考值均为UDREF/2，高压阀组电压控制器的反馈量为UDL-UDM，低压阀组电压控制器的反馈量为UDM-UDN。低压阀组触发角和档位调节不再同步高压阀组，切换为分层控制模式，具体策略如图3 所示，路径为1→2→3→4→5→6→7→8→18。

3）若中点分压器存在故障（非电量保护未动作），首先将UDM测点切换至UDM计算值进行过渡，过渡期控制策略切换至分层控制策略维持直流运行。然后通过阀组切换使高压阀组为控制阀组，低压阀组通过分接开关档位调节使低压阀组空载额定电压UDI0与高压阀组UDI0一致。低压阀组的触发角切换为同步模式，同步跟随高压阀组的触发角，最后UDM测点退出控制。路径为1→2→3→4→9→10→11→12→13→18。

4）若中点分压器非电量保护动作，则立即闭锁、隔离低压换流器，完成后分压器进行物理隔离，分压器与直流主接线脱开后转检修。接着由运行人员合母联开关，低压阀组带电后通过阀组投入操作恢复运行。路径为1→2→3→4→9→14→15→16→17→18。

3.2 直流中点分压器退出运行策略

直流中点分压器退出运行的原因分为两类，一类是在中点分压器工作正常，交流侧运行方式由合环转分裂运行引起的分压器退出运行；另一类是直流分层运行中出现分压器故障导致的分压器退出运行。直流中点分压器退出运行策略如图4 所示。

图4 直流中点分压器退出运行策略

1）母联开关分位条件下循环检测中点分压器是否存在故障，检测方法与前述一致。

2）若中点分压器无故障，在检测到母联开关位置由分转合后进行测点切换。高压阀组的电压参考值为UDREF/2 保持不变, 控制器的反馈量由UDL-UDM切换为(UDL-UDN)/2；低压阀组不再独立控制阀组电压而是切换为触发角和档位同步高压阀组的触发角和档位。路径为1→2→3→4→5→6→7→8→19。

3）若中点分压器存在故障（非电量保护未动作），首先将UDM测点切换至UDM计算值进行过渡，过渡期仍以分层控制策略维持直流运行。接着由运行人员手动或直流控制系统自动下发（通过软压板选择）合母联开关的指令，形成交流侧合环运行的条件。最后通过触发角同步和UDI0同步的方法完成DM 分压器退出运行。路径为1→2→3→9→10→11→12→13→14→19。

4）若中点分压器非电量保护动作，则立即闭锁、隔离低压换流器，完成后分压器物理隔离，分压器与直流主接线脱开后转检修。接着由运行人员合母联开关，低压阀组带电后通过阀组投入操作恢复运行。路径为1→2→3→9→15→16→17→18→19。

4 仿真验证

基于PCS9550 特高压直流控制保护系统及实时数字仿真器（RTDS），搭建青豫直流半实物仿真平台，对本文所提的中点分压器投退策略进行试验验证。试验系统中，直流控制保护核心程序与青豫直流工程现场一致，RTDS 中直流系统模型参数见表1。

表1 RTDS 中直流系统模型仿真参数

4.1 中点分压器无故障，母联开关分合试验

图5 为直流双阀组单极大地回线方式运行，直流功率4 000MW，受端母联开关进行合操作的试验结果。t1时刻母联开关由分转合，低压阀组通过调节分接开关使UDI0与高压阀组一致，在t2时刻进行测点切换，切换后UDM测点退出控制，经过较短扰动后，直流恢复稳态运行。

图5 中点分压器无故障，合母联开关仿真波形

图6为直流双阀组单极大地回线方式运行，直流功率4 000MW，通过对受端母联开关进行分操作的试验结果。t1时刻母联开关由合转分，由于高低阀组的UDI0数值一致，立刻进行测点切换，切换后UDM测点投入控制，随后高低阀组通过分层控制分别调节高低阀组触发角及分接开关，最终高低阀组电压平衡，直流恢复稳定运行。

图6 中点分压器无故障，分母联开关仿真波形

4.2 中点分压器故障试验

图7为直流双阀组单极大地回线方式运行，直流功率4 000MW，母联开关分位运行时，模拟中点分压器故障（非电量保护未动作）的试验结果。母联开关分位时，直流以分层接入控制方式运行，t1时刻中点分压器故障，控制系统切换UDM至计算值，同时自动生成合母联开关命令，母联开关合上后进行高低阀组UDI0同步。t2时刻UDM测点进行切换，切换后UDM测点退出控制，直流恢复稳定。

图7 母联开关分位，中点分压器故障仿真波形

图8为直流双阀组单极大地回线方式运行，直流功率4 000MW 且中点分压器故障（非电量保护未动作）时，母联开关跳开的试验结果。母联合位时，中点分压器故障不对直流运行构成影响，t1时刻母联开关由于保护动作跳开，控制系统紧急切换UDM至计算值，接着在t2时刻启动切换，低压阀组开始同步高压阀组的UDI0和触发角，切换后UDM测点退出控制，直流恢复稳定。

图8 中点分压器故障，母联开关跳开波形

5 结论

针对青豫直流受端分层接入两个500kV 交流电网的结构特点，通过分析直流中点分压器故障对直流产生的影响以及当前控制系统应对策略的不足，提出合理的中点分压器投退策略，一方面满足青豫直流受端交流电网合环与分裂方式的转换需求，另一方面消除了中点分压器故障后长期使用UDM计算值对于直流运行的不利影响以及中点分压器非电量保护动作后闭锁阀组短时内无法解锁的问题，切实提高直流系统输电的可靠性及可用率，为后续同类特高压直流工程提供参考。