某特高压直流输电工程直流电压异常分析及解决措施

贾轩涛 熊 飞 张玉铎

某特高压直流输电工程直流电压异常分析及解决措施

贾轩涛1熊 飞2张玉铎1

（1. 国网浙江省电力有限公司超高压分公司，杭州 311121； 2. 许继电气直流输电系统公司，河南 许昌 461000）

某特高压直流输电工程系统试验期间整流侧直流分压器数据异常，特别是功率反送时尤为明显，与电气原理不符。根据系统试验期间不同功率等级、功率正反送工况下对应的交流电压、直流电压、电流、分接开关档位及触发角（熄弧角）等信息，从理论计算角度分析问题产生的可能原因，并进行相应的模拟试验，试验结果与理论计算基本一致。最后，本文利用逆变侧直流分压器进行校准补偿，使直流系统实际电压值与成套设计吻合，从而保证了此特高压直流工程安全稳定运行。

特高压直流（UHVDC）；直流分压器；逆变侧；校准

0 引言

直流分压器实时测量直流系统线路电压，是直流输电系统必不可少的设备之一[1-5]，测量结果直接作用于直流控制系统的闭环控制和保护系统[6-12]，测量结果的准确性直接影响直流控制保护系统运行的可靠性，进而影响大电网运行的可靠性、稳定性。

实践表明，直流分压器测量异常影响直流系统正常运行的事件并不罕见[13]。针对此类问题，文献[14]分析研究特高压换流站直流分压器的结构，阐述了直流分压器的测量原理，以及如何与控制保护系统配合。文献[15]介绍了一种典型直流输电系统电压稳定控制方法，详细分析了高压直流输电系统中直流电压稳定控制系统对电压测量故障响应的影响因素。文献[16]分别详细研究了阴雨、雾霾天气下特高压换流站遭受雷击时，直流分压器异常导致过电压保护器件动作的情况。文献[17]分析了直流分压器工作原理及其内部电阻发热、外部电场畸变等问题，提出直流分压器设备的优化设计方法。文献[18]针对某直流电压异常波动问题进行分析，给出事故原因为直流分压器光电转换模块工作不稳定，进而影响直流系统的调制功能。

本文详细描述某直流工程直流电压异常状况，分析其产生原因并给出利用逆变侧直流分压器测量数据进行补偿的解决措施。

1 电压异常现象描述

在某特高压直流输电工程系统调试期间，发现直流电压异常，主要表现为整流侧电压偏高。以极2为例，功率正送时两站极2稳态电压如图1所示，功率正送解锁后，整流站S1测量直流电压平均值为-807kV，峰值为-809kV；逆变站S2直流电压平均值为-798kV，S2电压处于正常范围。在双极四阀组最小功率输送方式下，其余同电压等级直流工程S1电压平均值为800kV，S2为797kV。对比可知，本工程S1电压偏高，两站电压差过大。

图1 功率正送时两站极2稳态电压

在功率反送工况下，直流电压异常更为明显。仍以极2为例，功率反送时两站极2稳态电压如图2所示，反送时S2作为整流站，S1作为逆变站，由于换流阀的单向导通特性，电流只能从S2流向S1，即S2电压始终要高于S1。解锁后稳态运行时S1站极2电压平均值为798kV，S2站极2电压平均值为793kV。S2直流电压低于S1电压，与实际工况相违背，说明S2电压测量存在异常。此异常导致双极四阀组最小功率运行方式下，系统实际输送的功率为807MW，高出最小功率7MW，与调度计划不一致，对电网安全运行造成不利影响。最小功率是指在额定直流电压前提下，直流电流为0.1p.u.时对应的功率，本工程为2×800kV×500A=800MW。

图2 功率反送时两站极2稳态电压

需要特别说明的是，若直流功率高于810MW，即使电压测量存在异常，仍能通过调整直流电流值使实际功率与计划功率保持一致。

综上所述，某特高压直流输电工程存在直流电压异常偏高现象，本文针对此异常现象展开分析，并提出一种工程实用解决方案。

2 原因分析

2.1 直流电压测量原理

特高压直流输电工程整流站、逆变站均配置了直流分压器[19]，直流分压器按极配置，每极配置dL、dN两个测点，用于采集极母线和中性母线直流电压。直流电压测点配置示意图如图3所示。

图3 直流电压测点配置示意图

直流分压器采用阻容式分压设计，以dL为例，直流分压器测量原理如图4所示。

直流分压器采用2级分压设计方案，通过高、低压臂分压电阻1、2和均压电容1、2进行一次分压，一次分压得到的电压信号传输至二次分压板，每个二次分压板进行二次分压输出5V电压信号。在高频段下电容分压器主导分压比，在低频段下由电阻分压器主导。当满足11=22时，分压比不受频率影响。

图4 直流分压器测量原理

2.2 逆变站电压计算方法

为了保持直流输电系统稳态平衡运行，S1和S2常采取不同控制策略，一般由S1进行定电流控制，S2进行定电压控制。需要指出的是，S2控制电压为控制S1直流电压到额定值，即±800kV。

虽然两站间能够通信，但逆变站并不直接采用整流站直流分压器测量值，而是根据本站的测量值加上线路压降作为被控对象，具体计算方法如式（1）和式（2）所示。

式中：drec为S1直流电压；dinv为S2直流电压；d为直流线路等效电阻；d为直流电流；dinvl为S2极线电压；dinvn为S2中性线电压。

线路压降等于线路电流与线路电阻的乘积，而在直流最小功率下电流被控制在给定值，由于直流输电线路距离长，其线路电阻为变化量，因此线路电阻的大小成为计算线路压降的关键。本工程线路及接地极电阻见表1。

表1 线路及接地极电阻 单位: W

S1直流电压计算逻辑如图5所示，S1直流电压减去S2直流电压测量值，除以直流电流得到线路电阻，经过最大最小阻值限幅后的值作为线路电阻计算值，此阻值乘以直流电流得到直流线路的压降（金属回线时压降值乘以2），再加上接地极的压降和S2直流电压测量值，作为整流侧直流电压测量值。

图5 S1直流电压计算逻辑

本工程设计额定电流5 000A，额定电压800kV，即此工况下对应电阻为160W，以此为1p.u.，将线路电阻最大最小值转化为标幺值，即图5中0.032 75和0.020 75。相较于极线直流线路，接地极线路长度较短，受温度、湿度等影响较小，计算中性线压降时取额定值作为接地极电阻，即0.55W+1.9W= 2.45W，其标幺值为0.015 312 5。

2.3 理论分析

如果直流分压器测量正确，直流电压异常由控制系统引起，则反送时S1电压不会低于S2电压，因此排除控制系统故障。存在以下两种异常可能：①在S1电压测量结果偏高、S2电压测量结果正确的情况下，以S1电压测量值为基础加上线路压降，虽然S2电压测量值偏高，但线路压降有上限，此时S2控制器所得到的S1电压仍处于正常范围；②假设S2测量值偏低，此时控制系统以此低压值为基准，加上电压差，计算出的S1电压偏低，则S1会调整触发角升高电压，S1电压将偏高。根据上述分析，S2电压测量偏低或者S1电压测量偏高都会导致系统电压偏高。

依据实际运行状态进行稳态参数校核，即根据稳态下的触发角度、分接头档位、交流电压、直流电压、直流电流来推断分压器异常测点及测量偏差范围。

式中：di0为换流变阀侧电压；ac为交流电网线电压有效值；为当前档位与额定档位（26档）差值；D为换流变档位步长；line为换流变网侧相电压额定值；valve为换流变阀侧相电压额定值。

式中：为阀组个数，特高压直流工程为2；为触发角；为熄弧角；d为等效换相电抗；d为等效换相电阻；dN为直流额定电流；d为直流电流实际值；di0N为理想空载电压，整流侧为236.2kV，逆变侧为227.0kV。整流侧计算直流电压采用式（4），逆变侧计算直流电压采用式（5）。

系统处于稳态时，式（3）、式（4）或式（5）中ac、line、valve、d、d及换流变档位等参数为定值，非定值参数为触发角（熄弧角），因此参数校核过程主要校对触发角和直流电压是否对应。

需要特别说明的是，在工程调试过程中，控制系统下发触发角指令，换流阀侧通过高精度故障录波手动测量触发角，若二者有偏差则通过调整阀组控制系统中相应参数进行补偿，以达到测量值和指令值一致，但由于外置故障录波器固有精度问题（采样周期50ms），所以触发角会有0.9°左右的误差。整流站、逆变站换流变参数分别见表2、表3。

表2 整流站换流变参数

表3 逆变站换流变参数

2.4 整流站参数校核

调取此工程之前0.1p.u.工况下系统调试录波，将直流电流、两站直流电压与理想空载电压、直流输送功率、触发角等数据进行统计，得到整流侧系统稳态参数见表4，其中下标R表示整流侧参数，下标I表示逆变侧参数。

将表4数据代入式（3）、式（4），经推算得到：

表4 整流侧系统稳态参数

1）假定S1直流电压测量正确，则可计算出对应的触发角为23.6°，与控制中触发角指令值22.7°相差不到1°，稳态参数基本吻合。

2）假定S2直流电压测量正确，则S1的直流电压=S2直流电压+线路压降（2kV）=801kV，将801kV代入式（4）反推，此电压对应的触发角为24.6°，这一值与实际录波值22.7°已有1.9°差值，此情况可能性较小。

3）若实际触发角为22.7°，由此计算得到的直流电压为813kV，比测量值大，即测量值偏低，在此条件下前文S1电压测量值偏高的假设不满足。

综合上述1）、2）、3），推出应为S2测量值偏低，且偏低约6kV。

2.5 逆变站参数校核

调取系统调试期间逆变侧0.1p.u.工况下的录波，获得逆变侧系统稳态参数见表5。

表5 逆变侧系统稳态参数

将录波中主要状态量代入式（3）和式（5）推算得到：

1）假定S2直流电压测量值准确，计算得到的熄弧角为20.7°，与指令值18.7°相差2°，此种可能性不大。

2）假定S1直流电压测量值准确，则整流站测量值减去线路压降后得到逆变站的直流电压为805kV，由此计算得到的熄弧角为19.7°，与录波值18.7°相差1°，在误差允许范围内。

综合上述1）、2），S2测量值存在偏差的可能性更大，且偏低约6kV。

依据上述过程分别在0.2p.u.和1.0p.u.工况下对S1、S2参数进行校核，分析结果基本一致。综合校核结果，确认逆变站直流分压器测量值偏低，且偏低约6kV。

3 检查及校准

此工程直流系统停运期间，利用标准源对两站直流分压器进行检查。S1站800kV分压器、中性线50kV分压器误差在0.05%以内，满足规范要求。S2站校准前800kV分压器检测结果见表6。检测结果表明，S2极1、极2母线800kV分压器测量值与标准值有0.7%左右的负偏差，S2低于正常值约800kV×0.007=5.6kV，此结果与之前理论分析结果基本一致。此外，极1、极2阀组400kV分压器，极1、极2中性线50kV分压器与800kV分压器类似，也有0.7%～1%的负偏差。

根据检测结果，现场对全站直流分压器进行0.7%的正补偿，补偿之后再次对800kV分压器进行检测，结果见表7，测量比差在-0.06%内，符合设计规范要求。极1、极2阀组400kV分压器，极1、极2中性线50kV分压器检测结果与800kV分压器类似。

系统解锁功率正送时校准后两站极2直流电压及功率如图6所示，S2直流电压为-797kV左右，S1直流电压为-800kV左右，均与成套设计一致，满足现场运行需求。

表7 S2站校准后800kV分压器检测结果

图6 校准后两站极2直流电压及功率

4 结论

在精度校准后，现场直流电压恢复正常，与理论分析相符，且系统功率与直流电流均和设计值一致，满足成套设计要求。通过本次直流电压异常分析处理，可以得出以下结论：

1）分系统调试做到数据记录详实，结论明确，减少投运后的工作量，降低因调试期间精度校准、数据记录不实而影响系统安全稳定运行的风险。

2）通过单变量稳态校核能够快速准确定位直流输电系统电压、电流、角度异常位置及原因。

[1] 陈思远. 高压直流输电系统直流电压稳定控制策略研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2018.

[2] 孙哲, 李彦斌, 张兆华, 等. 特高压换流站直流分压器二次侧过电压保护[J]. 电网技术, 2019, 43(7): 2601-2609.

[3] 郭虎锋, 张五悦, 刘霄, 等. 锡盟—泰州特高压直流输电工程受端串联阀组中点分压器电压采集异常解决策略[J]. 电气技术, 2020, 21(6): 73-77.

[4] 滕予非, 李小鹏, 焦在滨, 等. 特高压直流分压器传变特性及其对电压突变量保护影响[J]. 电力系统保护与控制, 2019, 47(23): 122-130.

[5] 滕予非, 汤涌, 汪晓华, 等. 特高压直流输电工程直流分压器动态特性及其引起的误闭锁机理研究[J]. 电网技术, 2016, 40(9): 2646-2653.

[6] 安海清, 李振动, 金海望, 等. 张北柔直电网直流分压器二次电压测量异常引起误闭锁机理分析及改进措施[J]. 电力自动化设备, 2021, 41(8): 156-160, 168.

[7] 杨欢欢, 朱林, 蔡泽祥, 等. 直流控制对直流系统无功动态特性的影响分析[J]. 电网技术, 2014, 38(10): 2631-2637.

[8] 李光耀, 闫殳裔, 王晓禹, 等. 直流分压器故障诊断分析[J]. 东北电力技术, 2023, 44(1): 60-62.

[9] 常昊添, 李建春, 赵文强, 等. 基于动模仿真的混合级联直流输电系统控制策略[J]. 电气技术, 2023, 24(1): 50-59, 64.

[10] 张平, 杨朋威, 汤汉松, 等. 直流电压测量装置暂态阶跃响应性能现场测试技术[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(9): 143-149.

[11] 李建辉, 王波, 刘垒, 等. 基于时空特性的直流线路保护性能分析方法[J]. 电气技术, 2022, 23(8): 41-45, 52.

[12] 王祺元, 靳巩磊, 康婧婧, 等. 高压直流输电工程换流变进线电压互感器断线故障分析[J]. 电气技术, 2023, 24(5): 71-75.

[13] 欧开健. 电压测量偏差对直流输电系统影响仿真研究[J]. 南方电网技术, 2008, 2(1): 27-30.

[14] 孙瑾, 张念, 金鑫. 特高压直流测量电压异常分析与电压控制逻辑优化[J]. 湖北电力, 2014, 38(4): 5-8.

[15] 尹海涛, 赖皓, 潘立邦. 特高压换流站极解锁时过压保护动作分析及改进措施研究[J]. 电工技术, 2020(8): 88-89, 92.

[16] 段昊, 蔡丽霞. 特高压直流输电线路全启动过电压仿真分析[J]. 吉林电力, 2014, 42(6): 26-29.

[17] 李浩, 杨光, 孙豪. ±800kV换流站直流线路分压器二次分压板电阻失效原因分析[J]. 电工技术, 2020(15): 123-125, 129.

[18] 梁建瑜. 高压直流分压器内部故障对电压测量的影响[J]. 电工技术, 2019(5): 127-129.

[19] 刘凯, 邹强, 张庆武, 等. 青豫直流受端中点分压器投退策略研究[J]. 电气技术, 2021, 22(4): 20-25, 56.

Analysis of abnormal direct current voltage in an ultra high voltage direct current transmission project

JIA Xuantao1XIONG Fei2ZHANG Yuduo1

(1. EHV Branch Company of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd, Hangzhou 311121; 2. XJ Electric Co., Ltd, Xuchang, He’nan 461000)

During the test of an ultra high voltage direct current (UHVDC) transmission project, the data of the voltage divider on the rectifier side is abnormal, especially when the direction of power transmission is reversed. According to the information of AC voltage, DC voltage, DC current, tap switch gear and trigger angle (arc extinguishing Angle) under different power levels with power forward and reverse transmission conditions during the system test, the possible causes of the problem are analyzed from the perspective of theoretical calculation, and the simulation test results are basically consistent with the theoretical calculation. Finally, the inverter side DC voltage divider is utilized to compensate calibration in this paper. The actual voltage value of the DC system is moderate with the complete design, thus the safe and stable operation of the UHVDC project is ensured.

ultra high voltage direct current (UHVDC); DC voltage divider; inverter station; calibration

国家电网公司科技项目（5100-202256001A-1-1-ZN）

2023-08-09

2023-08-30

贾轩涛（1982—），男，高级工程师，主要从事直流输电控制保护系统研究及应用管理工作。