±800 kV特高压直流输电工程换流器投退策略分析

李艳梅，李 泰，李少华，魏 巍

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)



±800 kV特高压直流输电工程换流器投退策略分析

李艳梅，李 泰，李少华，魏 巍

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000)

特高压直流输电工程采用双12 脉动阀组串联的接线方式，存在多种运行方式，因此需研究单换流器在线投/退策略。以向上士800 kV特高压直流输电工程为参照对象，讨论了双12脉动阀组的运行方式和电压平衡，详细阐述了极运行时整流侧和逆变侧换流器的投退过程及其投退时触发角控制。借助EMTDC仿真，验证了单一换流器投退顺序控制的动态过程。结果表明该控制策略方案完全满足特高压直流系统设计的要求，对后续的特高压直流输电工程具有直接的指导意义。

UHVDC；换流器投/退；12脉动阀组；EMTDC

近年来，直流输电技术的不断更新，满足长距离、大容量的输电需求的特高压直流输电工程逐渐从研究应用到实际工程建设中，其中向上特高压直流作为我国特高压直流工程的典范工程，是目前世界上电压等级最高、额定容量最大的直流输电系统，代表着我国直流输电技术进入一个新的发展阶段。

与常规直流输电工程相比，特高压直流系统除电压等级升高外，最大不同是采用了单极双12脉动阀组串联的接线方式，其可以2 个换流器串联运行，也可单个换流器独立运行，并在极运行状态下投入或退出某个换流器而不影响同极另一个换流器的正常运行[1]。因此在特高压直流输电工程中，换流器的在线投/退策略更为复杂。

文献[2]对特高压直流工程系统调试中的换流器在线投退试验进行了研究，但由于其偏重于试验结果分析，对换流器的投退过程及其投退时触发角控制描述很少，阀组控制策略比较模糊，不易让人理解。因此本文以±800 kV向上特高压直流输电工程为例，讨论了双12脉动阀组的运行方式和电压平衡，同时借助于图形，以一种简单易懂的方式详细分析了换流器的在线投/退策略。研究结果可为特高压直流输电工程的控制保护系统设计提供技术参考。

1 双阀组的运行方式和电压平衡

1.1 运行方式

±800 kV特高压直流工程与常规高压直流工程相比，除电压等级升高外，最大不同在于特高压采用了双十二脉动阀组串联的一次主回路，并辅以旁通开关、旁通刀闸等一次设备，使得其运行方式多样化，具体的接线方式包括：完整双极平衡运行；1/2双极平衡运行；一极完整、一极1/2不平衡运行；完整的单极大地回线运行；完整单极金属回线运行；1/2单极金属回线运行；1/2单极大地回线运行。

针对以上特点，特高压直流工程换流器的在线投切需要选择合适的控制策略，并且其投切过程需要依照一定的操作顺序，以及旁通开关和解锁闭锁控制在时间上的紧密配合。

1.2 电压平衡

特高压单极有2个12脉动阀组串联，为确保各阀组灵活独立运行，为2个阀组各自配置了完全独立的点火控制系统。因此，2个换流器的触发角控制要相互配合，否则串联阀组竞争控制电流以及一些测量误差和计算指令周期不同步等因素会引起整流侧触发角偏移，导致串联的高、低端阀组电压差越来越大，使运行不稳定，因此在双12脉动换流器串联运行时需采取电压平衡措施来避免整流侧上下12脉动换流器触发角的偏离[3]。

为解决以上问题，向上特高压直流工程将2个换流器的触发角控制都集中在极控制保护模块中，之后将产生的触发角分别送至两个阀控制保护模块中，发出触发控制脉冲CP。因此，稳态运行时整流侧同一个极的两个换流器的触发角相同，不会受测量误差影响，能够均匀地分配直流电压，而且两个阀组连接于同一个交流系统，换相电压相同。因此，不需要任何措施就可保证串联12脉动阀组的电压平衡。而且，即使同极高、低端的2个换流单元间无通信，仍可保证其稳定运行。

2 换流器在线投/退控制策略

换流器在线投切有两种不同的控制方法。

第一种方法是基于端电压为零的方法，利用阀组控制层的启动控制放大器模块控制，使流过待投阀组的电流逐渐增大，旁通断路器上电流逐渐减小，当两者之差大于一定值之后，电流会产生过零点，同时迅速跳开旁路断路器实现直流电流转换到换流阀中。向上工程采用的就是这种方法。

在线投入换流器的过程见图1。

第二种方法是固定触发角为70°的方法。利用启动电流控制器，将即将投入的第2组换流阀的触发角设置为70°，形成2个阀组的零功率运行，将直流电流转移到即将导通的阀上。这时在旁路断路器上仅流过12次谐波等直流特征谐波电流，由于谐波电流有多个过零点，在这之后跳开旁路断路器，可以确保旁路断路器有多个时间点灭弧[4]。

第二种策略投入第2个阀组的时间很长，超过2 155 ms，启动顺序控制逻辑比较复杂，对系统的无功支撑要求很高，投入时在整流侧和逆变侧直流系统的无功消耗为正常完整运行方式的2倍。而第一种策略整个投入第2个阀组的时间不会超过1 000 ms，比较快速，对交流系统的无功冲击小，控制逻辑比较简单，因此，本文采用的基于端电压为零的控制方法，以±800 kV向上特高压直流输电工程为例，详细分析在第一种策略下单个换流器的在线投入和退出。

2.1 换流器的在线投入

在线投入的策略是在投入的阀组两端创造一个0电压，同时用PI调节器跟踪极电流，使极电流向投入的阀组中转移，待旁通断路器中电流下降到断路器的开断容量后，拉开。在阀组达到完全运行状态之前，阀组的触发角由阀组控制层的SCA(Start Control Amplifier)控制，之后再由极控制层的CCA接管。

以整流站为例，阀组两端电压为0的条件：

Udio=230 kV，UdioN=230 kV，

式中Udio——空载直流电压；UdioN——额定空载直流电压；Id——直流电流；IdN——额定直流电流；dx——相对感性压降；dr——相对阻性压降；α——触发角。

当Ud=0时，可求得α≈85°

图1所示为在线投入换流器CV1的过程。

图1 在线投入换流器的过程

图2 换流器触发控制系统框图

CV2不停运，在线投入CV1的步骤：

(1)闭合隔离开关AI、CI;

(2)闭合旁通断路器BPS，与BPI并联分流;

(3)断开旁通隔离开关BPI;

(4)解锁换流器CV1，此时，CV1与BPS并联分流;

(5)当电流完全由BPS转到CV1上时，断开BPS，换流器进入稳定运行状态。

本文所采用的控制策略，主要通过SCA(启动控制放大器)和开关/断路器的相互配合，来完成上述操作。换流器触发控制系统框图，见图2；SCA模块控制逻辑图，见图3。图2中MC是主控制器；VDCOL是低压限流器；CCA是电流控制放大器；CFC是触发控制器；CPG是控制脉冲发生器；CMU是电流测量单元；IO_FR_PPC是极功率控制输出的电流指令；△Io是电流裕度补偿值；IORD是最终的电流指令；FIR_TIME是两个连续触发脉冲的时间间隔；CP是触发脉冲。图3中IDIFF_SCA表示将换流阀的桥臂电流与线路电流的差值作为SCA的差分输入；O_RETARD_SCA为SCA移相命令；ALPHA_ORD_POLE为极功率控制层送来的触发角；ALPHA_ORD_SCA输出的是SCA计算出ALPHA_ORD为输入到换流阀的触发角。投入单个换流器的触发角计算程序封装在SCA中。

图3 SCA模块控制逻辑图

2.2 换流器的在线退出

换流器在线退出遵循的原则是：先退出逆变站，后退出整流站。在退出的阀组两端创造一个0电压，在旁通对的配合下把电流转移到旁通开关BPI中。

在线退出整流站/逆变站换流器过程如图4所示。

(1)在线退出；

(2)命令整流站/逆变站要退出的换流阀触发角以一定斜率上升/下降到90°；

(3)投入旁通对(BPPO)，为直流电流提供一个电流通道；

(4)闭合旁通断路器BPS，电流转移到BPS中；

(5)闭锁换流阀，在电流过零时换流阀停止导通；

(6)闭合旁通隔离开关BPI，拉开BPS，打开隔离开关AI、CI，使换流器转为隔离状态。

3 EMTDC试验波形

为验证单个换流器的在线投切过程，在EMTDC中建立了相关模型，并进行了试验，给出了相关波形。

试验系统运行模式为：大地回线，功率控制，功率参考值320 MW，正向功率传输，联合控制。试验模型中交流系统的短路比SCR为8.95，是强系统，且该模型禁用了RPC功能。两站触发录波的时间起点为站1极1阀组1解锁时刻，模拟的站间通讯延时是20 ms。

3.1 极1低端换流器运行时投入高端换流器的波形

试验前CV2 已经投入稳态运行，在此基础上投入CV1的仿真波形如图5、图6所示，图中包含5个变量，依次是CV1 Status表示换流器投入过程中CV1的状态；UDL表示直流线电压；CV ID表示阀组侧直流电流；CV1 ALPHA表示CV1触发角；POLE ALPHA表示极控制发出的触发角；CV R PWR表示换流器消耗的无功。对其仿真结果分析如下：

(1)CV1触发角的变化过程：以整流站为例，起初触发角由极控制层的CCA控制；极控制层下达启动命令之后，触发角由SCA接管，通过限幅使ALPHA_ORD=164°；然后换流器解锁，整流侧触发角逐渐被调节到85°；SCA下达命令打开BPS，当BPS顺利打开200 ms后，且输入到SCA的差分电流小于0.1时，又经过200 ms的延时，整流侧触发角逐渐转化为由极控制层的CCA接管，整流侧触发角再次被调整为20°，换流器进入完全运行状态。逆变侧在该过程中点火角从164°迅速调整到90°附近后缓慢调整到159°左右。

图4 在线退出换流器的过程

(2)在整流站CV1投入过程中，CV2触发角α的变化过程：ALPHA_ORD_CV2有一个从17°上升到33°，最后又稳定在20°的过程。分析其原因如下：在CV1投入前，稳定运行的CV2触发角等于17°；在CV1投入过程中，随着直流电压的升高，逐渐增大CV2触发角来降低电流，在直流电压快速上升的这段时间里，维持CV2在33°运行；因该过程中禁止换流变压器分接头动作，所以达到稳态的触发角比设计值稍高，最后CV2触发角稳定在20°。

(3)换流器无功消耗的变化过程：在阀组投入过程中无功消耗最大为1/2 稳态运行的3倍。分析其原因如下：在CV1投入程中，为保持直流功率恒定，随着直流电压的快速上升，直流电流下降，CV2大角度运行，消耗大量的无功功率，但由于直流电压的上升时间约为200～300 ms，持续时间较短，预先投入1～2组交流滤波器，总共注入约1 597 MVar无功功率，便可满足要求。

整流侧单12脉动换流器的无功需求按下式计算，逆变侧的无功需求计算只需将下式中的α用γ代替即可。

式中Qconv——换流器无功需求；Id——直流电流；Udio——6脉动桥空载直流电压；μ，α，γ——换相叠弧角、触发角和熄弧角。

图5 整流站极1CV2运行时投入CV1的波形

图6 逆变站极1CV2运行时投入CV1的波形

3.2 极1双换流器运行时，退出高端换流器的波形

试验前CV1 、CV2 已经投入稳态运行，在此基础上退出CV1的仿真波形如图7、图8所示，图中包含6个变量，依次是CV1 Status表示换流器投入过程中CV1的状态；UDL表示直流线电压；POLE ID表示极侧直流电流；IDC1P表示极1高端阀侧Y绕组电流；POLE ALPHA表示极控制发出的触发角；CV R PWR表示换流器消耗的无功。对其仿真结果分析如下：

① 触发角的变化过程：整流站触发角以一定斜率从15.5°上升到90°，经过0.35 s，触发角再次被调整为14.8°，换流器退出运行。逆变站触发角以一定斜率从159.7°下降到90°后，经过0.35 s，触发角再次被调整为157.2°，换流器退出运行。

② 换流器无功消耗的变化过程：无功消耗在阀组退出过程中最大为完整稳态运行方式的6倍。

图7 极1双换流器运行时，整流站退出CV1波形

图8 极1双换流器运行时，逆变站退出CV1波形

分析其原因如下：在CV1退出程中，随着直流电压的快速下降，直流电流上升，换流器需要的无功功率增加。为避免对系统的冲击，预先投入交流滤波器，总共注入约2 000 Mvar的无功功率，便可满足要求。

4 结论

本文以向上±800 kV特高压直流工程为背景，针对其单极串联12脉动双阀组的接线方式，详细分析和介绍了低端换流器运行时投入高端换流器和双换流器运行时退出高端换流器的操作顺序和控制策略。在EMTDC中建立了相关模型，对阀组投退进行了仿真实验，给出了相应的控制时序和波形。通过对其仿真结果分析，可以得出以下结论：

(1)换流器在线投入时应先投入整流侧再投入逆变侧；

(2)换流器在线正常退出时应该先退出逆变侧再退出整流侧；

(3)换流器在线投入时触发角从164°逐渐下降到80°～105°的某个值。在此过程中触发角由极控制层的CCA转化为阀组控制层的SCA接管，使电流完全由BPS转移到CV1，断开旁通BPS，触发角由SCA逐渐转化为极控制层的CCA接管，一段时间后换流器进入稳定运行状态；

(4)为减小对系统的冲击，投切过程需要依照一定的操作顺序，阀组的触发角、旁路断路器与投入旁通对命令的时间应紧密配合。

[1]罗 磊，盛 琰，王清坚，等．特高压直流输电系统顺序控制的研究[J]. 电力系统保护与控制，2011，39(23)：30-33.

LUO Lei, SHENG Yan, WANG Qing-jian，et al. Research on sequence control in UHVDC system[J].Power System Protection and Control,2011,39 (23):30-33.

[2]李新年，李 涛，吕鹏飞，等．向家坝至卜海特高压直流输电工程换流器的投退策略分析[J]．高电压技术，2011，37(5)：1232-1237.

LI Xin-nian, LI Tao, LV Peng-fei, etal. Analysis on the strategy of converter entry/exit for Xiang jia ba to Shanghai UHVDC Project [J].High Voltage Engineering,2011,37(5):1232-1237.

(本文编辑：杨林青)

Strategy of Converter Entry/Exit for ±800 kV UHVDC Project

LI Yan-mei, LI Tai, LI Shao-hua, WEI Wei

(XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

The series connection of dual 12-pulse valve groups adopted in the HVDC transmission project operates in multiple modes; therefore, it is necessary to study strategies of converter online entry/exit. Using Xiangjiaba-Shanghai ±800 kV HVDC transmission project as referent, this paper discusses the operation mode and voltage balance of dual 12-pulse valve groups, and elaborates entry/exit process and the firing angle control of converter for two stations in the pole running. EMTDC simulation was applied to verify the dynamic process of sequential control for entry/exit of single converter group. Simulation results show that the proposed control strategy can completely satisfy the design requirement of HVDC power transmission system, which can provide direct guidance for the follow-up UHVDC transmission projects.

UHVDC；converter entry/exit；12-pulse valve groups；EMTDC

10.11973/dlyny201506002

李艳梅(1985)，女，硕士，从事高压直流输电系统研究。

TM76

A

2095-1256(2015)06-0751-07

2015-10-28