分層接入特高壓直流系統換相失敗預測控制策略研究

焦 浩，高 煒，宋慧慧

（國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

上海廟—臨沂±800 kV特高壓直流輸電工程起于內蒙古鄂爾多斯上海廟換流站，止于山東省臨沂市沂南換流站，采用分層接入方式。其中，±800 kV沂南換流站 （簡稱沂南站）由500 kV智圣變電站和±800 kV沂南換流站合建而成，雙極四閥組額定輸送容量 10 000 MW，額定電壓±800 kV，額定電流6 250 A。上海廟—臨沂±800 kV特高壓直流輸電作為國內第一批特高壓±800 kV／6 250 A／10 000 MW受端分層接入直流輸電工程，其特高壓直流受端分層接入不同電壓等級交流電網，可有效提高受端交流系統的電壓支撐能力、改善電網潮流分布，對保障電網的安全穩定運行具有重要意義。

上海廟—臨沂±800 kV特高壓直流輸電工程受端與常規特高壓直流工程不同，采用分層接入方式，每極高低端閥組分別接入500 kV與1 000 kV交流電網。受端兩個交流電網通過交流聯絡變壓器相連，存在耦合度。根據華北地區多饋入直流輸電系統換相失敗仿真分析可知，寧東—青島、上海廟—臨沂、扎魯特—青州直流逆變站換流母線附近發生故障，均引起膠東換流站、沂南換流站、廣固換流站母線電壓同時下降，從而導致3回直流同時發生換相失敗，電壓跌落嚴重，引起連續換相失敗，影響整個直流系統正常運行。

在分層接入方式下，沂南站同一極高端閥組接入500 kV交流電網，低端閥組接入1 000 kV交流電網，主回路結構與常規特高壓換流站差異明顯。沂南站具體分層接入交流電網系統結構如圖1所示。

直流控制系統作為換流站最核心的設備，相比常規換流站更為復雜。針對已投運直流工程換相失敗導致直流系統閉鎖案例，結合整個山東電網現狀，有必要對換相失敗預測控制功能做相應的修改與分析。

1 常規特高壓直流換相失敗預測控制策略

換相失敗預測控制（CFPRED）［1］用于防止由交流故障引起的換相失敗。常規特高壓直流該功能包括2個并行的部分：一部分是基于零序檢測法檢測不對稱故障；另一部分是基于交流電壓αβ轉換檢測三相故障。

1.1 換相失敗預測控制判據

1.1.1 零序電壓判據

零序電壓判據主要針對交流系統發生不對稱故障的工況。當逆變側交流系統發生不對稱故障（單相接地、兩相接地、兩相短路）時，交流母線電壓出現零序分量，即三相相電壓總和不為零。若零序分量大于設定值，則啟動換相失敗預測控制功能。

動作條件為：

式中：U0為零序電壓分量，pu；Ua，Ub，Uc為交流母線三相相電壓，pu。

1.1.2 αβ變換電壓判據

αβ變化電壓判據主要是針對逆變側交流系統的擾動工況。交流電壓通過abc—αβ變換得到α軸和β軸上對應的2個分量，三相對稱分量經變換后在α－β平面得到一個以角速度旋轉的矢量。

當逆變側交流系統發生三相接地故障時，若αβ變換輸出值小于穩態工況下αβ變換輸出值，且變化量ΔUαβ超過設定值時則啟動換相失敗預測控制功能。

動作條件為

1.2 保護動作順序

圖2 閥組保護性閉鎖或線路保護移相重啟

常規特高壓直流系統針對換相失敗的控制策略是通過測量逆變側換流變支路上的交流相電壓，計算其零序分量和αβ變換后的變化量，如果計算值超過門檻值，極控系統將增大熄弧角。同時還配有檢測對閥執行換流器X/Y閉鎖時增大本閥組GAMMA角功能。

2 沂南換流站換相失敗預測控制策略

沂南站為分層接入系統［2］，其主回路特征是：受端高端和低端閥組分別接入500 kV和1 000 kV兩個交流電網。

圖3 本閥及對閥換相失敗預測模塊

當受端分層接入的兩個交流電網耦合緊密時，一個電網交流故障對另一個交流電網的影響很強，采用常規直流工程的零序電壓法［3］和αβ變換法換相失敗預測控制功能，兩個交流電網所連接的兩個閥組能夠同步檢測到交流故障，能夠同時啟動換相失敗預測控制，同時增大熄弧角γ以防止換相失敗。

當受端分層接入的兩個交流電網耦合性低或無耦合時，一個電網交流故障對另一個交流電網的影響不大，采用常規直流工程的換相失敗預測控制功能，發生交流故障電網所連接的閥組能夠及時啟動換相失敗預測控制，而另一個交流電網所連接的閥組并不能夠同時啟動換相失敗預測控制。啟動換相失敗預測控制的閥組所接交流電網故障，造成閥組電壓的跌落，引起直流電流的快速增大；而高低壓閥組是串聯在一起的，直流電流的快速增大造成另一閥組的換相時間變長，疊弧角增大，熄弧角快速減小，在該閥組未能及時啟動換相失敗預測控制的情況下，增大了該閥組換相失敗的概率。

針對分層接入時兩個交流電網相互影響會導致換相失敗概率提高，在沂南站基于常規換流站換相失敗預測控制策略進行改進。

2.1 極間交換運行狀態避免換相失敗

通過極間通信傳遞對極運行狀態，閥組保護性閉鎖或者由于線路故障導致線路保護動作移相重啟時，向對極發送增大GAMMA信號，避免一極由于故障發生閉鎖或者移相重啟時，導致另一極電壓波動而引起閉鎖。如圖2所示，該邏輯主要用來檢測對極運行狀態，對極故障引起閥組保護性閉鎖或由于線路故障引起線路移相重啟時，本極要增大GAMMA角預防換相失敗。

2.2 同時配置兩個換相失敗預測控制模塊策略

如圖3所示，受端兩交流電網的電壓信號同時接入高、低壓閥組，受端高、低壓閥組控制主機分別配置兩個換相失敗預測控制模塊，同時檢測兩個交流電網的故障，當任一模塊換相失敗預測控制啟動時，則立即增大熄弧角，以防止換相失敗情況的發生，增大的角度取兩個預測模塊計算值中較大值。

2.3 采用直流電流上升率為判據的策略

鑒于單個閥組發生換相失敗會存在因為直流電流的沖擊而造成另一個閥組跟著換相失敗的可能，在特高壓分層接入工程中增加以直流電流上升率為判據的換相失敗預測功能，判據啟動后立即增大熄弧角，提供閥更大的換相裕度［4］，以防止換相失敗情況的發生；在某些工況下可以提升受端抵御換相失敗的能力。

如圖4所示，采用直流電流上升率為判據的略，其判據應滿足式（7），且保持2 ms。

圖4 增大GAMMA指令

式中：IDNC為直流電流實測值，pu；Iord為直流電流指令值，pu。

換相失敗預測控制策略如圖5所示，策略主要包括：換相失敗預測控制（配置對本閥換相失敗預測和對對閥換相失敗預測）輸出GAMMA增量［5］；電流上升率換相失敗預測［6］、對閥執行換流器X/Y閉鎖、對極有閥組保護性閉鎖或線路保護移相重啟，任一條件滿足時，增大GAMMA角5°。輸出上述兩種策略中較大GAMMA角增量，如圖6所示。

圖5 換相失敗預測控制策略

其中，對對閥進行換相失敗預測、電流上升率換相失敗預測是區別于常規特高壓，針對分層接入系統增加的換相失敗預測控制策略，如圖5中紅色框部分所示。

圖6 GAMMA角增量選擇

3 結語

以特高壓直流輸電換相失敗機理為理論基礎，并結合華北電網多饋入直流系統現狀［7］，考慮各種故障下交直流間及各條直流間的相互影響，以昭沂直流工程沂南站為例，結合常規特高壓直流換相失敗控制策略，分析總結特高壓直流系統分層接入后的換相失敗預測控制策略?；赗TDS仿真模擬臨沂站交流母線電壓發生單相和三相永久接地故障，驗證所提控制策略能有效抑制換相失敗的發生。