（南方电网超高压输电公司广州局）
摘要：本文介绍了云广特高压直流输电系统的低负荷无功优化功能，阐明了低负荷无功优化功能通过调整换流变分接头和换流阀的熄弧角来完成电压和无功协调控制的机理，分析了换流变控制电压故障对分接头调整的影响和存在的风险，最后给出了风险预控措施和控制逻辑修改意见。
关键词：特高压；分接头；低负荷无功优化
1引言
云广特高压直流输电工程的无功控制功能主要由直流站控来实现。在综合考虑无功平衡和谐波控制需要的条件下，直流站控通过控制交流滤波器组的投切使交直流系统的无功交换容量在允许的偏差范围±ΔQ以内，并通过不同类型滤波器的合理组合，满足滤除换流站谐波的要求[1]。直流站控中对阀组的解锁状态设定了最小的滤波器组合，即1A+1B（提供的无功为380Mvar）。当直流系统传输的有功功率很低时，系统所需的无功功率也较少，甚至低于1A+1B的最小滤波器组合，这是不满足阀组解锁运行的条件的，为了在这种负荷较低的情况下满足阀组解锁运行的条件且消纳过剩的无功实现无功平衡，极控提供了低负荷无功优化功能[2]。低负荷无功优化功能投入后，当系统有功功率低于一定值时（单阀组500 MW，双阀组626 MW，3阀组700MW，4阀组750MW），该功能自动激活，通过降低系统电压来增大换流器消耗的感性无功，以达到最小滤波器组的要求，实现无功平衡。
2低负荷无功优化电压控制过程分析
低负荷无功优化激活后降电压的过程如下：直流站控根据测量系统上传的实时电流和电压计算功率，并根据图1所示的预定的U-P曲线设定降压运行的电压参考值送至极控；极控按照这一电压参考值来降压。降压是通过熄弧角和分接头的协调控制来实现的，分接头在定熄弧角（整流侧为触发角）控制模式的制约下逐步升高档位；在调整到最高档16档（整流侧为18档）之前，熄弧角保持17.5~21.5度之间变动，即熄弧角增大到21.5度临界值时电压仍不能降到设定参考值，分接头将升高一档，使得熄弧角恢复至17.5~21.5度之间后继续增大促使电压持续下降，熄弧角再次增大至21.5度时，分接头继续升高一档，如此反复，直至分接头升至最高档16档，此时若直流电压仍没有降到设定的参考值，分接头保持在16档，熄弧角将继续增大，直至电压降到设定的参考值。
低负荷无功优化功能正常投入需要满足如下条件：（1）两站站间通信正常；（2）系统控制级运行；（3）两站低负荷无功优化功能均使能：（a）分接头为自动定角度控制模式；（b）分接头未失步；（c）分接头无故障；（d）分接头可控。
由此可见，低负荷无功优化功能的实现过程与换流变分接头控制密切相关，无功优化功能的投入对分接头的控制模式和状态也有明确的要求[3]。一旦某一条件不满足要求，低负荷无功优化功能将自动退出，其结果将给同极双阀组的平衡稳定运行带来巨大风险。根据现场实际运行经验，分接头故障和失步是造成双阀组不平衡运行风险的主要原因，而换流变控制电压故障是导致分接头故障和失步的重要因素，需要在运行维护中特别关注。下面将以换流变控制电压故障导致分接头调整失败这一典型问题为例深入分析其对低负荷无功优化功能和同极双阀组平衡运行的影响。
3换流变控制电压回路分析
换流变控制电压故障由换流变本体控制柜中相关空开状态的改变所导致，高、低端换流变略有不同，下面分别加以讨论。
3.1低端换流变控制电压故障
如图2所示，低端换流变本体控制柜中的空开F11、F12、F15任意一个断开将产生CONTROL VOLTAGE FAULT的故障信号。
低端换流变控制电压故障信号涉及的电源回路如图3所示，F11为控制柜GH001内控制面板及CPU等提供电源。其中，控制面板及CPU电源共有三路冗余：
第一路为F11，由交流/直流转换模块将230V交流电转换成24V直流电；
第二路为F21，由直流/直流转换模块将220V直流电转换成24V直流电；
第三路为F22，由直流/直流转换模块将220V直流电转换成24V直流电。
三路电源均正常时，由F11与F22两路电源供电。
F12为冷却器控制提供交流230V电源。
F15为分接开关操作提供控制电源，其上级电源是F21与F22二取一后的220V直流电。
由以上分析知，只有为分接开关操作提供电源的空开F15跳开时，分接开关才不能进行调整，而F11或F12跳开后对分接开关操作回路和控制回路无影响。但是由于这三个空开共用一个信号回路，导致任何一个空开跳开均会上传“CONTROL VOLTAGE FAULT”至组控，然后组控禁止分接开关调整。此设计是不合理的，F11或F12跳开后应不影响分接开关的调整。
3.2高端换流变控制电压故障
如图4所示，高端换流变本体控制柜中的空开F11、F12、F13、F31、F32任意一个断开将产生CONTROL VOLTAGE FAULT的故障信号。
高端换流变控制电压故障信号涉及的电源回路如图5所示，F11为控制柜GH009内控制面板及CPU等提供电源。其中，控制面板及CPU电源同低端换流变，共有三路冗余：
第一路为F11，由交流/直流转换模块将230V交流电转换成24V直流电；
第二路为F21，由直流/直流转换模块将220V直流电转换成24V直流电；
第三路为F22，由直流/直流转换模块将220V直流电转换成24V直流电。
三路电源均正常时，由F11与F22供电。
F31为上述三路电源的下级电源空开，为冷却器提供控制电源；
F32为上述三路电源的下级电源空开，为功率计P11提供电源；
F12由交流/直流转换模块将230V交流电转换成30V直流电，为总线汇控器提供电源；
F13为分接开关提供230V交流控制电源。
与低端换流变类似，只有为分接开关操作提供电源的空开F13跳开时，分接开关才不能进行调整，而F11、F12、F31、F32跳开后对分接开关操作回路和控制回路无影响。但是由于此五个空开共用一个信号回路，导致任何一个空开跳开均会上传“CONTROL VOLTAGE FAULT”至组控，然后组控禁止分接开关调整。此设计是不合理的，F11、F12、F31、F32任何一个空开跳开后应不影响分接开关的调整。
4风险分析
前面我们已经分析了低负荷无功优化功能是通过调整分接头和熄弧角来完成电压和无功的协调控制的。当功率水平较低时（3阀组700MW，4阀组750MW），无功优化功能将激活，换流变分接开关调整至16档，极运行电压降至660kV左右；当功率水平调整至较高水平时，无功优化功能不起作用，换流变档位往回调整，最终直流电压恢复800kV。
换流变控制电压故障将导致组控禁止分接头调整，但是按照当前低负荷无功优化的投入条件，该故障不会导致低负荷无功优化功能退出。若功率水平下降至无功优化启动值，换流变档位开始往16档方向调整。此时发生换流变控制电压故障，如低端换流变控制柜内分接头控制电源空开F15（高端为F13）跳开，本阀组6台换流变分接开关将不再调整，而此时同极另一个阀组仍会继续往16档调整，分接头每档调整时间约5s，16档共需约80s调整时间，当同极两个阀组档位差到一定程度时，单极双阀组随时有跳闸风险。
同理，若负荷水平较低时在低负荷无功优化功能的作用下换流变分接开关已经调整至16档，极运行电压降至660kV左右运行，此时分接开关控制柜GX001内的分接开关空开Q1跳开，将导致该换流变报分接头故障（TAP CHANGER FAULT），系统无功优化功能会自动退出。系统无功优化功能退出后，极运行电压会从660kV重新升回至800kV。按现运行经验，无故障的阀组换流变分接头档位将从16档开始回调，而Q1跳开的阀组6台换流变的分接头将无法调整。若不及时消除故障，同极双阀组换流变之间的分接头档位差会越来越大，双阀组各自承担的电压不平衡度越来越严重，单极仍存在跳闸风险。而根据分接头调整时间，可供消除故障的时间将不足1分钟。
5风险预控措施及修改建议
对于同极双阀组串联的运行极，发生影响分接头的故障后，总的处理原则是：尽量保持双阀组换流变档位基本一致。
（1）功率调整过程中发生分接头故障时，应立即停止功率调整。
（2）若由于负荷下降至低负荷无功优化功能启动值，由无功优化功能调整分接头时，换流变报控制电压故障信号（CONTROL VOLTAGE FAULT），立即向总调申请升高系统负荷至高于无功优化功能启动值的水平或直接退出无功优化功能。
（3）低负荷无功优化激活后，当分接头控制柜GX001内的Q1跳开时，SER会上报分接头故障信号（TAP CHANGER FAULT）。对于该故障，由于极电压回升速度相对较快，因此除尽快消除故障外，可考虑将极降压运行或无故障阀组换流变控制模式转手动，保持双阀组换流变档位差别不大。
鉴于以上分析，可对相关控制逻辑作一些合理的修改：
（1）将换流变控制柜内分接头控制电源空开（高端为F13、低端为F15）跳开后上送的控制电源故障信号（CONTROL VOLTAGE FAULT）单独上传至组控，实现禁止分接头调整。而其余空开跳开后不再禁止分接头调整。
（2）对于F13或F15空开跳开或Q1跳开导致双阀组换流变档位差别大，存在单极跳闸风险的问题，首先从可从控制逻辑进行修改，当分接头调整过程中，任何一个阀组换流变分接头因故障不能调整时，同极另一个阀组的换流变分接头可暂停调整，尽量保持双阀组换流变分接头一致。其次，可重新考究同极双阀组换流变档位差引起阀组电压不平衡导致跳闸的定值是否合理。
参考文献：
[1]赵婉君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004
[2] 戴熙杰.直流输电基础[M].北京：水利电力出版社，1990
[3] 浙江大学直流输电科研组.直流输电[M].北京：水利电力出版社，1985.
论文作者:姚自林
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：电压论文; 故障论文; 负荷论文; 阀组论文; 电源论文; 功能论文; 直流电论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;