李曉華, 張冬怡, 丁曉兵, 田　慶, 蔡澤祥

(1. 華南理工大學電力學院, 廣東省廣州市 510640; 2. 中國南方電網(wǎng)電力調度控制中心, 廣東省廣州市 510623)

0　引言

近幾年來,南方電網(wǎng)出現(xiàn)了多起因換流變壓器(以下簡稱換流變)空載合閘而導致的直流保護誤動事件[1],嚴重影響了直流輸電系統(tǒng)的安全運行。事故分析表明空投換流變產(chǎn)生的勵磁涌流,在運行換流變產(chǎn)生了和應涌流,其含有大量的諧波,特別是正序二次諧波。正序二次諧波會經(jīng)換流閥的傳遞和轉化,在直流側形成50 Hz諧波[2-3]。當前研究和應涌流的文獻大多針對普通電力變壓器和應涌流的產(chǎn)生機理以及影響因素[4-8],缺少對換流變和應涌流的分析。換流變的運行工況與普通電力變壓器存在差異,兩者的影響規(guī)律不盡相同。而換流變和應涌流的文獻大多關注和應涌流對差動保護的影響以及反措研究[9-13],很少關注換流變和應涌流的正序二次諧波特性及其影響因素。

對此,本文首先分析了換流變產(chǎn)生和應涌流的特性以及正序二次諧波的特殊性;在此基礎上分析了交流系統(tǒng)強度等運行條件對和應涌流的影響,著重從直流運行特殊性分析了交流系統(tǒng)電壓以及直流輸送功率等直流運行工作點關鍵因素對和應涌流正序二次諧波的影響;最后分析了同塔雙回直流輸電工程輸電線路的特殊性及其運行換流變和應涌流正序二次諧波的不平衡性。

1　換流變和應涌流的特性分析

在直流輸電系統(tǒng)中,鄰近電廠主變空投以及站內(nèi)停運極換流變空充,均會在運行極換流變產(chǎn)生和應涌流。其中換流變與運行極的電氣距離更近,因而對運行極換流變影響更大。因此，本文以換流站內(nèi)停運極換流變空充時運行極換流變的和應涌流為例,展開分析。

1.1　和應涌流機理分析

換流站中兩極的換流變并聯(lián)于換流站的交流母線上,因此以兩臺并聯(lián)于同一母線處的參數(shù)相同的單相變壓器說明機理,兩臺單相變壓器的等效電路如附錄A圖A1所示。

設電源側電壓為u(t)=Umsinωt。由文獻[14]可知,設變壓器T1空載(輕載)在電壓相角為α處合閘,θ1=t(t<2π)和θ2=t+2π為IS,I1和I2三者共同過零點處,則運行變壓器T2的磁鏈Φ2表達式可簡化為:

(1)

式中：RS為系統(tǒng)內(nèi)阻；Rσ為一次回路漏電阻；Rm為勵磁電阻；IS為電源電流；I2為運行變壓器支路電流。

由此可見,RS，Rm，IS以及I2均影響和應涌流幅值的大小?？胀蹲儔浩鞯膭畲庞苛髟谶\行變壓器中產(chǎn)生磁通偏移,由于磁通不能突變,因此存在一個正向/負向累積,并在達到最大值后跟隨涌流衰減的過程[8],對應的和應涌流,也有一個由小增大而后減小的過程。實際能測量到的和應涌流,是廣義和應涌流,包含了因母線電壓波動而造成的波動的電流(勵磁涌流在運行變壓器支路上的分流)以及因鐵芯正向(或負向)飽和而產(chǎn)生的涌流(由于母線電壓的變化引起的運行變壓器的勵磁電流的改變,狹義的和應涌流)。后文中和應涌流均指廣義和應涌流。

和應涌流中含有大量非周期分量,其傅里葉分解結果如圖1(a)所示?？煽闯?和應涌流中含有大量二次諧波。提取出其正序二次諧波分量,如圖1(b)所示。可知,正序二次諧波的幅值約為二次諧波的1/2,高達65 A,且衰減緩慢。正序二次諧波流經(jīng)換流器即轉化成50 Hz諧波[2-3]。

圖1　和應涌流的諧波分析Fig.1　Harmonics analysis of sympathetic inrush current

1.2　直流換流變空投的特殊性

雙極直流輸電系統(tǒng)中,站內(nèi)換流變一極換流變因故障重啟或檢修而空投,另一極換流變產(chǎn)生和應涌流的情況只存在于單極大地運行的運行方式中,極2單極大地運行示意圖如附錄A圖A2(a)所示。

對比極2單極大地等效電路圖與單相變壓器并聯(lián)電路圖可知,對于運行換流變而言,式(1)中的RS應為交流系統(tǒng)和交流濾波器的等效值;附錄A圖A1中的負荷應為兩站換流器、直流線路、逆變側交流系統(tǒng)以及交流濾波器的等效值。由此可見,直流功率的調整雖然不像交流系統(tǒng)依賴系統(tǒng)阻抗的改變,但其大小改變會影響交流濾波器的投入,進而影響和應涌流。

換流變壓器的有載分接頭位于換流變網(wǎng)側,其擋位直接影響運行換流變的勵磁阻抗以及變比k,進而影響換流變的閥側阻抗和運行換流變支路電流I2。換流變有載分接開關調節(jié)范圍一般是15%～20%,每擋檔距通常在1%～2%之間。換流變擋位寬幅的有載動態(tài)調節(jié)范圍決定了研究換流變和應涌流特性時必須要考慮分接頭位置的影響。

交流濾波器接在換流站中的交流場中,即交流濾波器與交流系統(tǒng)阻抗并聯(lián)成交流系統(tǒng)等效值。因此,在研究換流變和應涌流特性時應考慮交流濾波器的投入組數(shù)。由于交流系統(tǒng)阻抗為感性,因此當交流濾波器投入組數(shù)增大時,系統(tǒng)等效內(nèi)阻減小。

但值得注意的是,在高壓直流輸電系統(tǒng)中,換流變的分接頭位置以及交流濾波器的投切均由控制系統(tǒng)控制。其中,換流變有載調壓控制屬于極控層,控制策略通常分為角度控制和電壓控制兩大類。為了實現(xiàn)直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟運行,換流變分接頭需與交流系統(tǒng)電壓以及換流器觸發(fā)角相協(xié)調。因此當直流輸送功率發(fā)生改變時,整流閥的觸發(fā)角隨之改變,分接頭的位置也發(fā)生相應的改變。高壓直流系統(tǒng)的無功功率控制屬于站控層,主要為自動定無功功率控制模式,即當直流換流站穩(wěn)態(tài)運行時,控制系統(tǒng)會計算換流器消耗的無功功率并據(jù)此投切濾波器。而換流器消耗的無功功率與直流輸送功率息息相關,因此交流濾波器與直流輸送功率相配合。

換流變分接頭和交流濾波器的控制方式?jīng)Q定了研究這兩者對換流變和應涌流正序二次分量的影響規(guī)律時,應從直流運行工況入手,而非手動更改分接頭擋位以及交流濾波器投入量。

2　換流變運行條件對和應涌流正序二次諧波特性影響分析

由第1節(jié)分析可知,換流變和應涌流的正序二次諧波幅值與交流系統(tǒng)強度、交流系統(tǒng)電壓以及直流輸送功率等運行條件密切相關。因此，下文基于實際直流工程詳細PSCAD模型對換流變和應涌流的正序二次諧波特性展開分析。

2.1　交流系統(tǒng)強度

在直流輸電工程中,兩側的交流系統(tǒng)需要給換流閥提供換相電流。因此,常用短路比(short current ratio,SCR)來評估直流輸電工程中兩端的交流系統(tǒng)的強弱。SCR的計算公式如下:

(2)

式中:UN為交流母線額定電壓;ZS為交流系統(tǒng)阻抗;PN為直流額定輸送功率。

結合第1節(jié)的定性分析可知,當SCR增大,即交流系統(tǒng)阻抗減小時,空投換流變產(chǎn)生的勵磁涌流在運行換流變中產(chǎn)生偏磁減小,和應涌流幅值減小。下面以SCR為自變量來定量計算交流系統(tǒng)的強弱對和應涌流正序二次諧波的影響。測算在某實際±500 kV直流工程PSCAD仿真平臺上進行,直流極1換流變在A相電壓0°處空載合閘,極2單極大地運行,輸送功率為1.0(標幺值)。當SCR從2增加至15時,極2運行換流變產(chǎn)生的和應涌流的正序二次諧波的變化如圖2所示。

圖2　SCR對運行換流變和應涌流的正序二次諧波的影響Fig.2　Influence of SCR on positive-sequence second harmonic of sympathetic inrush current

由圖2可知,運行換流變和應涌流的正序二次諧波與SCR成反向相關。從防止直流50 Hz保護誤動作的角度,換流變空投時SCR不宜過小,即要求交流系統(tǒng)不宜過弱。

現(xiàn)場誤動事故為直流輸電工程的整流站直接與一水電廠相連。當輸送功率不大時,水電機組開機臺數(shù)較少,對應的整流側SCR亦較小。此時進行換流變空投操作,較容易產(chǎn)生幅值較大的和應涌流。如SCR為4時,極1換流變在A相電壓0°處空載合閘,剩磁為最嚴重,極2換流變正序二次諧波如圖3(a)所示;正序二次諧波經(jīng)過換流器轉換,在線路上出現(xiàn)幅值較高的50 Hz分量,如圖3(b)所示。

圖3　和應涌流以及線路電流諧波Fig.3　Harmonics of sympathetic inrush current and DC line current

從圖3可以看出,線路上50 Hz分量已突破了50 Hz保護定值。為防止50 Hz保護誤動,可通過增加發(fā)電機空轉臺數(shù)等方法增強交流系統(tǒng)強度,減小和應涌流正序二次諧波。

2.2　交流系統(tǒng)電壓

當交流系統(tǒng)電壓發(fā)生變化時,為維持直流線路電壓恒定,控制系統(tǒng)需調節(jié)換流變分接頭的位置,改變了換流器的變比k。同時,交流系統(tǒng)電壓改變了換流變的穩(wěn)態(tài)磁通幅值,進而改變勵磁涌流以及和應涌流的大小[15-17]。由此可見,交流系統(tǒng)的電壓大小從電氣和磁通兩個方面影響著運行換流變和應涌流正序二次諧波。

為研究交流系統(tǒng)的電壓大小對換流變和應涌流正序二次諧波的影響,在某實際直流工程PSCAD仿真平臺上測算。仿真工況為直流運行方式為極2單極大地,輸送功率1 600 MW,極1換流變斷路器合閘時刻為A相電壓相位為0°處,空投換流變的剩磁為最大值,交流系統(tǒng)電壓分別為500 kV,525 kV以及550 kV時,極2運行換流變產(chǎn)生的和應涌流的幅值大小如表1所示。

表1　極2換流變和應涌流Table 1　Sympathetic inrush current of pole 2 converter transformer

由表1可看出,當交流系統(tǒng)電壓上升時,運行換流變擋位增大,運行極換流變產(chǎn)生的和應涌流幅值減小,正序二次諧波大幅度減小。因此,從削弱和應涌流正序二次諧波的角度,可在換流變空投前,通過臨近電廠勵磁調節(jié)以及變壓器擋位調節(jié),適當抬高換流站交流母線電壓。

2.3　直流輸送功率

從1.2節(jié)的分析可知,當直流輸送功率發(fā)生變化時,整流側的換流變分接頭以及兩站的交流濾波器投入量會隨之改變。當功率從0.1～1.2變化時,某實際直流輸電工程的整流側交流濾波器投切情況如附錄A表A1所示。其中,A型為雙調諧交流濾波器11/24;B型為雙調諧交流濾波器DT13/36;C型為并聯(lián)電容器組SC;D型為高通濾波器HP3。

從附錄A表A1可看出,當功率升高時,整流側濾波器的投入臺數(shù)階梯式增長,即接地電容呈階梯式增長。因此,根據(jù)1.2節(jié)的分析,當接地電容增大時,交流系統(tǒng)等效內(nèi)阻減小,從而導致運行換流變的偏磁減小,即運行換流變的和應涌流正序二次諧波減小。同樣地,當功率升高時,逆變側濾波器的投入臺數(shù)也在階梯式增長,因此逆變側的接地電容隨直流輸電功率的增加而增加,這導致運行換流變的二次側的負載等效阻抗ZL=RL+jXL減小,流入運行換流變的電流I2增大,運行換流變的和應涌流正序二次諧波增大。

同時,隨著直流輸送功率增大,整流側換流變分接頭的擋位逐級降低,如附錄A圖A3所示。分接頭擋位降低,導致?lián)Q流變變比k減小,進而導致運行換流變的和應涌流正序二次諧波隨之增大。

綜上,直流輸送功率會從交流濾波器的投入、換流變分接頭擋位兩方面影響著運行換流變產(chǎn)生的和應涌流幅值。為研究直流輸送功率對換流變和應涌流正序二次諧波的影響,在某實際直流PSCAD仿真平臺進行測算。仿真運行工況為直流運行方式為極2單極大地,極1換流變斷路器合閘時刻為A相電壓相位為0°處,直流輸送功率在0.1～1.2之間變化時,極2運行換流變產(chǎn)生的和應涌流正序二次諧波的大小,如圖4所示。圖中,虛線為變壓器帶等效負載而不考慮分接頭和濾波器變化的和應涌流正序二次諧波。

圖4　直流輸送功率對和應涌流正序二次諧波的影響Fig.4　Influence of DC transmission power on positive sequence second harmonic of sympathetic inrush current

從圖4可看出,當換流變無分接頭以及濾波器投入不變時,和應涌流正序二次諧波隨直流輸送功率線性變化。當換流變的分接頭和濾波器隨直流輸送功率發(fā)生階梯式變化時,和應涌流正序二次諧波隨直流輸送功率非線性增長。

3　同塔雙回直流的特殊性

運行直流工程中除常見的單回直流線路外,還有雙回直流共站、直流線路雙回同塔以及雙回直流共用接地極的形式[18-19],其換流站電氣連接如附錄A圖A4所示。從圖A4可看出,每回直流均有兩組換流變并聯(lián),兩回直流的換流變并聯(lián)于同一交流母線上。又由于兩回直流獨立調度與運行,因此,可能出現(xiàn)一回直流單極大地運行,另一回直流雙極大地運行的運行方式,如Ⅰ回極2單極大地Ⅱ回雙極大地運行,其運行示意圖如附錄A圖A5所示。若在此運行方式下空投停運極換流變,則空投換流變會使3臺運行的換流變發(fā)生和應作用。由于此直流工程的輸送容量大,對應的SCR小,導致和應涌流幅值高,值得關注。

為實現(xiàn)電場強區(qū)窄峰值小、耐雷水平高、檢修便利等目的,同塔雙回直流桿塔采用如附錄A圖A6(a)所示的極性排列方式[20-21]。由于Ⅰ回極1與Ⅰ回極2的距離L11-12、與Ⅱ回極1的距離L11-21、與Ⅱ回極2的距離L11-22,三者距離均不相同。這導致附錄A圖A6(b)中同塔雙回直流線路中的線間互阻抗ZⅠ+Ⅰ-,ZⅠ-Ⅱ+,ZⅡ+Ⅱ-,ZⅠ+Ⅱ+,ZⅠ-Ⅱ-,ZⅠ+Ⅱ-不相等,這使得3根極線的電流不平衡。

當運行方式為一回單極大地,另一回雙極大地時,運行的3根極線電流總有一極輸電線電流方向與其余兩極輸電線的相反。不失一般性地假設系統(tǒng)運行方式為Ⅰ回直流極2單極大地,Ⅱ回直流雙極大地運行,且假設極1的電流方向為垂直向內(nèi),極2的電流方向為垂直向外,如附錄A圖6所示。那么,電流方向相異的極線互阻抗小于電流方向相同的極線互阻抗,導致運行的3根極線間的互阻抗存在差異,進而導致3根極線的電流不平衡。

單極大地運行方式下的換流變分接頭擋位與雙極大地運行方式下的換流變分接頭擋位略有差別。如當系統(tǒng)運行方式為Ⅰ回直流極2單極大地,Ⅱ回直流雙極大地運行時,運行換流變的分接頭擋位如附錄A表A2所示。由表A2可知,逆變側換流變分接頭均不一致。從1.2節(jié)分析可知,逆變側換流變分接頭擋位通過影響變比k,影響整流側運行換流變的閥側阻抗,進而影響電流I2,使得運行換流變的和應涌流存在差異。

綜上,在極線線間互阻抗的大小、極線電流耦合作用以及逆變側換流變分接頭的作用下,三條極線上和應涌流存在不平衡。

為探究3組運行換流變和應涌流正序二次諧波的不平衡性,在某實際同塔雙回直流輸電工程PSCAD平臺進行仿真測算。直流運行方式為一回單極大地,另一回雙極大地,兩者的輸送功率均為1.0,停運極換流變斷路器合閘時刻為A相電壓相位為0°處,空投換流變的剩磁為最大值,運行換流變產(chǎn)生的和應涌流的正序二次諧波大小以及直流線路50 Hz分量相角如表2所示。表中：I為換流變和應涌流正序二次諧波幅值；θ為直流線路50 Hz相角，其中線路50 Hz電流分量相位以指向線路為正方向。

從表2可看出,三種工況下,均有一極線路50 Hz分量相位與其余兩極線路的相差約180°,而極性獨特的一極運行換流變和應涌流正序二次諧波幅值較高,如Ⅰ回極1換流變空投時,Ⅱ回極1線路50 Hz分量相位與其余兩極線路相位相差約180°,其運行換流變產(chǎn)生的和應涌流正序二次諧波分量幅值最高。因此,當同塔雙回直流輸電的換流變空投時,應著重關注另一回同一極的運行換流變產(chǎn)生的和應涌流。

表2　同塔雙回線路和應電流不平衡性分析Table 2　Analysis on current imbalances of double circuit DC transmission lines on same tower

4　結論

1)和應涌流正序二次分量隨SCR的增大而減小。從防止直流50 Hz保護誤動的角度,建議加強接入直流的交流系統(tǒng)的強度。

2)交流系統(tǒng)電壓從磁路上影響穩(wěn)態(tài)磁通和電氣上影響換流變分接頭擋位,進而影響運行換流變和應涌流的正序二次諧波特性。從抑制和應涌流的角度,建議在換流變空投前,通過臨近電廠勵磁調節(jié),適當抬高換流站交流母線電壓。

3)直流輸送功率變化會造成交流濾波器的投入量、換流變分接頭擋位的改變,進而影響和應涌流的正序二次諧波特性。運行換流變和應涌流正序二次諧波的幅值隨直流輸送功率的增加而增大。從抑制和應涌流的角度,建議在進行換流變空投前限制運行極直流的輸送功率。

4)同塔雙回直流運行換流變的和應涌流正序二次諧波具有不平衡性。若直流系統(tǒng)運行方式為一回單極大地運行,另一回雙極大地運行,則極性特殊的一極換流變的和應涌流正序二次諧波幅值較高。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。