盧東斌, 薛海平, 沈全榮, 尹 健, 張慶武, 王永平

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇省南京市 211102; 2. 國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院, 北京市102209)

0 引言

高壓直流輸電的換流器采用晶閘管作為開關(guān)器件,由于晶閘管只能控制開通,不能控制關(guān)斷,在傳送有功功率的同時(shí)需要消耗大量的無功功率,因此需要配置無功補(bǔ)償設(shè)備[1]。如果交流電網(wǎng)故障產(chǎn)生過電壓[2-6],或者接入到較弱的交流系統(tǒng)或孤島運(yùn)行的換流器發(fā)生閉鎖[7-8]、緊急停運(yùn)、功率回降、連續(xù)換相失敗,無功補(bǔ)償設(shè)備不能及時(shí)切除很容易產(chǎn)生交流過電壓。交流工頻過電壓會(huì)導(dǎo)致交流設(shè)備的內(nèi)絕緣受損擊穿、外絕緣閃絡(luò),嚴(yán)重時(shí)引起設(shè)備故障甚至導(dǎo)致整個(gè)直流閉鎖。

由于直流輸電工程的無功補(bǔ)償設(shè)備還具有濾除諧波功能,換流站所配置的不同類型的交流濾波器在功能上并不等價(jià),單獨(dú)依靠保護(hù)判據(jù)去切除濾波器不能滿足直流輸電對(duì)濾除諧波的需求。為了兼顧交流濾波器的濾波功能,過電壓保護(hù)的功能逐漸從保護(hù)裝置移植到直流控制主機(jī),這樣在滿足直流運(yùn)行所需的絕對(duì)最小濾波器同時(shí),切除濾波器類型更優(yōu),抑制諧波和過電壓效果更好。

早期的高壓直流工程,如三峽—常州直流輸電工程[9]、德陽—寶雞直流輸電工程,直流控制主機(jī)采用最高電壓(Umax)限制功能來抑制交流過電壓;母線保護(hù)裝置配置過電壓分段保護(hù)。近些年的特高壓直流工程(2014年以前),如錦屏—蘇州直流輸電工程、哈密南—鄭州直流輸電工程[10],直流控制主機(jī)除采用Umax限制功能來抑制交流過電壓,還增加過電壓快速切除單組交流濾波器功能;交流濾波器保護(hù)裝置增加引線過電壓保護(hù)功能。但實(shí)際工程仍發(fā)生過交流過電壓后濾波器沒有快速切除導(dǎo)致水冷裝置過壓跳閘,引起直流閉鎖的事故。國家電網(wǎng)公司最新的特高壓直流工程(2014年以后)如靈州—紹興、晉北—江蘇和酒泉—湖南直流輸電工程[11]，受端分層接入方式的特高壓直流工程[12]如上海廟—山東、錫盟—泰州、扎魯特—青州和昌吉—古泉直流輸電工程,直流控制主機(jī)除采用Umax限制功能來抑制交流過電壓,均增加過電壓快速同時(shí)切除多組交流濾波器功能;交流濾波器保護(hù)裝置配置有引線過電壓保護(hù)功能。

相比切除單組交流濾波器,同時(shí)切除多組交流濾波器需要兼顧直流輸電系統(tǒng)的交流濾波需求。本文提出一種特高壓直流輸電交流過電壓時(shí)同時(shí)切除多組交流濾波器的控制實(shí)現(xiàn)策略,通過檢測交流濾波器已投入的類型,選擇切除合適類型的交流濾波器,最大限度地不影響直流輸電濾波功能。仿真和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本策略的有效性,該策略已經(jīng)應(yīng)用到最新的直流輸電工程。

1 交流過電壓切除單組濾波器策略

高壓直流輸電工程中,基于晶閘管的電網(wǎng)換相換流器在進(jìn)行功率變換時(shí)需要消耗大量的無功功率,為了控制與交流系統(tǒng)的無功功率交換或控制交流母線電壓,無功功率控制(reactive power control,RPC)會(huì)投切交流濾波器或并聯(lián)電容器組來實(shí)現(xiàn)無功功率或交流電壓控制。RPC提供的最小濾波器功能和絕對(duì)最小濾波器功能會(huì)同時(shí)控制滿足諧波濾波的要求。為了避免過電壓,在無功功率控制中提供了最大無功功率Qmax限制功能和Umax限制功能,這兩個(gè)功能允許無功功率控制切除濾波器和電容器組,來最大限度地減少過電壓保護(hù)動(dòng)作。在Umax限制功能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步增加過電壓快速切除濾波器和電容器組功能。

1.1 交流過電壓切除單組濾波器設(shè)計(jì)思路[10]

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[13],252 kV

交流母線的電壓變化水平與無功功率變化和短路電流的關(guān)系為:

(1)

式中:ΔUAC為交流母線的線電壓變化值;ΔQAC為交流母線處的單組濾波器無功容量;ISC為交流母線處的短路電流;φ為交流電源的線電壓和線電流相位差。

如果交流濾波器容量相同,則將交流電壓由當(dāng)前值降低到目標(biāo)值,需要切除交流濾波器的數(shù)量為:

(2)

式中:Δn為需要切除交流濾波器的數(shù)量;UAC，CUR為當(dāng)前交流母線的線電壓;UAC，OBJ為目標(biāo)交流母線的線電壓。

近些年的特高壓直流工程(2014年以前),如哈密南—鄭州直流輸電工程,在發(fā)生交流過電壓Uac時(shí),直流控制主機(jī)中無功功率控制功能采用切除單組濾波器功能,策略為:①如果Uac>1.1(標(biāo)幺值),則每隔1 s切除1個(gè)濾波器小組;②如果Uac>1.2,則每隔500 ms切除1個(gè)濾波器小組;③如果Uac>1.3,交流濾波器引線過電壓保護(hù)延時(shí)500 ms跳閘;④如果Uac>1.5,交流濾波器引線過電壓保護(hù)立即跳閘。

如果交流系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓,無功控制功能將按照絕對(duì)最小濾波器和最小濾波器投切表逐個(gè)切除交流濾波器,能夠滿足直流輸電濾波需求;缺點(diǎn)是切除速度相對(duì)較慢,不能迅速避免過電壓。

1.2 基于投切順序表的交流過電壓快切濾波器控制策略

高壓直流輸電系統(tǒng)需要配置大量用于無功補(bǔ)償和諧波濾除的交流濾波器,直流控制中的無功功率控制功能實(shí)現(xiàn)對(duì)全站交流濾波器的控制。無功功率控制提供的最小濾波器和絕對(duì)最小濾波器功能會(huì)同時(shí)控制滿足諧波濾波的要求。為了提供較好的電能質(zhì)量,交流過電壓快切時(shí)盡量不影響交流濾波器的濾波性能。

最小濾波器和絕對(duì)最小濾波器分別指在對(duì)應(yīng)輸送功率水平、運(yùn)行方式、直流電壓水平下為滿足濾波性能和定值要求最少需要投入濾波器型式和數(shù)量的組合。交流過電壓快切時(shí)按照最小濾波器和絕對(duì)最小濾波器投切表進(jìn)行切除操作。

以哈密站為例,雙極四閥組運(yùn)行時(shí)最小濾波器策略如表1所示。

表1 哈密站性能、功率以及最小濾波器配置Table 1 Performance, power and minimum filter configuration for Hami station

在表1中,為了達(dá)到較好的濾波效果,當(dāng)直流功率大于表中功率等級(jí)中的定值時(shí),就要按照表1中交流濾波器類型投入濾波器。其中,BP11/13類型、HP24/36類型和HP3類型濾波器參與最小濾波器和絕對(duì)最小濾波器功能,而SC型濾波器不參與最小濾波器和絕對(duì)最小濾波器功能。

為了實(shí)現(xiàn)上述控制策略,首先根據(jù)不同類型濾波器選擇切除濾波器的功率水平,如圖1所示。在圖1(a)中,n1表示BP11/BP13型濾波器的連接組數(shù);P1,1st表示連接1組BP11/BP13型濾波器的功率水平;P1,2nd表示連接2組BP11/BP13型濾波器的功率水平;P1,3rd表示連接3組BP11/BP13型濾波器的功率水平;P1,4th表示連接4組BP11/BP13型濾波器的功率水平;P1,disc表示最終選擇的功率水平。圖1(b)和(c)分別表示HP24/36和HP3型濾波器的切除濾波器功率水平。

圖1 3種類型濾波器切除功率水平Fig.1 Switching-off power level of three kinds of filters

交流濾波器切除時(shí)的類型選擇邏輯如圖2所示,圖中y={x,z,u,v,w}。各種類型的交流濾波器投切功率等級(jí)與其最大值進(jìn)行比較,如果相等則相應(yīng)的類型濾波器輸出為1,經(jīng)Setmpx軟件后得出類型值,如果最大功率值等于第1種類型的功率等級(jí),則輸出值kdisc為1;如果最大功率值等于第2種類型的功率等級(jí),則輸出值kdisc為2,從而決定下一組切除的濾波器類型。

圖2 濾波器類型選擇邏輯Fig.2 Select logic of filter types

當(dāng)檢測到交流電壓Uac大于過電壓限制值Umax1=1.1(標(biāo)幺值)時(shí),延時(shí)1 s發(fā)出切除交流濾波器指令;當(dāng)交流濾波器分開時(shí),檢測到前一個(gè)周期的濾波器總數(shù)大于當(dāng)前的濾波器組數(shù)nsum時(shí),延時(shí)關(guān)斷1 s,屏蔽切除命令1 s,如圖3所示。

根據(jù)類型選擇邏輯并選擇下一組需要切除的交流濾波器類型,當(dāng)切除交流濾波器命令發(fā)出后,切除該類型的一組交流濾波器。由上文分析可知,基于投切順序表的交流過電壓快切濾波器控制策略需要切除的交流濾波器返回狀態(tài)后才能繼續(xù)切除下一組交流濾波器,只能實(shí)現(xiàn)單組濾波器切除。交流濾波器切除過程程序判斷邏輯存在較多延時(shí),因此不能實(shí)現(xiàn)快速切除多組交流濾波器。

圖3 交流過電壓切除濾波器邏輯Fig.3 Switching-off logic of filters for overvoltage

2 交流過電壓切除多組濾波器策略

2.1 交流過電壓切除多組濾波器設(shè)計(jì)思路[11]

最新的直流工程(2014年以后),如靈州—紹興直流輸電工程,在發(fā)生交流過電壓時(shí),為了更快速地抑制過電壓,直流控制主機(jī)中無功控制功能要求采用同時(shí)切除多組濾波器功能,設(shè)計(jì)如下。

1)如果Uac>1.1,則每隔8 s切除4小組濾波器,達(dá)到當(dāng)前功率的絕對(duì)最小濾波器后,如果過電壓定值依然滿足,則每隔8 s切除4小組交流濾波器直到最小功率下的絕對(duì)最小濾波器,最終由交流濾波器過電壓保護(hù)動(dòng)作。

2)如果Uac>1.2,則每隔1 s切除4小組濾波器,達(dá)到當(dāng)前功率的絕對(duì)最小濾波器后,如果過電壓定值依然滿足,則每隔1 s切除4小組交流濾波器直到最小功率下的絕對(duì)最小濾波器,最終由交流濾波器過電壓保護(hù)動(dòng)作。

3)如果Uac>1.3,則每隔250 ms切除4小組濾波器,達(dá)到當(dāng)前功率的絕對(duì)最小濾波器后,如果過電壓定值依然滿足,則每隔250 ms切除4小組交流濾波器直到最小功率下的絕對(duì)最小濾波器,最終由交流濾波器過電壓保護(hù)動(dòng)作。

交流濾波器過電壓控制切除濾波器的過程中,在達(dá)到當(dāng)前功率或最小功率的絕對(duì)最小濾波器前,若某一輪次待切交流濾波器不足4小組時(shí),則切除濾波器的小組數(shù)可根據(jù)實(shí)際投入的交流濾波器數(shù)量設(shè)為3,2,1組。

交流濾波器過電壓保護(hù)策略為:①如果Uac>1.1,延時(shí)40 s切除所有交流濾波器;②如果Uac>1.3,延時(shí)500 ms切除所有交流濾波器;③如果Uac>1.5,延時(shí)20 ms切除所有交流濾波器。

上述切除一定數(shù)量的交流濾波器后,剩余連接的交流濾波器短時(shí)能承受諧波過負(fù)荷,30 s后將按照絕對(duì)最小濾波器滿足條件,回降直流功率,防止交流濾波器諧波過負(fù)荷。

2.2 基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略

傳統(tǒng)的基于投切順序表的交流過電壓快切濾波器控制策略,采用查表法實(shí)現(xiàn)濾波器投切,根據(jù)現(xiàn)有連接的濾波器選擇要切除的下一組濾波器,而切除的濾波器狀態(tài)返回需要一定時(shí)間,當(dāng)濾波器切除狀態(tài)不返回時(shí),只能選擇切除相同組濾波器,因此,不能實(shí)現(xiàn)快速切除多組濾波器。本文將根據(jù)2.1節(jié)中切除多組濾波器設(shè)計(jì)思路,提出一種基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略,根據(jù)換流器產(chǎn)生的諧波特征和交流濾波器的濾波性能得到一種快速選取多組要切除濾波器的計(jì)算方法,兼顧降低交流電壓和濾除諧波效果,來實(shí)現(xiàn)快速切除多組濾波器。

以靈州—紹興直流工程送端靈州站為例,雙極四閥組運(yùn)行時(shí)絕對(duì)最小濾波器策略如表2所示。

表2 靈州站定值、功率及絕對(duì)最小濾波器配置Table 2 Performance, power and configuration of absolute minimum filter for Lingzhou station

高壓直流輸電為了達(dá)到較好的濾波性能,靈州站交流濾波器的投入順序依次為BP11/BP13類型、HP24/36類型、HP3類型濾波器循環(huán)進(jìn)行;SC類型型濾波器不參與最小濾波器和絕對(duì)最小濾波器功能。因此,當(dāng)發(fā)生交流過電壓時(shí),首先切除SC類型濾波器,其他類型濾波器采用循環(huán)切除;同時(shí)考慮到當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器需求和最小濾波器性能要求,本文提出了基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略。

對(duì)于SC型濾波器,當(dāng)出現(xiàn)過電壓時(shí)首先切除,切除SC型濾波器組數(shù)為:

(3)

式中:n4,disc為計(jì)算切除的SC型濾波器組數(shù);n4為投入的SC型濾波器組數(shù);nsum,disc為一次要求切除的濾波器總組數(shù),靈州站此值設(shè)為4。

對(duì)于HP3型濾波器,在大于當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器時(shí),每一輪切除組數(shù)選擇剩余需要切除的濾波器的1/3并向上取整(ceil函數(shù))和剩余需要切除的濾波器組數(shù)與當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器的差值再取最小值;在等于當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器時(shí),如果其他類型的絕對(duì)最小濾波器有剩余,則此輪不切除。絕對(duì)最小濾波器滿足當(dāng)前功率需求情況下,如果過電壓現(xiàn)象消除,則停止切除濾波器,防止直流功率回降。如果過電壓依然存在,在大于最小功率下的絕對(duì)最小濾波器時(shí),每一輪切除組數(shù)選擇剩余需要切除的濾波器的1/3并向上取整(ceil函數(shù))和剩余需要切除的濾波器組數(shù)與最小功率下的絕對(duì)最小濾波器的差值再取最小值。切除HP3型濾波器組數(shù)計(jì)算如式(4)所示。

(4)

式中:n3,disc為計(jì)算切除的HP3型濾波器組數(shù);n3為投入的HP3型濾波器組數(shù);n3,Abs,Pmin為最小功率下的HP3型絕對(duì)最小濾波器組數(shù);n3,Abs,Pcur為當(dāng)前功率下的HP3型絕對(duì)最小濾波器組數(shù);n1和n2為投入的BP11/BP13型和HP24/36型濾波器組數(shù);n2,Abs,Pcur為當(dāng)前功率下的HP24/36型絕對(duì)最小濾波器組數(shù);n1,Abs,Pcur為當(dāng)前功率下的BP11/BP13型絕對(duì)最小濾波器組數(shù)。

對(duì)于HP24/36型濾波器,在大于或等于當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器時(shí),每一輪切除的濾波器組數(shù)分為2種情況:當(dāng)投入的HP24/36型濾波器多于投入的BP11/BP13型濾波器時(shí),切除組數(shù)選擇剩余需要切除的濾波器的1/2并向上取整(ceil函數(shù));當(dāng)投入的HP24/36型濾波器少于投入的BP11/BP13型濾波器時(shí),切除組數(shù)選擇剩余需要切除的濾波器的1/2并向下取整(floor函數(shù)),并且需要與投入的HP24/36型濾波器和當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器的差值再取最小值(min函數(shù))。在小于當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器時(shí),情況類似,只是需要與投入的HP24/36型濾波器和最小功率下的絕對(duì)最小濾波器的差值再取最小值。切除HP24/36型濾波器組數(shù)計(jì)算如式(5)所示。

(5)

式中:n2,disc為計(jì)算切除的HP24/36型濾波器組數(shù);n2為投入的HP24/36型濾波器組數(shù);n2,Abs,Pmin為最小功率下的HP24/36型絕對(duì)最小濾波器組數(shù)。

對(duì)于BP11/BP13型濾波器,在大于或等于當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器時(shí),每一輪切除的濾波器組數(shù)為剩余需要切除的濾波器組數(shù)與當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器的差值再取最小值。在小于當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器時(shí),每一輪切除的濾波器組數(shù)為剩余需要切除的濾波器組數(shù)與最小功率下的絕對(duì)最小濾波器的差值再取最小值。切除BP11/BP13型濾波器組數(shù)計(jì)算如式(6)所示。

(6)

式中:n1,disc為計(jì)算切除的BP11/BP13型濾波器組數(shù);n1,Abs,Pmin為最小功率下的BP11/BP13型絕對(duì)最小濾波器組數(shù)。

基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略Fig.4 Rule-based control strategy of switching-off filters for overvoltage

首先根據(jù)絕對(duì)最小濾波器投切表,分別計(jì)算當(dāng)前功率和最小功率下需要投入的絕對(duì)最小濾波器組數(shù)(ni,Abs,Pmin(i=1,2,3),ni(i=1,2,3,4)),其次根據(jù)當(dāng)前投入的交流濾波器組數(shù)(ni)和每次需要切除組數(shù)定值(nsum,disc)經(jīng)基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制器(根據(jù)式(3)—式(6)計(jì)算)得到切除的不同類型的交流濾波器數(shù)量。交流過電壓判斷邏輯同圖3,當(dāng)交流產(chǎn)生過電壓切除交流濾波器命令時(shí),按照不同類型的交流濾波器數(shù)量切除濾波器。

3 仿真與試驗(yàn)

本文將以特高壓直流輸電工程(靈州—紹興直流)系統(tǒng)參數(shù)來對(duì)比兩種交流過電壓切除濾波器試驗(yàn)結(jié)果。采用先進(jìn)的RTDS仿真試驗(yàn)手段,搭建靈州—紹興直流工程的閉環(huán)實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng),直流控制主機(jī)采用應(yīng)用于實(shí)際工程的直流輸電控制保護(hù)系統(tǒng)。靈州—紹興直流工程額定直流電壓為±800 kV,輸送功率為8 000 MW,系統(tǒng)參數(shù)見附錄A表A1[11]。換流器采用兩個(gè)12脈動(dòng)閥組串聯(lián)方式,此種結(jié)構(gòu)有利于減小換流器尺寸并且增加了系統(tǒng)冗余性,單極主回路結(jié)構(gòu)如附錄A圖A1所示,交流濾波器通過交流開關(guān)與交流母線相連。

以靈州換流站為例,交流濾波器配置如表3所示[11]。每一小組交流濾波器通過交流開關(guān)與交流換流母線相連。仿真中交流過電壓由外部電源引起,當(dāng)交流過電壓需要切除交流濾波器時(shí),將此交流濾波器與交流換流母線的開關(guān)分開,即實(shí)現(xiàn)切除該組交流濾波器。

表3 靈州站交流濾波器配置Table 3 AC filter configuration of Lingzhou station

3.1 交流過電壓切除單組濾波器仿真結(jié)果

本節(jié)介紹基于投切順序表的交流過電壓快切濾波器控制策略,一次只切除1組交流濾波器。直流控制系統(tǒng)從發(fā)送切除命令到交流濾波器分位上送需要約0.18 s,包括極控主機(jī)(PCP)發(fā)切除指令送交流濾波器控制主機(jī)(AFC)執(zhí)行周期6 ms、PCP與AFC通信時(shí)間10 ms、AFC執(zhí)行周期12 ms、IO板卡及繼電器執(zhí)行時(shí)間12 ms、選相合閘裝置收到切除命令到交流濾波器分位上送時(shí)間100 ms(現(xiàn)場實(shí)測,包括選相合閘裝置防抖時(shí)間20 ms、命令延時(shí)20 ms、開關(guān)主斷口斷開30 ms、合位消失10 ms、分位出現(xiàn)20 ms)、IO板卡及繼電器接收時(shí)間12 ms、AFC執(zhí)行周期12 ms、AFC與PCP通信時(shí)間10 ms和PCP接收AFC上送分位信號(hào)為6 ms,如附錄A圖A2所示。需要指出,上述執(zhí)行周期時(shí)間是按照最大值給出。

直流系統(tǒng)雙極在額定工況下運(yùn)行,極Ⅰ和極Ⅱ直流電壓分別為800 kV和-800 kV,直流電流為5 000 A,交流電壓為765 kV。當(dāng)交流系統(tǒng)突然發(fā)生交流過電壓為1.2(標(biāo)幺值)時(shí),無功功率控制切除交流濾波器的試驗(yàn)結(jié)果如附錄A圖A3所示。t1時(shí)刻,交流產(chǎn)生過電壓;t2時(shí)刻,交流過電壓滿足切除條件,首先切除SC型濾波器;當(dāng)所有SC型濾波器被切除后,t3時(shí)刻,開始輪流切除HP3型,HP24/36型和BP11/BP13型濾波器,直至切除所有交流濾波器。從開始過電壓到所有交流濾波器切除,經(jīng)歷了10 s。

需要指出的是,由于絕對(duì)最小濾波器不滿足功率第一次回降延時(shí)30 s才執(zhí)行,如果絕對(duì)最小濾波器還不滿足,則每隔1 s再回降一次。上述因?yàn)檫^電壓切除交流濾波器的時(shí)間為10 s,因此,直流功率沒有回降。

靈州站額定交流電壓為765 kV,最小短路電流為27.79 kA,1組交流濾波器的容量為295 Mvar,由式(1)可推得切除1組交流濾波器時(shí)換流母線電壓下降6 kV(0.007 8 (標(biāo)幺值))[11]。基于投切順序表的交流過電壓快切濾波器控制策略一次只能切除1組交流濾波器, 當(dāng)Uac>1.3時(shí),以交流電壓下降0.062為例,需要切除8組交流濾波器,如果收到交流濾波器分位即發(fā)切除下一組交流濾波器命令,則耗時(shí)1.44 s。如果按照1.1節(jié)的策略,則耗時(shí)4 s。因此,一次只切除1組交流濾波器很難滿足在國家標(biāo)準(zhǔn)[12]規(guī)定的0.5 s交流濾波器過壓保護(hù)動(dòng)作前抑制過電壓要求。

3.2 交流過電壓切除多組濾波器仿真結(jié)果

本節(jié)介紹基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略,一次切除多組交流濾波器。

與3.1節(jié)初始運(yùn)行狀態(tài)相同,直流系統(tǒng)雙極在額定工況下運(yùn)行,極Ⅰ和極Ⅱ直流電壓分別為800 kV和-800 kV,直流電流為5 000 A,交流電壓為765 kV。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生交流過電壓為1.2時(shí),無功功率控制切除交流濾波器的試驗(yàn)結(jié)果如附錄A圖A4所示。t1時(shí)刻,交流產(chǎn)生過電壓;t2時(shí)刻,交流過電壓滿足切除條件,首先切除3組SC型濾波器和1組HP3型濾波器;t3時(shí)刻,切除1組HP24/36型濾波器和1組BP11/BP13型濾波器,達(dá)到當(dāng)前功率下的絕對(duì)最小濾波器;t4時(shí)刻,切除1組HP3型濾波器、2組HP24/36型濾波器和1組BP11/BP13型濾波器;t5時(shí)刻,切除1組HP3型濾波器和1組BP11/BP13型濾波器,達(dá)到最小功率下的絕對(duì)最小濾波器。從開始過電壓到達(dá)到最小功率下的絕對(duì)最小濾波器,經(jīng)歷了5 s。由于直流功率在絕對(duì)最小濾波器不滿足條件下,需要30 s后才開始功率回降,因此直流功率在此期間沒有發(fā)生變化。另外,根據(jù)現(xiàn)有交流濾波器性能,最小功率下的絕對(duì)最小濾波器能夠承受滿負(fù)荷下30 s的諧波過負(fù)荷。

基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略可通過一次計(jì)算完成每一種類型的交流濾波器需要切除的組數(shù),同時(shí)發(fā)出切除命令,因此,切除多組濾波器需要較短時(shí)間。

兩種控制策略在故障發(fā)生后不同時(shí)刻的交流電壓如表4所示。在故障后2 s,基于投切順序表的控制策略得到的電壓為965.1 kV,而基于濾波規(guī)則的控制策略得到的電壓為953.4 kV,電壓下降11.7 kV;在故障后4 s,基于投切順序表的控制策略得到的電壓為944.5 kV,而基于濾波規(guī)則的控制策略得到的電壓為917.3 kV,電壓下降27.2 kV;在故障后6 s,基于投切順序表的控制策略得到的電壓為919.6 kV,而基于濾波規(guī)則的控制策略得到的電壓為903.6 kV,電壓下降16 kV。

表4 故障后不同時(shí)刻的交流電壓Table 4 AC voltage in different time after fault

仍以靈州站最小短路電流為例,基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略一次切除4組交流濾波器,當(dāng)Uac>1.3時(shí),以交流電壓下降為0.062為例,需要切除8組交流濾波器,如果收到4組交流濾波器分位即發(fā)切除下4組交流濾波器命令,則耗時(shí)0.36 s。如果按照2.1節(jié)的策略,則耗時(shí)0.5 s。而3.1節(jié)中基于投切順序表的交流過電壓快切濾波器控制策略切除8組交流濾波器最少耗時(shí)1.44 s,極端工況下,可能會(huì)因?yàn)榻涣鳛V波器不能及時(shí)切除引起過電壓導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖。因此,基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略在抑制極端工況下的過電壓效果更好。

為了精確比較上述兩種快切濾波器控制策略,仿真中假設(shè)工頻過電壓由外部電源引起。實(shí)際中,由直流系統(tǒng)故障甩負(fù)荷或換流閥閉鎖導(dǎo)致?lián)Q流站無功功率過剩從而引起工頻過電壓更為常見。以靈州站雙極額定功率運(yùn)行發(fā)生單極閉鎖為例,如附錄A圖A5所示,額定功率運(yùn)行時(shí),雙極功率為8 000 MW,2 s時(shí),極Ⅰ發(fā)生閉鎖,極Ⅰ功率從4 000 MW降為0,極Ⅱ功率不變;靈州站交流母線電壓有效值從額定電壓765 kV開始上升,滿足大于1.1(標(biāo)幺值)條件8 s后,同時(shí)切除4組SC型交流濾波器,交流電壓迅速降至805 kV(1.05(標(biāo)幺值)),上述試驗(yàn)驗(yàn)證了基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略在直流系統(tǒng)故障時(shí)能夠快速切除交流濾波器,抑制工頻過電壓并實(shí)現(xiàn)無功功率迅速平衡。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的基于投切順序表的交流過電壓快切濾波器控制策略根據(jù)系統(tǒng)分析得到的投切順序表進(jìn)行單組精確切除,保證剩余投入的濾波器類型具有最好的濾波效果,采用閉環(huán)控制策略,需要較長的判斷和執(zhí)行時(shí)間,很難滿足極端過電壓情況下控制要求。本文提出了一種基于濾波規(guī)則的交流過電壓快切濾波器控制策略,可實(shí)現(xiàn)快速、同時(shí)切除多組交流濾波器,采用開環(huán)控制策略,通過計(jì)算每種交流濾波器切除組數(shù),完成一次切除多組交流濾波器。在極端過電壓情況下,抑制交流過電壓的效果更好,在最大限度維持直流運(yùn)行功率情況下,保護(hù)直流站內(nèi)設(shè)備免受交流過電壓損壞。本文所提控制策略已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際直流工程。

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