某特高压直流输电工程直流电压的异常分析及解决措施

直流分压器实时测量直流系统线路电压，是直流输电系统必不可少的设备之一，测量结果直接作用于直流控制系统的闭环控制和保护系统，测量结果的准确性直接影响直流控制保护系统运行的可靠性，进而影响大电网运行的可靠性、稳定性。

实践表明，直流分压器测量异常影响直流系统正常运行的事件并不罕见。针对此类问题，有文献分析研究特高压换流站直流分压器的结构，阐述了直流分压器的测量原理，以及如何与控制保护系统配合。有文献介绍了一种典型直流输电系统电压稳定控制方法，详细分析了高压直流输电系统中直流电压稳定控制系统对电压测量故障响应的影响因素。

有文献分别详细研究了阴雨、雾霾天气下特高压换流站遭受雷击时，直流分压器异常导致过电压保护器件动作的情况。有文献分析了直流分压器工作原理及其内部电阻发热、外部电场畸变等问题，提出直流分压器设备的优化设计方法。有文献针对某直流电压异常波动问题进行分析，给出事故原因为直流分压器光电转换模块工作不稳定，进而影响直流系统的调制功能。

本文详细描述某直流工程直流电压异常状况，分析其产生原因并给出利用逆变侧直流分压器测量数据进行补偿的解决措施。

1电压异常现象描述

在某特高压直流输电工程系统调试期间，发现直流电压异常，主要表现为整流侧电压偏高。以极2为例，功率正送时两站极2稳态电压如图1所示，功率正送解锁后，整流站S1测量直流电压平均值为-807kV，峰值为-809kV；逆变站S2直流电压平均值为-798kV，S2电压处于正常范围。在双极四阀组最小功率输送方式下，其余同电压等级直流工程S1电压平均值为800kV，S2为797kV。对比可知，本工程S1电压偏高，两站电压差过大。

图1功率正送时两站极2稳态电压

在功率反送工况下，直流电压异常更为明显。仍以极2为例，功率反送时两站极2稳态电压如图2所示，反送时S2作为整流站，S1作为逆变站，由于换流阀的单向导通特性，电流只能从S2流向S1，即S2电压始终要高于S1。

图2功率反送时两站极2稳态电压

解锁后稳态运行时S1站极2电压平均值为798kV，S2站极2电压平均值为793kV。S2直流电压低于S1电压，与实际工况相违背，说明S2电压测量存在异常。此异常导致双极四阀组最小功率运行方式下，系统实际输送的功率为807MW，高出最小功率7MW，与调度计划不一致，对电网安全运行造成不利影响。最小功率是指在额定直流电压前提下，直流电流为0.1时对应的功率，本工程为2×800kV×500A=800MW。

需要特别说明的是，若直流功率高于810MW，即使电压测量存在异常，仍能通过调整直流电流值使实际功率与计划功率保持一致。

综上所述，某特高压直流输电工程存在直流电压异常偏高现象，本文针对此异常现象展开分析，并提出一种工程实用解决方案。

2原因分析

2.1直流电压测量原理

特高压直流输电工程整流站、逆变站均配置了直流分压器，直流分压器按极配置，每极配置UdL、UdN两个测点，用于采集极母线和中性母线直流电压。直流电压测点配置示意图如图3所示。

图3直流电压测点配置示意图

直流分压器采用阻容式分压设计，以UdL为例，直流分压器测量原理如图4所示。

直流分压器采用2级分压设计方案，通过高、低压臂分压电阻R1、R2和均压电容C1、C2进行一次分压，一次分压得到的电压信号传输至二次分压板，每个二次分压板进行二次分压输出5V电压信号。在高频段下电容分压器主导分压比，在低频段下由电阻分压器主导。当满足C1R1=C2R2时，分压比不受频率影响。

图4直流分压器测量原理

2.2逆变站电压计算方法

为了保持直流输电系统稳态平衡运行，S1和S2常采取不同控制策略，一般由S1进行定电流控制，S2进行定电压控制。需要指出的是，S2控制电压为控制S1直流电压到额定值，即±800kV。

虽然两站间能够通信，但逆变站并不直接采用整流站直流分压器测量值，而是根据本站的测量值加上线路压降作为被控对象，具体计算方法如式（1）和式（2）所示。

式（1）~式（2）

线路压降等于线路电流与线路电阻的乘积，而在直流最小功率下电流被控制在给定值，由于直流输电线路距离长，其线路电阻为变化量，因此线路电阻的大小成为计算线路压降的关键。本工程线路及接地极电阻见表1。

表1线路及接地极电阻（单位:Ω）

S1直流电压计算逻辑如图5所示，S1直流电压减去S2直流电压测量值，除以直流电流得到线路电阻，经过最大最小阻值限幅后的值作为线路电阻计算值，此阻值乘以直流电流得到直流线路的压降（金属回线时压降值乘以2），再加上接地极的压降和S2直流电压测量值，作为整流侧直流电压测量值。

图5S1直流电压计算逻辑

本工程设计额定电流5000A，额定电压800kV，即此工况下对应电阻为160Ω，以此为1，将线路电阻最大最小值转化为标幺值，即图5中0.03275和0.02075。相较于极线直流线路，接地极线路长度较短，受温度、湿度等影响较小，计算中性线压降时取额定值作为接地极电阻，即0.55Ω+1.9Ω=2.45Ω，其标幺值为0.0153125。

2.3理论分析

如果直流分压器测量正确，直流电压异常由控制系统引起，则反送时S1电压不会低于S2电压，因此排除控制系统故障。存在以下两种异常可能：

①在S1电压测量结果偏高、S2电压测量结果正确的情况下，以S1电压测量值为基础加上线路压降，虽然S2电压测量值偏高，但线路压降有上限，此时S2控制器所得到的S1电压仍处于正常范围；

②假设S2测量值偏低，此时控制系统以此低压值为基准，加上电压差，计算出的S1电压偏低，则S1会调整触发角升高电压，S1电压将偏高。根据上述分析，S2电压测量偏低或者S1电压测量偏高都会导致系统电压偏高。

依据实际运行状态进行稳态参数校核，即根据稳态下的触发角度、分接头档位、交流电压、直流电压、直流电流来推断分压器异常测点及测量偏差范围。

式（3）~式（5）

需要特别说明的是，在工程调试过程中，控制系统下发触发角指令，换流阀侧通过高精度故障录波手动测量触发角，若二者有偏差则通过调整阀组控制系统中相应参数进行补偿，以达到测量值和指令值一致，但由于外置故障录波器固有精度问题（采样周期50μs），所以触发角会有0.9°左右的误差。整流站、逆变站换流变参数分别见表2、表3。