特高壓直流輸電線路全啟動過電壓仿真分析

段 昊，蔡麗霞

（1.國家電網(wǎng)公司直流建設(shè)分公司，北京 100052；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021）

特高壓直流（UHVDC）輸電有許多優(yōu)勢，在世界各國普遍受到重視［1－3］：特高壓直流輸電的輸送容量大，輸電距離長，一條±800kV 直流線路可輸送的功率可達(dá)到6GW；特高壓直流線路造價低，可充分利用線路走廊資源，損耗小，用于遠(yuǎn)距離輸電具有良好的經(jīng)濟性；跨接兩個不同頻率的電網(wǎng)，輸電距離不受電力系統(tǒng)同步運行穩(wěn)定性的限制，特別適合于兩個不同頻率電網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)，可提高與直流線路并列運行的交流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；特高壓直流線路故障檢修時，可以暫時用大地或者海水當(dāng)回路，或者當(dāng)雙極運行時有一個極發(fā)生故障，可利用另外一個健全極和大地回路輸送原來一半的功率，靈活性好。我國在直流輸電建設(shè)方面取得了長足進步，已完全具備獨立建設(shè)大規(guī)模直流工程能力。直流輸電將成為我國今后實現(xiàn)“全國聯(lián)網(wǎng)、西電東送、南北互供”的重要輸電途徑，在我國有廣闊的應(yīng)用前景。

本文針對特高壓直流輸電系統(tǒng)全電壓啟動過電壓特性［4－7］，通過對輸電回路的集中參數(shù)簡化模型的分析，推導(dǎo)出特高壓換流站直流側(cè)在全電壓啟動方式下的表達(dá)公式，得到此時換流站直流側(cè)可能出現(xiàn)的最大過電壓水平；以電磁暫態(tài)仿真程序EMTDC為計算工具，建立了較完整的±800kV 特高壓換流站仿真模型，在大量仿真計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合換流站直流側(cè)全啟動過電壓計算結(jié)果，得出換流站關(guān)鍵位置的最大全電壓啟動過電壓以及相應(yīng)避雷器的負(fù)載，針對換流站直流側(cè)可能出現(xiàn)較嚴(yán)重全電壓啟動過電壓情況提出了相應(yīng)的抑制措施。

1 UHVDC 輸電線路全電壓啟動過電壓機理

為降低啟動過程的過電壓及減小啟動時對兩端交流系統(tǒng)的沖擊，直流輸電的正常啟動應(yīng)嚴(yán)格按照一定的順序進行［8－15］。在回路完好、交直流開關(guān)設(shè)備全部投入且交流濾波器投入適量等條件滿足后（觸發(fā)延遲角α≥90°），先解鎖逆變器，后解鎖整流器，按照逆變側(cè)定電壓調(diào)節(jié)或定息弧角調(diào)節(jié)規(guī)律的要求，由調(diào)節(jié)器逐步升高直流電壓至額定值，即所謂的“軟啟動”。

當(dāng)逆變側(cè)線路開路或逆變站各閥失去觸發(fā)脈沖時，整流側(cè)又由于啟動控制裝置發(fā)生故障，直流電壓不能從零逐漸上升到額定值而是突然把電壓升到最大，相當(dāng)于在整流站的直流母線上施加了一個幅值為額定值的階躍電壓，這個電壓將會在輸電線上來回反射。由于輸電線路的末端處于開路或近似開路狀態(tài)，線路端部的電壓將會大幅度上升，當(dāng)線路首端電壓高于整流站直流母線電壓時，流經(jīng)閥的電流將逐漸減小到零，使閥開斷。整流站直流母線的電壓將從閥開斷前的額定值變成為開斷后的線路首端電壓，電壓的躍變引起高頻振蕩，從而對閥構(gòu)成威脅。

針對±800kV UHVDC輸電系統(tǒng)，全電壓啟動過電壓是其中最嚴(yán)重和最重要的一種，其幅值最大，造成的危害最大，在選擇直流設(shè)備絕緣水平和制定過電壓保護方案時往往以此為條件。全電壓啟動過電壓的計算模型見圖1a。

其中：E為直流電壓源；D為單向?qū)щ姷亩O管，以模擬整流站和逆變站；R1、C1為整流站、逆變站內(nèi)的等值阻抗；L為平波電抗器；C2為沖擊吸收電容器；F為直流濾波器；R、L、C為線路單位長度的電阻、電感和電容；CN為中性母線側(cè)過電壓吸收電容。

由于全電壓啟動時整流側(cè)全部導(dǎo)通，而逆變側(cè)都截止，兩側(cè)的電容濾波器都可以忽略，電源E為恒壓源，上述電路可化簡為圖1b。

直流輸電線路控制系統(tǒng)故障后，整流橋的全部電壓施加到線路上。當(dāng)線路充電后，線路上出現(xiàn)的過電壓在直流線路發(fā)生折反射。當(dāng)線路末端開路時，直流線路端部的電壓會大幅度上升，不僅如此，當(dāng)線路整流側(cè)閥極頂處電壓高于換流閥正向?qū)妷簳r，流經(jīng)換流閥的電流會逐漸減小，最后到零，使閥閉鎖，此時可用開關(guān)的斷開來模擬。這樣，整流站直流母線電壓將從閥開斷前的額定值變成為開斷后的線路首端電壓，電壓的躍變引起高頻振蕩，從而對閥構(gòu)成了威脅，因此可以將來自直流線路操作過電壓的發(fā)展過程分為兩個階段：第一個階段從開關(guān)K閉合到第一次開斷為止，為“充電階段”；第二個階段是開關(guān)K 開斷后的一個短時間內(nèi)直流母線上的高頻振蕩，為“振蕩階段”。

2 UHVDC 輸電線路全電壓啟動過電壓模型

某UHVDC輸電系統(tǒng)交流母線額定電壓為525 kV，使用金屬氧化物避雷器模型，每極換流單元由2個12脈動換流器串聯(lián)組成。該系統(tǒng)采用雙極輸送功率7 200 MW，電壓等級為±800kV，直流線路長度約2 090km，導(dǎo)線截面為6×630 mm2。本文采用PSCAD／EMTDC，建立了該±800kV UHVDC輸電系統(tǒng)過電壓仿真模型（見圖2）。

3 UHVDC 輸電線路全啟動過電壓計算結(jié)果

3.1 理論分析結(jié)果

正常運行時，正極直流電壓為［2］：

式 中：E為交流線電壓有效值；Id為直流電流；Ra為整流側(cè)等值換相電阻。

當(dāng)避雷器不投入時發(fā)生全電壓誤啟動，Id很小，所以：

圖1 全電壓啟動過電壓計算模型及簡化電路模型

當(dāng)該系統(tǒng)整流側(cè)以小角度（5°）解鎖，逆變側(cè)閥全部閉鎖時，由式（2）計算得直流正極電壓最大值為2.1p.u。

3.2 仿真計算結(jié)果

3.2.1 無避雷器時全電壓啟動過電壓

該±800kV UHVDC 輸電系統(tǒng)整流側(cè)以小角度解鎖，逆變側(cè)閥全部閉鎖。全電壓啟動時整流側(cè)正負(fù)極母線電壓波形見圖3（UP為正極電壓，UN為負(fù)極電壓）。

圖3 無避雷器全電壓啟動時整流側(cè)電壓

從圖3可以看出，正極電壓最大瞬時值超過了2.17p.u.，穩(wěn)態(tài)時過電壓也保持在一個很高的數(shù)值。整流側(cè)閥橋頂端、逆變側(cè)閥橋頂端、逆變側(cè)線路末端和上下12組脈動換流單元之間的連接母線都會產(chǎn)生很大的過電壓。這是由于逆變側(cè)閉鎖后系統(tǒng)無功需求發(fā)生改變，整流側(cè)交流母線電壓大幅升高造成直流側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重過電壓，仿真結(jié)果與計算結(jié)果一致。在這種情況下UHVDC 輸電系統(tǒng)在沒有避雷器保護時接近線性系統(tǒng)，此時全電壓啟動過程中所有響應(yīng)都隨觸發(fā)角α的余弦變化而變化。

3.2.2 有避雷器時全電壓啟動過電壓

3.2.2.1 逆變側(cè)閉鎖時全電壓啟動過電壓

當(dāng)逆變側(cè)閉鎖，整流側(cè)以小角度觸發(fā)時直流側(cè)會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的過電壓。逆變側(cè)閉鎖全電壓啟動時系統(tǒng)過電壓情況見表1。

比較圖3和表1可以看出，由于避雷器的限壓作用，直流線路上的過電壓標(biāo)幺值大大降低，由原來的2.17p.u.降低到1.73p.u.。對相同觸發(fā)角的情況，雙極閉鎖的過電壓比單極閉鎖時嚴(yán)重，這是因為雙極閉鎖時直流系統(tǒng)沒有輸送功率，整流側(cè)交流母線上側(cè)無功全部過剩，而單極閉鎖時系統(tǒng)還有很大的無功需求。能量要求最大的避雷器是整流側(cè)閥頂?shù)闹绷鞅芾灼?，吸收的能量?.88 MJ。單極閉鎖時逆變側(cè)直流避雷器吸收能量最大，這是因為線路的儲能作用使逆變側(cè)直流母線電壓高于整流側(cè)。雙極閉鎖時，由于整流側(cè)交流母線上大量的功率要通過就近的避雷器釋放，所以最大的避雷器通流出現(xiàn)在整流側(cè)閥頂避雷器。觸發(fā)角的大小對過電壓幅值影響不大，但是對整流側(cè)避雷器吸收的能量有很大影響。雙極閉鎖時，整流側(cè)避雷器吸收的能量隨觸發(fā)角增大而減少。

表1 逆變側(cè)閉鎖全電壓啟動時系統(tǒng)過電壓

3.2.2.2 直流線路斷線時全電壓啟動過電壓

當(dāng)直流線路斷線，整流側(cè)以小角度觸發(fā)時直流側(cè)同樣會產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓。全電壓啟動時整流側(cè)各個主要位置的最大過電壓情況見表2。

表2 直流線路斷線全電壓啟動時整流側(cè)過電壓

由表2可知，最大過電壓出現(xiàn)在直流線路的末端，這是由于在斷線位置電壓波發(fā)生全反射，反射波疊加到原來的前行波上使過電壓幅值增大。整流側(cè)直流母線、閥橋頂端和上下12組脈動換流單元連接母線的最大過電壓值都比雙極閉鎖時大；同時整流側(cè)避雷器吸收的最大能量也比雙極閉鎖時大，這是因為斷線時逆變側(cè)避雷器不起作用，全部能量由整流側(cè)避雷器釋放。雙極斷線比單極斷線的過電壓情況嚴(yán)重得多，雙極斷線時對避雷器的通流能力提出了很高要求，避雷器最大需要釋放能量為7.54 MJ。雙極斷線時，直流母線斷線位置越接近整流側(cè)，整流側(cè)避雷器吸收的能量越大。安裝避雷器后，直流線路斷線全電壓啟動時整流側(cè)電壓典型波形見圖4。

圖4 裝避雷器直流線路斷線全電壓啟動時整流側(cè)電壓

4 結(jié)論

UHVDC輸電線路全電壓啟動時會產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓。若不考慮避雷器的限幅效果，整流側(cè)閥橋頂端、逆變側(cè)閥橋頂端、逆變側(cè)線路末端和上下12組脈動換流單元之間的連接母線過電壓值都將超過2.0p.u.。避雷器對UHVDC輸電線路過電壓有較好的抑制效果，在有避雷器保護的情況下，上述過電壓幅值均下降到1.73p.u.。

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