采用架空線的MMC-HVDC單極接地過(guò)電壓分析

趙西貝， 許建中， 盧鐵兵， 趙成勇， 苑津莎

(新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))， 北京市 102206)

0　引言

相比于交流輸電和傳統(tǒng)直流輸電，柔性直流輸電技術(shù)更加靈活，適用于遠(yuǎn)距離電網(wǎng)互聯(lián)和新能源并網(wǎng)發(fā)電[1]。得益于電力電子開(kāi)關(guān)器件的快速發(fā)展，柔性直流輸電在電壓等級(jí)和傳輸容量上向傳統(tǒng)直流輸電逐步靠近。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)柔性直流輸電技術(shù)展開(kāi)了深入的研究[2-5]。

隨著電壓等級(jí)、輸電距離和傳輸容量的不斷提高，架空線必將成為柔直系統(tǒng)主要的輸電方式。不同于現(xiàn)有工程采用的電纜線路，暴露在外的架空線必將使系統(tǒng)更多地經(jīng)受短路故障考驗(yàn)，有必要研究其暫態(tài)過(guò)電壓特性。目前對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)的過(guò)電壓研究主要集中于仿真計(jì)算[6-7]，文獻(xiàn)[8]分析了柔直系統(tǒng)電纜單極接地故障時(shí)直流側(cè)避雷器下的動(dòng)作特性，文獻(xiàn)[9]分析了電纜和架空線混合連接輸電系統(tǒng)的過(guò)電壓特性，文獻(xiàn)[10]分析了柔直系統(tǒng)在重啟過(guò)程中的過(guò)電壓保護(hù)問(wèn)題，文獻(xiàn)[11]研究了潮流控制器對(duì)系統(tǒng)的過(guò)電壓影響。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)于輸電系統(tǒng)不同故障導(dǎo)致的過(guò)電壓幅值進(jìn)行了研究，同時(shí)有學(xué)者對(duì)單極接地故障后的恢復(fù)過(guò)程提出了優(yōu)化方案[14-17]。其中對(duì)直流側(cè)單極接地故障具體內(nèi)在機(jī)理的對(duì)比研究，以及不同保護(hù)方式的過(guò)電壓抑制效果對(duì)比分析還存在空白，該領(lǐng)域的研究對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)的設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)和保護(hù)配合有重要意義。

前述研究存在的問(wèn)題包括：①線路模型采用短距離電纜線路模型，不適用于遠(yuǎn)距離架空線輸電情況；②提出的避雷器配置方案完全參考傳統(tǒng)直流換流站配置方案，或者僅僅配備一組直流側(cè)避雷器進(jìn)行研究；③沒(méi)有考慮直流架空線路故障時(shí)直流斷路器動(dòng)作對(duì)換流站和線路過(guò)電壓的影響。

由于采用架空線傳輸?shù)娜嵝灾绷鬏旊娤到y(tǒng)將面臨高概率的單極接地故障，故將單極接地故障作為柔性直流輸電系統(tǒng)過(guò)電壓的主要考察方式。本文的研究?jī)?nèi)容主要包含：①分析系統(tǒng)接地故障后的過(guò)電壓特性；②研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和多種保護(hù)措施對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓的影響規(guī)律；③針對(duì)接地故障提出有選擇性的換流站避雷器配置方案。

1　仿真測(cè)試系統(tǒng)

本文選取401電平，±320 kV，額定功率1 GW的對(duì)稱(chēng)單極模塊化多電平(MMC)直流輸電系統(tǒng)，子模塊為半橋結(jié)構(gòu)，仿真采用文獻(xiàn)[18]中提出的MMC快速仿真模型。采用的仿真步長(zhǎng)為20 μs，滿足電磁暫態(tài)仿真的精度要求[19]。

交流側(cè)采用額定電壓230 kV，頻率50 Hz的交流系統(tǒng)等效模型，系統(tǒng)短路容量比(SCR)為10。在變壓器二次側(cè)使用星形電抗加接地電阻接地，為系統(tǒng)提供電位參考點(diǎn)，Lg=3 H，Rg=3 000 Ω。換流站內(nèi)采用的橋臂電抗Larm=100 mH，子模塊電容C=20 mF，正負(fù)極線上直流電抗器L=100 mH。

為了精確反映輸電線路的暫態(tài)特性，采用了如附錄A圖A1所示的基于頻率特性的分布參數(shù)模型。傳輸線采用間距45 cm的二分裂導(dǎo)線，直流電阻為0.011 4 Ω/km，電感為0.935 6 mH/km,對(duì)地電容為0.012 3 μF/km。

架空輸電線路具有較高的故障率，因此半橋MMC型柔直系統(tǒng)必須配備直流斷路器[20-21]，用以切斷短路故障電流。為了驗(yàn)證直流斷路器對(duì)于直流側(cè)接地過(guò)電壓的抑制效果，在每個(gè)換流站配備兩臺(tái)直流斷路器。直流斷路器模型采用附錄A圖A3所示的混合式直流斷路器，其具體參數(shù)如附錄A表A1所示。

在換流站內(nèi)配置避雷器是抑制故障過(guò)電壓最直接的手段，圖1所示為換流站中通用的避雷器配置方案。為了盡可能地減小穩(wěn)態(tài)損耗，同時(shí)有效地限制故障過(guò)電壓，保護(hù)珍貴的換流閥設(shè)備。所采用的金屬氧化物避雷器U-I曲線特性參數(shù)如附錄A表A2所示，每個(gè)避雷器的額定電壓被設(shè)置在1.1倍的被保護(hù)設(shè)備穩(wěn)態(tài)峰值電壓。避雷器在仿真程序中被認(rèn)為是一段非線性電阻，在施加電壓過(guò)高時(shí)阻值迅速減小，通流能力迅速增大，通過(guò)金屬氧化物避雷器內(nèi)部的元件升溫吸收多余的能量，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的效果。

圖1　換流站避雷器配置方案Fig.1　MOA disposition in converter

2　故障過(guò)電壓分析

對(duì)于直流側(cè)接地故障帶來(lái)的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，本節(jié)將首先分析柔直系統(tǒng)保護(hù)措施不動(dòng)作下的過(guò)電壓過(guò)程。值得注意的是，在發(fā)生線路單極接地故障后，只要輸電線和換流站設(shè)計(jì)允許，該系統(tǒng)仍可以傳輸額定功率。遠(yuǎn)距離架空輸電正極線路中點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，逆變側(cè)直流極線、直流母線、A相上橋臂電抗器電壓及故障點(diǎn)放電電流波形如圖2所示。

圖2　逆變站線路單極接地故障波形圖Fig.2　Wave forms of monopolar grounding fault at inverter side

由圖2可見(jiàn)，直流側(cè)電壓和換流閥兩端電壓都在經(jīng)過(guò)了震蕩衰減過(guò)程之后達(dá)到了新的穩(wěn)態(tài)，此外還可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)換流站橋臂兩端的故障過(guò)電壓比線路側(cè)略小，這是因?yàn)槠讲娍蛊鞯拇嬖?，吸收了一部分能量，起到了保護(hù)換流站的效果。

2)A相橋臂電抗器最大過(guò)電壓達(dá)到160 kV，是因?yàn)樵诠收习l(fā)生瞬間，直流線路依然為額定電壓，會(huì)通過(guò)故障點(diǎn)快速放電，該放電電流從換流站兩端指向故障點(diǎn)，電流方向與A相橋臂電抗器上正常流向相反，產(chǎn)生極高的過(guò)電壓。

3)相對(duì)于故障通路，正、負(fù)極平波電抗器事實(shí)上為串聯(lián)關(guān)系，同一換流站兩個(gè)平波電抗器在直流側(cè)接地故障后過(guò)電壓幅值和波形基本相同。

4)因?yàn)楣收习l(fā)生在直流線路中點(diǎn)，故障影響傳遞到換流站需要經(jīng)歷波過(guò)程，波的反射體現(xiàn)在換流站兩端電壓出現(xiàn)高頻震蕩過(guò)程，當(dāng)系統(tǒng)逐漸達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，震蕩過(guò)程也同步衰減。

3　過(guò)電壓影響因素分析

對(duì)于直流側(cè)過(guò)電壓特性存在多種影響因素，不同的系統(tǒng)參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障特征和保護(hù)動(dòng)作等都可能會(huì)造成影響。分析單一因素變化對(duì)柔直系統(tǒng)造成的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，對(duì)深入理解柔直系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)特性有重要意義。

1)系統(tǒng)接地方式：模塊化多電平直流輸電系統(tǒng)，常見(jiàn)的接線方式除了附錄A圖A1所示的星形電抗接地，部分工程還存在變壓器采用Dy0或者Y0y接法，為了對(duì)比不同接地方式過(guò)電壓特性區(qū)別，仿真中設(shè)置2 s時(shí)發(fā)生直流架空線中點(diǎn)正極接地故障，2.2 s時(shí)故障消失。由附錄A圖A4可知系統(tǒng)接線方式對(duì)過(guò)電壓無(wú)明顯影響。

2)平波電抗器的影響：在柔性直流電網(wǎng)中，為了限制故障電流上升率和幅值，減小直流斷路器開(kāi)斷的故障電流，通常安裝較大平波電抗器。平波電抗器在穩(wěn)態(tài)情況下不承受電壓，在暫態(tài)過(guò)程中能夠抑制故障電流的快速發(fā)展。如附錄A圖A6所示，發(fā)生線路中點(diǎn)正極接地故障時(shí)，平波電抗器越大，在故障后過(guò)電壓越大，絕緣水平要求越高，相應(yīng)橋臂電抗的絕緣水平可以降低。值得注意的是，在平抗值小于100 mH時(shí)，可以有效減小換流站直流電壓，但是平抗值更大時(shí)換流站電壓重新出現(xiàn)小幅上升。線路負(fù)極的最大過(guò)電壓也在平抗取值100 mH左右達(dá)到最大值。

3)橋臂電抗器的影響：不同取值的橋臂電抗器在系統(tǒng)對(duì)地放電時(shí)的阻礙能力不同。因此橋臂電抗器上過(guò)電壓水平也不同。如附錄A圖A7所示，在發(fā)生直流側(cè)正極中點(diǎn)接地故障時(shí),橋臂電抗器越大，其承受的過(guò)電壓越高，直流側(cè)電抗器的絕緣要求相應(yīng)降低。更大的橋臂電抗也會(huì)使換流站兩端直流暫態(tài)過(guò)電壓峰值變大。橋臂電抗器對(duì)直流負(fù)極線的過(guò)電壓峰值也同樣存在影響，規(guī)律同平抗一致，但是因?yàn)闃虮垭娍蛊髋c直流線路電氣距離較遠(yuǎn)，因此影響遠(yuǎn)不如平抗明顯。

4)線路長(zhǎng)度影響：線路越長(zhǎng)，波阻抗越大，故障全部發(fā)生于線路中點(diǎn)，距離越長(zhǎng)的線路電壓振蕩頻率越低。如附錄A圖A8所示，線路越長(zhǎng)，放電電流越平緩，線路平抗上的過(guò)電壓也越低，逆變站直流過(guò)電壓峰值也越低。但是橋臂電抗和負(fù)極對(duì)地電壓都經(jīng)歷了一個(gè)先上升后下降的過(guò)程。

5)故障點(diǎn)位置：不同的故障點(diǎn)對(duì)過(guò)電壓的幅值有明顯影響但是因?yàn)榫€路行波的反射和折射，難以得到單調(diào)變化的結(jié)果。觀察不同位置發(fā)生接地故障下的線路電壓，如附錄A圖A9，可以認(rèn)為，極間電壓在故障點(diǎn)遠(yuǎn)離逆變站時(shí)較大，而負(fù)極對(duì)地電壓則在故障發(fā)生在線路中點(diǎn)時(shí)(150 km附近)更嚴(yán)重。

6)大地電阻率的影響：發(fā)生直流側(cè)單極接地故障時(shí)，不同的土壤條件對(duì)放電回路阻尼有重要影響。如附錄A圖A10所示，故障點(diǎn)等效接地電阻從金屬性接地漸變到高阻接地，系統(tǒng)振幅逐漸變小，過(guò)電壓水平降低，這是因?yàn)楦叩碾娮杩梢愿玫匚障到y(tǒng)能量，增大系統(tǒng)阻尼，減少放電電流峰值，從而降低線路和電抗器上的過(guò)電壓。當(dāng)?shù)刃Ы拥仉娮璩^(guò)200 Ω時(shí)，電阻變化對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓的影響明顯減小。

7)故障發(fā)生時(shí)間影響：如附錄A圖A11所示，不同的故障發(fā)生時(shí)間僅對(duì)橋臂電抗過(guò)電壓峰值有明顯影響，這是因?yàn)椴煌臅r(shí)刻橋臂導(dǎo)通狀態(tài)不同，橋臂電流流向不同，橋臂放電初始狀態(tài)不同，導(dǎo)致橋臂電抗過(guò)電壓不同。直流側(cè)設(shè)備因?yàn)檎顟B(tài)下電壓電流穩(wěn)定，故障后過(guò)電壓也基本相同。

8)不同故障時(shí)刻后閉鎖影響：直流線路正極接地故障發(fā)生在一個(gè)交流周期內(nèi)的不同時(shí)刻，1 ms后換流器閉鎖。如附錄A圖A12所示，越靠近直流側(cè)線路和平波電抗器上過(guò)電壓出現(xiàn)越明顯的周期性變化，而橋臂電抗器過(guò)電壓峰值變化規(guī)律不明顯，這是因?yàn)橹绷鱾?cè)設(shè)備受到系統(tǒng)三相橋臂綜合影響的疊加，而橋臂電抗器過(guò)電壓和本橋臂運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)性更高。

9)直流斷路器動(dòng)作影響：在輸電線兩端各安裝2個(gè)混合式直流斷路器，目的在于故障時(shí)切斷故障電流。在單極接地故障中，直流斷路器可以通過(guò)切斷對(duì)地放電通路，使得換流站電位參考點(diǎn)恢復(fù)，快速保護(hù)換流站兩端電壓。對(duì)于輸電線路來(lái)說(shuō)，因?yàn)榫€路被切除，線路上能量缺乏釋放通路，仍然將承受故障過(guò)電壓,如附錄A圖A13所示。

4　避雷器配置方案

避雷器是保護(hù)輸電設(shè)備的常用裝置，不同于傳統(tǒng)直流輸電的持續(xù)運(yùn)行電壓峰值(CCOV)和持續(xù)運(yùn)行電壓最大峰值(PCOV)可以經(jīng)過(guò)規(guī)范計(jì)算得出，柔性直流系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)主要通過(guò)仿真計(jì)算來(lái)校核。以附錄A圖A3所示的避雷器配置方案為例，在獲得各個(gè)設(shè)備的PCOV后，可根據(jù)一定裕度(設(shè)為1.1)得到避雷器的參考電壓。特別需要指出，橋臂電抗器BR和直流電抗器DR的故障電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電壓，其避雷器參考電壓一般經(jīng)過(guò)故障仿真得出。所得到參考電壓需要經(jīng)過(guò)不斷地調(diào)教，來(lái)滿足相應(yīng)的設(shè)備保護(hù)水平，如表1所示。

表1　避雷器保護(hù)參數(shù)Table 1　Arrester protect parameters

對(duì)于直流側(cè)單極接地故障，柔性直流輸電系統(tǒng)以下位置的避雷器必不可少。

1)直流側(cè)避雷器DL：該避雷器是換流站最接近輸電線路的避雷器，是換流站防護(hù)直流側(cè)故障的第一道防線，只采用一組直流側(cè)避雷器就可以有效地降低線路和換流站的過(guò)電壓水平，如圖3所示。

圖3　逆變站僅配置直流側(cè)避雷器后直流電壓Fig.3　Voltages of inverter station with only DC side arresters

2)平波電抗器避雷器DR：因?yàn)槠讲娍蛊鞯拇嬖冢ǔQ流站兩端過(guò)電壓比線路上低，在單極接地故障中，平抗會(huì)阻止故障放電電流，平抗上會(huì)承受上百千伏的電壓，必須采用避雷器來(lái)保護(hù)電抗設(shè)備。

3)橋臂電抗器避雷器BR：橋臂電抗器在單極故障時(shí)可能存在電流反轉(zhuǎn)的情況，可能承受數(shù)百千伏的電壓，因此也需要避雷器保護(hù)。

除此之外，以下位置的避雷器可以選擇配置。

1)直流母線避雷器DB：在不采取其他保護(hù)措施的時(shí)候，直流母線避雷器的效果在于分擔(dān)平抗避雷器吸收的能量，對(duì)于線路過(guò)電壓并沒(méi)有明顯影響。當(dāng)換流器閉鎖時(shí)，直流母線避雷器可以進(jìn)一步保護(hù)換流器，換流器上負(fù)極電壓可以下降到-535 kV。

2)變壓器二次側(cè)避雷器A：變壓器二次側(cè)避雷器的作用在于保護(hù)變壓器免于直流電壓偏置帶來(lái)的過(guò)電壓。如附錄A圖A14所示，得益于星三角接線方式，如果換流變閥側(cè)三相電壓平衡，則交流側(cè)不會(huì)出現(xiàn)電壓偏差。采用避雷器保護(hù)變壓器閥側(cè)后，可以抑制峰值過(guò)電壓，但同時(shí)也會(huì)使交流側(cè)電壓質(zhì)量下降。因此若系統(tǒng)設(shè)計(jì)允許運(yùn)行在單極接地故障情況下，則變壓器二次側(cè)不需要安裝避雷器。

5　結(jié)論

本文分析了導(dǎo)致柔性直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)電壓的多種故障，并且以最嚴(yán)重的直流側(cè)單極接地過(guò)電壓為分析對(duì)象，分析了影響過(guò)電壓的多種因素，并提出了相應(yīng)的避雷器配置方案。

1)對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)而言，直流側(cè)單極接地故障帶來(lái)最嚴(yán)重的過(guò)電壓和直流電壓偏置，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2)電抗器配置、線路長(zhǎng)度和接地電阻會(huì)明顯影響故障后過(guò)電壓水平，采用換流站閉鎖或者直流斷路器動(dòng)作后，該保護(hù)動(dòng)作成為過(guò)電壓的主要影響因素。系統(tǒng)接地方式和故障時(shí)間對(duì)過(guò)電壓峰值沒(méi)有明顯影響。

3)系統(tǒng)的直流側(cè)避雷器、平波電抗器避雷器、橋臂電抗避雷器在換流站內(nèi)必不可少，對(duì)于保護(hù)對(duì)應(yīng)的設(shè)備有不可替代的作用。直流母線避雷器、換流變二次側(cè)避雷器可以視情況選擇添加。

柔直換流站在故障后數(shù)毫秒內(nèi)，其放電過(guò)程可以等效為一個(gè)RLC電路的放電過(guò)程。本文的研究對(duì)象雖然是雙端對(duì)稱(chēng)單極MMC系統(tǒng)，但是對(duì)稱(chēng)雙極MMC系統(tǒng)不論是單極接地故障還是雙極短路，其放電電路結(jié)構(gòu)均可等效為一個(gè)單極換流站的情況，因此本文的結(jié)論適用于對(duì)稱(chēng)雙極MMC系統(tǒng)的故障過(guò)電壓特性分析。

對(duì)于多端柔直或者是直流電網(wǎng)，發(fā)生直流側(cè)故障后，故障電流不僅有故障線路兩端換流站的饋入，還有會(huì)遠(yuǎn)端換流站的貢獻(xiàn)。由于直流電源的增加，其故障點(diǎn)放電電流增長(zhǎng)更快，直流側(cè)電抗器需要承受更高的電壓。但是對(duì)于站內(nèi)設(shè)備而言，其放電回路沒(méi)有發(fā)生變化，因此本文的研究結(jié)果對(duì)多端柔直和直流電網(wǎng)的過(guò)電壓特性分析也有一定的借鑒意義。

對(duì)于接入新能源系統(tǒng)的多端柔直和直流電網(wǎng)，其過(guò)電壓研究不僅要考慮電網(wǎng)本身，還需要考慮新能源基地的保護(hù)配合。此外本文沒(méi)有涉及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下后備保護(hù)對(duì)系統(tǒng)過(guò)電壓的影響，這將是后續(xù)研究的方向。

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

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趙西貝(1993—),男,博士研究生,主要研究方向:柔性直流輸電控制與保護(hù)。E-mail: winfly@163.com

許建中(1987—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:高壓直流輸電與柔性直流輸電技術(shù)。E-mail:xujianzhong@ncepu.edu.cn

盧鐵兵(1970—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:先進(jìn)輸變電技術(shù)。E-mail: tiebinglu@ncepu.edu.cn