直流斷路器及阻尼快速恢復(fù)系統(tǒng)在舟山多端柔性直流輸電工程中的應(yīng)用

劉 黎，俞興偉，喬 敏

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江 舟山 316000；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007）

0 引言

舟山多端柔性直流輸電示范工程于2014年7月投運(yùn)，工程在舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島各設(shè)1座換流站，直流電壓等級(jí)為±200 kV，額定容量分別為舟定換流站（簡(jiǎn)稱“舟定站”，其余類推）400 MW，舟岱站300 MW，舟衢站100 MW，舟洋站100 MW，舟泗站100 MW。舟定站通過(guò)定云2R38線接入220 kV云頂變電站（簡(jiǎn)稱“云頂變”，其余類推）、舟岱站通過(guò)岱蓬2R37線接入220 kV蓬萊變；舟衢站通過(guò)衢大1934線接入110 kV大衢變、舟洋站通過(guò)洋沈1933線接入110 kV沈家灣變、舟泗站通過(guò)大嵊1932線接入110 kV嵊泗變。舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)的交直流耦合電網(wǎng)電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

柔直工程的投運(yùn)提高了舟山海島區(qū)域電網(wǎng)的可靠性，有效改善了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越能力，實(shí)現(xiàn)了舟山北部各島嶼間的電能靈活轉(zhuǎn)換。已投運(yùn)的柔直工程采用半橋子模塊的模塊化多電平換流器，該拓?fù)湓谙到y(tǒng)發(fā)生直流雙極短路故障時(shí)，由于二極管的續(xù)流效應(yīng)，閉鎖后不能切斷電流，無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)直流故障的自清除[1-4]。為解決舟山五端柔直輸電系統(tǒng)存在直流側(cè)故障無(wú)法快速隔離，直流系統(tǒng)無(wú)法快速重啟動(dòng)，運(yùn)行靈活性仍需提高，橋臂短路時(shí)交流電流有直流偏置等問(wèn)題，結(jié)合未來(lái)柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展需求，2016年舟山柔直系統(tǒng)直流斷路器和阻尼恢復(fù)技術(shù)示范工程對(duì)5個(gè)換流站進(jìn)行改造，包括加裝5套阻尼模塊、1套（2臺(tái)）直流斷路器和9套諧振開(kāi)關(guān)，同時(shí)對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。改造后柔直系統(tǒng)5個(gè)換流站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)交直流耦合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖2 改造后柔直系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 直流斷路器及阻尼恢復(fù)系統(tǒng)主要設(shè)備

直流斷路器多采用機(jī)械開(kāi)關(guān)和電力電子器件相結(jié)合的混合式拓?fù)?，?～5 ms內(nèi)斷開(kāi)直流故障電流，切除直流故障[4-7]；橋臂阻尼拓?fù)浠趽Q流器模塊化結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將橋臂阻尼的子模塊串聯(lián)于模塊化多電平換流器的橋臂中，在直流故障時(shí)提供額外的電阻，快速衰減故障電流，配合直流線路安裝的諧振開(kāi)關(guān)，可以在100～200 ms內(nèi)切除直流線路故障，加快剩余健全系統(tǒng)的重啟過(guò)程。

1.1 直流斷路器

基于快速機(jī)械開(kāi)關(guān)和全橋（H橋）模塊級(jí)聯(lián)的混合式直流斷路器，主要由3條并聯(lián)支路構(gòu)成，分別為主支路、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路，如圖3所示，主支路用于導(dǎo)通系統(tǒng)負(fù)荷電流，由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)和少量全橋模塊串聯(lián)構(gòu)成，通態(tài)損耗低；轉(zhuǎn)移支路用于分?jǐn)嘞到y(tǒng)短路故障電流，由多級(jí)全橋模塊串聯(lián)構(gòu)成；耗能支路由避雷器組構(gòu)成，用于吸收系統(tǒng)短路電流并抑制分?jǐn)噙^(guò)電壓（1.5 p.u.）。

圖3 直流斷路器的構(gòu)成

直流斷路器運(yùn)行原理為：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)負(fù)荷電流經(jīng)主支路導(dǎo)通；當(dāng)發(fā)生直流短路故障時(shí)，主支路全橋模塊中IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）關(guān)斷，電流向轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移；主支路電流迅速下降直至為零 （約150 μs），此時(shí)分?jǐn)嘀髦返目焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)，2 ms后快速開(kāi)關(guān)打開(kāi)足夠開(kāi)距，能夠耐受直流斷路器1.5 p.u.的暫態(tài)分?jǐn)嚯妷海藭r(shí)閉鎖轉(zhuǎn)移支路，使得短路電流向轉(zhuǎn)移支路全橋模塊電容充電，直流斷路器兩端電壓迅速升高；當(dāng)直流斷路器兩端電壓達(dá)到避雷器保護(hù)水平時(shí)，短路電流全部轉(zhuǎn)移至耗能支路，避雷器吸收故障系統(tǒng)電感儲(chǔ)存能量直至電流過(guò)零，完成故障電流分?jǐn)嗪凸收宵c(diǎn)隔離，直流斷路器工作原理如圖4所示。

舟山柔直高壓直流斷路器額定電壓200 kV，額定電流2 kA，短路電流分?jǐn)嗄芰?5 kA，分?jǐn)鄷r(shí)間3 ms，暫態(tài)電壓300 kV。實(shí)現(xiàn)雙向故障電流的快速無(wú)弧分?jǐn)?，通態(tài)損耗低，采用緊湊的模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)和適用性高，具備良好的動(dòng)態(tài)均壓和關(guān)斷過(guò)沖抑制能力，降低了對(duì)IGBT器件一致性的苛刻要求，整體控制簡(jiǎn)單，可靠性高。

圖4 直流斷路器的工作原理

直流斷路器在接收到系統(tǒng)分?jǐn)嗝詈螅謹(jǐn)嚯娏鳛?～15 kA，分?jǐn)鄷r(shí)間3 ms；直流斷路器主支路采用3串2并結(jié)構(gòu)（強(qiáng)迫水冷），具備強(qiáng)過(guò)載能力，能夠?qū)~定電流6 kA，2 h過(guò)負(fù)荷電流8 kA；直流斷路器暫態(tài)最大耐受15 kA電流5 s，最大耐受40 kA故障電流5 ms。

1.2 阻尼模塊

阻尼模塊能大幅縮短直流系統(tǒng)重啟動(dòng)時(shí)間，使多端直流系統(tǒng)的無(wú)故障端可以快速恢復(fù)，其優(yōu)點(diǎn)在于：阻尼模塊的成本相對(duì)較低，具有較高的經(jīng)濟(jì)性；阻尼模塊不但可以加速直流雙極短路故障后的電流衰減，還可加速橋臂短路故障時(shí)交流系統(tǒng)側(cè)故障電流的直流分量衰減速度，縮短交流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間。阻尼模塊主要由阻尼電阻R，IGBT，旁路開(kāi)關(guān)以及模塊的控制和取能電路等部分組成，阻尼模塊中IGBT和電阻的安裝形式如圖5所示。

圖5 阻尼模塊安裝形式

橋臂阻尼模塊有3種常用的運(yùn)行狀態(tài)，如圖6所示。換流站正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)觸發(fā)脈沖導(dǎo)通阻尼模塊內(nèi)的IGBT，使得阻尼模塊被旁路出直流系統(tǒng)，當(dāng)控制保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)到交直流系統(tǒng)發(fā)生故障后，通過(guò)快速的閉鎖換流閥同時(shí)將阻尼模塊的IGBT閉鎖，使得阻尼電阻串聯(lián)進(jìn)入故障回路。加速交流回路中的直流偏置分量的衰減，促使交流斷路器能正常跳閘，未配備阻尼模塊和配備阻尼模塊的橋臂故障仿真對(duì)比波形如圖7所示。當(dāng)交流斷路器正常跳開(kāi)后，阻尼模塊也能加速回路中能量的消耗，通過(guò)諧振開(kāi)關(guān)的配合，加速故障隔離過(guò)程和重啟動(dòng)過(guò)程。

綜合考慮阻尼電阻的取值和衰減時(shí)間要求，各個(gè)站橋臂阻尼電阻的取值范圍在8～20 Ω。

1.3 諧振開(kāi)關(guān)

圖6 橋臂阻尼模塊3種常用的運(yùn)行狀態(tài)

圖7 阻尼模塊對(duì)直流分量的加速衰減作用

諧振開(kāi)關(guān)由3部分組成：開(kāi)斷裝置，形成電流過(guò)零點(diǎn)為目的的振蕩回路，以吸收直流回路中儲(chǔ)存的能量為目的的耗能元件。開(kāi)斷裝置采用SF6斷路器等交流斷路器，振蕩回路通常采用LC振蕩回路，耗能元件采用MOA（金屬氧化物避雷器）。諧振開(kāi)關(guān)的原理如圖8所示。

圖8 諧振開(kāi)關(guān)原理

諧振開(kāi)關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓200 kV，分?jǐn)嚯娏?00 A，開(kāi)斷時(shí)間50 ms。

諧振開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷可以分為3個(gè)階段：

（1）強(qiáng)迫電流過(guò)零階段。換流回路至少應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)。

（2）介質(zhì)恢復(fù)階段。要求斷路器有較快的滅弧介質(zhì)恢復(fù)速度，并且要高于滅弧觸頭間恢復(fù)電壓的上升速度，即觸頭間的耐壓要快于恢復(fù)電壓，達(dá)到MOA的持續(xù)最大運(yùn)行電壓。而當(dāng)恢復(fù)電壓達(dá)到MOA的持續(xù)最大運(yùn)行電壓時(shí)，MOA導(dǎo)通。

（3）能量吸收階段。要求耗能裝置MOA的放電負(fù)荷能力應(yīng)大于直流系統(tǒng)中殘存的能量，并且要考慮至少有二次滅弧耗能的要求。

2 快速重啟動(dòng)

對(duì)于舟山柔直系統(tǒng)，在將發(fā)生故障的直流線路切除后健全系統(tǒng)可恢復(fù)運(yùn)行，大大提高多端系統(tǒng)的可靠性，快速恢復(fù)時(shí)序如圖9所示。

圖9 快速恢復(fù)時(shí)序

其中的控制邏輯策略主要包括：

（1）直流故障隔離策略。

直流線路故障發(fā)生時(shí)，保護(hù)動(dòng)作后立刻發(fā)出閉鎖換流閥指令，此時(shí)換流閥中的半橋子模塊和阻尼模塊均閉鎖并開(kāi)始阻尼故障電流，在發(fā)出閉鎖換流閥指令的同時(shí)發(fā)出跳開(kāi)交流開(kāi)關(guān)指令。交流開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后，交流電源向故障點(diǎn)注流回路被切斷，此時(shí)只存在包含阻尼模塊電阻的橋臂電抗、平抗等電抗器續(xù)流回路，由于阻尼模塊電阻的作用，續(xù)流回路中的電流將迅速衰減。當(dāng)續(xù)流回路中的電流衰減至諧振開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力時(shí)，發(fā)出斷開(kāi)諧振開(kāi)關(guān)命令，最終實(shí)現(xiàn)直流故障的隔離。

故障發(fā)生后舟岱、舟洋、舟衢、舟泗換流站閉鎖換流閥，投入阻尼模塊并跳開(kāi)交流斷路器，舟定站閉鎖換流閥并跳開(kāi)直流斷路器，當(dāng)直流海纜電流衰減至500 A后跳開(kāi)相應(yīng)故障站（舟岱站或舟洋站）直流母線相連的海纜側(cè)諧振開(kāi)關(guān)，確認(rèn)諧振開(kāi)關(guān)跳開(kāi)后跳開(kāi)故障站交流斷路器完成故障隔離，然后合上所有海纜上的諧振開(kāi)關(guān)恢復(fù)接線。之后無(wú)故障的3個(gè)換流站（除舟定站）合上交流斷路器并重新解鎖運(yùn)行，舟定站采用單站投入方式并入直流電網(wǎng)恢復(fù)四站運(yùn)行。

（2）故障選線策略。

對(duì)于多端柔直應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)直流線路發(fā)生永久故障時(shí)，需要正確選擇發(fā)生故障的線路，并將故障線路切除后才能恢復(fù)健全系統(tǒng)的運(yùn)行。

對(duì)于偽雙極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在發(fā)生單極接地或雙極短路故障時(shí)，故障發(fā)生的初期，非故障線路兩端的故障電流為穿越性的，故障線路兩端的電流為非穿越性的，根據(jù)故障發(fā)生初期故障電流的方向能夠有效判斷出故障的區(qū)域。

偽雙極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在發(fā)生單極接地和雙極短路故障時(shí)，故障檢測(cè)、故障區(qū)分以及故障定位列表如表1所示。

表1 故障檢測(cè)策略

（3）恢復(fù)策略。

在直流線路故障成功隔離后，健全系統(tǒng)將進(jìn)入重啟動(dòng)階段。由于柔性直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)是需要采用直流電壓控制模式的換流站來(lái)平衡直流電網(wǎng)的功率，因此優(yōu)先解鎖定直流電壓控制站維持直流電壓穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)后分別解鎖采用功率控制模式的換流站并恢復(fù)功率傳輸。

3 換流站的單站投退

3.1 換流站的退出時(shí)序

當(dāng)任一換流站因檢修需要從運(yùn)行的直流系統(tǒng)中退出，由于舟山柔直有2種類型換流站，分別為帶直流斷路器的換流站即舟定站，和帶諧振開(kāi)關(guān)的換流站，包括舟岱、舟洋、舟衢和舟泗站，因此，采用不同的退出時(shí)序。

3.1.1 舟定站退出時(shí)序

若舟定站需退出，其操作順序如下：

（1）舟定站控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出閉鎖本站命令，2 ms后舟定站閉鎖。

（2）控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出跳開(kāi)直流斷路器ZK1命令，3 ms后直流斷路器ZK1跳開(kāi)。

（3）若舟定站退出前控制模式為定直流電壓控制，其退出后由舟岱站接管直流電壓控制，若舟定站退出前控制模式為定功率控制，其退出對(duì)其余換流站沒(méi)有影響。

（4）控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出跳開(kāi)該站閥側(cè)交流斷路器命令，40 ms后閥側(cè)交流斷路器跳開(kāi)。

從上述退出時(shí)序可以看出，此類檢修操作時(shí)間約45 ms。

3.1.2 帶諧振開(kāi)關(guān)的換流站退出時(shí)序

舟岱站、舟衢站、舟洋站和舟泗站的退出操作順序相同，以舟岱站為例：

（1）舟岱站控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出閉鎖本站命令，2 ms后舟定站閉鎖。

（2）控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出跳開(kāi)本站閥側(cè)交流斷路器命令，40 ms后交流斷路器跳開(kāi)。

（3）在確認(rèn)交流斷路器跳開(kāi)后，控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出跳諧振開(kāi)關(guān)XK2命令，60 ms后諧振開(kāi)關(guān)XK2跳開(kāi)。

（4）若舟岱站退出前控制模式為定直流電壓控制，其退出后由舟定站接管直流電壓控制，若舟岱站退出前控制模式為定功率控制，其退出對(duì)其余換流站沒(méi)有影響。

從上述邏輯可以看出，此類檢修操作時(shí)間約102 ms。

3.2 換流站的投入時(shí)序

3.2.1 舟定站投入時(shí)序

舟定站投入的操作順序如下：

（1）運(yùn)行人員進(jìn)行舟定站充電操作。

（2）待子模塊電容電壓完成充電階段后，運(yùn)行人員控制舟定站以STATCOM模式解鎖運(yùn)行。

（3）待舟定站直流出口側(cè)電壓穩(wěn)定后，控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送閉鎖命令，2 ms后舟定站閉鎖。

（4）確認(rèn)舟定站閉鎖后，控制保護(hù)系統(tǒng)向直流斷路器ZK1發(fā)送閉合命令，3 ms后直流斷路器ZK1閉合。

（5）直流斷路器ZK1合上后，舟定站以定功率的控制模式解鎖，完成換流站帶電投入。

（6）運(yùn)行人員將舟定站改成定直流電壓運(yùn)行，舟岱站改成定功率運(yùn)行。

3.2.2 帶諧振開(kāi)關(guān)的換流站投入時(shí)序

舟岱站、舟衢站、舟洋站和舟泗站的投入操作順序相同，以舟岱站為例：

（1）運(yùn)行人員進(jìn)行舟岱站充電操作。

（2）待子模塊電容電壓完成充電階段后，運(yùn)行人員控制舟岱站以STATCOM模式解鎖運(yùn)行。

（3）待舟岱站直流出口側(cè)電壓穩(wěn)定后，控制保護(hù)系統(tǒng)發(fā)送閉鎖命令，2 ms后舟岱站閉鎖。

（4）確認(rèn)舟岱站閉鎖后，控制保護(hù)系統(tǒng)向諧振開(kāi)關(guān)XK2發(fā)送閉合命令，60 ms后諧振開(kāi)關(guān)XK2閉合。

（5）諧振開(kāi)關(guān)XK2合上后，舟岱站以定功率的運(yùn)行模式解鎖，完成換流站帶電投入。

4 存在的問(wèn)題

直流斷路器分?jǐn)嗤瓿珊?，隔離開(kāi)關(guān)未打開(kāi)的情況下，斷路器模塊內(nèi)部電壓放電下降至系統(tǒng)電壓相等后，系統(tǒng)電壓將經(jīng)永久故障點(diǎn)對(duì)各部件所配置并聯(lián)電阻放電，產(chǎn)生系統(tǒng)漏電流（約20 mA），該漏電流將在各電阻甚至MOV中產(chǎn)生持續(xù)功率損耗。由于直流斷路器（尤其是轉(zhuǎn)移支路模塊中各電阻）主要針對(duì)暫態(tài)通流下脈沖功率而設(shè)計(jì)，未配置冷卻系統(tǒng)，因而不具備長(zhǎng)時(shí)通流能力，1 min時(shí)間內(nèi)電阻溫升將達(dá)到上百攝氏度，若溫度進(jìn)一步升高，對(duì)電阻自身壽命及周邊設(shè)備的安全運(yùn)行都將產(chǎn)生危害，故提出了要求直流斷路器分?jǐn)酄顟B(tài)下，兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)分合時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)1 min的運(yùn)行要求。

另一問(wèn)題是諧振開(kāi)關(guān)的電容器按耐受200 kV直流電壓5 min進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間耐受此電壓，要求兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)在5 min打開(kāi)。

因此換流站單站投退中隔離開(kāi)關(guān)參與了控制邏輯?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，直流隔離開(kāi)關(guān)電源供電方案在單套站用電失電情況下，無(wú)法滿足直流斷路器和諧振開(kāi)關(guān)對(duì)兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)的操作要求，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站極隔離失敗，故障擴(kuò)大。

針對(duì)站用變切換過(guò)程中五站直流場(chǎng)所有隔離開(kāi)關(guān)存在拒動(dòng)的隱患，已通過(guò)技術(shù)改造項(xiàng)目將隔離開(kāi)關(guān)交流供電的操動(dòng)機(jī)構(gòu)改為直流供電的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)直流分屏提供電源。

5 結(jié)語(yǔ)

直流斷路器及阻尼快速恢復(fù)系統(tǒng)的加裝大大提高了舟山柔直系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，縮短直流故障清除和非故障端重啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)換流站的單站帶電投入和退出功能，提高工程運(yùn)行靈活性并解決橋臂故障交流電流存在較大直流偏置的問(wèn)題。隨著舟山海島負(fù)荷的不斷增加以及海島風(fēng)電場(chǎng)的不斷接入，柔性直流線路故障對(duì)于交流系統(tǒng)的沖擊將不斷增大，該改造工程將為此做好充分的防備，降低未來(lái)海島供電的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高海島供電的可靠性。