柔性直流功率模塊比對(duì)失敗跳閘事件分析

王磊 楊曉平 蔡永梁 孫小平 李喆

摘? ?要：針對(duì)魯西背靠背換流站調(diào)試期間發(fā)生的一起柔性直流功率模塊比對(duì)失敗，從而導(dǎo)致跳閘的事件，本文對(duì)跳閘條件進(jìn)行了闡述，根據(jù)跳閘條件對(duì)本次比對(duì)失敗導(dǎo)致跳閘的原因進(jìn)行了分析，同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)排查并確定了故障原因，針對(duì)故障原因提出了相應(yīng)建議，以避免類似事件再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：柔性直流? 功率模塊? 黑模塊? 魯西換流站

中圖分類號(hào)：TM721? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）11（c）-0036-03

Abstract：Focusing on a trip accident caused by VSC-HVDC power module comparison failure of Luxi back-to-back converter station in the debugging period， this paper illustrated the trip criteria， analyzed the reason of this trip accident based on the trip criteria， did the on-site investigation to determine the cause of failure， and made suggestions to avoid the recurrence of such incident.

Key Words：VSC-HVDC;Power module;Black module;Luxi converter station

1? 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，帶動(dòng)了用電需求持續(xù)增長(zhǎng)，為滿足用電負(fù)荷增長(zhǎng)的需要，電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大、區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)成為主流發(fā)展方向[1]。電網(wǎng)互聯(lián)帶來了跨省跨地區(qū)輸電量的大幅提高，不僅加強(qiáng)了大電網(wǎng)資源優(yōu)化配置，也為電網(wǎng)互為支撐、相互支援提供了強(qiáng)大的保障[2]。另一方面，風(fēng)電、太陽能等可再生能源利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，但由于其固有的分散性、小型性、遠(yuǎn)離負(fù)荷中心等特點(diǎn)[3]，迫切要求并網(wǎng)時(shí)采用柔性直流輸電技術(shù)，并不斷提升其輸電能力。同時(shí)，城市用電負(fù)荷的快速增加，需要不斷擴(kuò)充電網(wǎng)的容量，但鑒于城市人口膨脹和土地資源的稀缺，不僅要求利用有限的線路走廊輸送更多的電能，而且要求大量的配電網(wǎng)轉(zhuǎn)入地下。因此，迫切需要采用更加靈活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、安全的輸電方式解決以上問題。

柔性直流輸電技術(shù)具有控制靈活、無換相失敗、快速實(shí)現(xiàn)有功無功調(diào)節(jié)、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)利用、分布式發(fā)電并網(wǎng)、大型電網(wǎng)異步互聯(lián)、無源網(wǎng)絡(luò)供電等領(lǐng)域的首選技術(shù)，同時(shí)也是我國(guó)能源電力發(fā)展的核心技術(shù)[4]。

目前，國(guó)內(nèi)柔性直流輸電換流閥多采用MMC（modular multilevel converter，模塊化多電平換流器）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。MMC采用完全一致的模塊化技術(shù)，便于實(shí)現(xiàn)冗余控制，在研發(fā)、制造、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)均壓以及減小環(huán)流方面有著很大優(yōu)勢(shì)[5]。

魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程建設(shè)地點(diǎn)位于云南省曲靖市羅平縣魯西村，直流容量一期按2000MW規(guī)劃，二期規(guī)模按3000MW規(guī)劃[6]。該工程首次通過柔性直流輸電系統(tǒng)將主網(wǎng)與區(qū)域電網(wǎng)間異步聯(lián)網(wǎng)，其柔性直流輸電換流閥額定直流電壓±350kV，額定功率1000MW，電壓等級(jí)和容量均為世界最高水平。處于功率傳輸模式時(shí)，柔性直流單元具備-300Mvar至+300Mvar的無功輸出能力。除傳輸功率外，柔性直流單元還被長(zhǎng)期用于無功調(diào)節(jié)，平均無功輸出約200Mvar，對(duì)電網(wǎng)提供了無功支撐，有效平抑了系統(tǒng)電壓波動(dòng)。

魯西背靠背換流站柔直單元的換流器由云南側(cè)換流器和廣西側(cè)換流器組成，兩側(cè)均采用了目前業(yè)內(nèi)主流的模塊化多電平（MMC）拓?fù)鋼Q流閥。換流閥分為六個(gè)橋臂，由眾多半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率模塊構(gòu)成。功率模塊是MMC拓?fù)鋼Q流閥的最小單元，發(fā)生故障后由模塊內(nèi)部的機(jī)械旁路開關(guān)實(shí)現(xiàn)故障隔離，不影響換流閥的整體運(yùn)行。柔性直流功率模塊設(shè)計(jì)時(shí)考慮了較高的冗余度，保證在整個(gè)大修時(shí)間區(qū)間內(nèi)不用更換功率模塊。

2? 跳閘事件簡(jiǎn)介

魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程柔直單元于2016年7月完成安裝，8月進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試，并于8月30日正式投運(yùn)。

在2016年8月7日工程調(diào)試階段，柔性直流閥控系統(tǒng)在閉鎖階段報(bào)出“廣西側(cè)C相上橋臂模塊387故障”和“模塊比對(duì)故障”，同時(shí)閥控上報(bào)跳閘請(qǐng)求，換流單元三由閉鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)。

3? 跳閘分析

3.1 跳閘條件及邏輯框圖

換流站閥控系統(tǒng)由閥控接口設(shè)備VCMI和閥組控制設(shè)備VGC兩部分構(gòu)成。

閥控接口設(shè)備VCMI完成換流閥脈沖調(diào)制、脈沖分配及相關(guān)的保護(hù)功能。該裝置負(fù)責(zé)接收上層CCP控制保護(hù)命令，并反饋換流閥的部分狀態(tài)信息;也負(fù)責(zé)6個(gè)橋臂中功率模塊電容電壓的均衡控制和橋臂環(huán)流抑制，并將控制結(jié)果（參考電壓）下發(fā)給每個(gè)橋臂的VGC設(shè)備供其分配每個(gè)功率模塊的觸發(fā)脈沖。另外，VCMI也負(fù)責(zé)與測(cè)量裝置MU、故障錄波TFR設(shè)備、SCADA設(shè)備等的通訊以及對(duì)換流站內(nèi)部電壓、電流的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。VCMI與VGC、SCADA之間通過光纖進(jìn)行通訊。

VCMI設(shè)備分為VCMI-A和VCMI-B兩套接口設(shè)備，工作方式采用雙系統(tǒng)熱備份冗余工作方式，VCMI裝置A、B兩套系統(tǒng)完全獨(dú)立，同時(shí)接收換流站級(jí)控制保護(hù)裝置的命令，經(jīng)過A、B兩套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)判斷后，確定發(fā)給脈沖分配裝置的控制保護(hù)命令。

閥組控制設(shè)備VGC主要用于接收上層來自VCMI-A和VCMI-B的調(diào)制電壓、操作指令等控制保護(hù)命令，并根據(jù)來自CCP的值班信號(hào)選擇使用A或B系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)向上層VCMI屏柜反饋換流閥的故障信息;向下層功率模塊控制器PMC發(fā)送控制命令，同時(shí)接收功率模塊的電容電壓、故障狀態(tài)等信息。

VGC設(shè)備分為六套硬件和軟件完全相同的屏柜，對(duì)應(yīng)于A、B、C三相的上、下橋臂，每面VGC屏柜與一個(gè)橋臂所有的功率模塊通訊。VGC與對(duì)應(yīng)橋臂的功率模塊以及VCMI-A、VCMI-B之間均通過光纖進(jìn)行通訊。

閥控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

在模塊比對(duì)功能投入的情況下，閥控將各橋臂模塊在上位機(jī)記錄或設(shè)置的旁路模塊狀態(tài)與閥本次重啟充電后所獲得的新故障狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，若存在某模塊前后兩次的故障狀態(tài)不一致，即比對(duì)結(jié)果出現(xiàn)黑模塊，則閥控系統(tǒng)不發(fā)出“允許解鎖”信號(hào)，將“比對(duì)失敗”故障報(bào)送SCADA，向PCP申請(qǐng)?zhí)l，并閉鎖換流器。換流器充電過程中模塊狀態(tài)比對(duì)不一致故障的情況下兩套閥控系統(tǒng)的邏輯框圖如圖2所示。

3.2 跳閘原因分析

通過分析跳閘條件，黑模塊實(shí)質(zhì)為與閥控通訊中斷，閥控?zé)o法讀取其狀態(tài)的模塊，強(qiáng)行解鎖后，該類模塊可能被串聯(lián)在回路中無法退出。

在柔性直流換流閥停運(yùn)并接地后，進(jìn)入閥廳對(duì)CU387功率模塊進(jìn)行檢查，使用功率模塊測(cè)試平臺(tái)對(duì)該模塊進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)功能均正常。對(duì)該模塊與閥組控制設(shè)備VGC之間的通訊光纖進(jìn)行衰減測(cè)試，發(fā)現(xiàn)光纖衰減過大，對(duì)光纖進(jìn)行更換后，換流閥重新上電，并正常解鎖。

光纖用于換流閥功率模塊與閥控VGC屏柜之間的通訊，正常情況下，功率模塊通過上行光纖將模塊電壓和故障代碼等狀態(tài)信息上傳至閥控，閥控以此為依據(jù)，通過下行光纖將控制命令下發(fā)至功率模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率模塊的控制。功率模塊與VGC屏柜通訊示意圖如圖3所示。

光纖結(jié)構(gòu)如圖4所示。光纖主要由光纖接頭、分支尾纖、分支器、拖曳保護(hù)管及主纜部分組成。對(duì)故障光纖進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)光纖由于過度彎折，使得光纖衰減過大，中斷了功率模塊與閥控之間的通訊，閥控?zé)o法讀取模塊狀態(tài)，故產(chǎn)生了黑模塊，導(dǎo)致比對(duì)失敗跳閘。

光纖為非金屬光纖，盡管已對(duì)光纖做了拉伸、彎曲等相應(yīng)機(jī)械性能方面的處理，但相對(duì)于其他器件來說仍然比較脆弱，在運(yùn)輸、安裝、使用及維護(hù)方面需要非常謹(jǐn)慎，避免光纖受損。

4? 結(jié)語

本文對(duì)魯西背靠背換流站發(fā)生的一起柔性直流功率模塊比對(duì)失敗從而導(dǎo)致跳閘的事件過程進(jìn)行了說明，對(duì)跳閘條件進(jìn)行了闡述，并根據(jù)跳閘條件對(duì)本次跳閘的原因進(jìn)行了排查分析，最終確定跳閘原因?yàn)楣饫w故障，并針對(duì)故障原因提出了相應(yīng)建議，以避免類似事件再次發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐然.大電網(wǎng)拓?fù)浞指畹乃惴ㄑ芯縖D].山東大學(xué)， 2016.

[2] 高宗和，陳剛，楊軍峰，等.特高壓互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率控制（一）AGC控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（15）：51-55.

[3] 鄧明.柔性直流輸電系統(tǒng)及其無網(wǎng)側(cè)電動(dòng)勢(shì)傳感器控制技術(shù)的研究[D].中南大學(xué)，2010.

[4] 湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37 （15）： 3-14.

[5] 封磊，茍銳鋒，楊曉平，等.柔性直流輸電系統(tǒng)功率模塊研究與設(shè)計(jì)[J].高壓電器，2016，52（1）： 55-61.

[6] 張東輝，洪潮，周保榮，等.云南電網(wǎng)與南方電網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案研究[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2014，8（6）：1-6.