換流站對交直流電網(wǎng)保護分析

李興平 蘆金龍

摘要：高壓直流輸電在電網(wǎng)中所占比重日趨顯著，換流變壓器、換流閥等直流主設備的可靠運行對電網(wǎng)安全意義重大。在高壓直流輸電工程的正常運行方式中，換流變壓器有載分接開關作為高壓直流輸電系統(tǒng)重要的調(diào)節(jié)控制手段，在補償交流系統(tǒng)電壓波動、穩(wěn)定直流電壓、保證換流閥運行在經(jīng)濟安全的觸發(fā)角（關斷角）等方面發(fā)揮著重要作用。

關鍵詞：交直流混聯(lián)電網(wǎng);換流站傳遞特性;換相失敗;抑制措施

引言

電力電子化是電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。輸電網(wǎng)絡的電力電子化主要體現(xiàn)在基于高壓直流輸電的交直流混聯(lián)輸電網(wǎng)，我國已形成了從系統(tǒng)設計、設備制造到工程實踐的一系列研究成果，并已進入引領國際標準化的階段。供配電領域電力電子化的標志之一是交直流混合微電網(wǎng)，它的研究尚處于起步階段，研究主要集中在優(yōu)化調(diào)度與能量管理、協(xié)調(diào)控制、換流器控制策略，故障穿越與保護。在穩(wěn)定性方面，目前多把交直流混合微電網(wǎng)劃分成獨立的交流與直流子網(wǎng)進行分析。

1交直流混合微電網(wǎng)群基本結構

交直流混合微電網(wǎng)群是在某個區(qū)域內(nèi)對系統(tǒng)負荷、電源節(jié)點進行集群劃分所得，且集群包含交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)，也包含交直流混合微電網(wǎng)。交直流混合微電網(wǎng)群網(wǎng)架結構靈活多變，不同電壓等級、不同類型的微電網(wǎng)間通過變流器實現(xiàn)互連，進行能量流動，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)最大分布式能源消納。圖1為交直流混合微電網(wǎng)群基本架構，該集群系統(tǒng)主要由4種微電網(wǎng)系統(tǒng)組成：交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、交流為主的交直流混合微電網(wǎng)及直流為主的交直流混合微電網(wǎng)。4種微電網(wǎng)直接分別通過變壓器、AC/DC變流器實現(xiàn)互連;各微電網(wǎng)系統(tǒng)中接入了大量的分布式電源（光伏、風力機、儲能等），提高了供電可靠性。在構建交直流混合微電網(wǎng)集群時，系統(tǒng)主要分析了各個節(jié)點的地理位置、接入電源/負荷類型及容量、節(jié)點需求、電氣結構等要素，綜合考慮系統(tǒng)結構、母線類型、電壓等級等因素，實現(xiàn)不同資源的整合優(yōu)化。

2換流變壓器有載分接開關控制原理

目前換流變壓器配置有載分接開關的直流輸電系統(tǒng)主要包括兩類：基于電網(wǎng)換相型換流器（line commutated converter，LCC）的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)以及基于電壓源型換流器（voltage source converter，VSC）的柔性直流輸電系統(tǒng)。后者是近年來興起的基于IGBT全控器件的新型直流輸電技術，采用模塊化多電平換流器。柔性直流輸電系統(tǒng)一般通過調(diào)整換流變壓器分接開關檔位來控制調(diào)制比范圍。通常在交流系統(tǒng)電壓波動不大，且調(diào)制比范圍允許時，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開關可以維持在固定檔位。從實際運行情況看，柔性直流輸電工程換流變壓器分接開關動作次數(shù)很少。因此，本文研究主要針對常規(guī)直流輸電系統(tǒng)，整流站和逆變站的換流變壓器有載分接開關通常采用不同的控制方式，如整流站控制觸發(fā)角、逆變站控制直流電壓或空載直流電壓。盡管控制目標與控制策略有所區(qū)別，但都是通過改變整流站、逆變站閥側直流空載電壓（Udi0R、Udi0I）以達到調(diào)節(jié)整流站、逆變站直流側端口電壓（UdR、UdI）的目的。

3交流濾波器/并聯(lián)電容器的控制

實際工程中，交流濾波器和并聯(lián)電容器構成了直流站控系統(tǒng)，其主要負責直流系統(tǒng)無功功率的控制。穩(wěn)態(tài)工況下，影響其投切的主要因素為：①換流站的最小濾波容量限制（在任何情況下都必須要滿足）;②直流系統(tǒng)就地無功平衡的死區(qū)控制要求，即交流電網(wǎng)擾動發(fā)生潮流變化時，通過交流濾波器/并聯(lián)電容器的投切維持交直流系統(tǒng)交換無功在其死區(qū)控制范圍內(nèi)。事實上，為了保證交直流系統(tǒng)之間交換無功的合理性，每個直流輸電工程都有獨立的成套設計書，其中明確規(guī)定了交流電網(wǎng)注入直流系統(tǒng)無功功率理想值的定值曲線。不同的直流輸電工程有不同的直流傳輸功率，其無功功率定值也可能不同。

4換流站傳遞特性對交流系統(tǒng)保護的影響

由于換流站的傳遞作用，交流系統(tǒng)的電氣量可能因直流系統(tǒng)擾動發(fā)生變化。傳統(tǒng)的交流保護設計時并未考慮到直流系統(tǒng)的接入問題，因此需要在考慮換流站傳遞特性的情況下對交流保護的適應性進行分析。換相失敗是直流系統(tǒng)中一種常見的異常工況，指出換流器發(fā)生換相失敗對交流系統(tǒng)保護性能影響較大。換相失敗對交流保護的影響包括2方面：一方面，換相失敗現(xiàn)象一般由受端交流系統(tǒng)故障引起，該現(xiàn)象發(fā)生時間一般小于保護動作時間，即交流保護動作時間內(nèi)需考慮換相失敗問題。換相失敗過程中，逆變側輸出的等效電源功率將大幅波動。這一“復故障”特性將給面向單一故障設計的傳統(tǒng)保護原理帶來巨大挑戰(zhàn)。另一方面，換相失敗過程中，直流系統(tǒng)向交流系統(tǒng)中注入大量的諧波和非周期分量，將給相量提取工作造成困難，相量提取的偏差可能導致基于工頻量的傳統(tǒng)交流系統(tǒng)保護不正確動作。下面詳細介紹逆變器發(fā)生換相失敗對交流系統(tǒng)方向縱聯(lián)保護、差動保護、距離保護、選相元件及換流變壓器保護的影響。

5直流控保系統(tǒng)的改進

5.1提前觸發(fā)控制

由換相失敗的機理可知，關斷角過小是換相失敗發(fā)生的根本原因。提前觸發(fā)控制的核心思想是：若檢測到受端電網(wǎng)發(fā)生交流故障，并可能導致?lián)Q相失敗發(fā)生時，根據(jù)故障的類型和嚴重程度，提前減小逆變側換流器的觸發(fā)延遲角，提高換相裕度。因此可知，提前觸發(fā)控制的核心有兩個點：第一是如何快速識別交流系統(tǒng)的故障;第二是如何建立故障嚴重程度與提前觸發(fā)角度的物理關系。

5.2直流系統(tǒng)降壓運行

在直流輸電工程的成套設計階段，為了保證在線路絕緣能力下降時能夠繼續(xù)穩(wěn)定輸送功率，一般會考慮采用直流降壓運行方式，即：將直流電壓降低至額定電壓UdN的70%～80%運行。該模式下需要配合有載分接開關的調(diào)節(jié)，降低閥側交流電壓，從而達到降低直流端口電壓的效果。降壓運行方式下的直流電壓越低，有載分接開關越容易調(diào)節(jié)至最低檔位;當有載分接開關達到該檔位后將不再調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)將通過改變觸發(fā)角或關斷角以適應交流電壓和直流功率的變化。對于采用70%降壓運行方式設計的直流工程（如天中直流輸電工程、賓金直流輸電工程），采用降壓運行方式能夠完全避免送受端換流站換流變壓器有載分接開關動作。

5.2距離保護

距離保護是高壓輸電線路常用的保護原理之一。換相失敗可能影響距離保護的性能。一方面換相失敗期間由逆變器注入的諧波和非周期分量可能會影響工頻相量的提取，造成距離保護不正確動作。針對這一問題提出了求解時域微分方程組的方法，計算出故障點到保護安裝處的距離，提升了距離保護的性能。另一方面，換相失敗引起的電源特性變化也可能導致距離保護不正確動作。

5.3采用直流動態(tài)電壓控制策略

為了降低逆變站換流變壓器有載分接開關的動作次數(shù)，本文提出一種新型直流動態(tài)電壓控制策略。該策略通過放開直流電壓控制死區(qū)下限，達到降低逆變站換流變壓器有載分接開關動作次數(shù)的目的。同樣以天中直流輸電系統(tǒng)為例，首先通過主回路計算，遍歷所有直流全壓運行工況下逆變站的最低有載分接開關檔位。

結束語

直流受端電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定特性與直流系統(tǒng)的控制策略和運行狀態(tài)密切相關，本文深入分析直流換流器控制模式在靜態(tài)電壓穩(wěn)定分析過渡過程中的電壓響應特性，研究了換流器切換策略和計算方法，基于連續(xù)潮流法提出一種計及直流系統(tǒng)過渡方式的靜態(tài)電壓穩(wěn)定計算方法，引入直流功率參與因子，可靈活分配直流功率在平衡負荷增量功率中所占比例，更全面地評估直流受端電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定特性。

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