無通信時逆變站緊急閉鎖后整流側(cè)直流保護(hù)優(yōu)化研究

殷丕盛，于 鵬，袁茂凱，苑 雙，吳布托

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

默蒂亞里—拉合爾直流輸電工程（以下簡稱默拉直流工程）是以建設(shè)—擁有—運營—移交（Build-Own-Operate-Transfer，BOOT）模式開發(fā)的直流輸電工程，是巴基斯坦規(guī)劃的南電北送通道之一，已納入中巴經(jīng)濟(jì)走廊能源合作優(yōu)先實施項目清單。默拉直流工程輸電線路［1］全長878 km，額定電壓±660 kV，輸送功率4 000 MW，該工程的建設(shè)可以滿足巴基斯坦南部電力遠(yuǎn)距離送出的需要。

默拉直流工程在實驗前直流系統(tǒng)運行方式為極Ⅰ小功率大地回線方式運行，在實驗開始前將兩站的通信光纖拔掉，運行人員操作系統(tǒng)顯示站間通信故障，此時直流系統(tǒng)仍正常運行。實驗人員通過修改軟件，模擬逆變站中性母線接地過流保護(hù)動作，逆變站緊急閉鎖，并投入旁通對。之后整流站發(fā)生交流電網(wǎng)電壓跌落、直流線路低電壓保護(hù)和直流過電壓［2-3］保護(hù)相繼動作，最后整流站閉鎖。

根據(jù)直流保護(hù)［4］動作邏輯詳細(xì)分析本次事件，對直流保護(hù)動作邏輯提出合理的修改意見，對今后的直流輸電工程的設(shè)計和改造具有一定參考意義。

1 Y閉鎖及低電壓、過電壓保護(hù)

國內(nèi)常規(guī)直流保護(hù)閉鎖邏輯［5-6］主要分為X、Y、Z 3 種閉鎖方式［7］。默拉直流工程采用相同的閉鎖邏輯。

閉鎖的動作類型第一種是移相，即改變觸發(fā)角，是所有保護(hù)閉鎖中最先采取的動作邏輯，可以有效減小故障產(chǎn)生的應(yīng)力，如整流站在閉鎖的過程中先移相為逆變狀態(tài)，有利于能量的泄放；第二種是立即封脈沖，其目的是防止直流電流急劇上升，主要用于整流側(cè)的嚴(yán)重故障，當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生故障立即停發(fā)觸發(fā)脈沖，形成直流線路末端開路，容易引起直流過電壓；第三種是投旁通對，一個六脈動換流閥包含6 個單閥，每兩個單閥對應(yīng)一相，當(dāng)對應(yīng)同一相上的兩個單閥同時導(dǎo)通我們稱之為旁通對，投旁通對的目的是在故障發(fā)生后能夠盡快將直流側(cè)能量泄放掉，隔離交/直流系統(tǒng)。

3 種閉鎖方式中，X 閉鎖［8］主要針對換流閥［9］故障，例如整流站發(fā)生的閥短路故障、換流變壓器閥側(cè)發(fā)生兩相短路故障、換流閥丟失觸發(fā)脈沖、進(jìn)行空載加壓試驗（Open Line Test，OLT）時發(fā)生的故障等。X閉鎖還適用于觸發(fā)回路的故障，尤其是當(dāng)旁通對不能夠正確選擇時；Y 閉鎖［10］針對的故障類型主要是對設(shè)備不產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力的直流側(cè)故障［11］，如直流線路接地、金屬回線接地故障、雙極中性線區(qū)域接地故障、站內(nèi)接地過電流直流場開關(guān)斷開不成功等故障，以及閥冷系統(tǒng)故障、交流系統(tǒng)故障引起的直流諧波增大、雙橋換相失敗等；Z 閉鎖［12］針對的故障類型主要是與直流側(cè)相關(guān)的過電流或接地故障，如換流閥過電流、直流場接地故障，以及接地極開路、直流低電壓或過電壓故障。

本次試驗是驗證兩個換流站在無通信的情況下逆變站Y 閉鎖后，整流站站閉鎖邏輯，Y 閉鎖動作時序如表1所示。

拉合爾換流站模擬故障發(fā)生后保護(hù)閉鎖邏輯正確動作，直接投旁通對，斷開換流變交流進(jìn)線開關(guān)，當(dāng)旁通對投入后直流線路在逆變站發(fā)生短路，造成直流線路電流增大，直流電壓跌落。在表1 中，當(dāng)兩座換流站之間無通信時，逆變站在直流電流達(dá)到定值后，延時1 000 ms 封脈沖，此時旁通對停止觸發(fā)，造成直流線路在逆變站形成開路。閉鎖動作時序是針對故障站設(shè)計的相關(guān)動作邏輯，非故障站僅進(jìn)行閉鎖，不投旁通對、跳交流進(jìn)線開關(guān)。

表1 Y閉鎖動作時序

直流線路低電壓保護(hù)［13］的保護(hù)范圍是兩個換流站平波電抗器之間的設(shè)備，保護(hù)系統(tǒng)檢測直流線路電壓，當(dāng)直流線路電壓UdL跌落達(dá)到定值后進(jìn)行直流線路重啟［14］，保證在線路發(fā)生暫時性故障后快速恢復(fù)直流運行。在兩個換流站無通信的情況下，拉合爾換流站發(fā)生故障后無法發(fā)信到默蒂亞里換流站，默蒂亞里換流站不能立即閉鎖直流，只能根據(jù)檢測到的直流狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動作。當(dāng)默蒂亞里換流站檢測到直流線路電壓跌落達(dá)到定值后，保護(hù)才動作。直流線路低電壓保護(hù)判據(jù)為：|UdL| ＜Uthreshold，保護(hù)定值［15］如表2所示。

表2 直流低電壓保護(hù)定值

直流過電壓保護(hù)［16］的保護(hù)范圍包括直流線路和換流器等設(shè)備，保護(hù)系統(tǒng)檢測極母線電壓，保護(hù)設(shè)備免受過電壓的危害。默蒂亞里換流站在直流線路重啟后，逆變站旁通對退出，相當(dāng)于逆變站開路，造成系統(tǒng)產(chǎn)生了過電壓，過電壓保護(hù)動作，極Ⅰ執(zhí)行X閉鎖［17］。

切換系統(tǒng)保護(hù)判據(jù)為

I段保護(hù)保護(hù)判據(jù)為：

II/III/IV段保護(hù)保護(hù)判據(jù)為：

式中：UdN為中性母線電壓；IDNC為直流電流；Uref和Iref分別為保護(hù)定值。直流過電壓保護(hù)相關(guān)定值［18］如表3所示。

表3 直流過電壓保護(hù)定值

2 事件分析

默拉直流工程極Ⅰ大地回線方式運行，功率控制模式為電流模式，電流整定值為303 A，功率傳輸方向由默蒂亞里至拉合爾。

實驗開始前將站間通信光纖拔掉，站間通信故障，在拉合爾換流站控制保護(hù)系統(tǒng)軟件中通過置數(shù)的方式模擬中性母線接地過流故障，保護(hù)系統(tǒng)報出中性線電容器過流保護(hù)Y 閉鎖動作，隨后極控發(fā)出Y 閉鎖，投入旁通對，跳開換流變進(jìn)線交流斷路器，極Ⅰ閉鎖，保護(hù)邏輯正確動作。默蒂亞里換流站交流系統(tǒng)電壓由520 kV 跌落至325 kV，直流低電壓保護(hù)動作，直流線路低電壓重啟線路，直流過電壓保護(hù)動作，極ⅠX閉鎖。

對整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓變低和相關(guān)保護(hù)動作情況進(jìn)行分析。

2.1 整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓變低

逆變站過流保護(hù)動作后，控制系統(tǒng)執(zhí)行Y 閉鎖，在閉鎖換流閥時立即投入旁通對，形成逆變站直流短路；正常運行回路如圖1 所示，投入旁通對后運行回路如圖2所示。

圖1 正常運行時回路

圖2 逆變站投旁通對后回路

逆變站投入旁通對后，整流站波形如圖3所示。

圖3 逆變站投入旁通對后整流站波形

分析圖3波形可得：

1）逆變站閉鎖投入旁通對后，造成直流對地短路，造成直流電壓跌落，整流站直流電壓UdL降低，由660 kV降至0附近；

2）逆變站投入旁通對后，造成直流在逆變站短路，直流電流IdNC由303 A增大至最大值5 499 A；

3）直流電流增大后，整流站為了抑制直流電流增大，控制系統(tǒng)會調(diào)節(jié)觸發(fā)角α，造成觸發(fā)角α由15.3°增大至最大110°；

4）觸發(fā)角α增大后，系統(tǒng)消耗的無功功率Q增大，由46.8 Mvar增大至1 480 Mvar；

5）系統(tǒng)消耗無功功率Q增大后，交流濾波器［19］不能立即投入，消耗了整流站交流電網(wǎng)大量無功，造成交流電壓跌落，Uac_RMS由520 kV跌落至325 kV。

根據(jù)以上分析，整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓降低為正常現(xiàn)象。

2.2 整流站線路低電壓保護(hù)動作

由表2可知，本次試驗低電壓保護(hù)定值為231 kV（0.35 pu），延時為700 ms（通信故障）。線路低電壓保護(hù)動作波形如圖4所示。

圖4 整流站直流線路低電壓保護(hù)動作波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、交流低電壓開關(guān)信號ACL_PP、線路重啟信號RESTAR，在圖4中可以看出，直流電壓UdL跌落達(dá)到低于保護(hù)定值Uthreshold（231 kV）后，經(jīng)過ACL_PP 屏蔽后，保護(hù)開始計時，滿足保護(hù)動作延時700 ms 后發(fā)出線路重啟信號RESTAR，保護(hù)正確動作。

根據(jù)以上分析，整流站直流線路低電壓保護(hù)為正確動作。

2.3 整流站直流過壓保護(hù)動作

整流站極控系統(tǒng)收到直流線路低電壓保護(hù)動作后執(zhí)行移相重啟，整流站控制系統(tǒng)相關(guān)波形如圖5所示。

圖5 整流站控制系統(tǒng)波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、IdNC直流電流、觸發(fā)角α、強(qiáng)制移相FR、X 閉鎖X_BLOCK，F(xiàn)R 為1表示線路Q強(qiáng)制移相重啟，從直流線路電流跌落至0到線路重啟信號發(fā)出時間大概為1.4 s，此時逆變站換流閥旁通對已經(jīng)停止觸發(fā)，直流線路在逆變站形成開路狀態(tài)。整流站帶線路重啟，直流電流IdNC會很小，為了建立直流電流，系統(tǒng)會不斷減小觸發(fā)角，觸發(fā)角減小造成直流電壓迅速增大，當(dāng)達(dá)到直流過壓保護(hù)動作定值后保護(hù)動作，控制系統(tǒng)收到保護(hù)閉鎖信號（X閉鎖），整流站閉鎖。

整流站過電壓保護(hù)動作波形如圖6所示。

圖6 整流站直流過壓保護(hù)動作波形

波形從上到下分別為直流電壓UdL、直流電流IdNC、系統(tǒng)切換信號SS、X 閉鎖信號X_Block，在上節(jié)已經(jīng)介紹直流過電壓保護(hù)保護(hù)定值，在圖6 中可以看出，直流電壓UdL滿足保護(hù)中III 段定值Uthreshold（1.1 pu/726 kV），延時400 ms 后，發(fā)出切換系統(tǒng)信號SS，延時700 ms 后發(fā)出X 閉鎖信號X_Block，保護(hù)正確動作。通過分析可知，整流站直流過壓保護(hù)為正確動作。

為了保護(hù)直流系統(tǒng)在兩個換流站之間通信故障的情況下，逆變站發(fā)生故障后整流站不發(fā)生過電壓，對直流系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行分析，提出了改進(jìn)方案。

3 改進(jìn)方案

通過分析之前的直流工程，在德寶直流工程［20］調(diào)試過程中也出現(xiàn)過類似的過電壓現(xiàn)象，其修改后的邏輯是在逆變站發(fā)生故障閉鎖后，直流線路仍然重啟，但是在線路重啟的過程中首先建立電壓，在直流電壓的建立過程中，當(dāng)直流電壓達(dá)到一定的定值后，如果直流電流仍然無法建立，小于直流電流限定值時直流閉鎖，避免了直流系統(tǒng)過電壓。修改后的控制策略很好地避免了直流系統(tǒng)遭受過電壓的風(fēng)險。本文在充分考慮后發(fā)現(xiàn)直流線路如果發(fā)生永久性接地故障，在直流重啟過程中會對設(shè)備造成二次沖擊。目前在運直流站間通信可靠性高，在無通信情況下運行的極端惡劣的工況極少。為了避免在站間通信故障的特殊情況下，直流系統(tǒng)再次遭受沖擊，將線路低電壓保護(hù)在站間通信故障時不再進(jìn)行線路故障重啟，當(dāng)直流線路低電壓達(dá)到定值后，延時700 ms，直接進(jìn)行Y 閉鎖。優(yōu)化后通過實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（Real Time Digital System，RTDS）［21］進(jìn)行仿真實驗，模擬逆變站無通信過流保護(hù)動作，逆變站閉鎖后，整流站直流線路低電壓保護(hù)動作，保護(hù)動作后發(fā)出閉鎖信號，整流站Y 閉鎖，波形如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后整流站線路低電壓保護(hù)動作波形

由圖7 可知，直流電壓UdL低于保護(hù)定值Uthreshold（231 kV）時，保護(hù)動作延時（700 ms）后發(fā)出閉鎖信號（Y閉鎖），保護(hù)正確動作。

仿真結(jié)果正確后再進(jìn)行現(xiàn)場試驗，控制系統(tǒng)相關(guān)波形如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后整流站控制系統(tǒng)波形

由圖8 可以看出故障初始時，直流電壓減小、直流電流增大，觸發(fā)角升至110°，交流電壓跌落，控制系統(tǒng)收到直流線路低電壓保護(hù)動作Y 閉鎖后，直接執(zhí)行移相閉鎖，整流站閉鎖，直流電壓直接變?yōu)榱悖捎谑悄孀冋竟收显谡鱾?cè)閉鎖過程中不會跳開交流開關(guān)和投旁通對。

4 結(jié)語

整流站網(wǎng)側(cè)交流電壓變低為正?，F(xiàn)象，整流站直流線路低電壓保護(hù)和直流過壓保護(hù)均為滿足保護(hù)定值后正確動作。

通過對直流線路低電壓保護(hù)動作策略的修改，可以避免默拉直流工程在無通信情況下拉合爾換流站閉鎖導(dǎo)致默蒂亞里換流站出現(xiàn)直流過電壓情況。