昆柳龍三端直流系統(tǒng)故障后斷路器動(dòng)作特性

周登波，陸啟凡，周勇，顧碩銘

(中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局，廣州510405)

0 引言

通過(guò)高壓直流輸電將西部的清潔能源遠(yuǎn)距離輸送到沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，成為緩解我國(guó)能源分布不均、低碳高效發(fā)展的重要手段[1 - 3]，隨著技術(shù)進(jìn)步與負(fù)荷增長(zhǎng)，常規(guī)的兩端、背靠背直流輸電向著特高壓、多受端、混合直流輸電技術(shù)方向發(fā)展[4 - 5]。高壓直流輸電大多為遠(yuǎn)距離架空輸電線路，其輸送距離遠(yuǎn)、功率大，一旦發(fā)生故障后將會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，由于直流系統(tǒng)低阻尼的特性，短路電流瞬間上升導(dǎo)致直流高低端閥組閉鎖、嚴(yán)重時(shí)單極、雙極閉鎖造成換流站的停運(yùn)，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重影響。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生永久性故障時(shí)，為實(shí)現(xiàn)故障穿越以及運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換，金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器、大地回線轉(zhuǎn)換斷路器、中性母線斷路器、高速并聯(lián)斷路器以及直流旁路斷路器等直流斷路器的協(xié)調(diào)配合非常重要[6 - 8]。

昆柳龍直流工程為目前國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)已投運(yùn)的特高壓混合多端直流工程，其抵御故障風(fēng)險(xiǎn)能力、直流斷路器失效概率和運(yùn)行維護(hù)周期確定等，都與系統(tǒng)故障后斷路器的動(dòng)作特性密切相關(guān)[9 - 11]，亟須開(kāi)展系統(tǒng)的研究和分析。

本文在實(shí)際±800 kV昆柳龍三端混合直流工程仿真平臺(tái)上，遍歷仿真了系統(tǒng)7種運(yùn)行方式下各站交流側(cè)、換流站內(nèi)、直流線路側(cè)故障類型，通過(guò)大量仿真對(duì)比分析了各種故障情況下?lián)Q流站電流、電壓、功率恢復(fù)及斷路器動(dòng)作概率等特性，從而確定系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中斷路器運(yùn)行條件最惡劣的情況，并針對(duì)其中2種典型的故障類型具體分析該運(yùn)行情況下系統(tǒng)發(fā)生故障后3個(gè)站的電流、電壓以及功率恢復(fù)情況，從而為昆柳龍直流運(yùn)行過(guò)程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判，為昆柳龍運(yùn)行維護(hù)提供建議和依據(jù)。

1 昆柳龍直流工程

1.1 昆柳龍工程簡(jiǎn)介

2020年12月，國(guó)家“西電東送”重點(diǎn)工程烏東德水電站送電廣東廣西特高壓多端混合直流輸電工程(簡(jiǎn)稱昆柳龍直流工程)正式啟動(dòng)投產(chǎn)送電。該工程是目前國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)已投運(yùn)的特高壓混合多端直流工程，依托烏東德水電站，采用±800 kV真雙極主接線方式的三端混合直流輸電方案。送端云南昆北站采用常規(guī)直流(line commutated converter，LCC)方式，廣西柳州站和廣東龍門站采用柔性直流(modular multilevel converter，MMC)方式，三站額定直流電壓為±800 kV(極對(duì)中性母線)，每極采用高低兩個(gè)換流器串聯(lián)方式，其中昆北常規(guī)直流站采用雙12脈整流橋式結(jié)構(gòu)，柳州和龍門柔性直流站橋臂功率模塊采用半橋和全橋功率模塊混合級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。昆柳龍直流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 特高壓混合三端直流系統(tǒng)單極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Unipolar topology structure of UHV hybrid three-terminal DC system

送端昆北站額定功率和額定電流分別為8 000 MW和5 kA；受端柳州站的額定功率和額定電流分別為3 000 MW和1 875 A；受端龍門站的額定功率和額定電流分別為5 000 MW和3 125 A。

1.2 昆柳龍主要運(yùn)行方式及故障類型

昆柳龍直流系統(tǒng)兼具多端、柔性和混合三大特點(diǎn)，同時(shí)具備三站同時(shí)啟停、柔直站在線投退、Y-ESOF(閉鎖本站)和X-ESOF(閉鎖三站)、OLT(空載加壓運(yùn)行)和柔直站STATCOM(無(wú)功補(bǔ)償)等功能，其運(yùn)行方式主要包括：三端雙極滿功率運(yùn)行、昆龍雙端雙極運(yùn)行、柳龍雙端雙極運(yùn)行、昆柳單極大地回線運(yùn)行、三端單極金屬回線運(yùn)行、三端單閥組運(yùn)行、三端降壓運(yùn)行等[12 - 13]。不同的運(yùn)行方式下系統(tǒng)的控制方式也不一樣，其中送端站主要有定電流控制和定功率控制，受端柔直站主要有定電壓控制和定功率控制。

相較于常規(guī)兩端直流，昆柳龍直流運(yùn)行方式更加多樣，控制和保護(hù)策略更加復(fù)雜、存在更多的故障類型、短路容量也更大[14]。表1為昆柳龍直流工程幾種典型故障類型。

表1 昆柳龍直流工程典型故障類型Tab.1 Typical fault types in Kunliulong DC project

1.3 昆柳龍直流斷路器功能

昆柳龍直流工程相較于常規(guī)兩端直流，除了中性母線斷路器、金屬回線轉(zhuǎn)換斷路器、大地回線轉(zhuǎn)換斷路器、中性母線接地?cái)嗦菲?、直流旁路斷路器等直流斷路器之外，其在受端直流出線側(cè)和匯流母線區(qū)域還配置了高速并聯(lián)斷路器(high speed switch, HSS)。各斷路器主要功能如表2所示。這些配置在每個(gè)換流站內(nèi)的直流斷路器除了實(shí)現(xiàn)各自主要功能外，還需要在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)能切斷和接通高壓線路和各種空載和負(fù)荷電流，而且當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)保護(hù)的作用還能自動(dòng)、迅速、可靠地切除各種過(guò)負(fù)荷和短路電流，防止事故范圍的擴(kuò)大。所以對(duì)它們的通流能力和開(kāi)斷能力要求很高[15 - 17]。

表2 昆柳龍直流斷路器主要功能對(duì)比Tab.2 Comparison of main functions of Kunliulong DC circuit breakers

2 昆柳龍直流故障清除與恢復(fù)過(guò)程

直流故障主要包括瞬時(shí)性故障和永久性故障，其中瞬時(shí)性故障即線路遭雷擊、污穢等對(duì)地發(fā)生閃絡(luò)。如果發(fā)生故障后僅采取斷開(kāi)交流側(cè)斷路器和直接閉鎖換流閥的措施，會(huì)嚴(yán)重影響功率的輸送和兩端交流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。所以針對(duì)此類問(wèn)題，昆柳龍直流工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具備了故障自清除能力，在不閉鎖換流閥的情況下，實(shí)現(xiàn)故障電流的快速消除和系統(tǒng)功率的快速恢復(fù)[18 - 19]。

昆柳龍?zhí)馗邏喝嘶旌现绷鞴こ讨?，逆變?cè)采用半橋和全橋子模塊混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。全橋功率模塊輸出負(fù)壓，可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障自清除功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障時(shí)，整流側(cè)昆北站只需要快速移相滅弧，觸發(fā)角α增大到120 °的區(qū)域，換流器進(jìn)入逆變狀態(tài)，從而快速釋放直流側(cè)儲(chǔ)存的能量，直流故障電流能夠迅速降低至0，經(jīng)過(guò)350～500 ms的去游離時(shí)間，解除強(qiáng)制移相指令，此時(shí)設(shè)置觸發(fā)角α從45 °線性降低到15 °，昆北站恢復(fù)系統(tǒng)電壓和電流，重啟過(guò)程持續(xù)約200 ms，之后系統(tǒng)將恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 混合式MMC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hybrid MMC structure

針對(duì)逆變側(cè)柳州站和龍門站，正常運(yùn)行時(shí)，其處于定直流電壓控制模式，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到短路故障后，全橋子模塊提供反向電壓，提供與交流系統(tǒng)電壓極性相反的反電勢(shì)，圖中VD1、VD4或VD2、VD3這些反并聯(lián)二極管承受反壓而截止，使得交流側(cè)電流無(wú)法注入換流閥，從而實(shí)現(xiàn)故障電流快速衰減[20 - 21]。

昆柳龍直流系統(tǒng)的故障恢復(fù)過(guò)程主要包括故障自清除階段(LCC站移相和MMC站電壓控零)、去游離絕緣恢復(fù)階段、功率恢復(fù)階段[22]。當(dāng)線路發(fā)生瞬時(shí)性故障并在重啟次數(shù)內(nèi)恢復(fù)成功，則系統(tǒng)重新建立直流電壓，恢復(fù)功率傳輸，如果線路發(fā)生永久性故障，則需要利用直流斷路器將直流故障線路進(jìn)行隔離，同時(shí)配合交流斷路器，將整個(gè)MMC換流站退出運(yùn)行，同時(shí)需要穩(wěn)控系統(tǒng)配合采取切機(jī)措施，防止交流系統(tǒng)失穩(wěn)[23 - 25]。

當(dāng)發(fā)生直流線路故障時(shí)，首先昆柳龍直流系統(tǒng)的控制保護(hù)動(dòng)作清除故障電流，并開(kāi)始故障恢復(fù)過(guò)程，恢復(fù)期間會(huì)造成短時(shí)系統(tǒng)功率不平衡階段，待直流恢復(fù)后穩(wěn)控系統(tǒng)不采取控制措施。對(duì)于永久性故障，直流恢復(fù)過(guò)程失敗且恢復(fù)次數(shù)達(dá)上限，如果故障發(fā)生在昆柳段，昆北站將無(wú)法供電，則閉鎖三站同時(shí)閉鎖信號(hào)將觸發(fā)穩(wěn)控系統(tǒng)。如果故障發(fā)生在柳龍段，則選擇龍門站退出運(yùn)行。通過(guò)中性母線斷路器以及極母線高速并聯(lián)斷路器和匯流母線高速并聯(lián)斷路器配合將系統(tǒng)運(yùn)行方式切換為兩端運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)龍門站故障極在線退出程序，之后另外兩站重新建立電壓，恢復(fù)功率，之后故障極閉鎖信號(hào)將觸發(fā)穩(wěn)控系統(tǒng)。

當(dāng)換流站內(nèi)發(fā)生短路故障，包括換流閥、換流變壓器、極母線以及接地極故障，此時(shí)由于故障點(diǎn)離換流閥非常近，流過(guò)的故障電流會(huì)非常大，屬于嚴(yán)重直流故障。該情況下柔直站的換流閥組將在故障電流清除瞬間閉鎖并退出運(yùn)行。該換流站站內(nèi)的中性母線和極母線處的高速并聯(lián)斷路器基本都會(huì)動(dòng)作來(lái)使故障極退出運(yùn)行。對(duì)于閥組故障，該閥組閉鎖，直流旁路斷路器動(dòng)作使閥組退出運(yùn)行。其他站內(nèi)非故障極則可在故障電流清除后恢復(fù)功率。

當(dāng)柔直站交流側(cè)發(fā)生永久性故障時(shí)，其站內(nèi)每個(gè)極的中性母線斷路器和高速并聯(lián)斷路器都會(huì)在故障電流清除后斷開(kāi)，使整個(gè)站退出運(yùn)行，對(duì)于送端昆北站發(fā)生交流側(cè)永久性故障時(shí)，則會(huì)直接斷開(kāi)相應(yīng)交流斷路器，停止功率的傳輸，三站都退出運(yùn)行。

3 故障后斷路器動(dòng)作特性分析

為辨識(shí)在發(fā)生瞬時(shí)性和永久性故障時(shí)及故障切除階段，各直流斷路器的電壓、電流、功率變化及斷路器的動(dòng)作特性，利用PSCAD/EMTDC搭建了昆柳龍直流系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)不同運(yùn)行方式下線路側(cè)、換流站內(nèi)、交流側(cè)發(fā)生短路故障進(jìn)行仿真，并在198種不同類型的故障仿真基礎(chǔ)上，總結(jié)各換流站內(nèi)以及匯流母線處各斷路器的動(dòng)作情況。其中，由于昆北是唯一功率送端，除了三站閉鎖，不存在換流站退出運(yùn)行的情況，故該站內(nèi)僅直流旁路斷路器有動(dòng)作，所以在此只列出其他兩站的情況。表3—4分別為柳州站和龍門站各斷路器動(dòng)作匯總情況。

表3 柳州站內(nèi)各斷路器動(dòng)作概率Tab.3 Operation probability of each circuit breaker in Liuzhou Station under failure%

表4 龍門站內(nèi)各斷路器動(dòng)作概率Tab.5 Operation probability of each circuit breaker in Longmen Station under failure%

可以看出，柳州站的中性母線斷路器和極母線HSS動(dòng)作次數(shù)完全一致，說(shuō)明二者在發(fā)生故障時(shí)的動(dòng)作邏輯相同，而且對(duì)于換流站內(nèi)發(fā)生的故障都會(huì)動(dòng)作，直流旁路斷路器主要?jiǎng)幼饔诶ケ焙妄堥T交流故障以及昆北和柳州換流站內(nèi)故障。中性母線接地?cái)嗦菲鲃t是在柳州站內(nèi)故障時(shí)動(dòng)作，動(dòng)作概率很小。龍門站內(nèi)的中性母線斷路器和極母線HSS二者動(dòng)作特性也相同，當(dāng)換流站內(nèi)發(fā)生故障時(shí)均會(huì)動(dòng)作，站內(nèi)直流旁路斷路器動(dòng)作情況和柳州站直流旁路斷路器一致。匯流母線處的柳州HSS主要?jiǎng)幼饔诒菊竞妄堥T站的交流側(cè)故障以及該換流站內(nèi)故障；龍門HSS則主要是柳龍段直流線路、龍門換流站內(nèi)和龍門交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)動(dòng)作。

下面根據(jù)仿真結(jié)果選取了兩種嚴(yán)重故障工況進(jìn)行系統(tǒng)故障后電流、電壓、功率恢復(fù)以及相關(guān)斷路器動(dòng)作特性分析，其中選取的兩種故障情況分別為三端滿功率運(yùn)行時(shí)柳州站直流線路側(cè)發(fā)生單極永久性故障和龍門站換流站內(nèi)發(fā)生單極永久性故障。

3.1 直流線路故障仿真

在第一種工況下，柳龍段單極線路發(fā)生永久性故障，系統(tǒng)檢測(cè)到線路故障，保護(hù)發(fā)出指令，昆北站強(qiáng)制移相，同時(shí)柳州、龍門兩站快速控電壓為0，為加速能量釋放，實(shí)際會(huì)控到一定程度的負(fù)壓，因此故障點(diǎn)電位高于換流站，換流站流向故障點(diǎn)的電流立即反向，故障電流迅速衰減，之后柳州、龍門站控直流電壓為0，等待故障點(diǎn)去游離。這一過(guò)程持續(xù)約400 ms，之后系統(tǒng)發(fā)出重啟指令，由于故障依舊存在，且系統(tǒng)達(dá)到3次重啟次數(shù)上限，系統(tǒng)直流故障恢復(fù)失敗。但由于故障發(fā)生在受端，考慮僅損失1個(gè)負(fù)荷端，線路保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)龍門站站執(zhí)行Y-ESOF，閉鎖本站故障極。同時(shí)三站配合，將電流控到15 A以下后，先斷開(kāi)龍門站極母線處高速并聯(lián)斷路器以及開(kāi)關(guān)，再斷開(kāi)匯流母線高速并聯(lián)斷路器，最后斷開(kāi)中性母線斷路器，隔離龍門站故障極。隨后三站的正常極重新恢復(fù)電壓和電流繼續(xù)供電。其中三站電流、電壓、功率以及龍門站內(nèi)斷路器動(dòng)作情況如圖3—6所示。

圖3 各換流站故障極電流恢復(fù)情況Fig.3 Current recovery of fault poles in each converter station

圖4 各換流站故障極電壓恢復(fù)情況Fig.4 Voltage recovery of fault poles in each converter station

圖5 各換流站功率恢復(fù)情況Fig.5 Power recovery of each converter station

圖6 龍門站內(nèi)斷路器動(dòng)作狀態(tài)Fig.6 Action state of circuit breaker in Longmen station

3.2 換流站內(nèi)直流故障仿真

在第二種工況下，龍門站內(nèi)發(fā)生單極閥組接地故障，系統(tǒng)檢測(cè)到故障后，保護(hù)發(fā)出指令，執(zhí)行故障自清除過(guò)程，區(qū)別于工況一，該故障情況下，柔直站內(nèi)母線上電流陡升，為了保護(hù)柔性換流閥，會(huì)采取直接閉鎖該換流閥的措施。所以龍門站該故障極在故障電流消除后直接閉鎖退出運(yùn)行，而不是再等待去游離后重新建立起電壓。沒(méi)有發(fā)生故障的柳州站繼續(xù)執(zhí)行故障重啟動(dòng)作，與昆北站配合完成故障恢復(fù)過(guò)程。龍門站故障極在退出運(yùn)行時(shí)，當(dāng)故障電流降低到15 A后極母線HSS最先斷開(kāi)，之后匯流母線處的HSS再斷開(kāi)，最后故障極對(duì)應(yīng)的中性母線斷路器斷開(kāi)。故障恢復(fù)過(guò)程中，各換流站電流、電壓、功率恢復(fù)情況以及龍門站內(nèi)斷路器動(dòng)作情況如圖7—10所示。

圖7 各換流站故障極電流恢復(fù)情況Fig.7 Current recovery of fault poles in each converter station

圖8 各換流站故障極電壓恢復(fù)情況Fig.8 Voltage recovery of fault poles in each converter station

圖9 各換流站功率恢復(fù)情況Fig.9 Power recovery of each converter station

圖10 龍門站內(nèi)斷路器動(dòng)作狀態(tài)Fig.10 Action state of circuit breaker in Longmen station

在上面分析的兩種仿真工況下故障發(fā)生后，均在線退出了故障極，導(dǎo)致送端功率缺失，所以送端交流系統(tǒng)最高頻率會(huì)超過(guò)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的允許范圍，因此，三端運(yùn)行時(shí)線路發(fā)生單極故障應(yīng)該采取穩(wěn)控切機(jī)措施，來(lái)保證送端電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文在介紹了特高壓混合多端示范工程昆柳龍直流工程以及直流場(chǎng)內(nèi)各斷路器功能的基礎(chǔ)上，分析了多端混合直流系統(tǒng)發(fā)生故障后故障恢復(fù)過(guò)程以及交流側(cè)、直流線路、換流站內(nèi)發(fā)生故障后直流斷路器相互配合進(jìn)行故障穿越的過(guò)程。在故障遍歷的基礎(chǔ)上，對(duì)比了各直流斷路器的動(dòng)作特性以及斷路器動(dòng)作概率，斷路器動(dòng)作概率越高則表明該故障類型下斷路器潛在風(fēng)險(xiǎn)越高，通過(guò)動(dòng)作概率統(tǒng)計(jì)確定了系統(tǒng)嚴(yán)重故障，通過(guò)嚴(yán)重故障工況下昆柳龍三端直流系統(tǒng)各換流站電流、電壓、功率的恢復(fù)過(guò)程以及斷路器動(dòng)作情況表明，昆柳龍直流在斷路器準(zhǔn)確動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)可以順利完成所有的故障穿越，但各斷路器運(yùn)行工況不同，需要根據(jù)系統(tǒng)故障情況及斷路器動(dòng)作概率，調(diào)整不同斷路器的檢修和維護(hù)計(jì)劃，從而為今后昆柳龍應(yīng)對(duì)不同故障突發(fā)情況以及斷路器運(yùn)行維護(hù)工作提供數(shù)據(jù)參考。