柔性直流輸電系統(tǒng)的高頻諧波保護(hù)方法與工程實(shí)踐

姜崇學(xué)，馬秀達(dá)，鄒 強(qiáng)，徐 瑩，盧亞軍，程 驍

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省 南京市 211102；2.國(guó)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209）

0 引言

柔性直流（簡(jiǎn)稱(chēng)柔直）輸電是采用全控型電力電子器件的電壓源換流器型高壓直流輸電（voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC），具有易于控制、有功無(wú)功解耦以及拓?fù)潇`活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源并網(wǎng)、城市供電、海島孤島供電以及電網(wǎng)互聯(lián)等場(chǎng)合［1］。隨著國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多柔直工程投運(yùn)，伴隨帶來(lái)的穩(wěn)定性問(wèn)題逐漸增多。其中，高頻振蕩問(wèn)題是目前亟待解決的重要議題之一［2-3］。

柔直換流器在高頻段諧振區(qū)間表現(xiàn)出負(fù)阻尼特性，可能與電網(wǎng)中母線、線路和新能源機(jī)組等設(shè)備因耦合而發(fā)生高頻振蕩問(wèn)題。在中國(guó)舟山、魯西、廈門(mén)、渝鄂、張北和如東柔直工程現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和試運(yùn)行過(guò)程中均出現(xiàn)了高頻振蕩問(wèn)題［4-10］。在高頻振蕩時(shí)，大量的諧波電壓或電流注入電網(wǎng)，不僅對(duì)公用電網(wǎng)造成諧波污染，而且高次諧波在短時(shí)間內(nèi)會(huì)使電容器、電纜以及電動(dòng)機(jī)等設(shè)備累積較大能量，容易發(fā)生設(shè)備損毀或擊穿，危害設(shè)備安全，國(guó)內(nèi)外相關(guān)柔直工程均有高次諧波導(dǎo)致的設(shè)備損毀情況。因此，當(dāng)發(fā)生高頻振蕩時(shí)，若在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法及時(shí)消除抑制，需快速而準(zhǔn)確地判別振蕩，柔直換流站保護(hù)動(dòng)作，并執(zhí)行跳閘閉鎖邏輯以保護(hù)設(shè)備安全。

對(duì)于柔直輸電系統(tǒng)的高頻振蕩問(wèn)題的研究，目前主要集中于振蕩機(jī)理分析和振蕩抑制策略?xún)煞矫妫?1-15］。在振蕩機(jī)理研究方面，主要包括狀態(tài)空間法［16］和阻抗法兩大類(lèi)研究方法。其中，阻抗分析法簡(jiǎn)單直觀，已逐漸成為電力電子化電力系統(tǒng)振蕩分析的一種廣泛方法。從阻抗特性看，高頻振蕩現(xiàn)象是由于柔直存在固有控制鏈路延時(shí)，且柔直換流器采用雙閉環(huán)矢量控制，導(dǎo)致在高頻振蕩點(diǎn)阻尼不足。為了實(shí)現(xiàn)高頻振蕩抑制，相關(guān)研究提出了高頻振蕩抑制方法，如縮短控制鏈路延時(shí)、內(nèi)環(huán)控制器增加附加阻尼控制或無(wú)源阻尼設(shè)計(jì)［17-18］。然而，目前對(duì)于高頻振蕩的認(rèn)識(shí)多存在于實(shí)際工程或仿真結(jié)果，用于振蕩抑制的方法單一且存在局限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全頻段和全工況的高頻振蕩抑制。因此，依靠保護(hù)裝置在換流器產(chǎn)生高次諧波振蕩時(shí)，準(zhǔn)確識(shí)別振蕩并快速動(dòng)作以保護(hù)設(shè)備安全。

目前，對(duì)于高頻諧波保護(hù)的研究尚屬空白，高頻諧波分量的提取以及定值設(shè)置是實(shí)現(xiàn)高頻諧波保護(hù)可靠動(dòng)作的關(guān)鍵，但高頻振蕩的不確定性和復(fù)雜性對(duì)保護(hù)原理提出了更大的挑戰(zhàn)。另一方面，由于保護(hù)裝置基于離散計(jì)算，需綜合考慮保護(hù)“四性”的要求以及保護(hù)裝置計(jì)算能力和內(nèi)存占用率等要求。

本文首先對(duì)高頻振蕩機(jī)理進(jìn)行分析，給出現(xiàn)有柔直實(shí)際工程中已應(yīng)用的諧波保護(hù)算法，并對(duì)算法邏輯和應(yīng)用進(jìn)行分析和說(shuō)明，結(jié)合實(shí)際事例和波形，總結(jié)歸納算法的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際效果等，可為后續(xù)柔直系統(tǒng)的高頻諧波保護(hù)研究提供參考和指導(dǎo)。

1 高頻振蕩機(jī)理

目前，在運(yùn)的柔直工程主要采用經(jīng)典的雙閉環(huán)矢量控制，基于文獻(xiàn)［19-22］的研究結(jié)論，內(nèi)環(huán)控制對(duì)高頻段影響較大，只考慮內(nèi)環(huán)控制以及柔直模型的傳遞函數(shù)示意圖如圖1 所示。圖中：vs和is分別為柔直系統(tǒng)端口實(shí)際的電壓和電流，iref為內(nèi)環(huán)電流參考值，Gi（s）為內(nèi)環(huán)電流控制環(huán)節(jié)，Gv（s）為電壓濾波環(huán)節(jié)，GT（s）為控制延時(shí)環(huán)節(jié)，包含了采樣延時(shí)、計(jì)算周期和通信傳輸延時(shí)等環(huán)節(jié)，L為系統(tǒng)等效電感。

圖1 高頻阻抗傳遞函數(shù)Fig.1 Transfer function of high-frequency impedance

柔直系統(tǒng)阻抗Z傳遞函數(shù)如式（1）所示。

式中：Vs、Is為vs和is對(duì)應(yīng)的頻域形式。

只考慮高頻段影響，經(jīng)化簡(jiǎn)可得式（2）。

式中：kp為內(nèi)環(huán)控制器的比例系數(shù)；ω為角頻率；Td為控制延時(shí)。

由式（2）可知，受控制延時(shí)Td影響，柔直高頻阻抗隨頻率周期性變化，在頻率［1/（4Td），3/（4Td）］區(qū)間表現(xiàn)為“負(fù)阻感性”。另一方面，當(dāng)柔直接入空載線路或新能源時(shí)，電網(wǎng)阻抗在高頻段可能呈現(xiàn)容性，若在柔直出現(xiàn)負(fù)阻的頻段內(nèi)某個(gè)系統(tǒng)阻抗與柔直阻抗幅值相等，則不滿足系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)，即交直流系統(tǒng)阻抗幅值相等的頻率點(diǎn)處相位差超過(guò)180°，系統(tǒng)在柔直負(fù)阻尼頻域內(nèi)存在諧振風(fēng)險(xiǎn)。

目前，學(xué)術(shù)界提出的振蕩抑制措施包括了有源阻尼、非線性濾波和無(wú)源阻尼等措施，但只能改變進(jìn)入負(fù)阻的頻段和負(fù)阻大小，無(wú)法消除負(fù)阻。因此，無(wú)法完全避免高頻振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，且考慮到系統(tǒng)中存在其他未知振蕩風(fēng)險(xiǎn)，配置可靠的高頻諧波保護(hù)，對(duì)于設(shè)備安全和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2 高頻諧波保護(hù)算法

2.1 電流諧波保護(hù)方案

對(duì)于柔直系統(tǒng)的高頻諧波電流，其對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的主要影響是高頻電流在一次設(shè)備產(chǎn)生的累積能量將損壞設(shè)備。因此，諧波電流保護(hù)設(shè)置依據(jù)為設(shè)備對(duì)高次諧波電流累積能量的耐受程度。

為考慮諧波電流的能量累積效果，參考IEEE標(biāo)準(zhǔn)中時(shí)間-電流限制特性［23］，設(shè)置如式（3）所示的反時(shí)限特性曲線計(jì)算諧波電流保護(hù)的時(shí)間定值。

式中：T為高頻諧波保護(hù)動(dòng)作時(shí)間；τ為熱過(guò)負(fù)荷時(shí)間常數(shù)；IB為熱過(guò)負(fù)荷基準(zhǔn)電流；k為熱過(guò)負(fù)荷動(dòng)作定值，也稱(chēng)長(zhǎng)期過(guò)載倍數(shù)；Ieq為考慮集膚效應(yīng)系數(shù)的等效諧波電流；mi為第i次諧波電流的集膚效應(yīng)系數(shù)；Ii為第i次諧波電流實(shí)時(shí)值；n為需要的諧波次數(shù)。

當(dāng)對(duì)應(yīng)的諧波電流維持時(shí)間大于保護(hù)動(dòng)作定值后，柔直系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，電流類(lèi)高頻諧波保護(hù)動(dòng)作區(qū)示意圖如圖2 所示。

圖2 電流諧波保護(hù)原理Fig.2 Principle of current harmonic protection

電流諧波保護(hù)邏輯如附錄A 圖A1 所示，該保護(hù)需考慮解鎖信號(hào)以及較大電流工況。整理式（3）得到式（5）：

對(duì)于離散運(yùn)行系統(tǒng)，T在每個(gè)離散運(yùn)行周期進(jìn)行累計(jì)，式（5）左邊為保護(hù)計(jì)算值，等效電流Ieq在每個(gè)運(yùn)行周期持續(xù)輸入到保護(hù)運(yùn)算邏輯中。若輸入的等效電流大小為臨界值Ieq=kIB，則需要T無(wú)窮大，即運(yùn)行時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)時(shí)，等式成立。對(duì)于不同的Ieq，可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)達(dá)到最大負(fù)荷電流的時(shí)間T。實(shí)際保護(hù)程序中，將式（4）等號(hào)設(shè)置為大于號(hào)，即輸入的等效電流足夠大，經(jīng)過(guò)不斷時(shí)間積累后，最終大于kIB，而隨著Ieq的增大，到達(dá)kIB的時(shí)間越來(lái)越短，滿足圖2所示曲線的規(guī)律，說(shuō)明較大電流時(shí)需要更短的時(shí)間進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作出口。

系統(tǒng)中感性設(shè)備受高次諧波電流影響較大，故需基于感性設(shè)備本身的耐受性能給出保護(hù)定值。柔直系統(tǒng)因高頻振蕩產(chǎn)生的諧波電流主要分布于交流側(cè)和橋臂側(cè)，即高頻諧波電流保護(hù)主要考慮換流變壓器和橋臂電抗器性能要求。實(shí)際工程中，換流變壓器本體具有耐受能力強(qiáng)、冷卻迅速以及檢測(cè)手段豐富等優(yōu)勢(shì)，其諧波耐受程度較高。因此，主要基于橋臂電抗器的諧波電流耐受程度給出電流諧波保護(hù)的反時(shí)限特性曲線。

2.2 電壓諧波保護(hù)方案

高頻諧波電壓可在雜散電容和電感之間形成高頻電氣回路，產(chǎn)生的諧波電流對(duì)設(shè)備本身產(chǎn)生影響，同時(shí)，高頻諧波電壓對(duì)交流電網(wǎng)的電源以及負(fù)荷設(shè)備的電壓支撐產(chǎn)生較大影響。因此，柔直系統(tǒng)產(chǎn)生高頻諧波電壓時(shí)，需保護(hù)快速動(dòng)作，以保護(hù)設(shè)備安全和維持電網(wǎng)穩(wěn)定。

決定電壓的參數(shù)是頻率和幅值，實(shí)際工程中，根據(jù)頻率原理配置的諧波電壓保護(hù)算法為電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)算法，根據(jù)電壓幅值原理，則配置電壓諧波畸變率算法以及電壓寬頻諧波算法。各種保護(hù)算法相互配合，覆蓋所有工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔直系統(tǒng)高次諧波的可靠監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

2.2.1 過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)算法

對(duì)于50 Hz 工頻分量，交流電壓過(guò)零點(diǎn)的周期為10 ms，即一個(gè)工頻周期（20 ms）內(nèi)過(guò)零點(diǎn)2 次，如圖3（a）所示。

圖3 諧波電壓波形Fig.3 Harmonic voltage waveforms

對(duì)于含有較大高次諧波分量的電壓，過(guò)零點(diǎn)周期會(huì)縮短，如圖3（b）所示為疊加了幅值為0.3 p.u.、頻率為400 Hz 的電壓諧波分量的示意圖。圖中：t1和t2為過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻。諧波電壓的高頻次數(shù)fh近似計(jì)算可表示為式（6）。

基于上述推理，可設(shè)置諧波電壓保護(hù)算法，在基波周期內(nèi)計(jì)算電壓實(shí)時(shí)采集量過(guò)零點(diǎn)次數(shù)，可準(zhǔn)確辨別系統(tǒng)電壓中是否含有高頻分量。過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)算法如附錄A 圖A2 所示，有以下兩種實(shí)現(xiàn)方法：

1）基于過(guò)零點(diǎn)次數(shù)的諧波電壓保護(hù)算法?？刂票Ｗo(hù)裝置計(jì)算電壓過(guò)零點(diǎn)的次數(shù)，通過(guò)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)特定時(shí)間內(nèi)過(guò)零點(diǎn)總次數(shù)，當(dāng)過(guò)零點(diǎn)總次數(shù)大于保護(hù)定值時(shí)，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)動(dòng)作跳閘；

2）基于高次頻率的諧波電壓保護(hù)算法?；陔妷毫肯噜弮纱芜^(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，根據(jù)式（5）計(jì)算電壓頻率，若特定時(shí)間內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)高次諧波電壓，過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)動(dòng)作出口。

由于在電壓較低時(shí)外部干擾對(duì)諧波頻次影響較大，設(shè)計(jì)電壓門(mén)檻值輔助判據(jù)，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓大于門(mén)檻值時(shí)，保護(hù)開(kāi)放使能。另外，在換流器充電階段造成的系統(tǒng)振蕩問(wèn)題與柔直本身控制系統(tǒng)無(wú)關(guān)。因此，保護(hù)使能信號(hào)應(yīng)考慮解鎖信號(hào)。

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對(duì)于帶限信號(hào)進(jìn)行離散采樣時(shí)，為了能夠正確識(shí)別并恢復(fù)原始信號(hào)，采樣頻率需高于信號(hào)最高頻率的2 倍以上。目前，柔直控制保護(hù)裝置的采樣頻率為10 kHz。因此，該方法對(duì)于5 kHz 以下的電壓諧波可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確提取和判別。

過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)定值和延時(shí)整定，考慮以下因素：1）高頻諧波的破壞性，要求保護(hù)動(dòng)作盡量可靠且快速；2）躲開(kāi)變壓器勵(lì)磁涌流和電網(wǎng)背景諧波的影響，防止在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)諧波保護(hù)誤動(dòng)作。

電網(wǎng)背景諧波主要在5 次及以下，因此，工程中的電壓過(guò)零點(diǎn)保護(hù)定值按照大于5 次諧波頻率進(jìn)行設(shè)置，即電壓頻率定值設(shè)置需大于250 Hz；對(duì)于延時(shí)的設(shè)置，考慮程序計(jì)算過(guò)程中采樣壞點(diǎn)、信號(hào)異常變位以及瞬時(shí)干擾等情況，可設(shè)置延時(shí)20 ms（1 個(gè)基頻周期）動(dòng)作出口，以實(shí)現(xiàn)有效防抖。

該算法基于離散信號(hào)變化實(shí)現(xiàn)諧波判別，且無(wú)需針對(duì)特定頻次的電壓進(jìn)行保護(hù)設(shè)置，具有快速簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

2.2.2 諧波畸變率保護(hù)算法

柔直系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，除了發(fā)生劇烈的振蕩，也存在系統(tǒng)電壓中諧波含量較低的工況，從而導(dǎo)致過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)器不能有效計(jì)算頻率。這些工況的諧波破壞力不強(qiáng)，振蕩不會(huì)發(fā)散，但持續(xù)存在影響交流系統(tǒng)的電能質(zhì)量，對(duì)設(shè)備存在隱患，甚至長(zhǎng)時(shí)間諧波過(guò)載引起設(shè)備損壞。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.7—2017《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 供電系統(tǒng)及所連設(shè)備諧波、間諧波的測(cè)量和測(cè)量?jī)x器導(dǎo)則》［24］給出的電壓的總諧波畸變率（total harmonic distortion，THD）計(jì)算方法如式（7）所示。

式中：UTHD為電壓諧波總畸變率；H為計(jì)算的最高諧波次數(shù)，結(jié)合工程實(shí)際需求以及設(shè)備計(jì)算能力限制，實(shí)際應(yīng)用一般取40 次；U1為基波電壓幅值；Un為第n次諧波電壓幅值，可在固定時(shí)間窗口內(nèi)通過(guò)快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）對(duì)電壓采樣值計(jì)算得到，應(yīng)用更精細(xì)的FFT 算法，補(bǔ)償了弱振蕩情況下過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)算法的不足。

諧波畸變率保護(hù)定值設(shè)置可基于實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行工況整定，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，110 kV 及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)的THD 不應(yīng)大于2%?；趯?duì)工程接入電網(wǎng)的背景諧波測(cè)量結(jié)果，諧波保護(hù)THD 動(dòng)作定值一般可以取最大諧波含量的2 倍，若諧波含量較小，可適當(dāng)提高可靠系數(shù)。

諧波畸變率保護(hù)計(jì)算值大于定值后的延時(shí)整定，要考慮電網(wǎng)設(shè)備的耐受程度和一定裕度。由于FFT 的蝶形算法以及最小頻譜分辨率的要求，保護(hù)裝置需要較大計(jì)算數(shù)據(jù)量和計(jì)算時(shí)間以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和快速性，在電網(wǎng)系統(tǒng)允許的時(shí)間尺度內(nèi)，動(dòng)作延時(shí)可設(shè)置為秒級(jí)，保護(hù)算法如附錄A 圖A3 所示。

2.2.3 寬頻諧波保護(hù)算法

柔直電網(wǎng)端口處新能源接入方式的變化導(dǎo)致電源網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化，等效成的等值阻抗也不同，出現(xiàn)了不同的振蕩特征頻率，如320 Hz、670 Hz 等非整數(shù)次間諧波。諧波畸變率保護(hù)算法無(wú)法采集非整數(shù)次間諧波，難以準(zhǔn)確反映電壓諧波情況。為了檢測(cè)非整數(shù)次諧波，解決頻率泄漏的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)寬頻電壓諧波采集和監(jiān)測(cè)，基于電壓的實(shí)時(shí)采樣值，計(jì)算全波電壓有效值Uallrms，如式（8）所示。

式中：nT為選定的采樣周期內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；Ui為第i個(gè)電壓采樣值大小。

采用傅里葉變換得到基波分量有效值U50rms，基于式（9）計(jì)算電壓寬頻諧波分量有效值Uhrms：

定義寬頻諧波保護(hù)動(dòng)作系數(shù)khU為：

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，全波電壓有效值基本等于基波電壓有效值，寬頻諧波保護(hù)動(dòng)作系數(shù)為0；當(dāng)柔直系統(tǒng)發(fā)生振蕩產(chǎn)生較多高次諧波時(shí)，諧波含量增大，寬頻諧波保護(hù)動(dòng)作系數(shù)增大。

基于上述推理設(shè)置寬頻諧波保護(hù)，算法如附錄A 圖A4 所示。寬頻諧波保護(hù)的機(jī)理本質(zhì)上是諧波畸變率的擴(kuò)展，其定值整定和延時(shí)設(shè)置可參考本文諧波畸變率保護(hù)設(shè)置原則。

寬頻諧波保護(hù)算法可對(duì)電壓諧波實(shí)現(xiàn)較寬頻段監(jiān)測(cè)，除了高次諧波監(jiān)測(cè)外，對(duì)于低次諧波（如次超同步頻段）也可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。離散有效值計(jì)算的采樣點(diǎn)數(shù)目根據(jù)目標(biāo)諧波次數(shù)決定，采樣點(diǎn)數(shù)越多，能夠計(jì)算出更低頻次的有效值，若采樣周期為100 μs，采樣點(diǎn)數(shù)為2 000 點(diǎn)，則采樣最大整周波為200 ms，即能夠得到5 Hz 的次同步振蕩周期。

為驗(yàn)證寬頻諧波保護(hù)算法的正確性，基于張北柔直工程硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的阜康換流站交流側(cè)串聯(lián)接入低頻諧波電壓源，諧波大小為基波電壓有效值的10.5%，基于寬頻諧波保護(hù)算法計(jì)算值以及實(shí)際值的對(duì)比如表1 所示。其實(shí)際值與計(jì)算值基本一致，驗(yàn)證了本文提出的寬頻諧波保護(hù)算法的正確性。

表1 諧波保護(hù)算法與實(shí)際諧波值對(duì)比結(jié)果Table 1 Comparison results between harmonic protection algorithm and actual harmonic value

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩時(shí)，由于振蕩頻率低，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)損壞系統(tǒng)設(shè)備，通過(guò)改變電網(wǎng)運(yùn)行方式等措施可以抑制低頻振蕩，此時(shí)不應(yīng)動(dòng)作于保護(hù)跳閘。因此，寬頻諧波保護(hù)算法在定值和延時(shí)設(shè)置時(shí)需綜合考慮該因素。

3 工程實(shí)踐應(yīng)用

3.1 中國(guó)舟山五端柔直工程

舟山五端柔直工程于2014 年投運(yùn)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)海島互聯(lián)和孤島聯(lián)網(wǎng)切換運(yùn)行［25］。工程建設(shè)階段配置了電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)算法，保護(hù)的計(jì)算頻率大于250 Hz 時(shí)動(dòng)作于跳閘，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制保護(hù)裝置負(fù)載率占用少，在舟山工程若干次振蕩事件中準(zhǔn)確動(dòng)作，有效避免了設(shè)備損壞，保證了電網(wǎng)的穩(wěn)定。由于算法本身只檢測(cè)過(guò)零狀態(tài)，大大縮短了計(jì)算的時(shí)間，特別是在高次諧波含量較多時(shí)，可以在20 ms 工頻周期內(nèi)確定振蕩并快速動(dòng)作于跳閘，避免振蕩范圍持續(xù)擴(kuò)大。

2022 年3 月，洋山換流站由聯(lián)網(wǎng)工況轉(zhuǎn)換至孤島運(yùn)行方式后，系統(tǒng)電壓波形頻繁過(guò)零點(diǎn)，20 ms 周期內(nèi)單相電壓過(guò)零點(diǎn)次數(shù)最高達(dá)到4 次，如圖4（a）所示。柔直控制保護(hù)裝置計(jì)算得到的高頻頻率為390 Hz 左右，電壓8 次諧波含量超過(guò)80%，電流8 次諧波幅值是基波的2.5 倍，如圖4（b）所示。滿足電壓類(lèi)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)定值，柔直保護(hù)動(dòng)作跳閘閉鎖，有效保護(hù)了電網(wǎng)內(nèi)以及換流站內(nèi)的設(shè)備安全。

圖4 中國(guó)舟山工程洋山換流站振蕩波形Fig.4 Oscillating waveforms of Yangshan converter station in Zhoushan project, China

隨著舟山地區(qū)網(wǎng)架優(yōu)化升級(jí)以及新能源的大量接入，可能出現(xiàn)的振蕩問(wèn)題更加復(fù)雜而多變。若振蕩期間電壓波形畸變不嚴(yán)重，工頻周期內(nèi)的過(guò)零點(diǎn)次數(shù)未大于2 次，則電壓諧波過(guò)零點(diǎn)保護(hù)算法無(wú)法準(zhǔn)確動(dòng)作，將對(duì)一次設(shè)備和電網(wǎng)造成負(fù)面影響。因此，需要增加諧波畸變率保護(hù)或?qū)掝l諧波保護(hù)以實(shí)現(xiàn)更大范圍的諧波保護(hù)。

考慮到舟山柔直工程控制保護(hù)一體化設(shè)計(jì)，裝置負(fù)載率已經(jīng)較高，配置諧波畸變率保護(hù)難以滿足裝置運(yùn)行內(nèi)存要求，故配置寬頻諧波保護(hù)。根據(jù)舟山柔直工程現(xiàn)場(chǎng)需求，當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)須更快速地切除柔直系統(tǒng)，保證設(shè)備的安全，并考慮保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，設(shè)置動(dòng)作定值THD 大于30%，延時(shí)120 ms 動(dòng)作，滿足快速性和可靠性要求。

3.2 中國(guó)張北柔直電網(wǎng)工程

張北柔直工程于2020 年投運(yùn)，是世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)構(gòu)建的示范工程，也是實(shí)現(xiàn)清潔能源大規(guī)模并網(wǎng)的標(biāo)志性工程。工程設(shè)計(jì)階段配置了電流類(lèi)諧波保護(hù)、電壓過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)以及電壓諧波畸變率保護(hù)，但隨著風(fēng)電和光伏等新能源廠站的建成，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，同時(shí)帶來(lái)了大量的間諧波、次同步振蕩等問(wèn)題。因此，在工程調(diào)試和建設(shè)階段增加了電壓類(lèi)寬頻保護(hù)以便準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)非整數(shù)次諧波，并且考慮了次同步頻段諧波的影響。

3.2.1 電壓類(lèi)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)

張北工程康巴諾爾換流站運(yùn)行于孤島控制模式，接入風(fēng)電場(chǎng)和光伏等新能源場(chǎng)站。2020 年12月，康巴諾爾換流站在空載線路接入時(shí)出現(xiàn)1 500 Hz高頻振蕩［13］，并在約600 ms 后觸發(fā)柔直高頻保護(hù)，換流器閉鎖跳閘，振蕩波形如圖5（a）所示。

圖5 中國(guó)張北工程康巴諾爾換流站振蕩波形Fig.5 Oscillation waveforms of Kangbanor converter station in Zhangbei project, China

空載線路投入后，系統(tǒng)電壓和電流高頻振蕩出現(xiàn)發(fā)散趨勢(shì)，跳閘前1 500 Hz 諧波含量達(dá)到25%左右，如圖5（b）所示。由于空載線路下基波電流較小，系統(tǒng)電流內(nèi)幾乎全部為高頻諧波分量，1 500 Hz諧波分量峰值最高達(dá)到250 A 左右，為了保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備不被損壞，需要通過(guò)保護(hù)實(shí)現(xiàn)快速跳閘。

空載線路投入500 ms 后，系統(tǒng)電壓波形頻繁過(guò)零點(diǎn)，20 ms 周期內(nèi)單相電壓過(guò)零點(diǎn)次數(shù)最高達(dá)到8 次，柔直控制保護(hù)裝置計(jì)算得到的高頻頻率為1 500 Hz 左右，滿足電壓類(lèi)過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)保護(hù)定值，柔直保護(hù)動(dòng)作跳閘閉鎖，有效保護(hù)了電網(wǎng)內(nèi)以及換流站內(nèi)的設(shè)備安全。

3.2.2 電壓類(lèi)寬頻諧波保護(hù)

張北工程阜康換流站運(yùn)行于聯(lián)網(wǎng)模式，接入華北電網(wǎng)，采用直流電壓控制模式維持四端電網(wǎng)直流電壓穩(wěn)定。2021 年10 月，阜康換流站遠(yuǎn)端的交流變電站開(kāi)展空充變壓器調(diào)試試驗(yàn)，變壓器操作導(dǎo)致阜康站內(nèi)系統(tǒng)側(cè)電壓含有大量的3、5 和7 次諧波，經(jīng)過(guò)諧波含量計(jì)算已滿足保護(hù)動(dòng)作條件，延時(shí)后觸發(fā)柔直寬頻諧波保護(hù)出口，換流器閉鎖并跳閘，如圖6（a）所示。

圖6 中國(guó)張北工程阜康換流站振蕩波形Fig.6 Oscillation waveforms of Fukang converter station in Zhangbei project, China

通過(guò)波形分析，對(duì)阜康換流站的保護(hù)定值和邏輯進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后阜康換流站的寬頻諧波保護(hù)定值按照兩段設(shè)置，阜康站背景諧波最大占比4.37%，取可靠系數(shù)2 并取整數(shù)值，保護(hù)Ⅰ段為慢速段，定值設(shè)置為總諧波占比的10%，延時(shí)設(shè)置為60 s 動(dòng)作；保護(hù)Ⅱ段為快速段，定值設(shè)置為總諧波占比的15%，延時(shí)設(shè)置為2 s 動(dòng)作。

該寬頻諧波保護(hù)另外增加二次諧波電流制動(dòng)輔助判據(jù)，防止換流變勵(lì)磁涌流對(duì)保護(hù)造成影響。該判據(jù)描述為：保護(hù)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)側(cè)電流的二次諧波含量，當(dāng)二次諧波有效值大于系統(tǒng)額定電流的5%時(shí)，輔助判據(jù)閉鎖寬頻諧波保護(hù)，當(dāng)閉鎖條件消失后，保護(hù)重新開(kāi)放。

3.3 中國(guó)渝鄂柔直背靠背工程

渝鄂柔直工程投運(yùn)于2019 年，可實(shí)現(xiàn)川渝電網(wǎng)與華中電網(wǎng)異步互聯(lián)，工程在建設(shè)階段配置了電流類(lèi)高頻諧波保護(hù)和基于整數(shù)次諧波的諧波畸變率保護(hù)。

華中電網(wǎng)和川渝地區(qū)多水電、多直流送出，短路容量小，形成了強(qiáng)直弱交的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，有功功率較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩問(wèn)題，如圖7 所示為工程在大功率運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的650 Hz 振蕩。當(dāng)系統(tǒng)低功率運(yùn)行，柔直在交流故障、有功階躍等暫態(tài)情況，也出現(xiàn)不同的振蕩現(xiàn)象。渝鄂工程南通道鄂側(cè)進(jìn)行空載加壓試驗(yàn)時(shí)，交流電網(wǎng)側(cè)的電壓、電流中均觀測(cè)到主要頻率為1 800 Hz 的諧振。在渝側(cè)進(jìn)行空載加壓試驗(yàn)時(shí)，交流側(cè)出現(xiàn)了700 Hz 諧振［26］。

圖7 中國(guó)渝鄂工程振蕩波形Fig.7 Oscillating waveforms of Chongqing-Hubei project， China

總結(jié)渝鄂柔直工程先后出現(xiàn)的均為典型整數(shù)次諧波：13 次、14 次和36 次、39 次。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)交流系統(tǒng)背景諧波電壓實(shí)際測(cè)量，得到最大諧波占比為4.13%。因此，配置的諧波電壓畸變率動(dòng)作定值THD 大于5%，延時(shí)10 s 報(bào)警。保護(hù)準(zhǔn)確反應(yīng)系統(tǒng)諧振的發(fā)生，有效提高運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

近些年，在柔直輸電系統(tǒng)的高頻振蕩機(jī)理以及振蕩抑制研究方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但高頻保護(hù)研究尚處于起步階段。繼電保護(hù)作為電網(wǎng)及設(shè)備的第1 道安全屏障，應(yīng)可靠、準(zhǔn)確、迅速識(shí)別高頻振蕩并跳閘，以保護(hù)電網(wǎng)及設(shè)備安全。本文介紹了不同原理的保護(hù)方法以及目前國(guó)內(nèi)柔直工程配置的諧波類(lèi)保護(hù)，可為實(shí)際工程提供設(shè)計(jì)思路，但以下問(wèn)題尚需研究。

1）國(guó)內(nèi)柔直工程建設(shè)處于快速發(fā)展期，目前已投運(yùn)柔直工程的高頻保護(hù)算法尚不統(tǒng)一。為便于運(yùn)維和管理，在柔直保護(hù)技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，需考慮實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。

2）傅里葉變換提取諧波對(duì)計(jì)算能力要求極高，占用較大保護(hù)裝置的計(jì)算內(nèi)存。因此，在優(yōu)化工程保護(hù)裝置平臺(tái)處理能力的同時(shí)，應(yīng)不斷提出更優(yōu)的簡(jiǎn)化算法實(shí)現(xiàn)可靠準(zhǔn)確保護(hù)。

3）諧波類(lèi)保護(hù)的定值整定難度較大，對(duì)于電流諧波保護(hù)而言，需根據(jù)設(shè)備本身能力給出；對(duì)于電壓類(lèi)諧波保護(hù)，需考慮對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的影響。未來(lái)，需將理論計(jì)算與大電網(wǎng)仿真分析相結(jié)合，研究諧波保護(hù)范圍與電網(wǎng)影響之間的關(guān)系，給出具體的諧波保護(hù)定值整定方法。

4）目前，關(guān)于柔直振蕩機(jī)理的專(zhuān)題研究已經(jīng)較為成熟，但諧波保護(hù)動(dòng)作結(jié)果與振蕩原因尚不能完全匹配，保護(hù)動(dòng)作后難以根據(jù)動(dòng)作后果分析出諧波產(chǎn)生的原因。在完善全工況保護(hù)工作中，需細(xì)化保護(hù)的針對(duì)性配置，以提高保護(hù)的選擇性，便于工程運(yùn)維和技術(shù)支撐。

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