基于可控自恢復(fù)消能裝置的直流送端暫態(tài)過電壓抑制方法

劉 杉，譚開東，姜 喆，宋勝利，楊鵬程，申笑林，黃永瑞

（1.先進(jìn)輸電技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院有限公司），北京市 102209；2.國家電網(wǎng)有限公司，北京市 100031；3.國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市 102209；4.許繼集團(tuán)有限公司，河南省許昌市 461000）

0 引言

隨著中國西北地區(qū)新能源裝機(jī)容量的不斷增大，中國能源資源與需求逆向分布的問題愈加顯著［1-2］。特高壓直流輸電是當(dāng)前解決電力遠(yuǎn)距離輸送問題的關(guān)鍵技術(shù)［3-6］。而特高壓直流輸電換流器在傳輸功率時通常需要消耗大量的無功功率［7-8］，其消耗的無功功率通常在換流站內(nèi)采用就地安裝濾波場站的方式進(jìn)行補(bǔ)償［9-10］。一旦系統(tǒng)發(fā)生換相失敗或直流閉鎖等故障，系統(tǒng)輸送功率大量缺失甚至中斷，此時交流濾波器無功補(bǔ)償過剩，容易引發(fā)送端換流站母線的暫態(tài)過電壓［11-13］。新能源機(jī)組普遍缺乏有力的電網(wǎng)支撐能力，未來新能源滲透率不斷上升的情況下，交流系統(tǒng)變?nèi)跫觿∵^電壓程度，可能引起大面積新能源脫網(wǎng)，不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行［14-15］。因此，如何抑制送端暫態(tài)過電壓是當(dāng)前亟待解決的問題。

目前，針對傳統(tǒng)特高壓直流送端暫態(tài)過電壓的發(fā)生機(jī)理及抑制方法已有相關(guān)研究。文獻(xiàn)［16］分析了受端換相失敗及恢復(fù)期間送/受端系統(tǒng)的暫態(tài)特性，指出系統(tǒng)暫態(tài)過電壓與無功功率有關(guān)。文獻(xiàn)［17］詳細(xì)分析了暫態(tài)過電壓期間無功變化的規(guī)律及關(guān)鍵影響因素，驗(yàn)證了調(diào)整控制器參數(shù)能夠降低暫態(tài)過電壓。文獻(xiàn)［18］研究了直流控制環(huán)節(jié)主要參數(shù)與暫態(tài)過電壓的靈敏度關(guān)系，并從特高壓直流控制系統(tǒng)優(yōu)化的角度，提出了送端過電壓抑制策略，但抑制效果比較有限。文獻(xiàn)［19］基于電壓換相面積理論，提出了預(yù)測直流電流變化提前改變觸發(fā)角預(yù)測值以抑制換相失敗，但對測量精度要求較高。文獻(xiàn)［11］提出了一種定無功控制策略，通過增加閥的無功消耗來平抑過電壓，但需要閥保持在運(yùn)行狀態(tài)，在直流閉鎖時難以保證無功消耗；文獻(xiàn)［20］改進(jìn)直流閉鎖的觸發(fā)機(jī)理和直流閉鎖的觸發(fā)方式來抑制送端并網(wǎng)母線的暫態(tài)過電壓，但不能解決換相失敗帶來的過電壓；文獻(xiàn)［21］指出由于過電壓產(chǎn)生原因不同，優(yōu)化二次控制系統(tǒng)抑制過電壓的方式存在技術(shù)瓶頸，并進(jìn)一步指出實(shí)際工程中常采用調(diào)相機(jī)等無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)［22-23］分析了調(diào)相機(jī)抑制暫態(tài)過電壓的原理，基于實(shí)際案例給出了配置方案，但調(diào)相機(jī)投資及運(yùn)行維護(hù)成本較高［24］。

為了抑制系統(tǒng)過壓，特高壓直流輸電換流站內(nèi)通常設(shè)置有避雷器［25-26］。但傳統(tǒng)避雷器主要用于操作過電壓、沖擊過電壓等高水平下的設(shè)備保護(hù)，其殘壓比遠(yuǎn)高于風(fēng)電和光伏等新能源場站高電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)［27-28］的1.3 p.u.，故不能用于換相失敗或直流閉鎖誘發(fā)的暫態(tài)過電壓抑制。文獻(xiàn)［29-30］分別提出了可控避雷器和可控自恢復(fù)消能裝置，雖然不能直接用于暫態(tài)過電壓抑制，但證明了改變避雷器的伏安特性曲線是抑制系統(tǒng)過電壓的一種可行方法。

為了克服特高壓直流中受端換相失敗或直流閉鎖誘發(fā)的送端過電壓問題，本文提出了基于可控自恢復(fù)消能裝置耗能的抑制方法。該方案在系統(tǒng)故障時通過快速旁路部分避雷器閥片從而達(dá)到深度抑制送端交流系統(tǒng)過電壓的目的。首先，研究了常規(guī)直流輸電受端換相失敗誘發(fā)送端過電壓的機(jī)理；然后，在此基礎(chǔ)上研究了基于可控自恢復(fù)消能裝置耗能抑制送端過電壓的原理和設(shè)計(jì)方法；最后，在PSCAD/EMTDC 和試驗(yàn)平臺中驗(yàn)證了可控自恢復(fù)消能裝置抑制送端交流系統(tǒng)過電壓的有效性。

1 常規(guī)直流送端交流暫態(tài)過電壓分析

換相失敗是常規(guī)特高壓直流輸電受端換流站最常見的故障之一。本文以換相失敗為例分析送端暫態(tài)過電壓發(fā)生機(jī)理。

1.1 送端交流過電壓機(jī)理分析

附錄A 圖A1 給出了特高壓直流輸電系統(tǒng)簡化后的等效電路。常規(guī)直流受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時可能會誘發(fā)受端換流器出現(xiàn)換相失敗，換相失敗期間受端換流器某一相的上下兩個閥組將同時導(dǎo)通從而致使受端換流器直流極間電壓迅速跌落至零。此過程中，直流線路中的直流電流是一個動態(tài)變化的過程而非穩(wěn)態(tài)值，將受到線路電抗和電阻的共同影響，其表達(dá)式如下:

式中:Rd為直流線路電阻；Ld為直流線路電抗；Id為直流線路電流；Udi為受端換流器直流側(cè)電壓；ΔUdc為受端換流器直流極間電壓；Udr為送端換流器的直流側(cè)端口電壓［4］。

式中:α為送端換流器觸發(fā)角；Xr1為換相電抗；Udr0為送端換流器空載直流電壓。

根 據(jù) 電 網(wǎng) 換 相 換 流 器（line-commuted converter，LCC）工作原理可知，送端換流器的功率因數(shù)角φr可表示為［7］:

因此，送端換流器在受端換相失敗期間消耗的無功功率Qr可表示為:

聯(lián)立式（2）至式（4）可得:

當(dāng)逆變站換相失敗后，由于其直流端口電壓迅速跌落將導(dǎo)致低壓限流控制（voltage dependent current order limitation，VDCOL）迅速動作以降低送端換流站的輸出電流參考值。

為了預(yù)防受端換流站的連續(xù)換相失敗，VDCOL 的直流電流指令通常較小（0～0.3 p.u.）［17］。而在換相失敗結(jié)束后，由于直流電壓和電流的恢復(fù)也需要一段時間，這將導(dǎo)致?lián)Q相失敗和恢復(fù)期間整流站輸出直流電流維持在較低水平。根據(jù)式（5）可知，整流站輸出直流電流較小時，其消耗的無功功率也將大大減小，而受端換相失敗和恢復(fù)期間送端濾波器通常來不及切除，這將導(dǎo)致送端換流站向交流系統(tǒng)中饋入大量無功功率從而誘發(fā)系統(tǒng)暫態(tài)過電壓。

1.2 送端交流過電壓影響因素分析

根據(jù)前文分析可知，受端換流站換相失敗期間送端換流器消耗無功功率迅速降低，而濾波器切除需要一段時間，故濾波器的無功功率將注入交流系統(tǒng)。直流閉鎖過程與換相失敗略有不同，但功率同樣無法送出，引發(fā)過電壓。因此，考慮最嚴(yán)重情況，給出送端交流系統(tǒng)的等值電路如圖1 所示。圖中:Us為交流系統(tǒng)等值電壓源；Is為交流電流；Ls為交流系統(tǒng)等值電感；為了方便分析工頻過電壓，濾波器由電容Cf等效。

圖1 受端換相失敗期間送端交流系統(tǒng)等效電路Fig.1 Equivalent circuit of sending-end AC system during receiving-end commutation failure

根據(jù)圖1，送端交流系統(tǒng)公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）的電壓Upcc可表示為:

式中:ω1為交流系統(tǒng)的基波角頻率。

交流系統(tǒng)等效電感Ls可由短路比表示為:

式中:Xs交流系統(tǒng)電感對應(yīng)的等效電抗；SN為送端換流站額定容量；ULN為送端交流母線額定電壓；SCR為系統(tǒng)短路比。

送端換流站的濾波器按照完全補(bǔ)償送端變流器消納的無功功率來配置，其等值電容Cf可表示為:

式中:Qr0為送端換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時傳輸?shù)臒o功功率；Pr0為送端換流站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時傳輸?shù)挠泄β省?/p>

聯(lián)立式（6）至式（8），換相失敗期間送端交流系統(tǒng)PCC 處電壓Upcc可重新表示如下:

其中，Us可近似用式（10）計(jì)算［31］。

將式（10）代入式（9）中，可以得到:

進(jìn)一步，化簡可以得到:

式（12）表明交流系統(tǒng)短路比、系統(tǒng)有功功率或者系統(tǒng)功率因數(shù)角均可能影響送端交流系統(tǒng)的過電壓程度。假設(shè)滿額傳輸有功功率，當(dāng)功率因數(shù)為0.9、系統(tǒng)短路比為2 時，由式（12）計(jì)算過電壓為1.89 p.u.，而實(shí)際運(yùn)行過程中由于控制器的調(diào)節(jié)作用，換相失敗過電壓值會略小一些，粗略計(jì)算在1.6 p.u.左右，實(shí)際換相失敗的暫態(tài)過電壓通過仿真給出，如附錄A 圖A2 所示。從圖中可以看出，當(dāng)短路比為2 時，暫態(tài)過電壓能達(dá)到1.5 p.u.以上，并且送端短路比越小則過電壓越明顯，即高比例新能源的情況會加劇過電壓的發(fā)生，因而需要對其進(jìn)行抑制。

2 基于可控自恢復(fù)消能裝置的過電壓抑制

基于上述分析，本章研究了基于可控自恢復(fù)消能裝置將有功功率進(jìn)行耗散的方式來抑制系統(tǒng)過電壓。

2.1 可控自恢復(fù)消能裝置拓?fù)浼翱刂圃?/h3>

可控自恢復(fù)消能裝置由兩個避雷器閥組（MOA1 和MOA2）串聯(lián)外加旁路晶閘管開關(guān)S 構(gòu)成，如圖2 所示。圖中:MOA1 為裝置的固定部分，其主要作用是故障時限制電壓上升到過高程度；MOA2 是裝置的可控部分，可通過開關(guān)旁路。

圖2 可控自恢復(fù)消能裝置及控制原理圖Fig.2 Controllable self-recovery energy consumption device and its control principle

為了能夠有效消納有功功率來抑制由于盈余無功導(dǎo)致的換相失敗期間送端交流過電壓，對可控部分的旁路晶閘管進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)2 種不同的運(yùn)行狀態(tài)。其工作原理如下。

在直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，兩個避雷器閥組串聯(lián)掛在送端交流母線上，單個避雷器閥組承受的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其啟動電壓，此時流過避雷器閥組的電流幾乎等于零，該耗能裝置可認(rèn)為處于開路狀態(tài)。

當(dāng)交流母線發(fā)生過電壓時，觸發(fā)旁路晶閘管S。此時MOA2 將被晶閘管旁路，MOA1 將耐受全部的送端交流母線電壓，使其進(jìn)入非線性區(qū)，進(jìn)而消納有功功率。當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行后，可以開斷開關(guān)使可控消能裝置恢復(fù)初始狀態(tài)，準(zhǔn)備應(yīng)對下一次系統(tǒng)故障發(fā)生。

在實(shí)際工程中，考慮系統(tǒng)電壓檢測的延時、信號傳輸延時、開關(guān)關(guān)合時間等，給出一種通過檢測交流母線電壓變化的控制方式:檢測故障發(fā)生，發(fā)出控制開關(guān)合閘命令，該方法可在直流換相失敗的交流電壓跌落期間提前下達(dá)開關(guān)閉合指令，提前消能裝置動作時間；或者在交流母線單相電壓瞬時值上升到閾值（如1.1 p.u.）后，發(fā)出控制開關(guān)合閘命令。合閘后延時一定時長（如500 ms），保證穿越系統(tǒng)故障后，發(fā)出消能裝置恢復(fù)指令。

2.2 可控自恢復(fù)消能裝置抑制送端過電壓機(jī)理

為了抑制送端交流系統(tǒng)過電壓，可采用可控自恢復(fù)消能裝置進(jìn)行耗能的方式來改變流入送端交流系統(tǒng)電流的幅值和相位，從而調(diào)整PCC 處的電壓。當(dāng)消能裝置控制開關(guān)觸發(fā)其導(dǎo)通后，其外特性可等值為可變電阻。因此，送端系統(tǒng)過電壓期間如果投入消能裝置，其接入圖如圖3 所示。

圖3 消能裝置接入交流系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of energy consumption device connected to AC system

其等值電路如附錄A 圖A3 所示。此時，送端交流系統(tǒng)PCC 電壓相量和交流等效電壓相量滿足如下關(guān)系:

式中:Rare為避雷器等效電阻。

將式（7）、式（8）和式（10）代入式（15）可得消能裝置接入后幅值為:

式（16）表明，投入避雷器后相當(dāng)于在PCC 電壓的分母中增加了一個修正項(xiàng)，根據(jù)式（16）可知，當(dāng)配置不同的等效電阻時，PCC 暫態(tài)過電壓的程度亦不相同，圖4 給出了在不同系統(tǒng)短路比以及傳輸功率情況下PCC 暫態(tài)電壓與等效電阻值之間的關(guān)系。

由圖4（a）可以看出，在同樣的等效電阻配置下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)傳輸功率越大，則換相失敗期間PCC過電壓越嚴(yán)重。因此，為了確保避雷器的配置在各類工況下都能有效抑制系統(tǒng)過壓，在后續(xù)避雷器參數(shù)設(shè)計(jì)中系統(tǒng)功率均視為滿功率傳輸。

圖4（b）表明在各類短路比配置下，送端交流系統(tǒng)PCC 處暫態(tài)電壓的幅值均隨等效電阻值的增大而增大。而為了控制相同過電壓倍數(shù)，短路比越大，需配置的等效電阻更大，即需要配置避雷器的伏安曲線越低。

由以上分析可知，通過合理的避雷器配置，以及調(diào)整避雷器的伏安特性曲線可抑制送端PCC 過電壓達(dá)到要求值。

2.3 可控自恢復(fù)消能裝置參數(shù)整定原則

目前，新能源匯集場站風(fēng)電機(jī)組的過電壓耐受能力要求為1.3 p.u.，保守起見，本文設(shè)定可控自恢復(fù)消能裝置的控制目標(biāo)為送端PCC 暫態(tài)電壓不超過1.2 p.u.。

由圖4（b）可以看出，不同短路比情況下對等效電阻值的要求均不相同。而避雷器的等效電阻值隨其端電壓變化而變化，故為了確保避雷器能有效抑制送端交流過電壓，確定其配置原則如下。

原則1:可控自恢復(fù)消能裝置的運(yùn)行曲線（Uare-Rare曲線，Uare表示避雷器端電壓）必須在圖4（b）中Upcc-Rare與水平線Upcc=1.2 p.u.交點(diǎn)的下方。

例如，當(dāng)系統(tǒng)短路比為2 時，避雷器的Uare-Rare曲線必須在點(diǎn)（98 Ω，1.2 p.u.）下方。事實(shí)上，避雷器接入交流系統(tǒng)后并非呈現(xiàn)為純粹的電阻特性，當(dāng)交流電壓大時，流過避雷器的電流大，當(dāng)交流電壓小時，流過避雷器的電流小。采用避雷器抑制交流過電壓時，被抑制的交流過電壓通常呈現(xiàn)出一種削頂?shù)恼也?，比如，本文中為了將交流過電壓幅值抑制在1.2 p.u.以內(nèi)，在投入避雷器后交流電壓波形將變?yōu)榉逯禐?.2 p.u.的削頂正弦波。為了方便計(jì)算，忽略避雷器在1.2 p.u.電壓以下時所消耗的能量，每個周期內(nèi)其耗散功率Pare可表示如下:

式中:Upcc0為不加避雷器時系統(tǒng)過電壓；Rare（1.2）為避雷器端電壓為1.2 p.u.時的電阻值。

根據(jù)功率等效原理可求得避雷器抑制電壓為1.2 p.u.時的等效電阻Req如下:

結(jié)合圖4（b）中不同短路比對避雷器等值電阻值的要求，即可設(shè)計(jì)出過電壓抑制目標(biāo)為1.2 p.u.時的電壓-電流（Uare-Iare）曲線。例如，當(dāng)系統(tǒng)短路比為2 時，避雷器的Uare-Iare曲線應(yīng)該滿足如下關(guān)系:

式中:Iare（1.2）為避雷器端電壓為1.2 p.u.時的電流。

當(dāng)避雷器接入交流系統(tǒng)時，雖然電壓被抑制在1.2 p.u.，但由于電壓小于1.2 p.u.時依然會通過避雷器耗散能量，式（17）給出的避雷器等效耗散功率值偏小，而式（19）給出的避雷器Uare-Iare曲線偏于保守。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證避雷器抑制送端系統(tǒng)過電壓的有效性，本文基于PSCAD/EMTDC 中的國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）常規(guī)直流標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行了受端系統(tǒng)換相失敗和直流閉鎖仿真分析。其中，新能源滲透率通過送端交流系統(tǒng)短路比體現(xiàn)。設(shè)置1 s 時發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)100 ms，經(jīng)過一段時間后故障清除，恢復(fù)正常運(yùn)行；設(shè)置2 s 時直流閉鎖，持續(xù)100 ms。

3.1 暫態(tài)過電壓抑制分析

圖5 給出了短路比為2 時受端系統(tǒng)接地故障下逆變站閥側(cè)電流以及直流電壓/電流波形。

圖5 逆變側(cè)電壓、電流Fig.5 Voltage and current at inverter side

分析圖5（a）可知，受端發(fā)生交流故障時，閥側(cè)（橋臂1 和橋臂4）發(fā)生直通，即受端換流站發(fā)生換相失敗。圖5（b）表明，在受端換流站發(fā)生換相失敗后，直流電流迅速上升而直流電壓迅速跌落至零，而換相失敗恢復(fù)后，受端換流站的直流側(cè)電壓逐步恢復(fù)至額定值，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖6 給出了短路比為2 時受端換相失敗和恢復(fù)期 間 送 端 系 統(tǒng) 的 交 流 母 線 三 相 電 壓U˙a、U˙b、U˙c波形。作為對比，附錄A 圖A4 和附錄A 圖A5 分別給出了SCR為3 時受端換相失敗和恢復(fù)期間送端系統(tǒng)的電壓波形和SCR為2 時直流閉鎖期間送端換流站母線電壓波形。

圖6 SCR=2 時暫態(tài)過電壓仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of transient overvoltage when SCR=2

在受端換流站換相失敗及恢復(fù)期間，送端站的輸出有功功率將嚴(yán)重受限，這將導(dǎo)致其消耗的無功功率大大降低，誘發(fā)送端系統(tǒng)過電壓。分析圖6 可知，如果不投入避雷器，當(dāng)系統(tǒng)短路比為2 時，受端最大過電壓將超過1.5 p.u.，而投入避雷器后可將其過電壓峰值限制在1.2 p.u.以內(nèi)。對比分析附錄A圖A4 可知，在短路比為3 時，也能將最大過電壓降低到1.2 p.u.以內(nèi)。對比分析附錄A 圖A5 可知，直流閉鎖的時候過電壓更為嚴(yán)重，電壓同樣被限制到1.2 p.u.左右。因而驗(yàn)證了系統(tǒng)發(fā)生換相失敗故障或直流閉鎖期間投入可控自恢復(fù)消能裝置均可有效抑制的送端系統(tǒng)過電壓。

3.2 避雷器能量消耗分析

圖7 給出了SCR為2 的情況下?lián)Q相失敗和直流閉鎖過程中可控自恢復(fù)消能裝置能量消耗情況。圖中:Ea、Eb、Ec分別為可控自恢復(fù)消能裝置a、b、c 相的能量。

圖7 可控自恢復(fù)消能裝置能量消耗Fig.7 Energy consumption of controllable self-recovery energy consumption device

可控自恢復(fù)消能裝置在系統(tǒng)正常運(yùn)行時流過電流非常小，而過電壓發(fā)生的時候，消能裝置可控部分旁路，固定部分進(jìn)入耗能模式，電流迅速增加，如附錄A 圖A6 所示，即可控自恢復(fù)消能裝置在故障的情況下，承受了系統(tǒng)的部分功率，如附錄A 圖A7 所示。消耗的能量如圖7 所示，正常時候，可控自恢復(fù)消能裝置相當(dāng)于開路狀態(tài)，幾乎不消耗能量，而其被投入的時候，裝置會迅速消耗有功能量，進(jìn)入限壓狀態(tài)。其中，換相失敗過程中消耗的能量約20 MJ，直流閉鎖時，避雷器消耗能量約70 MJ，暫態(tài)過電壓情況更為嚴(yán)重，避雷器流過電流大，消耗功率多，在設(shè)計(jì)時需特別注意。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

2022 年5 月31 日，可控自恢復(fù)消能裝置于中國內(nèi)蒙古扎魯特旗的±800 kV 扎魯特?fù)Q流站成功投運(yùn)；2022 年6 月14 日完成投切動作，系統(tǒng)仿真運(yùn)行結(jié)果及現(xiàn)場動作情況見附錄A 圖A8 和附錄B。根據(jù)相關(guān)工程資料估計(jì)，建設(shè)可控自恢復(fù)消能裝置的投資成本約0.6 億元。根據(jù)文獻(xiàn)［24］可知，相同輸送容量水平下，至少配置6 臺300 Mvar 或32 臺50 Mvar 的調(diào)相機(jī)，簡略估算其成本如表1 所示。對比可知，在抑制暫態(tài)過電壓方面，使用可控自恢復(fù)消能裝置替代調(diào)相機(jī)能夠極大提升經(jīng)濟(jì)效益。

表1 投資成本對比Table 1 Comparison of investment costs

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證可控自恢復(fù)消能裝置對過電壓的抑制效果，搭設(shè)如圖8 所示的試驗(yàn)平臺。圖中:CB1和CB2 表示斷路器；L為緩沖電感；R2和C2為晶閘管的等效緩沖電阻和緩存電容；Rl為直流均壓電阻；TA 為電流互感器；V1和V2為電壓檢測值。其中，利用發(fā)電機(jī)和變壓器模擬系統(tǒng)的過電壓，變壓器輸出電壓為135 kV。

圖8 可控自恢復(fù)消能裝置抑制過電壓試驗(yàn)平臺Fig.8 Overvoltage suppression test platform of controllable self-recovery energy consumption device

可控自恢復(fù)消能裝置包含固定部分和可控部分，考慮到現(xiàn)有閥組的耐壓能力，本次試驗(yàn)交流可控避雷器采用比例單元進(jìn)行，其主要參數(shù)如表2所示。

表2 可控自恢復(fù)消能裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of controllable self-recovery energy consumption device

試驗(yàn)流程如下:

1）先合斷路器CB1，調(diào)整空載電壓V1至設(shè)定值。

2）當(dāng)空載電壓波形穩(wěn)定后再合斷路器CB2。

3）當(dāng)交流可控避雷器控保裝置檢測到V2兩端的電壓大于設(shè)定值（95 kV）后，發(fā)出觸發(fā)命令給晶閘管閥，晶閘管閥導(dǎo)通后將可控部分短接，固定部分開始吸收能量。

4）短路電流持續(xù)，當(dāng)可控避雷器控保裝置檢測到吸收能量達(dá)到定值（固定部分額定吸收能量的1/3，預(yù)計(jì)吸收能量時間300 ms）時，發(fā)出晶閘管閉鎖命令，晶閘管閥組在電流過零點(diǎn)附近關(guān)斷。CB2 合閘后320 ms 分閘，CB1 隨后分閘，一次試驗(yàn)結(jié)束。

5）重復(fù)上述步驟，再進(jìn)行兩次試驗(yàn)，保證3 次試驗(yàn)后，固定部分總吸收能量略大于額定吸收能量。

試驗(yàn)過程整體波形如附錄A 圖A8 所示，由波形可以看出，當(dāng)檢測到電壓大于95 kV 時，可控自恢復(fù)消能裝置可控部分旁路（階段1），電流驟升，可控自恢復(fù)消能裝置固定部分消耗有功功率，電壓被限制到120 kV 左右，此過程大約持續(xù)了260 ms，超過交流100 ms 短路故障處理時間，即在能量允許范圍之內(nèi)，可控避雷器能夠耐受長時間工頻過電壓。

可控自恢復(fù)消能裝置完成能量吸收后，晶閘管動作閉鎖，可控自恢復(fù)消能裝置整體接入（階段2），電流降低到較小值，避雷器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作模式，相當(dāng)于開路狀態(tài)，交流電壓輸出約為135 kV，不影響正常輸出情況，交流電流下，晶閘管閥組能夠可靠開通和閉鎖。對比階段1 和階段2 可知，可控自恢復(fù)消能裝置耗能模式能夠降低系統(tǒng)電壓，進(jìn)而驗(yàn)證了合理設(shè)計(jì)可控自恢復(fù)消能裝置能夠?qū)ο到y(tǒng)過電壓進(jìn)行抑制，實(shí)現(xiàn)限壓運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文通過對常規(guī)直流系統(tǒng)受端換相失敗誘發(fā)送端過電壓機(jī)理及抑制策略展開研究，得到如下結(jié)論:

1）受端換相失敗會引發(fā)送端過電壓，其值大小受交流系統(tǒng)短路比、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)有功功率及功率因數(shù)角影響。

2）基于系統(tǒng)有功耗散的原理，提出了基于可控自恢復(fù)消能裝置的過電壓抑制方法。當(dāng)換流站受端換相失敗和恢復(fù)或直流閉鎖期間，通過消納送端交流系統(tǒng)的有功功率可有效抑制由于盈余無功功率帶來的過電壓問題。

3）仿真結(jié)果驗(yàn)證了合理設(shè)計(jì)可控自恢復(fù)消能裝置及策略，可有效解決換相失敗誘發(fā)或直流閉鎖的送端過電壓問題；試驗(yàn)結(jié)果證明了所提暫態(tài)過電壓抑制方法具有限壓運(yùn)行功能，能夠解決交流過電壓問題；現(xiàn)場運(yùn)行情況驗(yàn)證了可控自恢復(fù)消能裝置在換相失敗發(fā)生時能夠正確動作。

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