柔性直流輸電舟洋換流站無源HVDC啟動(dòng)試驗(yàn)中典型故障分析

吳俊，方芳，趙曉明

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

柔性直流輸電舟洋換流站無源HVDC啟動(dòng)試驗(yàn)中典型故障分析

吳俊，方芳，趙曉明

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

介紹了舟山多端柔性直流輸電工程舟洋換流站無源HVDC啟動(dòng)時(shí)的兩起典型故障，分別為無源HVDC方式下直流控制保護(hù)系統(tǒng)手動(dòng)切換試驗(yàn)失敗、模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗(yàn)失敗。對(duì)故障原因進(jìn)行了深入分析，并提出了解決方案。解決方案經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證有效，可作為后續(xù)柔性直流輸電工程控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。

柔性直流輸電；啟動(dòng)試驗(yàn)；典型故障；無源HVDC；冗余切換

舟山多端柔性直流輸電工程是目前為止世界上第1個(gè)5端柔性直流輸電工程。工程于2012年投資建設(shè)，2014年7月投入運(yùn)行。舟山多端柔性直流輸電示范工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗和舟洋換流站5個(gè)直流換流站和多段直流電纜構(gòu)成。工程在系統(tǒng)試驗(yàn)期間，舟洋換流站110 kV交流進(jìn)線尚不具備供電條件，采取無源HVDC（高壓直流輸電）啟動(dòng)方式，充分發(fā)揮了柔性直流輸電向遠(yuǎn)距離無源網(wǎng)絡(luò)供電的技術(shù)優(yōu)勢[1-6]。舟洋換流站主接線如圖1所示。

舟洋換流站控制保護(hù)系統(tǒng)主要由直流控制保護(hù)PCPA/B系統(tǒng)、換流閥控制保護(hù)VBCA/B系統(tǒng)組成，正常運(yùn)行時(shí)A與B系統(tǒng)一套為運(yùn)行系統(tǒng)，一套為備用系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)行系統(tǒng)故障時(shí)自動(dòng)切換至備用系統(tǒng)。無源HVDC啟動(dòng)期間，交流側(cè)采用定電壓控制模式，直流側(cè)采用定功率控制模式。

在整個(gè)啟動(dòng)試驗(yàn)期間，直流控制保護(hù)系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)等出現(xiàn)了多次故障和缺陷。以下就一些典型缺陷進(jìn)行分析，對(duì)直流控制保護(hù)系統(tǒng)在無源HVDC工作方式下的一些控制和冗余切換策略提出了建議。

1 直流控制保護(hù)系統(tǒng)手動(dòng)切換試驗(yàn)失敗原因分析

1.1 故障現(xiàn)象

控制系統(tǒng)手動(dòng)切換試驗(yàn)主要目的，是驗(yàn)證運(yùn)行系統(tǒng)與備用系統(tǒng)之間的手動(dòng)切換功能是否正常，切換前后系統(tǒng)是否能平穩(wěn)運(yùn)行。

手動(dòng)切換試驗(yàn)前，直流控制保護(hù)系統(tǒng)PCPA為運(yùn)行狀態(tài)，PCPB為備用狀態(tài)。在將直流控制保護(hù)系統(tǒng)由PCPA運(yùn)行切換至PCPB運(yùn)行的手動(dòng)切換試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)切換過程中系統(tǒng)有較大擾動(dòng)，換流變閥側(cè)出現(xiàn)了較大電流，其中B相電流峰值達(dá)到了330 A，控制系統(tǒng)未能平穩(wěn)切換，試驗(yàn)失敗。從錄波波形中可以看出，電流波形包含有很大成分的非周期分量，電流偏于時(shí)間軸的一側(cè)；包含有大量的高次諧波分量，并以二次諧波為主；波形之間出現(xiàn)間斷，符合勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)，波形如圖2所示。

圖2 手動(dòng)切換時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)的波形

1.2 原因分析

在有源HVDC運(yùn)行方式下，運(yùn)行直流控制保護(hù)系統(tǒng)與備用系統(tǒng)都跟蹤換流變閥側(cè)電壓，并以此為基準(zhǔn)生成調(diào)制波發(fā)送給閥控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)再根據(jù)調(diào)制波和控制目標(biāo)將交流電壓整流為直流電壓。理論上2套系統(tǒng)的調(diào)制波是相同的，直流控制保護(hù)系統(tǒng)切換時(shí)可以保證系統(tǒng)平滑切換無擾動(dòng)。而在無源HVDC運(yùn)行方式下，直流控制保護(hù)系統(tǒng)的調(diào)制波是系統(tǒng)根據(jù)控制目標(biāo)內(nèi)部計(jì)算產(chǎn)生的，閥側(cè)電壓由閥控系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制波控制換流閥逆變產(chǎn)生。

運(yùn)行直流控制保護(hù)系統(tǒng)和備用直流控制保護(hù)系統(tǒng)各自獨(dú)立計(jì)算，由于內(nèi)部晶振頻率的差異，2套控制系統(tǒng)的調(diào)制波經(jīng)過一段時(shí)間后相位會(huì)不一致。而調(diào)制波相位不一致會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)切換時(shí)換流變閥側(cè)電壓相位發(fā)生突變，造成主變出現(xiàn)勵(lì)磁涌流。切換時(shí)2套控制系統(tǒng)調(diào)制波見圖3。

圖3 手動(dòng)切換失敗時(shí)PCPA與PCPB調(diào)制波

1.3 解決方案

從以上分析得知，故障原因在于系統(tǒng)切換時(shí)主備控制系統(tǒng)各自獨(dú)立計(jì)算的調(diào)制波相位不一致。解決方法為：修改無源HVDC方式下，非運(yùn)行控制系統(tǒng)調(diào)制波獲取方式，使其能跟蹤運(yùn)行控制系統(tǒng)調(diào)制波。

在本工程中采用備用控制系統(tǒng)跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生調(diào)制波的方式，同時(shí)考慮到換流閥逆變及控制系統(tǒng)切換所需的時(shí)間，適當(dāng)調(diào)整備用控制系統(tǒng)調(diào)制波相角，保證切換后主變閥側(cè)電壓無突變。在舟洋換流站啟動(dòng)試驗(yàn)中，經(jīng)過程序修改和參數(shù)調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)直流控制保護(hù)系統(tǒng)手動(dòng)切換過程中系統(tǒng)基本無擾動(dòng)，最大相電流約為6 A，切換正常時(shí)閥側(cè)電壓及電流如圖4所示。

2 模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗(yàn)失敗分析

2.1 故障現(xiàn)象

圖4 控制系統(tǒng)手動(dòng)切換試驗(yàn)成功波形

模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗(yàn)的主要目的，是檢驗(yàn)在運(yùn)行閥控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能否平穩(wěn)地切換到備用系統(tǒng)，同時(shí)檢驗(yàn)直流控制系統(tǒng)自監(jiān)視功能和事件記錄功能是否正常。

在模擬運(yùn)行閥控系統(tǒng)故障前，閥控及直流控制保護(hù)系統(tǒng)均正常工作，A套運(yùn)行，B套備用；拉開閥控A相下橋臂控制器A機(jī)箱電源，模擬閥控VBCA故障請(qǐng)求切換，PCPA與VBCA退出運(yùn)行，降為服務(wù)狀態(tài)，PCPB與VBCB升級(jí)為運(yùn)行系統(tǒng)；2min后恢復(fù)A相下橋臂控制器A機(jī)箱電源，VBCA與PCPA恢復(fù)備用；手動(dòng)切換PCPA為運(yùn)行，PCPB自動(dòng)降為備用；運(yùn)行約1min后換流變閥側(cè)突然出現(xiàn)較大電流，閥控橋臂過流保護(hù)動(dòng)作跳閘。

2.2 缺陷分析

基于MMC（模塊化多電平換流器）型的VSC（電壓源換流器）電路結(jié)構(gòu)[7]如圖5所示。圖中Us為電網(wǎng)側(cè)相電壓；Uc為VSC換流器交流側(cè)相電壓；I為流經(jīng)電抗器的相電流；Rx，Lx為交流側(cè)變壓器等效阻抗與換流器系統(tǒng)等效阻抗和；usa，usb，usc分別為三相交流系統(tǒng)三相電壓瞬時(shí)值；uca，ucb，ucc分別為換流器交流輸出端相電壓瞬時(shí)值；ia，ib，ic分別為交流側(cè)三相線電流瞬時(shí)值；Idc為直流側(cè)從換流器流出的電流；I為從換流器流入到直流輸電線路的電流。交流側(cè)三相動(dòng)態(tài)微分方程寫成向量形式為：

圖5 VSC換流器電路結(jié)構(gòu)

式（1）是在三相靜止坐標(biāo)系下的系統(tǒng)模型，其電壓和電流都是正弦形式的交流量，不利于控制器設(shè)計(jì)。為了得到易于控制的直流量，常用方法是對(duì)式（1）施加dq坐標(biāo)變換（Park變換），可以將三相靜止坐標(biāo)系下的交流量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量[8]。在三相對(duì)稱系統(tǒng)中，沒有零序分量，由式（1）可得[8]：

式中：usd，usq分別為電網(wǎng)側(cè)d軸、q軸電壓；ucd，ucq分別為VSC換流器閥側(cè)d軸、q軸電壓。

MMC無源供電控制器設(shè)計(jì)有2個(gè)基本要求[9]：

（1）穩(wěn)態(tài)情況下MMC能夠提供波形穩(wěn)定的交流電壓。

（2）交流故障情況下MMC能夠控制故障電流。

無源供電控制模式下，MMC網(wǎng)側(cè)交流電壓的頻率和相位可由參考相位直接控制，其網(wǎng)側(cè)交流電壓幅值Us可通過設(shè)定usdref直接控制，從而實(shí)現(xiàn)了MMC交流側(cè)電壓頻率、相位和幅值的獨(dú)立控制。正常運(yùn)行時(shí)無源HVDC運(yùn)行狀態(tài)采用交流側(cè)定電壓控制方式，設(shè)置電網(wǎng)側(cè)電壓d軸分量為1（標(biāo)幺值），q軸分量為零即可以實(shí)現(xiàn)交流側(cè)額定電壓運(yùn)行的目標(biāo)。

在本次故障中，A相下橋臂控制器A機(jī)箱斷電后VBCA上送的該橋臂的電壓和為0，該條件會(huì)復(fù)歸1個(gè)RS觸發(fā)器，導(dǎo)致PCPA由運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)殚]鎖狀態(tài)，由本文第1部分可知，此時(shí)非運(yùn)行系統(tǒng)PCPA的調(diào)制波不再自產(chǎn)，而是跟蹤外接閥側(cè)電壓；當(dāng)A相下橋臂機(jī)箱電源恢復(fù)正常工作后，PCPA由閉鎖狀態(tài)升級(jí)為備用狀態(tài)，繼續(xù)跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生調(diào)制波。而當(dāng)手動(dòng)將PCPA切換為運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，PCPA從備用系統(tǒng)升級(jí)為運(yùn)行系統(tǒng)，其調(diào)制波需從跟蹤外接閥側(cè)電壓切換為系統(tǒng)自產(chǎn)，切換邏輯為運(yùn)行控制系統(tǒng)（PCPA）檢測閥側(cè)電壓的d與q分量，在q分量為零時(shí)將調(diào)制波由跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生改為內(nèi)部計(jì)算產(chǎn)生。

由無源HVDC控制原理可知，此種切換邏輯有一問題，即未判斷切換時(shí)d軸分量，當(dāng)q分量為零時(shí)，d軸分量可能等于1也可能等于-1，如果是前者切換能平穩(wěn)實(shí)現(xiàn)，如本試驗(yàn)中第1次由閥控故障請(qǐng)求的切換過程成功（PCPA切換為PCPB）以及本文第1部分的控制系統(tǒng)手動(dòng)切換試驗(yàn)成功即對(duì)應(yīng)于該情況；如果是后者則會(huì)導(dǎo)致調(diào)制波出現(xiàn)180°翻轉(zhuǎn)，造成主變閥側(cè)電壓突變，產(chǎn)生較大勵(lì)磁涌流，引起閥控過流保護(hù)動(dòng)作。保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻調(diào)制波波形與閥側(cè)電壓突變波形如圖6所示。

圖6 調(diào)制波電壓突變波形

2.3 解決方法

從以上分析得知，在閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗(yàn)完成，正常運(yùn)行約1min后突然出現(xiàn)故障的原因在于備用系統(tǒng)切換為運(yùn)行系統(tǒng)后，調(diào)制波獲取方式切換的判據(jù)不充分，導(dǎo)致閥側(cè)電壓突變，解決方法為,修改該判據(jù)為：當(dāng)外接閥側(cè)電壓的直軸分量約等于1并且交軸分量約等于0時(shí)，將調(diào)制波由跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生切換為內(nèi)部計(jì)算產(chǎn)生。修改程序后，經(jīng)過多次模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗(yàn)，切換均成功。

3 結(jié)語

柔性直流輸電直流控制保護(hù)系統(tǒng)在無源HVDC運(yùn)行方式下，備用控制系統(tǒng)調(diào)制波需跟蹤運(yùn)行控制系統(tǒng)調(diào)制波，否則可能導(dǎo)致主備系統(tǒng)調(diào)制波不同步，切換過程出現(xiàn)較大擾動(dòng)。在本工程中采用備用控制系統(tǒng)跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生調(diào)制波的方案實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、備用控制系統(tǒng)調(diào)制波的同步。當(dāng)備用系統(tǒng)切換為運(yùn)行系統(tǒng)后，繼續(xù)跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生調(diào)制波會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)控制量與目標(biāo)量重合，系統(tǒng)不能長期穩(wěn)定運(yùn)行，需要盡快將運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)制波由跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生切換為內(nèi)部計(jì)算產(chǎn)生。采用兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系直流量進(jìn)行控制時(shí)需要考慮切換時(shí)的判據(jù)，當(dāng)外接閥側(cè)電壓的直軸分量約等于1并且交軸分量約等于0的時(shí)候才將調(diào)制波由跟蹤閥側(cè)電壓產(chǎn)生切換為內(nèi)部計(jì)算產(chǎn)生，以保證調(diào)制波在切換前后無相位幅值突變，切換過程平穩(wěn)過渡。

[1]徐政，陳海榮．電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述[J]．高電壓技術(shù)，2007，33（1）∶1-10．

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（本文編輯：楊勇）

Analysis on Typical Faults in Passive HVDC Startup Tests in Zhouyang VSCHVDC Converter Station

WU Jun，F(xiàn)ANG Fang，ZHAO Xiaoming
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Two typical faults occurred during the passive HVDC（high-voltage direct current）startup tests in Zhouyang VSC-HVDC（voltage source converter based high-voltage direct current）converter station are described in this paper.One is the failure ofmanual DC control and protection system switching and the other is redundancy switch test due to failure of simulated valve control system.The fault courses are deeply analyzed and the solutions are proposed.The solutions are validated and can be the reference of control and protection system design of follow-up VSC-HVDC projects.

VSC-HVDC;startup test;typical faults;passive HVDC;redundancy switch

TM721

B

1007-1881（2016）01-0006-04

2015-06-09

吳?。?980），男，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事繼電保護(hù)工作。