柔性直流功率模塊比對失敗跳閘事件分析

王磊 楊曉平 蔡永梁 孫小平 李喆

摘? ?要：針對魯西背靠背換流站調試期間發生的一起柔性直流功率模塊比對失敗，從而導致跳閘的事件，本文對跳閘條件進行了闡述，根據跳閘條件對本次比對失敗導致跳閘的原因進行了分析，同時進行了現場排查并確定了故障原因，針對故障原因提出了相應建議，以避免類似事件再次發生。

關鍵詞：柔性直流? 功率模塊? 黑模塊? 魯西換流站

中圖分類號：TM721? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）11（c）-0036-03

Abstract：Focusing on a trip accident caused by VSC-HVDC power module comparison failure of Luxi back-to-back converter station in the debugging period， this paper illustrated the trip criteria， analyzed the reason of this trip accident based on the trip criteria， did the on-site investigation to determine the cause of failure， and made suggestions to avoid the recurrence of such incident.

Key Words：VSC-HVDC;Power module;Black module;Luxi converter station

1? 引言

我國經濟社會快速發展，帶動了用電需求持續增長，為滿足用電負荷增長的需要，電網規模擴大、區域電網互聯成為主流發展方向[1]。電網互聯帶來了跨省跨地區輸電量的大幅提高，不僅加強了大電網資源優化配置，也為電網互為支撐、相互支援提供了強大的保障[2]。另一方面，風電、太陽能等可再生能源利用規模的不斷擴大，但由于其固有的分散性、小型性、遠離負荷中心等特點[3]，迫切要求并網時采用柔性直流輸電技術，并不斷提升其輸電能力。同時，城市用電負荷的快速增加，需要不斷擴充電網的容量，但鑒于城市人口膨脹和土地資源的稀缺，不僅要求利用有限的線路走廊輸送更多的電能，而且要求大量的配電網轉入地下。因此，迫切需要采用更加靈活、經濟、環保、安全的輸電方式解決以上問題。

柔性直流輸電技術具有控制靈活、無換相失敗、快速實現有功無功調節、易于擴展等優點，是實現可再生能源大規模并網利用、分布式發電并網、大型電網異步互聯、無源網絡供電等領域的首選技術，同時也是我國能源電力發展的核心技術[4]。

目前，國內柔性直流輸電換流閥多采用MMC（modular multilevel converter，模塊化多電平換流器）拓撲結構。MMC采用完全一致的模塊化技術，便于實現冗余控制，在研發、制造、動態和靜態均壓以及減小環流方面有著很大優勢[5]。

魯西背靠背直流異步聯網工程建設地點位于云南省曲靖市羅平縣魯西村，直流容量一期按2000MW規劃，二期規模按3000MW規劃[6]。該工程首次通過柔性直流輸電系統將主網與區域電網間異步聯網，其柔性直流輸電換流閥額定直流電壓±350kV，額定功率1000MW，電壓等級和容量均為世界最高水平。處于功率傳輸模式時，柔性直流單元具備-300Mvar至+300Mvar的無功輸出能力。除傳輸功率外，柔性直流單元還被長期用于無功調節，平均無功輸出約200Mvar，對電網提供了無功支撐，有效平抑了系統電壓波動。

魯西背靠背換流站柔直單元的換流器由云南側換流器和廣西側換流器組成，兩側均采用了目前業內主流的模塊化多電平（MMC）拓撲換流閥。換流閥分為六個橋臂，由眾多半橋拓撲結構的功率模塊構成。功率模塊是MMC拓撲換流閥的最小單元，發生故障后由模塊內部的機械旁路開關實現故障隔離，不影響換流閥的整體運行。柔性直流功率模塊設計時考慮了較高的冗余度，保證在整個大修時間區間內不用更換功率模塊。

2? 跳閘事件簡介

魯西背靠背直流異步聯網工程柔直單元于2016年7月完成安裝，8月進入系統調試，并于8月30日正式投運。

在2016年8月7日工程調試階段，柔性直流閥控系統在閉鎖階段報出“廣西側C相上橋臂模塊387故障”和“模塊比對故障”，同時閥控上報跳閘請求，換流單元三由閉鎖狀態轉為備用狀態。

3? 跳閘分析

3.1 跳閘條件及邏輯框圖

換流站閥控系統由閥控接口設備VCMI和閥組控制設備VGC兩部分構成。

閥控接口設備VCMI完成換流閥脈沖調制、脈沖分配及相關的保護功能。該裝置負責接收上層CCP控制保護命令，并反饋換流閥的部分狀態信息;也負責6個橋臂中功率模塊電容電壓的均衡控制和橋臂環流抑制，并將控制結果（參考電壓）下發給每個橋臂的VGC設備供其分配每個功率模塊的觸發脈沖。另外，VCMI也負責與測量裝置MU、故障錄波TFR設備、SCADA設備等的通訊以及對換流站內部電壓、電流的監測與保護。VCMI與VGC、SCADA之間通過光纖進行通訊。

VCMI設備分為VCMI-A和VCMI-B兩套接口設備，工作方式采用雙系統熱備份冗余工作方式，VCMI裝置A、B兩套系統完全獨立，同時接收換流站級控制保護裝置的命令，經過A、B兩套系統的協調判斷后，確定發給脈沖分配裝置的控制保護命令。

閥組控制設備VGC主要用于接收上層來自VCMI-A和VCMI-B的調制電壓、操作指令等控制保護命令，并根據來自CCP的值班信號選擇使用A或B系統的數據，同時向上層VCMI屏柜反饋換流閥的故障信息;向下層功率模塊控制器PMC發送控制命令，同時接收功率模塊的電容電壓、故障狀態等信息。

VGC設備分為六套硬件和軟件完全相同的屏柜，對應于A、B、C三相的上、下橋臂，每面VGC屏柜與一個橋臂所有的功率模塊通訊。VGC與對應橋臂的功率模塊以及VCMI-A、VCMI-B之間均通過光纖進行通訊。

閥控系統示意圖如圖1所示。

在模塊比對功能投入的情況下，閥控將各橋臂模塊在上位機記錄或設置的旁路模塊狀態與閥本次重啟充電后所獲得的新故障狀態進行比對，若存在某模塊前后兩次的故障狀態不一致，即比對結果出現黑模塊，則閥控系統不發出“允許解鎖”信號，將“比對失敗”故障報送SCADA，向PCP申請跳閘，并閉鎖換流器。換流器充電過程中模塊狀態比對不一致故障的情況下兩套閥控系統的邏輯框圖如圖2所示。

3.2 跳閘原因分析

通過分析跳閘條件，黑模塊實質為與閥控通訊中斷，閥控無法讀取其狀態的模塊，強行解鎖后，該類模塊可能被串聯在回路中無法退出。

在柔性直流換流閥停運并接地后，進入閥廳對CU387功率模塊進行檢查，使用功率模塊測試平臺對該模塊進行測試，各項功能均正常。對該模塊與閥組控制設備VGC之間的通訊光纖進行衰減測試，發現光纖衰減過大，對光纖進行更換后，換流閥重新上電，并正常解鎖。

光纖用于換流閥功率模塊與閥控VGC屏柜之間的通訊，正常情況下，功率模塊通過上行光纖將模塊電壓和故障代碼等狀態信息上傳至閥控，閥控以此為依據，通過下行光纖將控制命令下發至功率模塊，從而實現對功率模塊的控制。功率模塊與VGC屏柜通訊示意圖如圖3所示。

光纖結構如圖4所示。光纖主要由光纖接頭、分支尾纖、分支器、拖曳保護管及主纜部分組成。對故障光纖進行觀察，發現光纖由于過度彎折，使得光纖衰減過大，中斷了功率模塊與閥控之間的通訊，閥控無法讀取模塊狀態，故產生了黑模塊，導致比對失敗跳閘。

光纖為非金屬光纖，盡管已對光纖做了拉伸、彎曲等相應機械性能方面的處理，但相對于其他器件來說仍然比較脆弱，在運輸、安裝、使用及維護方面需要非常謹慎，避免光纖受損。

4? 結語

本文對魯西背靠背換流站發生的一起柔性直流功率模塊比對失敗從而導致跳閘的事件過程進行了說明，對跳閘條件進行了闡述，并根據跳閘條件對本次跳閘的原因進行了排查分析，最終確定跳閘原因為光纖故障，并針對故障原因提出了相應建議，以避免類似事件再次發生。

參考文獻

[1] 徐然.大電網拓撲分割的算法研究[D].山東大學， 2016.

[2] 高宗和，陳剛，楊軍峰，等.特高壓互聯電網聯絡線功率控制（一）AGC控制策略[J].電力系統自動化，2009，33（15）：51-55.

[3] 鄧明.柔性直流輸電系統及其無網側電動勢傳感器控制技術的研究[D].中南大學，2010.

[4] 湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術研究、應用及發展[J]. 電力系統自動化，2013，37 （15）： 3-14.

[5] 封磊，茍銳鋒，楊曉平，等.柔性直流輸電系統功率模塊研究與設計[J].高壓電器，2016，52（1）： 55-61.

[6] 張東輝，洪潮，周保榮，等.云南電網與南方電網主網異步聯網系統方案研究[J].南方電網技術，2014，8（6）：1-6.