柔性直流輸電啟動充電過電流分析及改進

林福

（閩西職業技術學院,龍巖 364012）

隨著電壓等級的提升和損耗的降低，基于全控型絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）的電壓源高壓直流輸電技術（Voltage-Sourced Converter HVDC，VSC-HVDC，又稱柔性直流）獲得了越來越多的應用[1-5]，如大規模可再生能源并網，大型負荷中心供電，快速功率支撐，孤島或無源電網供電等。柔性直流換流器的拓撲結構主要有以下兩個技術方案[5]：基于電力電子開關器件直接串聯的兩電平/三電平換流器和基于功率子模塊級聯的模塊化多電平換流器

（Modular Multi-level Converter，MMC）。其中MMC具有可擴展性高、諧波含量低等技術優勢，是目前柔性直流輸電工程主要采用的技術方案

截至目前，世界范圍內已經投入運行和正在規劃建設的柔性直流輸電工程已達到40條。2015年12月17日，廈門柔性直流輸電工程正式投入運行，采用MMC拓撲方案[6]。該工程的投運能夠有效提高廈門島內電網的電壓穩定性，滿足島內不斷增長的負荷需求。

柔性直流在啟動解鎖前需要通過交流系統對子模塊電容進行預充電。為了防止充電電流沖擊過大對閥體產生損害，需要在充電回路中串入充電電阻進行限流。正常情況下，充電電阻能夠有效抑制充電電流，但是當換流變壓器發生磁飽和等現象時，勵磁涌流的出現會使充電電流變大，嚴重時將會燒毀充電電阻。近期，廈門柔直在換流站進行啟動充電時交流電流產生畸變，未能正常衰減，充電電阻反時限過負荷保護跳閘。

目前相關文獻主要是對柔性直流充電過程中充電電阻的設計以及相應的控制和保護策略進行研究。例如文獻[7]通過研究充電電阻和充電電流之間的關系，提出了充電電阻的阻值設計方法；文獻[8]提出了一種適用于模塊化多電平換流器的預充電控制策略，能夠將子模塊電容電壓預充電到相應的設定值，減小解鎖時的電流沖擊；文獻[9]介紹了南澳多端柔性直流輸電系統啟動回路的順控流程以及相應的故障處理方法。以上文獻均未對柔性直流啟動過程中可能出現的充電電阻過流問題及其與換流變壓器磁飽和的關系進行研究。

本文首先詳細分析了換流變壓器剩磁較大或磁飽和導致充電電阻過流的機理。然后在電磁暫態仿真程序PSCAD/EMTDC中搭建了詳細的柔性直流仿真模型，針對仿真軟件中變壓器模型不能模擬初始剩磁的問題，提出了變壓器初始剩磁模擬方法。最后仿真復現了剩磁對啟動過程中充電電阻過電流的影響，通過與工程現場錄波的對比驗證了模型的準確性，并提出了改進措施。

1 工程簡介

廈門柔性直流輸電工程為兩端輸電系統，聯接廈門市翔安南部至廈門島內湖里，分別建設浦園和鷺島兩座換流站。廈門工程直流輸送容量為1 000 MW，直流電壓為±320 kV，直流電流為1 600 A。換流站間采用長度為10.7 km的一回直流輸電線路進行連接。工程為對稱雙極接線方式，如圖1所示，送端換流站為定有功功率控制和定無功功率控制，其交流側以2回220 kV電纜接入彭厝變220 kV配電裝置；受端鷺島換流站為定直流電壓控制和定無功功率控制，其交流側以2回220 kV電纜接入湖邊變220 kV配電裝置。

2 啟動過程分析

廈門柔性直流工程的交流側包括交流斷路器、換流變壓器、充電電阻及其旁路刀閘等一次設備，直流側經直流隔離開關連接到直流線路。為了限制MMC預充電階段子模塊電容器的充電電流，在換流變壓器網側安裝有充電電阻，預充電結束后，閉合旁路刀閘，可以旁路充電電阻。

圖1 廈門柔性直流輸電系統示意圖

圖2 柔直換流站示意圖

下面以鷺島換流站的啟動過程為例進行分析（如圖2）。浦園、鷺島兩站的換流器處于熱備用狀態時，首先閉合鷺島站換流變壓器交流側斷路器，對鷺島站不控整流充電，同時通過直流線路向浦園站充電。幾秒后，閉合浦園站的交流斷路器，從交流側對浦園站換流器進行充電。當換流站的直流側電壓上升至不控整流的穩定值時，閉合充電電阻旁路開關，旁路掉充電電阻。然后解鎖浦園站、鷺島站，待可控整流充電至指令值后，直流系統進入穩態運行。

3 現場錄波分析

近期廈門工程在啟動運行過程中，鷺島站在利用交流系統對換流器進行充電時，充電電流衰減緩慢，控制系統上報“充電電阻長期過流”，充電電阻反時限過負荷保護跳閘，導致啟動失敗。

圖3和圖4分別為換流變壓器一次繞組和二次繞組電流的錄波波形（以A相為例）。由波形可知，交流斷路器閉合后，換流變壓器電流出現大幅增加，經過一段時間，變壓器電流衰減至一定值后不再衰減，同時變壓器電流波形發生了畸變。

對圖5中變壓器一次繞組電流穩定后的波形進行頻譜分析可知，在一次繞組電流中偶次諧波的占比較大，尤以二次諧波為主。

通過對圖4中變壓器二次繞組的電流波形進行頻譜分析可知，二次繞組電流在經過大約400 ms后突然出現一個直流分量并逐漸衰減，工程現場采用常規CT，無法準確測量直流分量，因此可以斷定此時的副邊繞組中存在一個直流環流；同時副邊電流也包括較多的奇次諧波，占比最大的為三次諧波環流。

圖6為換流變壓器閥側的充電電流和直流電壓的錄波波形，由圖6可見，換流變壓器閥側電流和直流電壓的值均無明顯異常，換流變壓器閥側電流的畸變是由換流變壓器電壓畸變引起的，因此換流閥及其取能電源系統并不是導致充電電流畸變的原因。

圖3 變壓器一次繞組電流

圖4 變壓器二次繞組電流

圖5 變壓器一次繞組電流穩定后的波形

圖6 換流變壓器閥側充電電流和直流電壓

基于以上現場錄波的分析可知，充電電流畸變是由于變壓器磁路漸進飽和，從而導致勵磁感抗值迅速減小，充電電流變大。而磁路飽和的原因則是由于換流變壓器中存在較大的剩磁。在啟動過程中，閉合交流斷路器后，變壓器繞組的外施電壓驟增，基于磁鏈守恒定理，該繞組在磁路中將激發出單極性的偏磁。若偏磁極性剛好和變壓器已有的剩磁極性相同，就可能因磁通疊加而使磁路迅速飽和，從而大幅度減小變壓器繞組的勵磁電抗，進而導致數值可觀的勵磁涌流。勵磁涌流不僅峰值大，且含有較多的諧波及直流分量，最終造成充電電阻長期過電流以及啟動反時限過負荷保護跳閘。

4 變壓器剩磁的影響及模擬

4.1 變壓器剩磁的影響分析

按照《電力設備預防性試驗規程》要求，大型變壓器在檢修后或運行1～3 h后，必要時都要進行直阻試驗[10]。經過直阻試驗，變壓器的鐵芯中會產生剩磁，而且由于大型變壓器的磁阻較小，因此直阻試驗所加電流時間越長，剩磁也就越多。

對于圖7所示的變壓器，在正常情況下，即當沒有直流剩磁影響的時候，以變壓器一次側電路為例，可以列寫出電路方程如下式所示：

式中：

V1—變壓器一次側電壓；

N1—變壓器一次繞組的匝數；

φ—通過變壓器一次側鐵心磁通；

R—變壓器一次繞組電阻；

i1為一次側的勵磁電流。

由于Ri1相對比較小，在分析瞬態過程初始階段可以忽略不計，所以變壓器一次側電壓可表示為

當有直流剩磁影響的情況下，需要對變壓器模型進行改進。具體做法是在一次側的X端口和二次側的X端口(或者是地)之間加一個直流電壓源，直流電壓源的數值可以按照實際情況來確定，這里假定直流電壓源的數值為V0，此時相應的電路方程就變成：

將式（3）重寫為：

將式（4）兩邊進行積分，可得總磁通如式（5）所示：

式中：

φs—勵磁磁通；

φ0—剩磁。

圖7 變壓器示意圖

圖8 變壓器的φ-i曲線

由式（5）可知，變壓器的總磁通為激磁磁通和剩磁的疊加。圖8為變壓器的φ-i曲線，當總磁通φ等于飽和磁通φb時，其電流為飽和電流，當總磁通φ大于飽和磁通φb時，磁路飽和。在磁路飽和以后，隨著磁通的進一步增大，將會有很大的過電流。若激磁磁通與剩磁的極性相同，則剩磁表現為助磁效果，變壓器總磁通會大于飽和磁通進入飽和區，使變壓器的勵磁涌流進一步加大，出現過電流。

4.2 變壓器剩磁在仿真模型中的模擬

為了復現工程中變壓器剩磁和漸進飽和對于不控充電過程的影響，需要在仿真模型中對變壓器的飽和特性和初始剩磁進行詳細模擬。以PSCAD/EMTDC為仿真工具，目前EMTDC中的變壓器模型能夠對勵磁繞組的飽和非線性特性進行詳細模擬。其原理是在變壓器端子間并聯可控電流源，通過對變壓器繞組電壓進行積分得到變壓器的總磁通，再利用磁通-勵磁電流的非線性曲線得到可控電流源的值，如圖9所示。

然而，目前EMTDC中的變壓器模型不具備模擬初始剩磁的功能，需對其進行改進。由式（3）-（5）可知，可通過在EMTDC變壓器模型的副邊環路中串聯直流電壓源來模擬初始剩磁，如圖10所示。

圖9 不考慮剩磁的變壓器模型

圖10 考慮剩磁的變壓器模型

由式（5）可得剩磁表達式為

由于初始剩磁為定值，因此圖10中串聯的直流電壓源表達式V0應該為一個隨時間衰減的函數。在此假定V0的表達式為一個指數函數，如下式所示：

式中：

Vm—直流電壓源的初始值；

α—衰減因子。

根據實際工況，在仿真的初始時刻即存在剩磁，因此衰減因子α需要設置較大的值，V0的值需要根據模擬的初始剩磁的大小進行設置，其計算表達式如下所示：

因此可通過對附加直流電壓源進行積分得到變壓器初始剩磁，可以等效為在圖9所示的積分器中增加一個初始值設置。

表1 換流器的主要參數

表2 換流變壓器的主要參數

5 仿真分析及改進建議

5.1 仿真模型

為了對上述變壓器直阻試驗后的交流對直流換流器的充電過程進行驗證，根據第1節的廈門工程技術方案，在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中，搭建了廈門柔直工程的詳細仿真模型，換流器和換流變壓器的主要參數分別如表1和表2所示。

根據4.2節的分析，在PSCAD變壓器副邊環路中增加了可控直流電壓源以模擬剩磁，如圖11所示，可控直流電壓源的直流電壓如圖12所示。為了模擬變壓器的漸進飽和特性對換流站不控充電過程的影響，在PSCAD變壓器模型中利用使能飽和特性模擬功能，飽和設置在副邊，并按照變壓器銘牌設定變壓器的參數。

5.2 仿真分析

在5.1節搭建的仿真模型中仿真閉合換流變壓器網側交流斷路器，對MMC對不控充電的過程進行模擬，充電過程中換流變壓器一次側和二次側的電流分別如圖13和圖14所示。

圖11 PSCAD中變壓器初始剩磁模擬

圖12 變壓器初始剩磁模擬(直流電壓源)

圖13 變壓器一次繞組電流波形

由圖13和圖14可見，變壓器一次繞組和二次繞組電流的仿真波形均與錄波波形高度吻合。由于變壓器直阻試驗后存在剩磁，因此在合閘瞬間，變壓器磁路漸進飽和，導致勵磁電抗變小，勵磁電流快速增大。由于廈門柔性直流工程中充電電阻安裝在換流變壓器一次側，充電電阻長時間過電流，因此充電電阻反時限過負荷保護跳閘。

圖14 變壓器二次繞組電流波形

5.3 建議措施

1）建議在直流工程中將限流電阻(充電電阻)安裝在換流變壓器閥側。變壓器進入飽和區時，勵磁電抗變小，變壓器電流主要流經一次繞組和勵磁支路，而二次繞組的電流則相對較小。因此，將限流電阻安裝在換流變壓器閥側，既能很好地限制子模塊電容的充電電流，又能避免因變壓器磁路飽和而過流燒毀。

2）建議在變壓器直阻試驗以后對變壓器進行局放試驗，以消除剩磁。按照電力變壓器運行檢修要求，要定期對其進行直阻試驗，而試驗后變壓器中會存在剩磁。因此，在變壓器進行直阻試驗以后，應當對變壓器進行局部放電試驗，以徹底消除剩磁。在進行消磁之后，再閉合交流斷路器對MMC的子模塊電容進行充電。

6 結論

本文對廈門柔性直流工程充電電阻過電流導致反時限過負荷保護跳閘的現象進行了研究及仿真分析，得到如下結論：

1）該現象的原因是換流變壓器直阻試驗后存在直流剩磁，在不控充電時由于合閘時刻導致變壓器磁路漸進飽和，從而使充電電阻長時間過電流。

2）通過在PSCAD變壓器模型的副邊環路中串聯直流電壓源的形式來模擬初始剩磁，直流電壓源的直流電壓值由變壓器剩磁決定。

3）為了避免此類現象的再次發生，結合實際工程應用，給出了以下建議：①建議將限流電阻（充電電阻）安裝在換流變壓器閥側；②建議以后在變壓器年檢之后要先對變壓器進行局放試驗，將剩磁徹底消除以后再進行充電試驗。

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