多端柔性直流輸電的短路故障分析

摘 要：以某地區(qū)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的短路故障為例，詳細(xì)分析了該短路故障的發(fā)生原因，并根據(jù)短路判據(jù)和相應(yīng)的隔離邏輯與重啟動(dòng)邏輯，運(yùn)用直流側(cè)極對(duì)極短路故障的穿越控制方法，實(shí)現(xiàn)了故障隔離和系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行，有效解決了短路故障問(wèn)題，可為今后類(lèi)似工作的開(kāi)展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：多端柔性直流輸電;短路;故障分析

0? ? 引言

柔性直流輸電技術(shù)因其在控制特性和功率翻轉(zhuǎn)能力等方面的優(yōu)異表現(xiàn)，近年來(lái)得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用，當(dāng)前已有多個(gè)多端柔性直流輸電工程投入運(yùn)營(yíng)，且正朝著直流電網(wǎng)的方向發(fā)展。但從目前來(lái)看，多端柔性直流輸電系統(tǒng)并不具備清除直流線路故障的能力，且極易受到外界因素的影響而出現(xiàn)短路故障，因此，需要對(duì)其短路故障問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究和分析。

1? ? 短路故障具體經(jīng)過(guò)

1.1? ? 某多端柔性直流輸電系統(tǒng)概況

某多端柔性直流輸電示范工程位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，由5個(gè)換流站構(gòu)成，交流側(cè)分別接入220 kV或110 kV變電站，而直流側(cè)則采用樹(shù)狀接線的方式，并以2號(hào)換流站為中心樞紐站。同時(shí)，為確保各換流站的故障能夠有效隔離，各個(gè)換流站在換流閥橋臂處均配置了阻尼模塊。此外，還在1號(hào)換流站的直流出線正負(fù)極各配置了一個(gè)直流斷路器。

1.2? ? 故障前運(yùn)行狀態(tài)

在短路故障發(fā)生前，該系統(tǒng)的1～3號(hào)換流站采用三端聯(lián)網(wǎng)的方式運(yùn)行，其中，1號(hào)換流站采用恒定直流電壓控制，2號(hào)和3號(hào)換流站則采用定功率控制。

1.3? ? 故障過(guò)程

故障發(fā)生時(shí)，1號(hào)和2號(hào)換流站首當(dāng)其沖，換流站1側(cè)和2側(cè)的電流值出現(xiàn)明顯的差異，導(dǎo)致直流電流不平衡，隨即自動(dòng)啟動(dòng)直流電壓不平衡保護(hù)Ⅰ段并跳閘，與此同時(shí)，觸發(fā)換流器閉鎖命令。在換流器閉鎖命令觸發(fā)后1 ms，五站連跳命令和跳閥側(cè)斷路器命令也相繼觸發(fā)。3號(hào)換流站的故障類(lèi)型與前兩者均相同，從時(shí)間上來(lái)看，則較前者的發(fā)生時(shí)間均推遲1 ms。

2? ? 故障分析與恢復(fù)

2.1? ? 故障波形分析

本次短路故障涉及整體輸電系統(tǒng)的1～3號(hào)換流站，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，3個(gè)換流站的波形均相似，因此，在分析時(shí)以1號(hào)換流站的波形為例即可。1號(hào)換流站波形圖如圖1所示。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，1號(hào)換流站的正極電壓在2 ms內(nèi)即下降到0 kV，而負(fù)極電壓也相應(yīng)降至-380 kV，與此同時(shí)，正負(fù)極電流和接地極電流迅速上升，交流電壓發(fā)生負(fù)向偏置。根據(jù)以上情況，初步推斷，可能是該系統(tǒng)的正極極線出現(xiàn)了單極接地故障。但出現(xiàn)故障的具體線路，仍需進(jìn)一步判斷。

為判斷故障線路，首先應(yīng)對(duì)所有線路的正極電流變化情況進(jìn)行分析，以故障前時(shí)刻差流為0作為參考，分析故障后線路電流的差值。差值計(jì)算結(jié)果如表1所示，在1號(hào)和2號(hào)換流站之間的線路上出現(xiàn)了高達(dá)1 520 A的差流值。因此，能夠確定是1號(hào)和2號(hào)換流站之間的線路發(fā)生了正極接地短路，其故障類(lèi)型則屬于單極接地故障。

2.2? ? 故障特征分析及識(shí)別判據(jù)

采用故障發(fā)生后t0—tn時(shí)間內(nèi)電抗器電壓積分量來(lái)構(gòu)建單極接地故障的識(shí)別判據(jù)公式，該公式如下：

式中：t0為檢測(cè)到故障發(fā)生的時(shí)刻;t0—tn為積分時(shí)間窗，針對(duì)本次故障，則取一較短時(shí)間，為1.0 ms。

定義分段函數(shù)：

sign（x）=1，? ? ?x>0，-1，? ?x<0

即可構(gòu)造單極接地故障識(shí)別判據(jù)如下：

sign（SP）·sign（SN）=-1，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?|SP|>Q，|SN|>Q

式中：SP和SN分別為正負(fù)極線路ESV積分量;Q為固定門(mén)檻值。

當(dāng)滿足該判據(jù)中②的條件，且SP和SN極性相反時(shí)，則可判定目標(biāo)線路出現(xiàn)故障。

2.3? ? 故障隔離邏輯和快速重啟動(dòng)邏輯

由于該柔性直流輸電系統(tǒng)僅僅配置了一端的直流斷路器，且并未配置快速故障定位裝置，因此，當(dāng)發(fā)生短路故障后，無(wú)法直接進(jìn)行故障隔離[1]，而是只能按照以下3個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行故障隔離：第一步，將所有正在運(yùn)行的換流站切換至閉鎖狀態(tài)，并投入阻尼模塊，確保故障電流快速降至最低水平，并觸發(fā)跳交流進(jìn)線斷路器;第二步，在跳交流進(jìn)線斷路器斷開(kāi)期間，利用站間通信，對(duì)線路差流情況進(jìn)行分析，對(duì)直流故障線路進(jìn)行初步定位;第三步，當(dāng)故障線路位于1號(hào)換流站和2號(hào)換流站之間時(shí)，則直接跳開(kāi)直流斷路器，待故障電流衰減至臨界值以下之后，跳開(kāi)諧振斷路器和交流斷路器[2]。當(dāng)故障隔離完成后，則要立刻恢復(fù)未出現(xiàn)問(wèn)題的部分，以盡快恢復(fù)供電。快速重啟動(dòng)的步驟主要如下：一是健全系統(tǒng)中的容量較大換流站重合交流短路器;二是建立直流充電電壓;三是解鎖定直流電壓換流站;四是在此基礎(chǔ)上解鎖其他換流站，確保輸送功率盡量恢復(fù)到故障發(fā)生前的水平。以往的經(jīng)驗(yàn)表明，從故障判斷到系統(tǒng)重新啟動(dòng)，通常不超過(guò)0.6 s。

2.4? ? 短路保護(hù)判據(jù)

雖然多端柔性直流輸電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的輸電系統(tǒng)有著類(lèi)似的原理，但由于二者在結(jié)構(gòu)、傳輸容量和控制方式等方面均存在一定的區(qū)別，因此，在發(fā)生類(lèi)似故障時(shí)，不能隨意套用以往的經(jīng)驗(yàn)[3-4]，因?yàn)槎叩亩搪繁Ｗo(hù)判據(jù)有著較為明顯的區(qū)別。具體來(lái)看，對(duì)于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的短路保護(hù)判據(jù)，應(yīng)采用以下方式進(jìn)行分析：直流側(cè)采用并聯(lián)電容，使得其閥側(cè)直流電流與直流線路電流存在明顯差異。在多端柔性直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，其閥側(cè)直流電流與交流電流處于平衡狀態(tài)，而在出現(xiàn)短路故障時(shí)，逆變側(cè)的有源交流網(wǎng)絡(luò)功率會(huì)出現(xiàn)倒送，閥側(cè)直流電流將出現(xiàn)具有周期性的負(fù)值。一般來(lái)說(shuō)，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)的直流線路電流和交流電流之間的差值是恒定的，為此，該系統(tǒng)以交流側(cè)電流增大和直流線路電流減小這兩個(gè)數(shù)值作為保護(hù)判據(jù)。

2.5? ? 故障控制方法

該多端柔性直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用了一半的全橋子模塊，因此，其對(duì)極短路故障具備穿越能力。具體來(lái)看，該模塊中的全橋子模塊和半橋子模塊可等效為一個(gè)電壓源，每個(gè)橋臂由兩種等效電壓源串聯(lián)而成，正常運(yùn)行期間，換流器不需要輸出負(fù)電平。對(duì)此，在多端柔性直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障后，首先，根據(jù)直流側(cè)極對(duì)極短路故障穿越控制的基本思路，利用橋臂中全橋子模塊的負(fù)電平輸出能力，對(duì)上下橋臂所輸出的共模電壓進(jìn)行調(diào)整，直至電壓數(shù)值與直流側(cè)電壓匹配為止，由此即可實(shí)現(xiàn)故障電流的降低。對(duì)于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中另一半的半橋子模塊而言，則要在故障發(fā)生和換流器閉鎖后，斷開(kāi)交流側(cè)機(jī)械斷路器，以徹底消除故障電流，確保隔離直流側(cè)故障。在實(shí)際運(yùn)行中，換流器檢測(cè)到短路故障發(fā)生后即迅速進(jìn)入故障穿越模式，各個(gè)橋臂等效電壓源輸出電壓中的直流分量被調(diào)節(jié)為零，直流側(cè)故障電流得到控制并迅速減小。在故障穿越期間，換流器繼續(xù)保持可控運(yùn)行，有功功率和無(wú)功功率均保持恒定，確保交流側(cè)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)短路故障清除后，換流器進(jìn)入故障恢復(fù)狀態(tài)，在恢復(fù)期間，系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β蔬B續(xù)可控，逐漸恢復(fù)到額定輸出功率，無(wú)功功率則繼續(xù)保持額定值。在這一階段，全橋子模塊等效電壓逐漸減小，最終減小到輸出電壓幅值，半橋子模塊等效電壓逐漸恢復(fù)電壓輸出能力，最終二者均平穩(wěn)過(guò)渡到正常運(yùn)行狀態(tài)，完成故障恢復(fù)運(yùn)行。

該快速重啟動(dòng)過(guò)程共耗時(shí)0.679 s，在重啟動(dòng)后，2號(hào)換流站作為定直流電壓站平衡系統(tǒng)功率，3號(hào)換流站依舊為定功率運(yùn)行，并恢復(fù)至故障前輸送功率。因此，技術(shù)人員最終決定由2號(hào)換流站向3號(hào)換流站進(jìn)行有功功率的輸送。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

從目前來(lái)看，多端柔性直流輸電系統(tǒng)仍有很大的發(fā)展空間，但其常見(jiàn)的短路故障，仍是制約其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的重要問(wèn)題。因此，為降低短路故障的發(fā)生概率，需對(duì)現(xiàn)有電路做進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，以確保能有效隔離故障。同時(shí)，需要注意的是，隨著未來(lái)直流電網(wǎng)的逐漸出現(xiàn)，有必要對(duì)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性以及有功功率和無(wú)功功率的最大傳輸?shù)确矫孀鲞M(jìn)一步研究。

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收稿日期：2021-03-03

作者簡(jiǎn)介：候文佚（1993—），男，江西撫州人，碩士研究生，研究方向：柔性直流輸電。