海洋輸電中柔性直流輸電系統線路保護技術研究

甘純 GAN Chun；張引賢 ZHANG Yin-xian；李劍波 LI Jian-bo；苗林 MIAO Lin

（國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，舟山 316000）

0 引言

在海洋環境之中，由于缺少遮擋物，因此風速較大，輸電線路容易受到環境因素的影響。當前的海洋電力生產主要是以海上風電場為主，一般來說在陸地上此類電力在生產之后，往往是采取110kV 以下的低壓電纜進行輸送，在海洋環境下相應的輸電活動則是采取110kV 以上的高壓電纜輸送，不過這種輸電方式的技術難度相對較大，且海洋環境中相應的線路需要建設于遠離陸地、人煙稀少的區域，經過長距離輸送之后接入電網，其中的不可預測因素較多，而數字化技術的應用，則可以在這些條件下對輸電線路的安全和穩定形成保障。

1 海洋環境下的電力輸送形式

1.1 海洋環境下的電力輸送形式概述

目前海洋輸電的方式主要包括2 種，即高壓交流輸電（HVAC）、高壓直流輸電（HVDC），同時在直流輸電的基礎上，相關的技術又可以分為基于晶閘管換流器（PCC）的直流輸電技術、基于電壓源變流器（VSC）的輕型直流輸電技術和混合HVDC 直流輸電技術幾種。海洋輸電方式和具體設施建設過程中，主要考量的因素是其是否能夠在海浪、強風、鹽霧、潮濕等環境中會安全穩定地運行，以及相應的輸電線路在建設成本及效能方面是否具有比較優勢。傳統的交流輸電模式在結構方面較為簡單，建設成本低，因此受到的關注也相對較大，但同時其在應用的時候會受到交流電纜充電電流的影響，所以輸電功率和輸電電流將會受到較大的限制[1]。針對這種現象，在交流輸電電纜的應用中，需要采取不同的HVAC 輸電模式來規避對應的電力傳輸問題，如針對距離相對較短、功率相對較小的情況，往往采取直接連接的方式，無需變壓器和高電壓輸電，而如果輸電功率較大，且輸電的距離較長的時候，則有必要采取變壓器和高壓輸電模式。當前我國的海洋交流輸電過程中，一般會采取配合靜止無功補償器的方式來完成輸電過程。與之相對，傳統的高壓直流輸電方式則可以比較好地適應大功率遠距離輸電、海底電纜和交流系統間異步連接等場景，同時輸電的損耗較低，可以控制有功和無功，海上發電廠也無需與電網同步。同時高壓直流輸電方式也可以對兩端網絡的故障進行隔離，解耦連接的電網。不過這種輸電方式也存在一些不足，如在進行設施建設的時候需要配備輔助設備供應換向電流、輸送距離短以及輸送功率小的情況下成本較高、換電站的晶閘管閥會產生諧波等。

1.2 柔性直流輸電技術

常規的直流輸電過程中，是以晶閘管技術來實現整流器和逆變器，晶閘管是半控期間在運行過程中只能開通而無法進行關斷，晶閘管換流器在運行中必須依靠相應電網電壓來實現換相過程，這種現象也被稱為電網換相換流器。從以往的實踐之中已經可以了解到，常見的直流輸電技術在應用的時候可以較為有效地減少電力的損耗，且針對遠距離輸電的情況，其整體的造價也相對較低。盡管其存在這些優勢，然而由于在正常功能發揮的時候，晶閘管等器件無法有效關斷的情況下，仍然會導致其得閥電流減小到換流閥的維持電流之下，讓其難以適用于向弱交流系統，以及其他一些無源負荷的供電，同時因為常規直流輸電系統需要依靠受端電網電壓來進行換相，所以也必然存在著較高地換相失敗的風險，有可能導致電力輸送的中斷。在以往的基礎上，形成了以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為基礎的電壓源型柔性直流輸電技術（VSCHVDC），電壓源型柔性直流輸電技術是采取絕緣柵雙極型晶體管來進行直流輸電系統構建的方法，通過以絕緣柵雙極型晶體管構成電壓源換流器進行直流輸電，該過程中相應的電壓源換流器能夠視為幅值和相位都可實現有效控制的電壓源，在此基礎上即可比較靈活地對相關線路的有功功率和無功功率進行控制。而兩個電壓源換流器的直流側通過直流線路連接在一起的時候，即形成了直流輸電系統，可以保證在兩個交流系統之間進行功率的有效傳輸[2]。不過這種技術在應用中，也存在IGBT 器件短時電器耐受能力較差、故障穿越和切除困難的問題。而模塊化電平換流器（MMC）技術的形成，則解決了這些情況，其不僅可以有效應對直流輸電中換電失敗的問題，還可以作為受端系統的無功電源，形成電壓支撐作用，比較適宜參與海洋輸電。MMC-HVDC 系統在結構方面，主要由整流站、逆變站、直流輸電線路三個部分組成（如圖1 所示）。

圖1 MMC-HVDC 系統結構

柔性直流輸電系統在海洋輸電領域之中的應用，主要具有如下優勢：①采取絕緣柵雙極型晶體管的電壓源換流器為全控器件，在作用過程中可以有效控制線路中的電流關斷，而無需針對其施加對應的換相電壓，可以充分克服既往直流輸電線路受端必須為有源網絡的缺陷，同時也可以確保向弱交流系統以及無源負荷進行電源的提供；②這種直流輸電線路也能夠避免以往直流輸電過程中常見的換相失敗問題，確保功率傳輸的持續性；③在應用過程中，柔性直流輸電系統也可以較大程度地減少諧波，從而顯著降低線路的濾波需求，多數情況下無需進行濾波器的安裝[3]。

2 柔直流輸電的常見故障及保護技術

2.1 柔直流輸電的常見故障

柔性直流輸電技術可以比較有效地滿足海洋輸電的各類需求，因此成為海洋發電傳輸和并網的重要手段。但相應的系統在運行過程中仍然有可能出現各類問題，所以需要針對相應的問題采取合理的保護措施。海洋輸電中，柔直流輸電功率半導體器件承受過流能力方面遠遠弱于傳統的交流輸電系統，這種特征導致柔直流系統在出現短路故障的時候將產生更為嚴重的安全問題[4]。以常見的三段式距離保護為例，距離保護Ⅱ段可以保全線路全長，其動作時間大于0.5s，遠遠大于柔直保護的動作時間，正是因為這一特征的存在，所以三段式距離保護和過流保護無法在柔直流系統中應用。在故障類型方面，從既往對柔直流輸電線路的應用經驗中可以了解到單極接地故障、雙極接地故障、斷線故障等故障類型，是柔直流輸電網絡比較常見的故障類型，相關故障闡述如下：

①單極接地故障。該故障所指的是在直流系統之中，僅在一極導線與地之間出現的接地故障現象，在海洋輸電所采用的MMC-HVDC 系統之中，此故障的特點表現為MMC 子模塊電容經故障點與避雷器形成回路，模塊電容經故障點與交流側接地電阻形成回路。MMC-HVDC 系統的直流側出現故障之后，在相應換流器鎖閉前的時間中，會出現電流增加的現象，不過因為存在鉗位大電阻對其進行限制，因此電流增加的幅度有限。而在控制器的影響下，交流側的電流則會持續升高，其并聯側的電流幅值也將在這一作用之下增大。故障之后，相關系統的正極電壓瞬時會降低為0，而負極的電壓則會上升到正常狀態下的2倍，極間電壓將保持不變，有功功率整體的變化不明顯，因而處于這一狀態的時候，柔直流系統仍然能夠正常地進行功率傳輸。有鑒于此，在相應故障發生之后，換流器無需進行迅速閉鎖，只需要對相應的交直流保護整定值進行適當調整，確保其能夠與直流側系統進行有效配合即可[5]。但如果單極接地故障為永久性故障，則必然導致負荷超過線路的耐壓承受，造成嚴重的事故，因此需要積極進行排除。

②雙極接地故障。通常情況下，在柔直流輸電系統之中雙極短路故障的發生可能性低于單極接地故障，但因為這一類故障放電回路的特殊性，因此對于海洋輸電系統破壞性更強。實際上，當此類故障發生之后，MMC 內各相電路都存在著放電回路，會導致相應的電容電壓跌落為0，故障電流達到最高，進而嚴重影響到系統之中各個組成部分的安全性和穩定性。此外，隨著母線電壓跌落到0，將造成輸電系統的功率傳輸過程停止。相應故障發生之后，故障電流主要可以分為兩個部分，首先是MMC 子模塊電容經過換流器橋臂向故障點放電，造成故障電流在短時間內增大，其次則是換流器鎖閉之后，交流側的三相短路電流經過換流器向故障點放電，這一故障電流相對較小。由于雙極接地故障導致的后果嚴重程度較高，因此相關單位在海洋輸電過程中應當重點對其進行應對和保護。

③斷線故障。斷線故障的發生可能性相對較低，不過在海洋輸電環境之中，由于各類海浪、大風等因素的影響，這一故障仍然是有可能發生的。在出現單極斷線故障之后，線路首端功率立即停止輸送，造成功率瞬間不平衡，使得送端換流器的直流母線出現較為明顯的過電壓現象。當相關情況發生后，具體的情況將根據換流器的工作情況而出現一定的差異。如果為整流模式，則會造成母線電壓的震蕩[6]。如果是處于你變模式，則會導致受端MMC 子模塊電容向受端系統放電，造成電壓的降低。

2.2 柔直流輸電的保護技術

在海洋輸電活動中，對柔直流輸電線路進行保護可以促進電力輸送過程的穩定和安全。在實施相應保護工作的時候，可以采取基于非同步故障電流最大值的雙端保護方案，相關方案實施的方法如下：

①故障定位。在相應的系統檢測出柔直流的故障之后，MMC 將進入閉鎖狀態，直流斷路器也將斷開，故障后由于相應線路中的電容完全放電，故障電流將會達到最大值，因此在故障定位的過程中，相關人員可以通過對不同MMC 之間的故障電流最大值以及電壓值進行測量，來實現定位目的[7]。進行測量的時候MMC 所投入的子模塊數量，將會對電容電壓值以及故障電流的最大值形成影響，從而導致測量精度的降低，有鑒于此，可以通過一次僅投入一個子模塊的方法，防止MMC 之間的反向充電問題出現。在完成對應子模塊的檢測之后，再進行下一個子模塊的投入，直到將其完全進行檢測（如圖2 所示）。

圖2 雙端非同步測距步驟

②測距方法。在故障定位步驟的基礎上，應用相關故障的特性來進行測距即能夠實現對故障的準確定位，從而有效地保護海洋柔直流輸電線路。首先，在面對單極接地故障的時候，對應系統之中的正極電壓將會瞬時為0，而負極的電壓則會顯著上升，極間電壓則會保持不變。故障之后，兩端MMC 等效電路見圖3。

圖3 MMC 等效電路

當相應的開關閉合之后，即形成經典RLC 回路，可得到其零狀態輸入相應的二階電路[8]。在此基礎上可以針對相應線路之中的故障電流曲線對電感電壓、電容瞬間電流、MMC 電容瞬間電壓等特征進行觀察，實際上，當MMC端電容瞬間電壓達到巔峰的情況下，相應線路的電容瞬間電流也將處于巔峰狀態，隨著時間變化，當MMC 電容瞬間電壓逐漸降低的時候，電容瞬間電壓也將逐步降低，而電感瞬間電壓則會逐步上升。因此在故障發生之后，數據中心可以根據MMC 的故障電流最大值以及電壓值實現對故障距離的測量。

其次，在雙極短路故障現象發生之后，對故障進行定位的方法則與單極接地故障有所類似，同時也存在一定的差異。主要的差異在于雙極接地故障的回路為欠阻尼狀態，從而造成其故障回路的等效值有所不同。其故障具體距離，可以通過兩個MMC 測得的電壓值、電流最大值來進行計算。

3 結語

綜上所述，在當前的電力生產之中，電力輸送是影響電力利用的關鍵因素，隨著海洋發電整體格局的形成，在海洋環境中進行電力輸送已經成為人們廣泛關注的問題。柔性直流輸電系統由于其所具有的優勢，在海洋輸電領域扮演著關鍵性的角色，而如何在海洋環境之中進行柔性直流輸電系統的保護，是當前的重點和難點。本文對柔性直流輸電的特征、常見的故障問題以及發生故障之后進行故障定位的方法進行了探討，在后續的工作之中相關單位需要進一步研究柔直流輸電的保護策略，促進海洋輸電系統的穩定。