厦门柔直工程交流故障穿越失败事件分析及改进措施_陈明泉.pdf

第 24 卷 第 2 期 2023 年 2 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.2Feb.2023 厦门柔直工程交流故障穿越失败事件分析及改进措施 陈明泉1,2 林国栋2 晁武杰2 严昌华1,2 肖世挺1（1.福建中试所电力调整试验有限责任公司，福州 350007；2.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）摘要 针对320kV 厦门柔性直流输电工程中一起区外故障引起换流站交流故障穿越失败的事件进行分析。首先简要介绍厦门柔直工程接线方式及配置，然后详细阐述交流故障穿越失败事件的经过及现象，分析并指出事件原因。结合厦门柔直提升改造工程，提出针对阀控系统和极控制保护系统的优化方案，并通过各种运行工况下的仿真试验，验证了方案的可行性，以期为同类工程的改造提升提供参考。关键词：柔性直流；故障穿越；阀控系统；极控制保护系统；桥臂过电流保护 Analysis and improvement for AC fault ride-through failure event in Xiamen flexible HVDC transmission project CHEN Mingquan1,2 LIN Guodong2 CHAO Wujie2 YAN Changhua1,2 XIAO Shiting1(1.Fujian Zhongshisuo Electric Power Testing&Commissiong Co.,Ltd,Fuzhou 350007;2.State Grid Fujian Electric Power Research Institute,Fuzhou 350007)Abstract This paper analyzes the AC fault ride-through failure event of converter station caused by an external fault in Xiamen 320kV flexible HVDC transmission project.The connection mode and configurations of the project are introduced,the process and phenomenon of the event are described,and the causes of the event are analyzed and pointed out in this paper.In combination with the Xiamen flexible HVDC transmission improvement project,the optimization scheme for the valve control system,the pole control system and the pole protection system is proposed.Through the simulation under various operating conditions,the feasibility of the scheme is verified,and the experience can be used as reference for similar improvement projects.Keywords：flexible DC;fault ride-through;valve base controller(VBC);pole control and pro-tection(PCP)system;arm overcurrent protection 0 引言 厦门柔性直流输电科技示范工程首次采用对称双极接线方案1-5，电压等级320kV，直流电流1 600A，输送容量 1 000MW。相比于其他接线方式，对称双极接线方式供电可靠性更高。正常运行工况下，工程为双极金属回线方式运行6，两极功率平衡，金属回线无工作电流。若发生单极故障，故障极停运，双极金属回线方式转为单极金属回线方式运行，故障极负荷可转移至另一极7，换流站仍能输送 50%的额定容量，避免了负荷全部失去对电网造成剧烈冲击。厦门工程一次系统采用中电普瑞公司生产的模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）8-11作为换流核心设备，二次系统核心设备由南瑞继保公司生产的极控制保护系统（pole control and protection,PCP）和中电普瑞公司生产的阀控系统（valve base controller,VBC）组成。工程一次主接线简化示意图如图 1 所示。近年来，各类型柔性直流输电系统的交流故障穿越理论分析已成为国内外学者的研究热点。文献 国家电网公司总部科技项目“柔性直流工程关键运行特性提升方案及应用”（52130422001A）72 电 气 技 术 第 24 卷 第 2 期 图 1 厦门柔直工程一次主接线简化示意图 12提出整流站在交流故障穿越期间不使能环流抑制功能策略，以减小桥臂有功电流和无功电流峰值，降低交流故障恢复时刻桥臂的冲击电流，提高故障穿越的成功概率；文献13提出受端交流故障穿越期间的交流电流限幅控制、直流电压前馈控制、直流电流控制及换流站暂时性闭锁的稳流控制策略；文献14提出不对称工况下的交流侧电流控制和环流抑制的优化控制策略。其一采用在交流侧利用基于双二阶广义积分器锁相环精确提取电压电流的正负序分量，配合双矢量控制器抑制负序电流，实现交流侧三相电流平衡；其二在 MMC 内部采用由 PI控制器和重复控制器串联组成的嵌入式重复控制器抑制环流中的二倍频正负零序分量，实现直流侧功率的恒定传输等。不过鲜有文献能够结合已投运工程发生的交流故障穿越失败事件，通过分析事件现象和原因，对工程提出针对性的升级改进策略及具体工程应用方案。本文基于厦门工程的交流故障穿越失败事件，详细分析故障穿越失败的现象和原因，针对性地提出升级方案，结合厦门柔性直流可靠性提升工程进行应用实施，并在仿真平台中进行各种运行工况的仿真试验，以验证方案的可行性。1 厦门工程交流故障穿越失败案例分析 1.1 交流故障穿越失败事件经过 某日 11:30，厦门柔直浦园换流站极VBC 的桥臂过电流保护动作闭锁换流阀并向 PCP 发送请求跳闸信号（VBC_TRIP），PCP 出口跳开网侧断路器及联跳对站。跳闸前浦园站双极带金属回线方式运行，潮流方向为浦园送鹭岛，极有功功率 100MW，极有功功率 100MW，双极无功功率 0Mvar。跳闸后，极有功功率自动转移至极，事故未造成电网负荷损失。经检查确认，换流站极跳闸时刻，浦园换流站网侧 220kV 彭厝变电站内 220kV 彭翔路发生 B 相瞬时金属性接地故障，B 相电压幅值几乎跌落至 0kV，故障时间持续约 50ms。故障持续期间，浦园站由于网侧 B 相电压大幅跌落，引起极换流阀 C 相下桥臂电流峰值超过 VBC 桥臂过电流保护设定值，VBC 桥臂过电流保护正确动作。1.2 交流故障穿越控制原理及穿越失败原因分析 1）交流故障穿越控制原理 在交流系统发生短路故障时，换流器网侧电压ugrid迅速降低，若换流器无相应的故障穿越策略，其阀侧输出电压 ucon不能响应系统电压变化，交流系统电压与换流阀输出电压之差，将通过变压器漏抗、桥臂电抗 ZT，产生较大的过电流 ic，迅速导致换流阀闭锁，无法实现故障穿越。故障时换流器输出电压示意图如图 2 所示，交流故障时等效电路示意图如图 3 所示。图 2 故障时换流器输出电压示意图 图 3 交流故障时等效电路示意图 为实现故障期间的穿越，换流器需要采用相应的控制策略，即通过调节输出电压，使其快速跟踪系统电压，从而实现抑制电流的目的。同时，极控制系统应能有效抑制故障期间的过电流，在故障起始和恢复过程具有较强的鲁棒性。同时，阀控保护系统和极保护系统跳闸定值应在设备应力范围内趋于上限值并预留合适的裕度，以配合实现交流故障穿越。另外，单相接地时换流变对零序分量隔离示意图如图 4 所示，在发生单相接地故障时，由于换流变压器能够隔离零序分量，阀侧电压的变化量小于网侧电压突变量，对换流阀输出电压跟踪速度要求小于其他类型故障，即相同工况运行方式下，三相短路故障比单相接地故障更能验证工程的故障穿越能力。2）交流故障穿越失败原因分析 根据图 5、图 6 所示的极、极PCP 交流故障穿越波形可知，在换流站网侧发生 B 相接地故障 2023 年 2 月 陈明泉等 厦门柔直工程交流故障穿越失败事件分析及改进措施 73 图 4 单相接地时换流变对零序分量隔离示意图 引起系统 B 相电压跌落时，因浦园换流站为定功率站方式运行，极、极PCP 为了维持有功功率输送而进行相应控制。从 B 相接地故障发生到故障切除的持续时间约为 50ms，故障期间经历了两个阶段的变化：第一阶段，故障发生时刻有功功率快速跌落后被控制强制拉回到原功率指令值 100MW，桥臂电流在扰动后快速收敛至 500A 以下，网侧交流电流未出现大幅波动；第二阶段，故障电压恢复前约5ms，极、极的桥臂和网侧电流均发生了较大扰动（经分析为交流站切除故障时引起系统扰动），特别是极的桥臂 B、C 相电流瞬时值突变到2 361A，超过 VBC 桥臂过电流保护设定值 2 250A，延时 375s（经 3 个采样周期判断，确保保护可靠正确动作），极VBC 保护动作闭锁换流器并向 PCP发送请求跳闸命令。图 5 极PCP 交流故障穿越波形 通过查阅阀基监视系统后台的事件记录和波形得知，在故障过程中，VBC 发出请求跳闸命令前，VBC 下发至子模块的控制命令完全按照 PCP 下发的调制参考波执行。VBC 交流故障穿越波形如图 7所示，阀进线三相电压 UV与对应的参考波 Uref波形 图 6 极PCP 交流故障穿越波形 图 7 VBC 交流故障穿越波形 吻合。当 VBC 检测到桥臂电流超过过电流保护定值时，VBC 直接闭锁换流阀并向 PCP 发送请求跳闸命令。上述分析结果表明：浦园换流站网侧交流彭厝站 220kV 彭翔路出线发生 B 相接地故障，引起浦园换流站极桥臂过电流，VBC 桥臂过电流保护动作正确。因此，为了提升厦门工程的交流故障穿越74 电 气 技 术 第 24 卷 第 2 期 能力需从以下几方面进行优化：在保证换流阀本体设备安全前提下，适当提高阀控桥臂过电流保护定值；优化交流故障穿越特性，增加桥臂暂时闭锁功能限制故障电流幅值；降低正常运行时桥臂电流的有效值和峰值，从而提高换流阀的电流安全裕度等。2 厦门工程交流故障穿越优化方案 2.1 阀控系统的优化方案 阀控系统桥臂过电流保护为换流阀主保护15，目的是在系统发生短路故障时，流经换流阀的电流超过定值后，及时保护换流阀本体设备安全，保护范围仅为换流阀本体。厦门工程使用的 IGBT 最大可关断电流约为 3 000A，耐受时间约为 1ms。阀控系统桥臂过电流保护时限如图 8 所示，考虑采样误差、故障判断时间 T1（采样延时、阀控保护链路延时）、保护动作延时 T2及故障时过电流较高的电流最大上升率 di/dt 等因素，并留一定裕度，设定桥臂过电流保护定值为 2 250A，以保证保护动作后 IGBT关断时桥臂电流不大于 3 000A。图 8 阀控系统桥臂过电流保护时限 因此，为提高阀控桥臂过电流保护定值，可通过压缩故障判断时间（链路延时）和保护动作延时的方式来实现。原厦门工程的全链路延时约为1 080s（测量装置 160s，阀控系统 920s），其中阀控部分的链路延时 920s 严重制约了整个链路的延时，参考渝鄂工程的链路延时 250s16，可优化的空间很大。厦门工程桥臂电流原测量装置的链路延时约为160s，同类型测量装置新一代产品延时仅为 125s。经分析，其区别主要在于测量装置分流器本体。