柔直电网机械式高压直流断路...闸过电压问题分析及改进措施_李金卜.pdf

2023年第41卷第2期柔直电网机械式高压直流断路器分闸过电压问题分析及改进措施李金卜，刘宪辉，张晓飞，田凯哲，陈思宇（国网冀北电力有限公司超高压分公司，北京102488）0引言基于模块化多电平换流器（Modular MultilevelConverter，MMC）的柔性直流输电技术具有控制灵活、有功和无功功率独立控制、无需换相等特点，可应用于清洁能源并网、交流电网的异步互联、直流输配电网、孤岛供电等领域1-2，因此受到越来越多的关注。柔性直流电网是一个具有“网孔”的柔性直流输电系统，换流站之间有多条直流线路通过直流断路器连接，具有多种运行方式，满足N-1运行原则3。目前世界首个500 kV/3000 MW的四端柔性直流环形电网张北柔性直流电网已经成功投入运行。高压直流断路器作为柔性直流电网的核心设备，需具备毫秒级的开关能力，以保证直流电网的稳定运行4-8。张北柔性直流电网（以下简称张北柔直电网）采用了混合式、耦合负压式、机械式三种不同技术路线的500 kV直流断路器，目前对高压直流断路器的研究主要集中在分断特性、拓扑结构、供能系统、性能试验9-13，对直流断路器在现场的实际摘要：针对张北柔性直流电网机械式高压直流断路器在分闸过程中引起直流母线过电压保护动作事件，基于柔性直流电网的特点、机械式高压直流断路器工作原理、直流母线过压保护原理分析，发现在分闸过程中，机械式高压直流断路器转移支路电容电压叠加直流线路电压，导致直流母线过压。针对上述问题，通过调整机械式直流断路器转移支路电容充电回路中的整流二极管方向，改变了转移支路电容极性，解决了直流母线过压问题，并通过仿真验证了该措施的有效性，提高了柔性直流电网运行的可靠性。关键词：柔性直流电网；机械式高压直流断路器；过电压保护；转移支路文献标志码：B中图分类号：TM77文章编号：1008-6218（2023）02-0064-05doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0027内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERAnalysis and Improvement Measures for Overvoltage Problem of Mechanical HVDCCircuit Breaker in Flexible DC GridLI Jinbo,LIU Xianhui,ZHANG Xiaofei,TIAN Kaizhe,CHEN Siyu（State Grid Jibei Electric Power Co.,Ltd.EHV Power Transmission Company,Beijing102488,China）Abstract：Aiming at the DC bus overvoltage protection event caused by the mechanical highvoltage direct current(HVDC)circuit breaker of Zhangbei flexible DC grid during the opening process,the characteristics of the flexible DC grid areintroduced.The working principle of the mechanical HVDC circuit breaker and the DC bus overvoltage protection principleare analyzed.It is found that in the process of switching,the transfer branch capacitor voltage of mechanical HVDC circuitbreaker superimposes the DC line voltage,resulting in DC bus overvoltage.In response to the above issues,by adjustingthe direction of the rectifier diode in the transfer branch capacitor charging circuit of the mechanical DC circuit breaker,the polarity of the transfer branch capacitor is changed,and the problem of DC bus overvoltage caused by the mechanicalhigh voltage DC circuit breaker in the process of breaking is solved.The effectiveness of the measure is verified bysimulation,which improves the reliability of the flexible DC grid operation.Key words：flexible DC grid;mechanical HVDC circuit breaker;overvoltage protection;transfer branch642023年第41卷第2期李金卜，等：柔直电网机械式高压直流断路器分闸过电压问题分析及改进措施应用分析较少。由于500 kV机械式直流断路器首次应用于直流工程，缺乏现场实际运行数据，对其运行可靠性不得而知。因此，本文以张北柔直电网机械式断路器分闸过程中引起直流母线过电压保护动作事件为例，分析机械式直流断路器分断过程及造成直流母线过电压的原因，提出相应的整改措施，并通过仿真验证改进措施的有效性。1500 kV张北柔性直流电网结构张北柔直电网结构如图1所示，采用“直流断路器+架空线路”技术路线，4座换流站“手拉手”成网，真双极结构，包括正极层、金属回线层、负极层，其运行特点为：（1）毫秒级的时间内切除直流线路瞬时接地故障，并完成重合闸。（2）直流线路故障退出运行，极不闭锁，可以正常运行。（3）极闭锁，直流线路可继续正常运行。2500 kV机械式直流断路器结构及原理机械式直流断路器采用有源振荡、人工过零的开关原理，拓扑结构主要包括主支路、转移支路、缓冲支路、耗能支路四部分，如图2所示。主支路：由多断口快速断路器串联而成，用于导通与开断直流系统电流。转移支路：主要由储能电容 C1、振荡电感 L、IGCT（Integrated GateCommutated Thyristor，IGCT）阀组串联构成转移支路主回路，通过转移支路LC振荡，制造主支路电流过零。缓冲支路：主要由缓冲电容C2、限流电阻R2串联而成，主要用来限制断路器开关后的断口恢复电压上升率。耗能支路：由多组避雷器（MOV）串并联而成，用于抑制开关过电压和吸收线路及平抗存储能量。机械式直流断路器分断原理14-16如下：（1）断路器接收到保护动作命令，主支路快速断路器执行分闸命令。（2）转移支路触发导通，电感、电容开始振荡，转移支路振荡电流与主支路电流进行叠加，主支路产生电流过零点，主支路快速断路器熄弧，主支路电流开断。（3）线路对转移支路电容充电，避雷器两端建立断口过电压，避雷器动作，线路电流由转移支路转移至耗能支路。3分闸过电压故障分析3.1故障概况故障前，张北柔直电网负极端对端运行，直流运行电压-500 kV，输送功率0 MW，送端换流站处于孤岛控制模式，受端换流站处于定直流电压控制模式。故障时，送端换流站故障，闭锁本站换流阀、跳本站直流断路器。受端换流站极控制装置录波如图3所示，受端换流站接收站间协调控制优化指令闭锁本站换流阀、跳本站直流断路器。受端换流站站控制装置录波见图4，换流阀闭锁后，直流母线电压变为-420 kV，约60 ms后，分断机械式直流断路器，分断时刻直流母线过压，1 s后直流母线过压保护动作。直流母线过压保护定值为-600 kV，延时1 s，保护动作正确。图1张北直流电网Fig.1 Zhangbei flexible DC power grid康巴诺尔站中都站机械式直流断路器阜康站延庆站图2机械式直流断路器拓扑Fig.2 Topology of mechanical high voltage DCcircuit breaker+-+-缓冲支路耗能支路线路侧主支路母线侧IGCT阀组转移支路IGCT阀组机械开关MOVR3C3R2MOVR1C1LLR1C1机械开关652023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术3.2原因分析3.2.1直流母线分断机械式直流断路器时，换流阀已闭锁，因此负极直流母线电压没有换流阀子模块电容支撑，仅为负极直流母线对地电容（大小为nF级）。3.2.2直流线路机械式直流断路器所在线路全长205.1 km，存在对地电容（大小为F级），换流阀闭锁后，对地电压为420 kV。3.2.3机械式直流断路器机械式直流断路器与负极直流母线、直流线路构成的回路如图5所示。换流阀闭锁后，分闸工况为母线带电压无负载开断，此情况下机械式直流断路器分闸到有效开距时，其主支路已无电流，处于断开状态，此时触发转移支路IGCT阀组导通，转移支路电容、电感无法与主支路形成闭合的振荡回路，快速放电，导致转移支路储能电容电压250 kV，叠加直流线路对地电容电压，负极直流母线过压。3.3风险分析直流电网具有多种运行方式，张北柔直电网有56种基础运行方式，分断机械式直流断路器导致直流母线过压保护动作，将扩大停电范围。正常情况下，张北柔直电网四端全接线运行，当负极线路上发生瞬时故障，断路器重合闸成功，系统继续四端全接线运行。若机械式直流断路器在分闸过程中导致直流母线过压保护动作，则负极换流器闭锁，两条直流线路跳闸，再经运行方式优化后，张北直流电网处于四端正极运行方式，扩大停电范围，如图6所示。4改进措施改变机械式直流断路器转移支路电容的极性，使转移支路电容电压与直流线路对地电压相互抵消，而不是现在的叠加。对于正极直流母线，机械式直流断路器转移支路电容改为母线侧为负；对于负极直流母线，机械式直流断路器转移支路电容改为母线侧为正。通过仿真对比机械式直流断路器转移支路电容电压极性调整前后负极直流母线电压，仿真工况为零功率，因此可模拟单端换流阀处于空载加压状态下，换流阀闭锁，机械式直流断路器分断的工况，相关串联电抗器可忽略不计，仿真模型如图7所示，仿真参数如表1所示。图8为改进前仿真结果，在1 s时刻分断机械式直流断路器，直流母线出现过压，与实际故障相吻合。图9为改进后仿真结果，在1 s时刻分断机械式直流断路器后，直流母线未出现过电压。通过对比验证了改进方法的有效性。-300-400-500-60000.511.522.533.5t/s-400-600-800直流断路器分闸指令00.511.522.533.500.511.522.533.5阀闭锁时刻直流断路器分闸指令直流母线电压/kV直流线路电压/kV图4受端换流站站控制装置录波Fig.4 Recording of station control device in receiverconverter station图3受端换流站极控制装置录波Fig.3 Recording of pole control device in receiverconverter station系统跳闸指令阀闭锁协控优化指令闭锁指令跳闸指令优化指令图5机械式直流断路器等效回路Fig.5 Equivalent circuit of mechanical DC circuit breaker+-阀厅侧母线阀厅侧隔离开关机械式直流断路器线路侧隔离开关阀厅侧母线对地等效阻抗线路侧母线对地等效阻抗线路侧储能电容 阀均压电阻250 kV图6张北柔直电网四端正极运行Fig.6 Fourterminal posit