吳俊，方芳，趙曉明

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

柔性直流輸電舟洋換流站無源HVDC啟動試驗中典型故障分析

吳俊，方芳，趙曉明

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

介紹了舟山多端柔性直流輸電工程舟洋換流站無源HVDC啟動時的兩起典型故障，分別為無源HVDC方式下直流控制保護系統(tǒng)手動切換試驗失敗、模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗失敗。對故障原因進行了深入分析，并提出了解決方案。解決方案經試驗驗證有效，可作為后續(xù)柔性直流輸電工程控制保護系統(tǒng)設計的參考。

柔性直流輸電；啟動試驗；典型故障；無源HVDC；冗余切換

舟山多端柔性直流輸電工程是目前為止世界上第1個5端柔性直流輸電工程。工程于2012年投資建設，2014年7月投入運行。舟山多端柔性直流輸電示范工程由舟定、舟岱、舟衢、舟泗和舟洋換流站5個直流換流站和多段直流電纜構成。工程在系統(tǒng)試驗期間，舟洋換流站110 kV交流進線尚不具備供電條件，采取無源HVDC（高壓直流輸電）啟動方式，充分發(fā)揮了柔性直流輸電向遠距離無源網絡供電的技術優(yōu)勢[1-6]。舟洋換流站主接線如圖1所示。

舟洋換流站控制保護系統(tǒng)主要由直流控制保護PCPA/B系統(tǒng)、換流閥控制保護VBCA/B系統(tǒng)組成，正常運行時A與B系統(tǒng)一套為運行系統(tǒng)，一套為備用系統(tǒng)，當運行系統(tǒng)故障時自動切換至備用系統(tǒng)。無源HVDC啟動期間，交流側采用定電壓控制模式，直流側采用定功率控制模式。

在整個啟動試驗期間，直流控制保護系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)等出現了多次故障和缺陷。以下就一些典型缺陷進行分析，對直流控制保護系統(tǒng)在無源HVDC工作方式下的一些控制和冗余切換策略提出了建議。

1 直流控制保護系統(tǒng)手動切換試驗失敗原因分析

1.1 故障現象

控制系統(tǒng)手動切換試驗主要目的，是驗證運行系統(tǒng)與備用系統(tǒng)之間的手動切換功能是否正常，切換前后系統(tǒng)是否能平穩(wěn)運行。

手動切換試驗前，直流控制保護系統(tǒng)PCPA為運行狀態(tài)，PCPB為備用狀態(tài)。在將直流控制保護系統(tǒng)由PCPA運行切換至PCPB運行的手動切換試驗中，發(fā)現切換過程中系統(tǒng)有較大擾動，換流變閥側出現了較大電流，其中B相電流峰值達到了330 A，控制系統(tǒng)未能平穩(wěn)切換，試驗失敗。從錄波波形中可以看出，電流波形包含有很大成分的非周期分量，電流偏于時間軸的一側；包含有大量的高次諧波分量，并以二次諧波為主；波形之間出現間斷，符合勵磁涌流的特點，波形如圖2所示。

圖2 手動切換時出現擾動的波形

1.2 原因分析

在有源HVDC運行方式下，運行直流控制保護系統(tǒng)與備用系統(tǒng)都跟蹤換流變閥側電壓，并以此為基準生成調制波發(fā)送給閥控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)再根據調制波和控制目標將交流電壓整流為直流電壓。理論上2套系統(tǒng)的調制波是相同的，直流控制保護系統(tǒng)切換時可以保證系統(tǒng)平滑切換無擾動。而在無源HVDC運行方式下，直流控制保護系統(tǒng)的調制波是系統(tǒng)根據控制目標內部計算產生的，閥側電壓由閥控系統(tǒng)根據調制波控制換流閥逆變產生。

運行直流控制保護系統(tǒng)和備用直流控制保護系統(tǒng)各自獨立計算，由于內部晶振頻率的差異，2套控制系統(tǒng)的調制波經過一段時間后相位會不一致。而調制波相位不一致會導致控制系統(tǒng)切換時換流變閥側電壓相位發(fā)生突變，造成主變出現勵磁涌流。切換時2套控制系統(tǒng)調制波見圖3。

圖3 手動切換失敗時PCPA與PCPB調制波

1.3 解決方案

從以上分析得知，故障原因在于系統(tǒng)切換時主備控制系統(tǒng)各自獨立計算的調制波相位不一致。解決方法為：修改無源HVDC方式下，非運行控制系統(tǒng)調制波獲取方式，使其能跟蹤運行控制系統(tǒng)調制波。

在本工程中采用備用控制系統(tǒng)跟蹤閥側電壓產生調制波的方式，同時考慮到換流閥逆變及控制系統(tǒng)切換所需的時間，適當調整備用控制系統(tǒng)調制波相角，保證切換后主變閥側電壓無突變。在舟洋換流站啟動試驗中，經過程序修改和參數調整，最終實現直流控制保護系統(tǒng)手動切換過程中系統(tǒng)基本無擾動，最大相電流約為6 A，切換正常時閥側電壓及電流如圖4所示。

2 模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗失敗分析

2.1 故障現象

圖4 控制系統(tǒng)手動切換試驗成功波形

模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗的主要目的，是檢驗在運行閥控系統(tǒng)發(fā)生故障時能否平穩(wěn)地切換到備用系統(tǒng)，同時檢驗直流控制系統(tǒng)自監(jiān)視功能和事件記錄功能是否正常。

在模擬運行閥控系統(tǒng)故障前，閥控及直流控制保護系統(tǒng)均正常工作，A套運行，B套備用；拉開閥控A相下橋臂控制器A機箱電源，模擬閥控VBCA故障請求切換，PCPA與VBCA退出運行，降為服務狀態(tài)，PCPB與VBCB升級為運行系統(tǒng)；2min后恢復A相下橋臂控制器A機箱電源，VBCA與PCPA恢復備用；手動切換PCPA為運行，PCPB自動降為備用；運行約1min后換流變閥側突然出現較大電流，閥控橋臂過流保護動作跳閘。

2.2 缺陷分析

基于MMC（模塊化多電平換流器）型的VSC（電壓源換流器）電路結構[7]如圖5所示。圖中Us為電網側相電壓；Uc為VSC換流器交流側相電壓；I為流經電抗器的相電流；Rx，Lx為交流側變壓器等效阻抗與換流器系統(tǒng)等效阻抗和；usa，usb，usc分別為三相交流系統(tǒng)三相電壓瞬時值；uca，ucb，ucc分別為換流器交流輸出端相電壓瞬時值；ia，ib，ic分別為交流側三相線電流瞬時值；Idc為直流側從換流器流出的電流；I為從換流器流入到直流輸電線路的電流。交流側三相動態(tài)微分方程寫成向量形式為：

圖5 VSC換流器電路結構

式（1）是在三相靜止坐標系下的系統(tǒng)模型，其電壓和電流都是正弦形式的交流量，不利于控制器設計。為了得到易于控制的直流量，常用方法是對式（1）施加dq坐標變換（Park變換），可以將三相靜止坐標系下的交流量變換到兩相旋轉坐標系下的直流量[8]。在三相對稱系統(tǒng)中，沒有零序分量，由式（1）可得[8]：

式中：usd，usq分別為電網側d軸、q軸電壓；ucd，ucq分別為VSC換流器閥側d軸、q軸電壓。

MMC無源供電控制器設計有2個基本要求[9]：

（1）穩(wěn)態(tài)情況下MMC能夠提供波形穩(wěn)定的交流電壓。

（2）交流故障情況下MMC能夠控制故障電流。

無源供電控制模式下，MMC網側交流電壓的頻率和相位可由參考相位直接控制，其網側交流電壓幅值Us可通過設定usdref直接控制，從而實現了MMC交流側電壓頻率、相位和幅值的獨立控制。正常運行時無源HVDC運行狀態(tài)采用交流側定電壓控制方式，設置電網側電壓d軸分量為1（標幺值），q軸分量為零即可以實現交流側額定電壓運行的目標。

在本次故障中，A相下橋臂控制器A機箱斷電后VBCA上送的該橋臂的電壓和為0，該條件會復歸1個RS觸發(fā)器，導致PCPA由運行狀態(tài)變?yōu)殚]鎖狀態(tài)，由本文第1部分可知，此時非運行系統(tǒng)PCPA的調制波不再自產，而是跟蹤外接閥側電壓；當A相下橋臂機箱電源恢復正常工作后，PCPA由閉鎖狀態(tài)升級為備用狀態(tài)，繼續(xù)跟蹤閥側電壓產生調制波。而當手動將PCPA切換為運行系統(tǒng)時，PCPA從備用系統(tǒng)升級為運行系統(tǒng)，其調制波需從跟蹤外接閥側電壓切換為系統(tǒng)自產，切換邏輯為運行控制系統(tǒng)（PCPA）檢測閥側電壓的d與q分量，在q分量為零時將調制波由跟蹤閥側電壓產生改為內部計算產生。

由無源HVDC控制原理可知，此種切換邏輯有一問題，即未判斷切換時d軸分量，當q分量為零時，d軸分量可能等于1也可能等于-1，如果是前者切換能平穩(wěn)實現，如本試驗中第1次由閥控故障請求的切換過程成功（PCPA切換為PCPB）以及本文第1部分的控制系統(tǒng)手動切換試驗成功即對應于該情況；如果是后者則會導致調制波出現180°翻轉，造成主變閥側電壓突變，產生較大勵磁涌流，引起閥控過流保護動作。保護動作時刻調制波波形與閥側電壓突變波形如圖6所示。

圖6 調制波電壓突變波形

2.3 解決方法

從以上分析得知，在閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗完成，正常運行約1min后突然出現故障的原因在于備用系統(tǒng)切換為運行系統(tǒng)后，調制波獲取方式切換的判據不充分，導致閥側電壓突變，解決方法為,修改該判據為：當外接閥側電壓的直軸分量約等于1并且交軸分量約等于0時，將調制波由跟蹤閥側電壓產生切換為內部計算產生。修改程序后，經過多次模擬閥控系統(tǒng)故障冗余切換試驗，切換均成功。

3 結語

柔性直流輸電直流控制保護系統(tǒng)在無源HVDC運行方式下，備用控制系統(tǒng)調制波需跟蹤運行控制系統(tǒng)調制波，否則可能導致主備系統(tǒng)調制波不同步，切換過程出現較大擾動。在本工程中采用備用控制系統(tǒng)跟蹤閥側電壓產生調制波的方案實現運行、備用控制系統(tǒng)調制波的同步。當備用系統(tǒng)切換為運行系統(tǒng)后，繼續(xù)跟蹤閥側電壓產生調制波會導致控制系統(tǒng)控制量與目標量重合，系統(tǒng)不能長期穩(wěn)定運行，需要盡快將運行系統(tǒng)調制波由跟蹤閥側電壓產生切換為內部計算產生。采用兩相旋轉坐標系直流量進行控制時需要考慮切換時的判據，當外接閥側電壓的直軸分量約等于1并且交軸分量約等于0的時候才將調制波由跟蹤閥側電壓產生切換為內部計算產生，以保證調制波在切換前后無相位幅值突變，切換過程平穩(wěn)過渡。

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（本文編輯：楊勇）

Analysis on Typical Faults in Passive HVDC Startup Tests in Zhouyang VSCHVDC Converter Station

WU Jun，FANG Fang，ZHAO Xiaoming
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Two typical faults occurred during the passive HVDC（high-voltage direct current）startup tests in Zhouyang VSC-HVDC（voltage source converter based high-voltage direct current）converter station are described in this paper.One is the failure ofmanual DC control and protection system switching and the other is redundancy switch test due to failure of simulated valve control system.The fault courses are deeply analyzed and the solutions are proposed.The solutions are validated and can be the reference of control and protection system design of follow-up VSC-HVDC projects.

VSC-HVDC;startup test;typical faults;passive HVDC;redundancy switch

TM721

B

1007-1881（2016）01-0006-04

2015-06-09

吳?。?980），男，高級工程師，現從事繼電保護工作。