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)和相應的隔離邏輯與重啟動邏輯,運用直流側(cè)極對極短路故障的穿越控制方法,實現(xiàn)了故障隔離和系統(tǒng)恢復運行,有效解決了短路故障問題,可為今后類似工作的開展提供參考和借鑒。
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),近年來得到了廣泛的發(fā)展與應用,當前已有多個多端柔性直流輸電工程投入運營,且正朝著直流電網(wǎng)的方向發(fā)展。但從目前來看,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,需要對其短路故障問題進行進一步的研究和分析。
1? ? 短路故障具體經(jīng)過
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東部沿海地區(qū),由5個換流站構(gòu)成,交流側(cè)分別接入220 kV或110 kV變電站,而直流側(cè)則采用樹狀接線的方式,并以2號換流站為中心樞紐站。同時,為確保各換流站的故障能夠有效隔離,各個換流站在換流閥橋臂處均配置了阻尼模塊。此外,還在1號換流站的直流出線正負極各配置了一個直流斷路器。
1.2? ? 故障前運行狀態(tài)
在短路故障發(fā)生前,該系統(tǒng)的1~3號換流站采用三端聯(lián)網(wǎng)的方式運行,其中,1號換流站采用恒定直流電壓控制,2號和3號換流站則采用定功率控制。
1.3? ? 故障過程
故障發(fā)生時,1號和2號換流站首當其沖,換流站1側(cè)和2側(cè)的電流值出現(xiàn)明顯的差異,導致直流電流不平衡,隨即自動啟動直流電壓不平衡保護Ⅰ段并跳閘,與此同時,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號換流站的故障類型與前兩者均相同,從時間上來看,則較前者的發(fā)生時間均推遲1 ms。
2? ? 故障分析與恢復
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號換流站,相關(guān)數(shù)據(jù)表明,3個換流站的波形均相似,因此,在分析時以1號換流站的波形為例即可。1號換流站波形圖如圖1所示。當短路故障發(fā)生時,1號換流站的正極電壓在2 ms內(nèi)即下降到0 kV,而負極電壓也相應降至-380 kV,與此同時,正負極電流和接地極電流迅速上升,交流電壓發(fā)生負向偏置。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,仍需進一步判斷。
為判斷故障線路,首先應對所有線路的正極電流變化情況進行分析,以故障前時刻差流為0作為參考,分析故障后線路電流的差值。差值計算結(jié)果如表1所示,在1號和2號換流站之間的線路上出現(xiàn)了高達1 520 A的差流值。因此,能夠確定是1號和2號換流站之間的線路發(fā)生了正極接地短路,其故障類型則屬于單極接地故障。
2.2? ? 故障特征分析及識別判據(jù)
采用故障發(fā)生后t0—tn時間內(nèi)電抗器電壓積分量來構(gòu)建單極接地故障的識別判據(jù)公式,該公式如下:
式中:t0為檢測到故障發(fā)生的時刻;t0—tn為積分時間窗,針對本次故障,則取一較短時間,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分別為正負極線路ESV積分量;Q為固定門檻值。
當滿足該判據(jù)中②的條件,且SP和SN極性相反時,則可判定目標線路出現(xiàn)故障。
2.3? ? 故障隔離邏輯和快速重啟動邏輯
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,當發(fā)生短路故障后,無法直接進行故障隔離[1],而是只能按照以下3個步驟來進行故障隔離:第一步,將所有正在運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)跳交流進線斷路器;第二步,在跳交流進線斷路器斷開期間,利用站間通信,對線路差流情況進行分析,對直流故障線路進行初步定位;第三步,當故障線路位于1號換流站和2號換流站之間時,則直接跳開直流斷路器,待故障電流衰減至臨界值以下之后,跳開諧振斷路器和交流斷路器[2]。當故障隔離完成后,則要立刻恢復未出現(xiàn)問題的部分,以盡快恢復供電。快速重啟動的步驟主要如下: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到故障發(fā)生前的水平。以往的經(jīng)驗表明,從故障判斷到系統(tǒng)重新啟動,通常不超過0.6 s。
2.4? ? 短路保護判據(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)生類似故障時,不能隨意套用以往的經(jīng)驗[3-4],因為二者的短路保護判據(jù)有著較為明顯的區(qū)別。具體來看,對于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的短路保護判據(jù),應采用以下方式進行分析: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)正常運行時,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,逆變側(cè)的有源交流網(wǎng)絡功率會出現(xiàn)倒送,閥側(cè)直流電流將出現(xiàn)具有周期性的負值。一般來說,在正常運行狀態(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數(shù)值作為保護判據(jù)。
2.5? ? 故障控制方法
該多端柔性直流輸電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)采用了一半的全橋子模塊,因此,其對極短路故障具備穿越能力。具體來看,該模塊中的全橋子模塊和半橋子模塊可等效為一個電壓源,每個橋臂由兩種等效電壓源串聯(lián)而成,正常運行期間,換流器不需要輸出負電平。對此,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電平輸出能力,對上下橋臂所輸出的共模電壓進行調(diào)整,直至電壓數(shù)值與直流側(cè)電壓匹配為止,由此即可實現(xiàn)故障電流的降低。對于該拓撲結(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,斷開交流側(cè)機械斷路器,以徹底消除故障電流,確保隔離直流側(cè)故障。在實際運行中,換流器檢測到短路故障發(fā)生后即迅速進入故障穿越模式,各個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)保持可控運行,有功功率和無功功率均保持恒定,確保交流側(cè)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。當短路故障清除后,換流器進入故障恢復狀態(tài),在恢復期間,系統(tǒng)傳輸?shù)挠泄β蔬B續(xù)可控,逐漸恢復到額定輸出功率,無功功率則繼續(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電壓輸出能力,最終二者均平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài),完成故障恢復運行。
該快速重啟動過程共耗時0.679 s,在重啟動后,2號換流站作為定直流電壓站平衡系統(tǒng)功率,3號換流站依舊為定功率運行,并恢復至故障前輸送功率。因此,技術(shù)人員最終決定由2號換流站向3號換流站進行有功功率的輸送。
3? ? 結(jié)語
從目前來看,多端柔性直流輸電系統(tǒng)仍有很大的發(fā)展空間,但其常見的短路故障,仍是制約其進一步發(fā)展和應用的重要問題。因此,為降低短路故障的發(fā)生概率,需對現(xiàn)有電路做進一步的研究和改進,以確保能有效隔離故障。同時,需要注意的是,隨著未來直流電網(wǎng)的逐漸出現(xiàn),有必要對直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性以及有功功率和無功功率的最大傳輸?shù)确矫孀鲞M一步研究。
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收稿日期:2021-03-03
作者簡介: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。