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        ±800 kV直流輸電工程受端換相失敗對(duì)送端影響分析

        2021-11-21 07:06:08張艷杰張春亮
        內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:沂南主泵線電壓

        張艷杰,張春亮

        (國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司,內(nèi)蒙古 通遼028000)

        0 引言

        高壓直流輸電系統(tǒng)電能輸送容量大、損耗低,輸電功率調(diào)節(jié)或反轉(zhuǎn)迅速靈活,同時(shí)具有輸電可靠性高、非同步聯(lián)絡(luò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因此在遠(yuǎn)距離、大區(qū)域的電網(wǎng)互聯(lián)及大容量輸電等方面應(yīng)用廣泛。換流閥是實(shí)現(xiàn)交直流變換的關(guān)鍵設(shè)備,在直流輸電工程中換流閥不僅具有整流和逆變的功能,還具有開(kāi)關(guān)的功能,利用其快速可控性可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流快速啟動(dòng)和停運(yùn)的操作。換相失敗是指換流閥在換相電壓反向之前未能完成換相,是直流系統(tǒng)運(yùn)行中常見(jiàn)故障之一。造成換相失敗的因素很多,如果換相失敗后控制不當(dāng),會(huì)引發(fā)后續(xù)的換相失敗,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致直流系統(tǒng)閉鎖[1-9]。本文以伊克昭—沂南±800 kV直流輸電工程為研究對(duì)象,通過(guò)受端沂南站換相失敗仿真試驗(yàn),分析送端伊克昭站交流電壓異常對(duì)站內(nèi)設(shè)備的影響,并提出合理建議。

        1 換相失敗原因及特征

        換流閥的導(dǎo)通條件為:換流閥的陽(yáng)極電位高于陰極電位,在控制極加上觸發(fā)所需的脈沖。當(dāng)換流器兩個(gè)閥進(jìn)行換相時(shí),在換相過(guò)程未結(jié)束或預(yù)計(jì)關(guān)斷的閥關(guān)斷后,反向電壓未能恢復(fù)阻斷能力,若加在該閥上的電壓為正,則會(huì)造成其立即重新導(dǎo)通,發(fā)生倒換相,使預(yù)計(jì)開(kāi)通的閥重新關(guān)斷,這種現(xiàn)象即為換相失敗[10-12]。

        換相失敗一般發(fā)生在逆變側(cè),會(huì)導(dǎo)致相間短路,對(duì)換流閥產(chǎn)生一定的影響;還可能導(dǎo)致直流閉鎖,對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。換相失敗故障具有以下特點(diǎn):交流側(cè)同一相的一對(duì)閥同時(shí)導(dǎo)通,造成直流短路;直流電壓在一定時(shí)間內(nèi)降至零,直流電流短時(shí)增大,交流側(cè)短時(shí)開(kāi)路,電流減小[11-14]。

        2 昭沂直流工程換相失敗仿真分析

        伊克昭—沂南±800 kV直流輸電工程(以下簡(jiǎn)稱昭沂直流工程)西起內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊克昭換流站(整流站),東至山東省臨沂市沂南換流站(逆變站),橫跨內(nèi)蒙古、陜西、山西、河北、河南、山東6省,直流線路長(zhǎng)約1238 km。該工程于2015-12-01核準(zhǔn)建設(shè),2019-01-11正式投運(yùn),是當(dāng)時(shí)世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大的特高壓直流工程。額定電壓±800 kV,額定電流6250 A,額定輸送功率10 GW。本文針對(duì)沂南站換相失敗對(duì)伊克昭站交直流設(shè)備的影響進(jìn)行分析。

        2.1 逆變站換相失敗仿真試驗(yàn)

        對(duì)逆變側(cè)換相失敗進(jìn)行仿真試驗(yàn),驗(yàn)證單閥組發(fā)生丟失脈沖故障時(shí),換相失敗能否正確動(dòng)作,并核實(shí)控制系統(tǒng)運(yùn)行是否平穩(wěn),閉鎖、緊急停運(yùn)等時(shí)序是否正確。

        將系統(tǒng)調(diào)至試驗(yàn)狀態(tài)工況,通過(guò)RTDS仿真系統(tǒng)模擬逆變站極Ⅰ低端閥組Y/Y繞組某一橋臂3 s脈沖丟失故障。系統(tǒng)試驗(yàn)前狀態(tài)見(jiàn)表1。

        表1 系統(tǒng)試驗(yàn)前狀態(tài)1)

        故障導(dǎo)致?lián)Q相失敗發(fā)生,從錄波圖(見(jiàn)圖1)可以看出,沂南站在0.2 s時(shí)發(fā)生換相失敗,波動(dòng)時(shí)間持續(xù)600 ms,0.8 s時(shí)閥組閉鎖。

        圖1 換相失敗時(shí)沂南站錄波圖

        2.2 整流側(cè)直流系統(tǒng)影響分析

        逆變側(cè)出現(xiàn)換相失敗時(shí),查看整流側(cè)直流系統(tǒng)故障錄波(見(jiàn)圖2)。可以看出,換相失敗發(fā)生時(shí)整流側(cè)直流電壓瞬間跌落50%、電流瞬間突增至1.4(p.u.),后控保系統(tǒng)將電流控制到1.05(p.u.),波動(dòng)持續(xù)650 ms,閥組閉鎖,換相失敗保護(hù)正確動(dòng)作。

        圖2 換相失敗時(shí)整流側(cè)直流系統(tǒng)錄波圖

        2.3 整流側(cè)交流系統(tǒng)影響分析

        交流系統(tǒng)是一個(gè)恒定的功率源。直流系統(tǒng)不僅要從交流系統(tǒng)中獲取有功,還要獲取足夠的無(wú)功來(lái)支持換流閥工作,因此直流系統(tǒng)的故障會(huì)給交流系統(tǒng)帶來(lái)影響。

        當(dāng)模擬逆變側(cè)極Ⅰ低端閥組Y/Y繞組某一橋臂3 s脈沖丟失導(dǎo)致?lián)Q相失敗故障時(shí),整流側(cè)交流系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)。500 kV母線電壓最低470 kV,最高570 kV,持續(xù)800 ms,擾動(dòng)幅度為-6%~14%。

        逆變側(cè)發(fā)生換相失敗后,整流側(cè)電流調(diào)節(jié)器為限制故障電流而增加觸發(fā)角α,逆變側(cè)交流電壓也增加。整流側(cè)吸收的無(wú)功發(fā)生突變,導(dǎo)致交流側(cè)電壓突降,無(wú)功需求增大,最終導(dǎo)致閥組閉鎖??梢钥闯?,逆變側(cè)換相失敗對(duì)整流側(cè)交流系統(tǒng)擾動(dòng)明顯,交流電壓發(fā)生畸變,導(dǎo)致無(wú)功需求發(fā)生變化。

        3 整流側(cè)交流電壓異常對(duì)站內(nèi)設(shè)備的影響

        多次模擬沂南站不同工況下?lián)Q相失敗后對(duì)伊克昭站設(shè)備的影響,試驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,具體過(guò)程及分析如下。

        3.1 交流濾波器投切

        當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí),首先表現(xiàn)為觸發(fā)角α增大,此時(shí)換流器無(wú)功需求增大,造成交流電壓突降,換流閥單閥組閉鎖。為保證功率平穩(wěn)回降,控保系統(tǒng)將進(jìn)入1.05(p.u.)過(guò)負(fù)荷狀態(tài),此時(shí)電流增大,α減小,換流器無(wú)功需求降低,造成交流系統(tǒng)無(wú)功過(guò)剩。此時(shí)控保無(wú)功控制動(dòng)作,切除交流濾波器。

        在1.8試驗(yàn)時(shí),沂南站換相失敗后,伊克昭站單閥組閉鎖,此時(shí)α為24°,有功功率為7875 MW。額定工況下,伊克昭站所需無(wú)功為5 795.4 Mvar,單閥組閉鎖后所需無(wú)功為5 537.86 Mvar,無(wú)功需求減少257.5 Mvar。

        伊克昭站配置的交流濾波器每小組容量為265 Mvar。閥組閉鎖后,根據(jù)伊克昭站無(wú)功控制策略,在3.4 s切除1小組交流濾波器,以降低母線電壓。

        3.2 低容、低抗投切

        (1)伊克昭站3臺(tái)聯(lián)備變壓器低壓側(cè)各安裝2組低壓電抗器(以下簡(jiǎn)稱低抗),每組120 Mvar,換流器解鎖后,選取兩組參與無(wú)功控制,其余4組參與電壓控制。當(dāng)母線電壓高于537 kV,延時(shí)5 s投入1組低抗;交流電壓低于523 kV,延時(shí)5 s切除一組低抗。

        (2)伊克昭站3臺(tái)聯(lián)備變壓器低壓母線側(cè)各安裝2組低壓電容器(以下簡(jiǎn)稱低容),每組120 Mvar,換流器解鎖后,選取未投入的所有低容參與無(wú)功控制,投入的低容參與電壓控制。交流電壓高于542 kV時(shí),延時(shí)5 s切除1組低容;交流電壓低于510 kV,延時(shí)5 s投入一組低容。

        在以上換相失敗試驗(yàn)中,交流母線持續(xù)過(guò)壓時(shí)間遠(yuǎn)未達(dá)到低容、低抗投切要求,因此伊克昭站低容、低抗未動(dòng)作。

        3.3 站用電系統(tǒng)異常

        根據(jù)表2數(shù)據(jù),換相失敗后,伊克昭站站用電系統(tǒng)會(huì)隨著交流系統(tǒng)波動(dòng),并跟隨伊克昭站500 kV母線電壓的變化而變化。當(dāng)功率1.0(p.u.)、脈沖3 s或閥短路100 ms導(dǎo)致?lián)Q相失敗時(shí),整流側(cè)400 V母線的波動(dòng)較大,當(dāng)功率0.1(p.u.)、閥丟脈沖3 s或閥短路100 ms導(dǎo)致?lián)Q相失敗時(shí),整流側(cè)400 V母線的波動(dòng)較小。

        表2 沂南站換相失敗時(shí)伊克昭站500 kV、400 V母線電壓變化情況1)

        通過(guò)以上換相失敗試驗(yàn)得出,沂南站發(fā)生換相失敗,會(huì)導(dǎo)致伊克昭站站用電系統(tǒng)發(fā)生波動(dòng)。因此逆變側(cè)換相失敗會(huì)對(duì)整流側(cè)400 V負(fù)荷產(chǎn)生影響。

        3.4 閥外冷主泵軟啟動(dòng)器

        伊克昭站閥冷系統(tǒng)主泵配置欠壓保護(hù),若400 V母線電壓擾動(dòng)異常,會(huì)造成欠壓保護(hù)動(dòng)作。伊克昭站閥冷系統(tǒng)欠壓保護(hù)定值為320 V,延時(shí)0 s。對(duì)比不同工況下沂南站換相失敗導(dǎo)致伊克昭站站用電系統(tǒng)的波動(dòng),波動(dòng)影響最大的一次為1.8試驗(yàn)。試驗(yàn)中400 V母線電壓最高為485 V,最低為364 V,未達(dá)到主泵欠壓保護(hù)動(dòng)作定值和主泵切換定值。主循環(huán)泵采用交流電源,主泵在電壓波動(dòng)±10%范圍內(nèi)能夠正常工作。

        通過(guò)以上分析可得,在昭沂直流大功率運(yùn)行工況下,400 V母線電壓波動(dòng)較大,閥冷系統(tǒng)欠壓保護(hù)定值設(shè)置合理,閥外冷主泵可以避開(kāi)波動(dòng)范圍,但也應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)視,及時(shí)關(guān)注主泵的運(yùn)行狀態(tài)。

        3.5 閥外冷風(fēng)機(jī)變頻器

        伊克昭站閥外冷風(fēng)機(jī)由變頻風(fēng)機(jī)和工頻風(fēng)機(jī)組成,風(fēng)機(jī)過(guò)壓保護(hù)定值為480 V,欠壓保護(hù)定值為320 V,延時(shí)2 s??紤]變頻器電壓測(cè)量誤差5%,當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí),400 V電壓跌落至90%,持續(xù)800 ms,未達(dá)到冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)電壓及冷卻風(fēng)機(jī)切換電源定值,故對(duì)外冷風(fēng)機(jī)變頻器無(wú)影響。

        通過(guò)以上分析,閥外冷風(fēng)機(jī)系統(tǒng)過(guò)壓、欠壓定值設(shè)置合理,當(dāng)逆變側(cè)換相失敗導(dǎo)致整流側(cè)母線波動(dòng)時(shí),外冷風(fēng)機(jī)可以避開(kāi)波動(dòng)范圍。

        3.6 換流變壓器冷卻器

        伊克昭站換流變壓器冷卻器由兩路380 V交流電源供電。當(dāng)單路380 V交流電源供電故障時(shí),系統(tǒng)延時(shí)5 s后備用電源投入使用,在此期間匯控柜與風(fēng)冷控制柜交流電源失電,同時(shí)導(dǎo)致控制回路失電,設(shè)備停機(jī)。當(dāng)兩路380 V交流電源同時(shí)故障時(shí),將導(dǎo)致整個(gè)換流變壓器冷卻系統(tǒng)無(wú)法工作,必須停機(jī)檢修。

        當(dāng)單路380 V交流電源電壓值低于欠壓定值0.85(p.u.)時(shí),自動(dòng)切換裝置啟動(dòng),斷開(kāi)一路電源,合上另一路電源。伊克昭站換流變壓器冷卻器電源切換裝置電壓監(jiān)視繼電器為欠壓繼電器,欠壓動(dòng)作定值為323 V,延時(shí)5 s。冷卻風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)可在50%工頻電源下正常工作。當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí),400 V電壓跌至90%,持續(xù)800 ms,未達(dá)到冷卻風(fēng)機(jī)停機(jī)電壓及切換電源定值,不影響冷卻器正常運(yùn)行。

        通過(guò)分析,該系統(tǒng)欠壓定值設(shè)置合理,當(dāng)逆變側(cè)換相失敗導(dǎo)致整流側(cè)母線電壓波動(dòng)時(shí),換流變壓器冷卻器可以避開(kāi)波動(dòng)范圍。

        4 結(jié)論與優(yōu)化建議

        4.1 結(jié)論

        通過(guò)仿真分析昭沂直流工程調(diào)試期間沂南站換相失敗對(duì)伊克昭站交、直流系統(tǒng)擾動(dòng)及400 V所帶負(fù)荷的影響,得出以下結(jié)論。

        (1)沂南站換相失敗的時(shí)間、長(zhǎng)度、次數(shù)不同,對(duì)伊克昭站交流系統(tǒng)的影響程度也不一樣,但受沂南站交流擾動(dòng)影響,伊克昭站的情況沒(méi)有改變。

        (2)當(dāng)發(fā)生換相失敗時(shí),為了快速恢復(fù)晶閘管阻斷能力,逆變側(cè)控制系統(tǒng)將增大觸發(fā)角,導(dǎo)致?lián)Q流器無(wú)功需求增大,逆變側(cè)交流電壓降低。此時(shí)逆變側(cè)理想空載直流電壓變低,整流側(cè)和逆變側(cè)之間電壓差增大,造成直流電流增大。整流側(cè)檢測(cè)到極母線電流增大,控制系統(tǒng)將增大觸發(fā)角,降低整流側(cè)理想空載電壓,此時(shí)兩側(cè)電壓差減小,直流電流降低。

        (3)逆變側(cè)短時(shí)換相失敗對(duì)整流側(cè)400 V母線電壓擾動(dòng)幅度為-6%~14%,擾動(dòng)時(shí)間較短。400 V所帶負(fù)荷如閥外冷主泵、閥外冷風(fēng)機(jī)、換流變冷卻器的保護(hù)定值設(shè)置合理,可避開(kāi)電壓波動(dòng)。

        (4)在直流系統(tǒng)大功率運(yùn)行時(shí),逆變側(cè)換相失敗會(huì)導(dǎo)致單閥組閉鎖,對(duì)整流側(cè)交流系統(tǒng)的波動(dòng)影響較大,會(huì)造成濾波器切除。小功率運(yùn)行情況下對(duì)整流側(cè)交流系統(tǒng)的影響較小,不會(huì)切除濾波器。

        4.2 運(yùn)維措施優(yōu)化建議

        (1)逆變側(cè)換相失敗會(huì)對(duì)整流側(cè)站用電系統(tǒng)造成波動(dòng),因此對(duì)于站內(nèi)雙電源系統(tǒng)要充分考慮延時(shí)。對(duì)站內(nèi)400 V重要負(fù)荷定值整定時(shí),在考慮自身保護(hù)外,還要考慮400 V母線電壓擾動(dòng)的影響。

        (2)在直流大功率運(yùn)行工況下,應(yīng)及時(shí)關(guān)注站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),檢查閥外冷主泵、閥外冷風(fēng)機(jī)、換流變冷卻器、站用電系統(tǒng)運(yùn)行情況及交流濾波器的投切狀態(tài)。

        (3)加強(qiáng)水冷、站用電系統(tǒng)和非電量保護(hù)管理,校核水冷保護(hù)定值的合理性及水冷保護(hù)、站用電備自投、主泵切換時(shí)間之間的關(guān)系,在交流系統(tǒng)暫態(tài)擾動(dòng)情況下,避免出現(xiàn)雙重化主泵全部切除導(dǎo)致直流閉鎖的情況。

        (4)加強(qiáng)換流閥及閥控系統(tǒng)管理。換流閥和閥控系統(tǒng)是直流輸電系統(tǒng)核心設(shè)備,在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)高度重視丟脈沖、保護(hù)性觸發(fā)、無(wú)回報(bào)等報(bào)警信號(hào),及時(shí)查找缺陷隱患,提出整改消缺措施。

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