陳明泉 林國棟 晁武杰 嚴昌華 肖世挺
廈門柔直工程交流故障穿越失敗事件分析及改進措施
陳明泉1,2林國棟2晁武杰2嚴昌華1,2肖世挺1
（1. 福建中試所電力調整試驗有限責任公司，福州 350007；
2. 國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007）
針對±320kV廈門柔性直流輸電工程中一起區外故障引起換流站交流故障穿越失敗的事件進行分析。首先簡要介紹廈門柔直工程接線方式及配置，然后詳細闡述交流故障穿越失敗事件的經過及現象，分析并指出事件原因。結合廈門柔直提升改造工程，提出針對閥控系統和極控制保護系統的優化方案，并通過各種運行工況下的仿真試驗，驗證了方案的可行性，以期為同類工程的改造提升提供參考。
柔性直流；
故障穿越；
閥控系統；
極控制保護系統；
橋臂過電流保護
廈門柔性直流輸電科技示范工程首次采用對稱雙極接線方案[1-5]，電壓等級±320kV，直流電流1 600A，輸送容量1 000MW。相比于其他接線方式，對稱雙極接線方式供電可靠性更高。正常運行工況下，工程為雙極金屬回線方式運行[6]，兩極功率平衡，金屬回線無工作電流。若發生單極故障，故障極停運，雙極金屬回線方式轉為單極金屬回線方式運行，故障極負荷可轉移至另一極[7]，換流站仍能輸送50%的額定容量，避免了負荷全部失去對電網造成劇烈沖擊。廈門工程一次系統采用中電普瑞公司生產的模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）[8-11]作為換流核心設備，二次系統核心設備由南瑞繼保公司生產的極控制保護系統（pole control and protection, PCP）和中電普瑞公司生產的閥控系統（valve base controller, VBC）組成。工程一次主接線簡化示意圖如圖1所示。
近年來，各類型柔性直流輸電系統的交流故障穿越理論分析已成為國內外學者的研究熱點。文獻[12]提出整流站在交流故障穿越期間不使能環流抑制功能策略，以減小橋臂有功電流和無功電流峰值，降低交流故障恢復時刻橋臂的沖擊電流，提高故障穿越的成功概率；
文獻[13]提出受端交流故障穿越期間的交流電流限幅控制、直流電壓前饋控制、直流電流控制及換流站暫時性閉鎖的穩流控制策略；
文獻[14]提出不對稱工況下的交流側電流控制和環流抑制的優化控制策略。其一采用在交流側利用基于雙二階廣義積分器鎖相環精確提取電壓電流的正負序分量，配合雙矢量控制器抑制負序電流，實現交流側三相電流平衡；
其二在MMC內部采用由PI控制器和重復控制器串聯組成的嵌入式重復控制器抑制環流中的二倍頻正負零序分量，實現直流側功率的恒定傳輸等。不過鮮有文獻能夠結合已投運工程發生的交流故障穿越失敗事件，通過分析事件現象和原因，對工程提出針對性的升級改進策略及具體工程應用方案。
圖1 廈門柔直工程一次主接線簡化示意圖
本文基于廈門工程的交流故障穿越失敗事件，詳細分析故障穿越失敗的現象和原因，針對性地提出升級方案，結合廈門柔性直流可靠性提升工程進行應用實施，并在仿真平臺中進行各種運行工況的仿真試驗，以驗證方案的可行性。
1.1 交流故障穿越失敗事件經過
某日11:30，廈門柔直浦園換流站極ⅠVBC的橋臂過電流保護動作閉鎖換流閥并向PCP發送請求跳閘信號（VBC_TRIP），PCP出口跳開網側斷路器及聯跳對站。跳閘前浦園站雙極帶金屬回線方式運行，潮流方向為浦園送鷺島，極Ⅰ有功功率100MW，極Ⅱ有功功率100MW，雙極無功功率0Mvar。跳閘后，極Ⅰ有功功率自動轉移至極Ⅱ，事故未造成電網負荷損失。經檢查確認，換流站極Ⅰ跳閘時刻，浦園換流站網側220kV彭厝變電站內220kV彭翔Ⅱ路發生B相瞬時金屬性接地故障，B相電壓幅值幾乎跌落至0kV，故障時間持續約50ms。故障持續期間，浦園站由于網側B相電壓大幅跌落，引起極Ⅰ換流閥C相下橋臂電流峰值超過VBC橋臂過電流保護設定值，VBC橋臂過電流保護正確動作。
1.2 交流故障穿越控制原理及穿越失敗原因分析
1）交流故障穿越控制原理
在交流系統發生短路故障時，換流器網側電壓grid迅速降低，若換流器無相應的故障穿越策略，其閥側輸出電壓con不能響應系統電壓變化，交流系統電壓與換流閥輸出電壓之差，將通過變壓器漏抗、橋臂電抗T，產生較大的過電流c，迅速導致換流閥閉鎖，無法實現故障穿越。故障時換流器輸出電壓示意圖如圖2所示，交流故障時等效電路示意圖如圖3所示。
圖2 故障時換流器輸出電壓示意圖
圖3 交流故障時等效電路示意圖
為實現故障期間的穿越，換流器需要采用相應的控制策略，即通過調節輸出電壓，使其快速跟蹤系統電壓，從而實現抑制電流的目的。同時，極控制系統應能有效抑制故障期間的過電流，在故障起始和恢復過程具有較強的魯棒性。同時，閥控保護系統和極保護系統跳閘定值應在設備應力范圍內趨于上限值并預留合適的裕度，以配合實現交流故障穿越。
另外，單相接地時換流變對零序分量隔離示意圖如圖4所示，在發生單相接地故障時，由于換流變壓器能夠隔離零序分量，閥側電壓的變化量小于網側電壓突變量，對換流閥輸出電壓跟蹤速度要求小于其他類型故障，即相同工況運行方式下，三相短路故障比單相接地故障更能驗證工程的故障穿越能力。
2）交流故障穿越失敗原因分析
根據圖5、圖6所示的極Ⅰ、極ⅡPCP交流故障穿越波形可知，在換流站網側發生B相接地故障引起系統B相電壓跌落時，因浦園換流站為定功率站方式運行，極Ⅰ、極ⅡPCP為了維持有功功率輸送而進行相應控制。從B相接地故障發生到故障切除的持續時間約為50ms，故障期間經歷了兩個階段的變化：第一階段，故障發生時刻有功功率快速跌落后被控制強制拉回到原功率指令值100MW，橋臂電流在擾動后快速收斂至500A以下，網側交流電流未出現大幅波動；
第二階段，故障電壓恢復前約5ms，極Ⅰ、極Ⅱ的橋臂和網側電流均發生了較大擾動（經分析為交流站切除故障時引起系統擾動），特別是極Ⅰ的橋臂B、C相電流瞬時值突變到2 361A，超過VBC橋臂過電流保護設定值2 250A，延時375ms（經3個采樣周期判斷，確保保護可靠正確動作），極ⅠVBC保護動作閉鎖換流器并向PCP發送請求跳閘命令。
圖4 單相接地時換流變對零序分量隔離示意圖
圖5 極ⅠPCP交流故障穿越波形
通過查閱閥基監視系統后臺的事件記錄和波形得知，在故障過程中，VBC發出請求跳閘命令前，VBC下發至子模塊的控制命令完全按照PCP下發的調制參考波執行。VBC交流故障穿越波形如圖7所示，閥進線三相電壓V與對應的參考波ref波形吻合。當VBC檢測到橋臂電流超過過電流保護定值時，VBC直接閉鎖換流閥并向PCP發送請求跳閘命令。
圖6 極ⅡPCP交流故障穿越波形
圖7 VBC交流故障穿越波形
上述分析結果表明：浦園換流站網側交流彭厝站220kV彭翔Ⅱ路出線發生B相接地故障，引起浦園換流站極Ⅰ橋臂過電流，VBC橋臂過電流保護動作正確。因此，為了提升廈門工程的交流故障穿越能力需從以下幾方面進行優化：①在保證換流閥本體設備安全前提下，適當提高閥控橋臂過電流保護定值；
②優化交流故障穿越特性，增加橋臂暫時閉鎖功能限制故障電流幅值；
③降低正常運行時橋臂電流的有效值和峰值，從而提高換流閥的電流安全裕度等。
2.1 閥控系統的優化方案
閥控系統橋臂過電流保護為換流閥主保護[15]，目的是在系統發生短路故障時，流經換流閥的電流超過定值后，及時保護換流閥本體設備安全，保護范圍僅為換流閥本體。廈門工程使用的IGBT最大可關斷電流約為3 000A，耐受時間約為1ms。閥控系統橋臂過電流保護時限如圖8所示，考慮采樣誤差、故障判斷時間1（采樣延時、閥控保護鏈路延時）、保護動作延時2及故障時過電流較高的電流最大上升率d/d等因素，并留一定裕度，設定橋臂過電流保護定值為2 250A，以保證保護動作后IGBT關斷時橋臂電流不大于3 000A。
圖8 閥控系統橋臂過電流保護時限
因此，為提高閥控橋臂過電流保護定值，可通過壓縮故障判斷時間（鏈路延時）和保護動作延時的方式來實現。原廈門工程的全鏈路延時約為1 080ms（測量裝置160ms，閥控系統920ms），其中閥控部分的鏈路延時920ms嚴重制約了整個鏈路的延時，參考渝鄂工程的鏈路延時250ms[16]，可優化的空間很大。
廈門工程橋臂電流原測量裝置的鏈路延時約為160ms，同類型測量裝置新一代產品延時僅為125ms。經分析，其區別主要在于測量裝置分流器本體。原分流器的法蘭盤直徑為200mm，錳銅管采用兩層布置，而新一代產品的直徑為290mm，錳銅管單層布置，采用全對稱結構，響應速度更快。更換橋臂電流互感器一次本體傳感頭后鏈路延時可縮短38ms。
閥控系統本次升級基于現有閥控整體硬件架構，閥控系統升級后閥控整體硬件架構示意圖如圖9所示，通過更換閥控主要計算處理板卡、對接口板卡軟件升級，使其具備與渝鄂工程等同的計算能力。同時，增加用于換流閥過電流保護功能的獨立通道，使保護通道采樣周期從原125ms縮小至20ms，閥控橋臂過電流判斷時間縮短至60ms（3個采樣周期）。因此，閥控系統全鏈路延時可大幅縮短，理論上可縮短至245ms左右。參照圖8的VBC橋臂過電流保護時限，將優化后的VBC橋臂過電流保護定值設定為2 500A、60ms。
圖9 閥控系統升級后閥控整體硬件架構示意圖
為優化交流故障穿越特性，VBC還采用了分橋臂閉鎖優化方案。故障穿越期間分橋臂閉鎖示意圖如圖10所示，相較于閉鎖整個換流閥所造成的輸送功率短時中斷，分橋臂閉鎖保護僅是暫時性閉鎖出現輕度過電流的橋臂，其他橋臂仍處于正常運行狀態，可在區外故障期間盡可能地維持換流閥的輸送功率。
圖10 故障穿越期間分橋臂閉鎖示意圖
2.2 極控制保護系統的優化方案
通過對PCP下發至VBC的調制參考波進行三次諧波注入，能有效增大閥側電壓有效值，在相同工況下可減少運行時橋臂電流幅值。工程采用的方案是在三相基波調制波ref1中注入三次諧波ref3零序分量，三次諧波初始相位等于A相調制波基波的初始相位，三次諧波的幅值等于基波幅值的1/6，注入三次諧波的參考波示意圖如圖11所示，投入三次諧波注入策略后調制波ref的幅值降低為原來的0.866倍。在直流電壓幅值不變的前提下，通過注入三次諧波抬高換流器輸出交流電壓的有效值，使工程在輸送同等功率時，降低交流電流幅值，從而降低橋臂電流的有效值和峰值，提高換流閥的電流安全裕度。
圖11 注入三次諧波的參考波示意圖
因為投產時廈門工程作為新技術、新設備的科技示范應用工程，工程中應用的極線及金屬回線高壓直流電纜為中天科技公司生產且為我國自主研發的首根±320kV交聯聚乙烯絕緣直流電纜。因此，直流電壓保護相關定值設定的裕度較大（原工程過電壓能力主要受限于高壓直流電纜）。為配合提升交流故障穿越能力，設計升級方案時依據中天科技公司基于國標GB/T 31489.1相關規定，以及項目出廠試驗結果評估出具的直流電纜過電壓耐受能力為1.4～1.8倍額定電壓耐受時間60min。另外，工程配置的直流低電壓保護主要考慮系統控制方面原因。防止直流電壓跌落時為了維持輸送功率不變而增大直流電流造成過電流，以及當直流電壓低時造成閥側電壓削頂調制比超限引起換流變調檔外，無與其他保護配合要求。同時參考張北、渝鄂等同類工程的定值時間設定均遠大于50ms。因此，再次核算了直流保護相關定值參數，適度降低了工程部分直流保護定值裕度。降低裕度的直流保護定值見表1。
表1 降低裕度的直流保護定值
一方面，通過查閱廈門工程歷年運行負荷數據得知，工程的無功負荷一直運行在低工況，特別是沒有有功和無功同時滿負荷的運行工況。另一方面，雖然廈門工程有正、反向輸送負荷能力（正送：浦園送鷺島，反送：鷺島送浦園），但是工程在投產前的初設階段已綜合考慮確定廈門島內的鷺島站作為負荷側，且島內無其他電源點，以及鷺島站作為固定接地極接地的電阻率優于浦園站。因此，鷺島站作為定直流電壓控制的受端站（僅運行在正送方式）設計。綜合以上兩方面考慮，為提升交流故障穿越能力，對工程的極控制系統PQ功率運行區間進行優化，減小正、反送滿有功功率時的無功功率運行值和反送時的有功功率運行上限值。
經上述方案優化后，按廈門工程升級后的設備參數搭建仿真平臺，依據文獻[17-18]在HVDC和STATCOM運行方式下分別模擬交流系統單相接地、相間（接地）和三相瞬時故障，并考慮躲過線路單相重合閘時間（0.7s），驗證工程交流故障穿越能力。試驗工況負荷上限選取優化后的工程實際PQ運行區間上限+1.0（-0.8）p.u.。交流故障穿越仿真試驗項目見表2。
表2 交流故障穿越仿真試驗項目
試驗結果表明，上述工況中故障時刻橋臂電流能可靠控制收斂，故障恢復期內橋臂電流均未超過閥控橋臂過電流定值，且未觸發其他保護閉鎖跳閘，故障結束后恢復正常運行狀態，交流故障全部穿越成功。
本文結合廈門柔性直流輸電工程的一起交流故障穿越失敗事件，闡述了事件經過及現象，分析并指出了事件發生的原因。結合廈門柔直提升改造工程，針對閥控系統提出：①通過升級閥控系統縮小閥控保護鏈路延時，提高橋臂過電流保護定值；
②采用分橋臂閉鎖策略。針對極控制保護系統提出：①通過對調制參考波注入三次諧波，有效增大閥側電壓有效值，減少運行時橋臂電流幅值；
②優化極控制系統的PQ功率運行區間；
③適當降低部分直流保護定值裕度等優化方案。在HVDC和STATCOM運行方式下模擬各種交流系統故障進行仿真試驗，試驗結果驗證了方案的可行性，可為同類工程改造提升提供參考。
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Analysis and improvement for AC fault ride-through failure event in Xiamen flexible HVDC transmission project
CHEN Mingquan1,2LIN Guodong2CHAO Wujie2YAN Changhua1,2XIAO Shiting1
(1. Fujian Zhongshisuo Electric Power Testing & Commissiong Co., Ltd, Fuzhou 350007; 2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)
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.
flexible DC; fault ride-through; valve base controller (VBC); pole control and pro- tection (PCP) system; arm overcurrent protection
國家電網公司總部科技項目“柔性直流工程關鍵運行特性提升方案及應用”（52130422001A）
2022-11-28
2022-12-20
陳明泉（1982—），男，福建省南平市人，本科，工程師，主要從事繼電保護及自動化、直流輸電及電力監控安全防護工作。
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