MMC-HVDC换流站过电压与绝缘配合研究

黄 俊，赵成勇，高永强

(1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定071003;2.山西吕梁东义煤气公司，山西 吕梁033400)

0 引 言

2010年，由Siemens 公司承建的世界上第一项商业应用MMC 的柔性直流输电工程在Pittsburg和San Francisco 之间实现海底直流电缆联网，目的在于解决输电走廊紧张对电网扩建的限制，消除输电瓶颈，并增强系统安全稳定性和可靠性。而目前世界上容量最大的柔性直流输电工程——大连跨海柔性直流输电科技示范工程也采用MMC 技术，输送容量为1 000 MW，直流电压为±320 kV［1］。截至目前，国内外学术界对MMC系统的研究相对较少，许多主要问题均有待深入研究，其中MMC 换流站的过电压与绝缘配合问题是实际直流工程中亟待解决的难点之一［2～4］。MMC 换流站与传统直流换流站和交流变电站相比，对保护和被保护设备的过电压、保护装置的配置、设备绝缘水平的选择有着特殊的要求。MMC 换流站的绝缘配合设计是直流工程实施中需重点关注的问题之一，其目的是合理确定电气设备的绝缘水平。鉴于MMC 实际工程的开展情况，对其换流站的绝缘配合进行分析和研究具有重要的理论和实际意义。

1 换流站过电压与绝缘配合总流程

MMC-HVDC 换流站过电压分析与绝缘配合总的流程图如图1 所示。主要包括系统过电压分析、避雷器配置和绝缘配合设置三个模块，通过这些模块对MMC-HVDC 系统的各种过电压进行准确分析计算，拟定避雷器配置和参数选择方案，进而完成系统设备的绝缘配合，保证MMC-HVDC 输电系统在正常运行、故障期间及故障恢复后的安全。

图1 换流站过电压分析与绝缘配合总流程图Fig.1 Flowchart of overvoltage and insulation coordination

2 换流站过电压分析及仿真结果统计

2.1 过电压产生原因具体分析

(1)换流站交流侧

暂时过电压主要包括工频电压升高和谐振过电压，暂时过电压主要发生在换流站交流母线处，由不对称接地故障、换流站停运、故障清除而引起。交流侧雷电过电压由距离换流器较近的架空线路遭受雷击所引起，换流站交流母线产生雷电过电压的原因有换流站直击雷和交流线路侵入波两类。交流系统的操作过电压一般是由交流线路充电、故障清除等引起的缓波前过电压，是由于交流侧操作和故障引起的。

(2)换流站内部

换流站内部的过电压主要由故障引起，包括换流站内部交流母线与直流母线的故障，内部换流阀可能出现的功能及结构故障形式。

(3)换流站直流侧

直流线路部分采用双极电缆传输方式，电缆传输线可能由于接头故障或者外力破坏导致其连接失效，由于连接失效而导致的电缆故障应包括电缆的断线故障、电缆单极接地故障以及电缆双极短路故障。

2.2 过电压分析仿真结果统计

Trans Bay Cable 直流输电工程经85 km 海底电缆联接，该工程的基本参数如表1 所示［5～7］。

表1 工程基本参数Tab.1 Basic parameters of project

鉴于实际工程中换流器每相的单个桥臂由216 个 (含冗余)子模块串联而成，而仿真中受限于计算机硬件水平，故将仿真中所用的MMC电平数调整为21，即各桥臂均有20 个子模块，桥臂电抗器选为40 mH，其他仿真参数同实际工程参数。在控制方式上整流侧采用定直流电压、定无功功率的控制方式，逆变侧采用定有功功率、定无功功率的控制方式。工程中采用PWM调制方式，本文仿真研究中采用更适用于电平数较高场合的最近电平逼近 (nearest level control，NLC)的调制方式。

对各种过电压的所有待分析故障类型进行仿真计算，统计MMC-HVDC 输电系统中所有设备的端对地及端间的电压应力。此处考虑了可能在故障发生后引起过电压的故障类型，选取其中具有代表性的11 种故障类型作为该换流站过电压分布结果的统计来源。11 种故障设置如下:a.在换流变的网侧交流母线近处发生单相接地短路;b.在换流变的网侧交流母线近处发生两相接地短路;c.在换流变阀侧交流母线上发生单相接地短路;d.在换流变阀侧交流母线上发生两相接地短路;e.在换流阀出口处的直流母线上发生单极接地故障;f.在整流侧A 相上桥臂上模拟由于外部闪络导致整个上桥臂发生短路故障;g.换流站出口与直流正极电缆连接处发生断线的永久性故障;h.在直流电缆的首端发生单极接地短路故障;i.正负极直流母线发生瞬时性短路故障;j.雷击落点选在换流变网侧远处的架空交流线路A 相上，雷电冲击电流幅值设定为10 kA，近似模拟2.6/50 μs 的雷电流波形;k.反击雷落点选在换流变阀侧的交流母线A 相上，雷电流波形同j。

仿真中雷电流模型取负极性斜角波，绕击和反击雷电通道波阻抗分别取为800 Ω 和300 Ω，雷电流波形由受控电流源产生，如图2 所示。而对于换流站交流侧、内部、直流侧的其他过电压类型 (操作过电压、暂时过电压等)，由于引起原因复杂多样，过电压主频率难以正确描述，导致数学模型难以统一表示，文中采用模拟过电压具体产生原因的方法替代解决。以故障类型a 为例，故障发生时刻设置为3 s，故障持续时间为0.1 s，联结变压器为Ynd 接线形式，变比为110/220 kV。通过仿真计算，可得联结变压器网侧交流母线的电压变化、桥臂电抗器两端的电压变化、直流极母线间电压变化分别如图3、图4、图5 所示。其余故障类型限于篇幅所限不再赘述，相应的统计结果如表1 所示。通过分析表1可得，故障c，d，f，i，j 和k 引起的过电压较为严重，换流变网侧交流母线及阀侧交流母线上选用合理的避雷器可有效降低故障j 入侵的过电压和故障k 产生的反击过电压，由于换流站站内环境较好，桥臂发生闪络短路故障的可能性不高，可适当降低对桥臂保护避雷器的要求，而直流侧母线或电缆出口处的单极接地短路故障和正负极直流母线短路故障引起的过电压水平较为严重，需重点关注。

图2 雷电流模型Fig.2 The model of lightning current

图3 网侧交流母线电压变化Fig.3 The voltage changes of AC bus

图4 桥臂电抗器两端电压变化Fig.4 The voltage changes of bridge arm reactor

图5 直流母线极间电压变化Fig.5 The voltage changes of DC bus

表2 换流站过电压分布统计结果Tab.2 Overvoltage distribution statistics of converter station

3 换流站避雷器配置方案

根据上述基本原则和配置步骤以及换流站过电压分布统计结果的分析，拟定的MMC-HVDC一端换流站避雷器配置方案如图6 所示。图6 中各避雷器的具体描述如表3 所示 (图中只在一个桥臂上作了标注，其余桥臂类推)。对图6 方案中各避雷器保护功能分述如下:

图6 换流站避雷器配置方案Fig.6 Arrester configuration program of converter station

(1)A。安装在换流变网侧母线处，主要用来限制交流侧由各种原因产生的操作过电压 (如故障a，b 等)。此外，该避雷器也能限制由交流线路侵入波引起的雷电过电压。另外在选择避雷器A 时，需要考虑到系统中已经存在的交流避雷器，做好两者的协调配合，避免出现一者过载现象。

(2)B。安装在每个相单元的上/下桥臂两端，主要用来限制由交流侧经换流变传递过来的操作过电压或直流侧由各种原因产生的过电压(如故障c，d 等)。桥臂由子模块级联而成，造价昂贵，选择合理的桥臂避雷器保护水平有利于换流阀整体造价的降低。

(3)BR。直接跨接于各相单元的上/下桥臂的电抗器两端，主要用来限制由交流侧经换流变传递过来的操作过电压或内部换流阀因功能及结构故障产生的过电压。桥臂电抗器避雷器保护水平的设置要充分考虑电抗器本身的绝缘水平。

(4)DB，DL。分别为直流母线、直流极线避雷器，其电气参数近乎相同，只是安装位置不同。DB 位于直流极线平波电抗器阀侧，DL 位于直流线路出口处，两者都用于限制直流开关场的操作过电压 (如故障e，h，i 等)。

(5)DR。直接跨接于直流母线平波电抗器两端，主要用来限制由于接头故障或外力破坏导致连接失效引起电缆传输线故障产生的过电压(如故障g，h，i 等)。

(6)SM。直接跨接于各个子模块两端，主要用来限制相单元中其他子模块功能故障引起的该相电压振荡，保护子模块中IGBT、电容器等元件［8］。该避雷器为可选模块，需综合考虑经济性、安装施工难度和设备保护水平，绝缘配合设置中可充分利用各子模块自身的绝缘水平，也可与桥臂避雷器配合使用。

(7)PM。挂接于相单元内的中点，主要用来限制相单元内由于各种原因产生的操作过电压及交流侧入侵的雷电过电压 (如故障j 等)。

表3 MMC-HVDC 换流站避雷器配置描述Tab.3 Arrester configuration description of MMC converter station

4 避雷器保护水平和设备绝缘水平

4.1 避雷器保护水平

表4 为换流站避雷器参数及其保护水平，未考虑DB，DR，SM 避雷器的雷电冲击保护水平主要是基于这些部位遭受雷电过电压的概率较低，而考虑了DL 的原因是工程实际中直流线路并非完全是电缆线路，而是在首端含有小段的架空线路。

表4 换流站避雷器参数及保护水平Tab.4 Parameters and protective levels for arresters

4.2 设备绝缘水平

相比较于传统直流换流站，MMC 换流站在设备绝缘裕度选择的考虑上有所不同，但鉴于目前没有明确的标准规范，本文结合MMC 换流站内设备自身的特点，在进行绝缘设计时，各个设备的绝缘水平针对某些特定的过电压应力。另外考虑到换流阀的绝缘具有较好的阀厅安装环境、先进的阀元件监控系统等特点，适当降低阀的绝缘裕度在技术上是可行的，并能带来显著的经济效益。综合考虑其与传统直流换流站的不同点，最终推荐的绝缘裕度如表5 所示。

表5 换流站设备推荐绝缘裕度Tab.5 Insulation margin suggested for converter station equipment

根据各避雷器保护水平和绝缘裕度，可得到换流站各主要部位的设备绝缘水平的推荐值，如表6 所示。必须指出的是，仿真中采用的避雷器模型为单一的非线性电阻模型，采用分段线性化的方法来拟合其伏安特性，自定义设置时需充分考虑被保护设备对保护水平的需求，通过反复优化伏安特性达到在效果上最优。与实际工程中配套的不同特性的避雷器相比，表6 的仿真分析结果在实际应用中存在一定程度上的局限性，需后续不断地完善和补充。

表6 换流站设备绝缘水平Tab.6 Insulation levels for converter station equipment

5 结 论

本文提出了MMC 换流站过电压分析的步骤，分析了换流站交流侧、直流侧及换流站内部过电压产生的具体原因，在PSCAD 环境中基于Trans Bay Cable 直流输电工程仿真模型，统计了MMC换流站过电压分布结果，提出了MMC 换流站绝缘配合的方案，介绍了方案中各个避雷器的保护功能，最终确定了换流站避雷器参数和保护水平，结合适当的换流站设备绝缘裕度，得到了换流站设备的绝缘水平。研究结果为该规模及以上水平的MMC 工程避雷器及其他设备的选型、制造提供重要的依据。

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