柔性直流输电工程二次保护系统的实现

2015-12-30季子孟王学宽周经天

电力安全技术 2015年4期

关键词：换流器差动过电压

季子孟，王学宽，周经天

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200120）

柔性直流输电工程二次保护系统的实现

季子孟，王学宽，周经天

（国网上海市电力公司检修公司，上海 200120）

介绍了某柔性直流示范工程中直流保护系统的配置原则及其二次构成，分析了基于多模块多电平(MMC)的换流器保护特殊性，并对单站现场调试、验收过程中保护系统所遇到的若干问题进行分析和总结。

柔性直流输电；保护系统；换流器；阀基控制系统

0 引言

柔性直流输电可以实现有功功率及无功功率的独立调节，已被运用于风电并网、孤岛供电等工程。我国首个柔性直流输电工程——上海南汇风电场柔性直流示范工程已顺利投入运行。VSCHVDC(电压源换流器型直流输电)作为一种新型的电能传输方式，其特有的电路结构及控制方式，需要有一整套与之相适应的保护系统对其元器件进行保护，特别是对其中的换流器进行保护。

以下对该示范工程中的保护系统配置原则及保护系统的二次构成进行介绍，并对基于直流控制保护系统(PCP)中的交流场区保护、直流场区保护、阀区保护，特别是换流器保护进行分析;同时对现场调试及验收过程中所遇到的若干问题进行总结。

1 保护系统的构成

1.1 保护配置原则及动作策略

对于柔性直流输电系统中的大部分组件，其保护配置原则和常规直流输电系统是类似的，主要有以下几个方面：可靠性、灵敏性、选择性、快速性、可控性、安全性、可维护性。柔性直流换流站保护的作用在于使换流站免受由外部故障和外部过电压所引起的危害，限制换流站内部故障所带来的危害以及抑制系统对故障的回馈作用。

与常规直流输电系统类似，柔性直流输电系统的保护采取分区重叠配置原则。该示范工程按电气接线中的位置可将保护分为交流场保护区、接口变压器保护区、阀保护区、直流场保护区，如图1所示。

结合该工程一次接线以及故障类型，保护系统主要采用以下措施进行故障处理操作。

(1) 报警。对于不影响正常运行的故障，首要应对措施是通过后台报警来告知运行人员，但系统仍然保持运行状态。

(2) 暂时性闭锁换流器。在出现暂态过电流等情况时，对换流阀发出闭锁脉冲进行短时间的暂时性闭锁，待电流恢复正常后尝试恢复脉冲。

(3) 永久性闭锁换流器。发送闭锁脉冲到全部换流阀，使换流器立即关断。

(4) 交流断路器跳闸。跳开接口交流断路器开关，中断交流系统与直流系统的连接。

(5) 交流断路器锁定。发送断路器跳闸命令的同时，发送锁定信号来闭锁断路器，以防止运行人员在找到故障原因前误合开关。

1.2 二次保护系统构成

图1中所示接口变压器采用单独的微机保护装置RCS-9671C及RCS-9681C作为其差动及后备保护，动作后跳开交流断路器及闭锁换流器，其保护策略及二次保护设备与传统交流保护无差异，在此不展开讨论。

图1中对应的交流场区保护、阀区保护和直流场区保护都集成在直流控制保护系统(PCP)内，其系统的组成如图2所示。

图1 示范工程保护配置

图2 PCP接口示意

PCP按双重化冗余配置，分为A，B 2套，每套系统均有各自独立的通信接口及双重化电源回路。PCP是整个换流站控制系统的核心，其功能主要是完成换流器系统级控制与保护，与SCADA接口，与阀基控制系统的通信，为阀水冷系统提供接口，实现交直流开关场断路器、闸刀的联锁与控制等。

阀基控制系统(VBC)也按双重化配置，并与2套PCP一一对应。其作为换流器控制器，接收PCP下传的电压参考值，对下级的换流阀进行控制，并处理下级换流阀上传的状态量，以及向PCP上传信息量。

交流现场单元(AFT)实现对一次系统电压、电流等模拟量以及断路器、闸刀、阀冷却系统等数字量就地采集与控制。AFT配置有2套，并与2套PCP一一对应。

2套PCP保护系统之间可以随着系统运行工况的变化自动进行切换，也可以由运行人员进行手动切换。切换逻辑处于每套系统中，不需要独立的外部切换设备，主要有以下几种方式进行冗余系统之间的切换：

(1) 运行人员在运行人员工作站手动发出切换命令；

(2) PCP自诊断系统在检测到当前有效系统出现故障时，发出系统切换命令；

(3) 外部系统要求，这里主要由VBC自检发现当前电路或与PCP通信故障时，便发出“VBC_ CHANGE=1”信号，请求PCP切换主从机。

1.3 交流场区保护

换流器通过换流电抗器及接口变压器与交流系统连接，从而进行有功及无功的交换。因此，交流系统故障主要影响换流站和交流系统的功率交换以及柔性直流系统的运行性能。交流系统的故障类型主要包括系统线路故障和由于雷击、甩线路、处理故障所造成的过电压，以及切机、切除无功补偿装置所造成的欠压等。

PCP中的交流场区保护主要反映换流站所接交流系统故障或不正常运行状态，动作后暂时或永久闭锁换流器并跳开交流断路器。该示范工程中交流系统的电压取自35 kV侧交流母线的电压互感器TV1，用以判别交流系统的故障及异常状况。保护类型有交流过电压保护、欠电压保护，以及频率异常保护。

1.4 直流场区保护

直流场区保护主要反映直流场及直流输电线路所发生的各类故障，其故障类型主要有直流单极接地、直流双极短路、直流线路断相等。保护类型分为：直流电压不平衡保护、直流欠压及过流保护、直流过压保护以及直流低电压保护。由于该工程采用电缆输电，其线路故障基本为永久故障，所以直流侧保护动作不考虑换流阀暂时性闭锁，而是直接永久闭锁换流阀并且跳开交流断路器。

1.5 阀区保护

阀区主要包含换流器、换流电抗器(即桥臂电抗器)以及换流器辅助设备等。基于PCP的阀区保护功能主要完成阀区内各种故障的判别及动作，以及保护阀区内的一次设备不受过流所产生应力的影响，同时检测阀基控制功能是否失效。保护功能主要由换流电抗器差动保护、零序电压保护、桥臂差动保护、交流过流保护以及桥臂环流检测构成。保护动作除了闭锁换流器及跳开交流断路器外，为了保护换流器中的子模块不受过流影响，还需触发子模块中的保护晶闸管(SCR)。

1.6 换流器保护

VSC-HVDC作为一种兆瓦级以上的大功率装置，其每一个换流器都需要由多个大功率全控器件串并联组成。这些大功率的全控器件是VSCHVDC系统中最核心的器件，因此也是装置中重点保护的对象，对它们要采取严格的多级保护。

该工程采用的是49电平模块化多电平(MMC)换流器，换流器的每个桥臂都由56个子模块(SM)级联而成。子模块基本结构如图3所示，主要设备包括：IGBT模块(T1和T2)、储能电容(C)、并联电阻(R)、保护晶闸管(SCR)和旁路开关(K)，另外还有子模块控制器(SMC)。

图3 子模块电气结构

对换流阀产生影响的主要有过电流以及过电压。换流阀的过电流包括：IGBT的过电流和反并联续流二极管的过电流。IGBT的过电流发生时电流变化率很大，换流阀过电流程度较高，其产生是由换流阀桥臂直通故障引起的；反并联续流二极管的过电流是在IGBT闭锁期间换流阀外部出现直流侧短路故障时，短路电流经过换流阀而产生的。

相对于过电流工况，换流阀对于过电压工况更为敏感。引起过电压的原因很多，根据过电压产生位置的不同，可将其分为内部过电压和外部过电压。外部过电压包括换流过程中产生的瞬间电压上升和储能电容电压升高等；内部过电压主要是由反并联续流二极管反向恢复过程中，以及关断短路电流过程中出现的快速变化电流通过换流阀内部杂散电感和引线电感产生的。

为了确保换流器无论是在系统正常运行还是发生故障情况下，都能够避免遭过电压或过电流等异常损害，对换流器实施了3级保护。

(1) 第1级保护通过换流器子模块自身实现。当子模块内部传感器检测到过电压时，子模块控制器快速闭锁子模块，必要时合上旁路开关(K)，使子模块退出工作，过电压定值取1.5 p.u.。

(2) 第2级保护通过阀基控制系统(VBC)实现。当桥臂光纤电流互感器监测到桥臂过流时，VBC便发出闭锁脉冲暂时性闭锁子模块，过流定值为1.3 p.u.。除此之外，VBC还有子模块冗余保护功能。桥臂上子模块数量按冗余设计，其中48个运行、6个热备用。当一个运行的子模块被旁路而退出运行时，备用的子模块将投入使用；同时VBC将会对被旁路的子模块进行计数，当计数超过设计的子模块冗余值时，便会闭锁换流器并跳开交流断路器。

(3) 第3级保护通过直流控制保护系统(PCP)实现。保护通过监测交流三相基波的最大值来进行判别，达到定值后闭锁并跳开交流断路器，并会向VBC发出“Thy_on=1”信号，将换流器子模块中的保护晶闸管开通，以保护子模块中的反并联续流二极管。

2 现场调试问题总结

2.1 保护系统冗余问题

出于可靠性考虑，柔性直流输电保护系统应按完全冗余配置，每套冗余配置有各自独立的硬件设备，这样就可避免因保护装置本身故障引起的主设备或系统停运。因此，冗余保护系统中的测量回路之间也应实现相互独立。对于常规互感器，冗余系统应取自互感器不同的二次绕组；而对于非常规互感器，则应取自不同的合并单元。

此次基于PCP的保护系统电流量分别取自交流侧常规电流互感器TA4，桥臂光纤电流互感器TA5、直流场电子式电流互感器TA6。其中TA4，TA6与保护系统的测量回路实现了冗余；但是TA5只设置了单套合并单元，其合并单元只有1个低功率模拟量输出接口(LEA)供2套交流场接口(AFT)同时使用，故PCP(A)，PCP(B)得到的桥臂电流信息量来源于同一个合并单元。当合并单元装置本身出现故障时，冗余保护系统无法实现切换，将导致阀停运，因此示范工程中保护系统的测量回路并未实现真正的双系统冗余。

2.2 阀区差动保护CT极性

基于PCP的阀区保护中主要有桥臂电抗器差动保护以及桥臂阀差动保护，动作判据如表1所示。其中，桥臂差动保护又分为上桥臂差动保护及下桥臂差动保护。

表1 阀区桥臂电抗器差动保护及桥臂阀差动保护配置

表1中：Ic为阀区交流侧电流，取自TA4；Ibp为上桥臂电流，取自上桥臂TA5；Ibn为下桥臂电流，取自下桥臂TA5；Idp为直流正极电流，取自正极TA6；Idn为直流负极电流，取自负极TA6。

工程设计初期，阀区的电流互感器TA5，TA6的P1端是以换流站运行在整流状态下直流电流的方向作为正方向来设计的。但是在施工过程中，由于下桥臂电流互感器并未按原设计安装，而是将P1端朝向了电抗器。因此，下桥臂差动保护与换流电抗器差动保护中在使用下桥臂TA时都将其二次电流取反后再使用。

由于TA5和TA6为非常规互感器，无法用传统的电流互感器极性校验方式进行极性确认。为确认电流互感器极性正确，在现场调试过程中，对整个阀区的差动保护所涉及的电流互感器进行了一次通流试验，通过PCP内的录波功能，确认采样及差动保护元件的正确性。

2.3 接口变保护与AFT接口

示范工程中，作为独立保护的接口变保护，单独配置，以RCS-9671C及RCS-9681C作为其差动及后备保护，并配有接口变本体非电气量保护，保护动作跳闸于交流侧断路器，并通过硬接点同时向AFT(A)与AFT(B)发送跳闸信号。

接口变作为连接交流系统与直流系统的纽带之一，当其发生故障时除了应跳开交流侧断路器外，还应及时地对换流器进行闭锁。工程初期，PCP并未将接口变保护上送的跳闸信号作为闭锁信号转发至VBC系统，而是仅仅作为一般信号传送至后台监控系统。当接口变保护动作跳开交流侧断路器时，换流器并未及时闭锁，而是需要靠PCP内部的保护功能进行判别，以对换流器进行闭锁。这样换流器闭锁不及时，容易造成换流器件过应力损坏。因此，系统厂家对PCP内部逻辑进行修改，当AFT(A)或AFT(B)接受到接口变保护动作的信号开入时，便向VBC发出换流器闭锁命令，同时向AFT发出交流侧断路器开关跳闸命令，通过AFT再次跳开交流侧断路器。