青藏直流联网工程直流谐波保护研究

吉　程，文　俊，刘宝宏，刘婷婷，符茜茜，韩民晓

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.国家电网公司直流建设分公司，北京 100052)

Research on DC Harmonic Protection in Qinghai-Tibet HVDC Project JI Cheng1, WEN Jun1, LIU Baohong2, LIU Tingting1, FU Xixi1, HAN Minxiao1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University, Beijing 102206, China;

2.State Grid DC Engineering Construction Company, Beijing 100052, China)



青藏直流联网工程直流谐波保护研究

吉程1，文俊1，刘宝宏2，刘婷婷1，符茜茜1，韩民晓1

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.国家电网公司直流建设分公司，北京 100052)

Research on DC Harmonic Protection in Qinghai-Tibet HVDC Project JI Cheng1, WEN Jun1, LIU Baohong2, LIU Tingting1, FU Xixi1, HAN Minxiao1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University, Beijing 102206, China;

2.State Grid DC Engineering Construction Company, Beijing 100052, China)

0引言

青藏直流联网工程(以下简称“青藏直流”)是目前世界上海拔最高、高寒地区建设规模最大的输变电工程，主体工程连接青海格尔木和西藏拉萨，额定参数为：600MW、±400kV、750A，全长1 038km。青藏直流于2011年11月11日投入试运行，结束了西藏电网长期孤网运行的历史，标志着我国内地电网全面互联。然而在试运行期间，由于西北750kV电网主变充电，曾两次使青藏直流的100Hz保护动作(先后发生双极和单极闭锁各一次)。尤其是第一次闭锁发生后，在重新整定100Hz保护的动作延时的情况下，依然发生了直流闭锁。为此，青藏直流从自身情况(相联的西北750kV电网为弱交流系统)出发，将100Hz保护拆分为100Hz与150Hz保护[1-3]。然而在实际运行中，青藏直流独有的150Hz保护的利用率很低，其作用还有很大的研究前景。

本文首先探讨了高压直流输电(High Voltage Direct Current，以下简称HVDC)直流线路上产生低次谐波的原因，并以青藏直流为例，对直流谐波保护的原理与功能进行了分析,进而通过PSCAD/EMTDC仿真软件对各类可能在直流线路中产生谐波的故障进行了仿真，明确了阀短路故障会在直流线路中产生含量很大的150Hz谐波。为此提出将青藏直流新设置的150Hz保护，增加为换流阀短路保护的后备保护，仿真证明此措施提高了青藏直流的稳定性，也使150Hz保护这一新型直流谐波保护可以在普通HVDC工程中应用，极大地提高了150Hz保护的利用率，丰富了直流谐波保护的内容。

1直流低次谐波产生原因

在常规直流工程中，直流50Hz和100Hz保护是交直流系统相互配合的基本保护，作为交流系统或换流器故障的后备保护，在工程中统称为直流谐波保护。正常运行时，双桥12脉动换流器向直流线路注入次数为n=12k(k为自然数)的高次谐波[4-5]，以及幅值极小而忽略不计的低次谐波，但在下述情况下，直流低次谐波将变得很大[6]:

① 由于锁相与同步环节的作用，换流站交流母线n次正序分量在直流侧产生n-1次矢量;换流站交流母线n次负序分量在直流侧产生n+1次矢量[7]。交流系统发生不对称故障时会产生50Hz负序电压，该电压转移至换流器直流侧时就会产生100Hz电压及电流。其产生机理见图1。

图1　交流故障在换流器直流侧产生100Hz分量机理图

② 交流系统中的100Hz背景谐波导致直流系统中产生50Hz及 150Hz分量。变压器饱和是交流系统中产生100Hz谐波的最主要原因。

③ 运行中的直流输电线路受与之平行的交流输电线路感应，产生50Hz分量。

④ 换流器故障或触发系统故障，均导致换流器直流侧产生50Hz及100Hz谐波。

⑤ 连续换相失败会在直流侧产生50Hz和其他低次谐波。

上述原因中的一个或多个组合在一起，导致直流线路中产生低次谐波分量。

2直流谐波保护

设置直流谐波保护的主要目的是：①作为交流不对称故障的后备保护，防止交流系统故障威胁直流系统的正常运行，保障直流输电设备(如交、直流滤波器以及换流阀缓冲电路)的安全；②作为桥差动保护的后备保护，以便检测出连续换相失败故障；③作为换流器阀保护的后备保护[6]。

在常规直流工程中，直流谐波保护包含直流50Hz保护和直流100Hz保护两种保护，而二者的目的不尽相同。当换流阀故障(包括阀误开通、不开通以及换相失败等)发生时，直流线路中的50Hz谐波的幅值大于100Hz分量，因此50Hz保护是换流阀主保护的后备保护；而在换流器交流侧发生不对称故障时，直流100Hz谐波的幅值更大[8-9]，从而100Hz保护承担交流系统故障主保护的后备保护的任务。

以青藏直流为例，格尔木换流站直流谐波保护设计有3段：直流电流中的50Hz或100Hz分量超过动作定值后，Ⅰ段延时t1=0.35s发报警,并切换到备用极控系统，切换后若仍有低次谐波分量,则排除极控系统故障的可能；Ⅱ段延时t2=2s发降功率命令到极控系统，将直流电流下降至0.3p.u;若降低功率后上述谐波分量仍存在，则Ⅲ段延时t3=3s发闭锁命令到极控系统实现极闭锁。动作阈值为

(1)

式中:Id100Hz为直流100Hz谐波电流；Id为直流平均电流瞬时值；IdN为直流平均电流额定值。(下文Id50Hz，Id100Hz，Id150Hz等皆为此意)

格尔木换流站100Hz保护检测频宽为80Hz～200Hz，涵盖了2～4次谐波。

我国部分HVDC工程，直流谐波保护配置情况如表1所示[10-15]。由表1可知，直流150Hz保护是青藏直流独有的直流谐波保护，这是由青藏直流独特的性质决定的。

表1　国内部分直流工程直流谐波保护配置表

3青藏直流谐波保护现状

3.1事故回顾与原因分析

① 2011年11月16日，青藏直流双极大地回线运行，参数为：100MW、±400kV、125A，功率方向为格尔木至拉萨。官厅2#750kV主变于当晚21时01分29秒首次充电，01分32秒，格尔木换流站双极的100Hz保护同时动作，导致双极闭锁。

② 2011年12月11日00时55分，青藏直流系统双极大地回线降压运行，参数为：42MW、±280kV、75A，功率方向为格尔木至拉萨。55分18秒，武胜750kV主变检修后首次充电，55分21秒，格尔木换流变电站极Ⅰ直流100Hz保护动作。极I闭锁后极II功率转代成功，直流没有损失功率，藏中电网运行稳定[1-2]。

上述两次直流闭锁故障，都是由西北电网750kV主变合闸充电引起的。主变充电将产生很大的励磁涌流，励磁涌流向交流电网注入数值很大的100Hz谐波电流，该谐波电流传递到750kV线路末端的格尔木换流站时，导致谐波放大，从而使格尔木换流站的交流100Hz谐波负序电压很大，交流侧的n次谐波经过换流器会在直流侧产生n+1与n-1次谐波。所以在青藏直流的直流侧产生很大的150Hz谐波电流，超过了直流保护动作定值，导致直流谐波保护误动作闭锁直流。

3.250Hz保护定值方案

鉴于青藏直流接入弱交流系统的特殊性，在交流系统出现100Hz正序电压时，直流出现50Hz功率振荡，50Hz保护也会动作，称作区外保护。而常规50Hz保护称作区内保护,可以将50Hz保护增设逻辑判据来区分区内外故障,具体办法如下：

控制系统丢失脉冲故障产生的直流50Hz分量在交流系统产生的I100Hz(交流侧100Hz谐波电流)≤0.01×Irms(交流侧电流有效值) ，采用3%的检测门槛鉴别区内外保护足够可靠，在I100Hz<3%Irms时，采用区内保护；否则，采用区外保护。

对于区外保护，动作阈值

(2)

式中：Id50Hz为直流50Hz谐波电流;Id为直流平均电流瞬时值。并设保护的下限为63.75A，上限为200A。

3.3100Hz保护定值方案

100Hz保护原有设计方案的谐波电流采样带宽为80～200Hz，同时包含了100Hz和150Hz谐波。

为了适应直流接入弱交流系统的现状，现将150Hz保护从100Hz保护分离出来，即100Hz保护谐波电流检测带宽缩小为80Hz～120Hz，动作电流阈值维持不变[9-10]。

3.4新增150Hz保护

交流系统出现100Hz负序谐波时，直流侧会产生150Hz谐波分量。150Hz谐波同样对直流设备有一定损害，同时引起互联电网之间出现持续功率振荡，因此青藏直流设置150Hz保护。

从100Hz保护分离后，作为新设置的保护谐波电流采样带宽为130～170Hz。150Hz保护的动作阈值为

(3)

式中：Id150Hz为直流150Hz谐波电流;Id为直流平均电流瞬时值。并设保护的下限为63.75A，上限为200A。

依据此直流谐波保护定值，青藏直流之前的两次直流谐波保护闭锁均可避免。运行至今未再次出现直流闭锁故障。

4直流150Hz保护仿真分析

交流系统主变充电属于正常动作，150Hz保护应仅在Id150Hz超过动作阈值时动作，工程运行中150Hz保护的利用率非常低。为了研究新增150Hz保护的必要性，以及提高150Hz保护的利用率，本文对各类可能在直流线路电流中产生低次谐波的故障进行了仿真，建立了青藏直流的PSCAD/EMTDC仿真模型，研究直流侧出现150Hz谐波的情况。该模型的主电路如图2所示。

图2　青藏直流主电路图

设故障统一在t=2s时发生，此时系统运行已达稳定状态。故障持续时间为1s，t=3s时故障切除。

4.1整流侧

4.1.1交流系统不对称故障

交流系统发生单相短路，相间短路及两相接地短路故障时，直流低次谐波含有率如表2所示。

由表2可以看出，整流侧交流系统不对称故障在直流侧产生的低次谐波主要为100Hz分量，50Hz与150Hz分量也较正常运行时略有升高，但幅度很小。在仿真的3类故障中，相间短路故障的情况最为严重，Id中的Id100Hz分量最大时可达到21.6%。验证了上文100Hz保护承担交流系统故障主保护的后备保护的正确性。

表2　交流不对称故障时直流低次谐波含有率　%

4.1.2阀误开通与不开通故障

整流器发生误开通的概率很小,即使发生误开通,也仅相当于提前开通,对直流系统正常运行的扰动不大。通过极控系统调节可使直流系统保持正常运行[5]。因而整流器误开通产生的直流低次谐波对系统的影响可忽略不计。

修改整流侧换流阀的触发逻辑，使得整流器某一个阀不开通时，其直流低次谐波仿真结果如图3所示，低次谐波电流中Id50Hz含量最大，约占Id的21.3%。另外，Id100Hz含量略小于Id50Hz，但也超出正常范围，约占Id的13.5%。而Id150Hz的含量只有2.1%，可见整流侧阀不开通故障应以50Hz保护作为后备。

图3　整流阀不开通时直流低次谐波含有率

4.1.3整流侧阀短路故障

阀短路故障是换流器的最为严重的故障，阀短路时，换流器交流侧交替出现两相和三相短路，使换流变压器铁心饱和，产生巨大的励磁涌流。本文仿真了整流侧换流阀单相接地短路故障，直流低次谐波含量仿真结果如图4所示，低次谐波电流中Id150Hz的比重最大，占到23.6%，Id100Hz与Id50Hz的含量大致相同，也都严重超标，约占Id的18%～19%。

图4　整流侧阀短路时直流低次谐波含有率

文献[16]中，仿真了整流侧换流变压器阀侧C相接地短路故障。换流变压器交流侧各相的差流谐波与基波比值如表3所示，交流系统三相的100Hz差流谐波幅值都很大，在10%以上，其中以故障相最为严重，差流谐波与基波比值高达23.28%。交流侧过大的100Hz谐波电流会使直流侧Id150Hz含量很高，这与上文4.1.3节中，整流侧换流阀单相接地短路故障仿真的结果吻合。

表3　整流侧换流阀短路故障时Id中差流谐波含有率

由此可见，阀短路故障会在直流侧产生大量的150Hz谐波，其产生机理与青藏直流主变空载合闸的情况相同。即换流变由于铁心和CT流过很大的电流而饱和，继而产生很大的励磁涌流。不同的是，青藏直流主变充电属正常动作，而换流阀短路是严重故障。

4.2逆变侧

逆变侧和整流侧相比，情况有所不同，许多故障情况都会引起换相失败。交流侧不对称故障有可能会引起短暂换相失败，可以通过多次仿真，得到引起换相失败情况下的谐波含量示意图。

4.2.1单相接地短路故障

如图5(a)所示，此次单相接地短路时，引起了换相失败，导致直流线路上Id50Hz超标，平均约占Id的7.3%。而如图5(b)所示的没有导致换相失败的情况下，单相接地短路会在直流线路产生较大100Hz谐波。但与整流侧交流系统故障相比，情况并不严重，Id100Hz约占Id的3.4%。两种情况下，Id50Hz和Id150Hz的含量都很小。

图5　逆变侧单相短路时Id中谐波含量

4.2.2两相相间短路故障

如图6所示，逆变器交流侧两相相间短路，引起换相失败两相相间短路导致换相失败的概率很低，在故障发生之前，1,2,3次谐波电流在Id中的含量皆约等于零，等到故障发生稳定之后，100Hz谐波较大，但比整流侧交流系统故障小得多，Id100Hz约占Id的3.1%，Id50Hz与Id150Hz没有明显变化，占Id的比例非常小。

图6　逆变侧两相相间短路时Id中谐波含量

4.2.3两相接地短路

与两相相间短路的情况相似，两相接地短路导致换相失败的概率也很低。如图7所示，逆变器交流侧两相接地短路，没有引起换相失败时，100Hz谐波较大，Id100Hz约占Id的3.5%，而Id50Hz与Id150Hz的含量很小。

图7　逆变侧两相接地短路时Id中谐波含量

可见，交流系统在逆变侧的不对称故障，严重性比在整流侧要小。然而情况却更复杂，还要考虑引起换相失败的可能性。

4.2.4阀短路、误开通和不开通故障

逆变侧阀短路、阀误开通和阀不开通都很有可能在逆变侧产生连续换相失败，以阀不开通为例，得到图8所示波形。

图8　逆变侧阀不开通导致换相失败时Id中谐波含量

逆变侧阀不开通时，逆变侧出现了周期性的连续换相失败，连续换相失败导致直流线路上50Hz谐波含量很大，且持续波动，最严重时Id50Hz约占Id的50%以上。Id100Hz与Id150Hz也超出正常范围，最严重时分别占Id的20%和13.5%。可见，阀不开通故障的严重性，逆变侧比直流侧要大得多。

4.3直流线路与临近交流线路碰线故障

对于长距离架空直流输电线路，会与许多不同电压等级的交流线路相交，在长期的运行中，可能发生直流线路碰线故障，直流交流线路碰线，在直流线路中会出现50Hz分量[16]。

5150Hz保护的改进措施

由以上仿真知，阀短路故障会在换流器直流侧产生150Hz谐波。换流阀短路是换流器最为严重的一种故障。青藏直流150Hz保护作用单一，利用率低，经过上述仿真分析，可将150Hz增加为换流阀短路保护的后备保护。

阀短路故障发生后，Id会显著降低[16]。而交流系统主变充电时，仅因产生的励磁涌流使直流侧低次谐波分量有所增加，直流侧Id的幅值基本不变。

因此，若直流线路上出现150Hz谐波，且直流线路Id的大小保持不变，则说明西北电网主变充电，为区外保护。若直流线路上出现150Hz谐波，且直流线路Id的大小显著下降，则判定发生了阀短路故障，称为区内保护。具体判定逻辑见表4。

表4　青藏直流150Hz动作逻辑(改进后)

区外保护的延时时间和动作方程无需重新确定，仍沿用原工程设计即可。新增的区内150Hz保护作为阀短路故障的后备保护，其延时时间应参考同为后备保护的100Hz保护，与阀短路保护的动作时间相配合，初步整定为延时t=3s，而动作方程，参考之前4.1.3的仿真数据，在最不严重的换流变阀侧单相接地故障时，Id150Hz电流占Id的23.6%，并参考100Hz保护的规则，可以将150Hz谐波保护区内保护的动作方程定为

(4)

式中:Id150Hz为直流150Hz谐波电流;Id为直流平均电流瞬时值;IdN为直流平均电流额定值。

这样，增加换流阀短路保护的后备保护为区内保护的150Hz谐波保护，既减小了主变充电时换流器直流谐波保护误动作的可能性，又提高了整流侧阀短路保护的可靠性。

6结论

本文针对西北电网合空变导致青藏直流闭锁故障展开研究，得到如下结论。

① 经过仿真实验，提出了将青藏直流新增设的150Hz保护作为换流阀短路故障的后备保护的概念。

150Hz保护是我国青藏直流最新设置的直流谐波保护，全国乃至世界范围内都无先例可循。本文对150Hz保护提出的改进措施，使150Hz保护这一新型保护的适用范围从只限于连接弱交流系统的HVDC工程，扩展到了所有HVDC工程。且此措施无需新增设备，仅通过增设逻辑判据和动作方程达到区分区内区外故障的目标。

② 经过修改的青藏直流谐波电流保护可以准确动作，避免直流闭锁故障，安全可靠。

③ 通过仿真全面分析研究了不同故障在直流线路中产生低次谐波的异同点：

换流器阀不开通故障会在直流线路中产50Hz谐波；交流系统发生不对称故障时，直流线路中产生100Hz谐波，其中相间短路的情况最为严重；阀短路故障会向直流系统注入大量150Hz谐波。

上述故障若发生在逆变侧则有可能引起连续换相失败，使得直流线路中含有50Hz谐波。

参考文献

[1]种芝艺，粟小华，刘宝宏.西北电网主变充电引起青藏直流闭锁的原因分析及对策[J].电力建设，2013，34(3)：88-91.

[2]刘宝宏，马为民，殷威扬.青海—西藏±400kV直流联网工程的启停方法设计[J].电力建设，2012，33(5)：8-11.

[3]李兴源，赵睿，刘天琪，等.传统高压直流输电系统定性分析和控制综述[J].电工技术学报，2013，28(10)：288-300.

[4]韩民晓，文俊，徐永海.高压直流输电原理与运用[M].2版.北京:机械工业出版社,2012.

[5]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].2版.北京:中国电力出版社,2010.

[6]傅闯，饶宏，黎小林.交直流混合电网中直流50Hz和100Hz保护研究[J].电力系统自动化，2008，32(12)：57-60.

[7]周红阳，余江，黄佳胤，等.直流输电系统 100Hz 保护的相关问题研究[J].南方电网技术，2008， 2(4)：88-92.

[8]LIU Ke-zhen, YU Ji-lai, SHU Hong-chun.et al. Study on the Operation Area of the 100Hz Protection [C]. Power and Energy Engineering Conference, 2011:1-4.

[9]周红阳, 余 江, 黄佳胤，等.南方电网直流 100Hz保护的改进措施[J].电力自动化设备，2007，27(12)：96-10.

[10]徐海军，阮思烨，吕鹏飞.高岭背靠背直流 50Hz 和100Hz保护动作分析[J].电力系统保护与控制，2010，38(4)：54-57.

[11]余江，周红阳，黄佳胤，等.影响直流100Hz保护的交流系统故障范围分析[J].电力系统自动化，2008，32(3)：48-51.

[12]LIU Ke-zhen, YU Ji-lai, SHU Hong-chun,et al. Study on Electrical Transient Protection for ±800kV UHVDC Transmission Lines[C]. Power and Energy Engineering Conference, 2012:1-5.

[13]邓本飞.天广高压直流输电线路保护系统综述[J]. 电力系统保护与控制，2008，36(19)：71-74.

[14]曹森,王德意,王涛，等.灵宝背靠背直流输电工程冗余极控系统的实现[J].电力系统自动化，2005,29(20):89-92.

[15]周佩朋，项祖涛，杜宁，等.西北750kV电网合空变导致青藏直流闭锁故障分析[J].电力系统自动化，2013，37(10)：129-133.

[16]乔小敏，王增平，文俊.高压直流输电中谐波对换流变压器差动保护的影响[J].电力系统保护与控制，2009，37(10)：111-114.

吉程(1990—)，男，硕士研究生，主要研究方向为高压直流输电技术,E-mail: 1990jicheng@163.com。

(责任编辑：林海文)

摘要：介绍了青藏直流联网工程试运行期间发生的两次直流闭锁故障，分析了事故原因，并说明了相应的直流谐波保护修改措施。在此基础上介绍了换流器直流侧低次非特征谐波产生的机理以及直流谐波保护的逻辑原理。通过PSCAD/EMTDC软件对各类可能在直流线路中产生低次谐波的故障进行仿真，明确了各类故障在直流线路上产生谐波的次数以及含有率。最后提出：在原有谐波保护改进的基础上，令青藏直流新增的150Hz谐波保护，作为阀短路保护的后备保护。仿真证明此措施提高了工程的稳定性，也拓展了150Hz保护这一新型保护的适用范围。

关键词：直流谐波保护；150Hz保护；高压直流输电；主变充电；直流闭锁

Abstract：In this paper, two blockings failures of Qinghai-Tibet HVDC project during its pilot operation are introduced, their causes are analyzed, and improved measures of relative DC harmonic protection are discussed. Then the causing mechanism of low-order harmonic in DC side and the logic mechanism of DC harmonic protection are introduced. The simulations for all kinds of low-order harmonic faults in DC transmission lines are carried out by using PSCAD/EMTDC software, and the harmonics frequency and magnitude of all faults have been determined. In the end, based on the improvement of Qinghai-Tibet HVDC project, a kind of new 150Hz harmonic protection is applied as the backup protection of valve short circuit protection. Simulations show that proposed measure can improve the stability of the project, which widens the application area of this new 150Hz protection.

Keywords：DC harmonic protection; 150Hz harmonic protection; HVDC; main transformer charging; DC blockings

作者简介：

收稿日期：2015-01-07

基金项目：国家自然科学 (51177044)

中图分类号：TM773

文献标志码：A

文章编号：1007-2322(2016)01-0074-06