特高压直流送电能力受交直流故障影响因素研究

2020-01-05穆星宇

通信电源技术 2020年16期

穆星宇

（国网蒙东电力检修分公司，内蒙古锡林浩特 026000）

0 引言

我国地域广阔、能源丰富，但是存在经济发达的负荷中心与丰富电源中心间分布不均的问题。受空间分布矛盾以及用电需求量加大的影响，未来我国将形成大规模电力流格局。随着直流输电线路的不断建设，电网结构愈加复杂，从以往简单的单直流连接方式转变为大规模多直流送出，缓解了资源与负荷不均匀分布带来的矛盾，但是增加了电网运行风险。当前需加强对交直流混合系统的研究，科学合理地应对其故障引发的送电风险。

1 特高压交直流混联电网外送电形式与特点

1.1 送电形式

在交直流混联系统建设中，一般是先有交流输电系统，然后加入直流输电线路，以增强送端系统送电能力。根据结构形式的不同，可以将送端电力系统送出形式分为3种，包括电厂直接外送、网内单点送出和网内多点送出形式。其中，电厂直接外送方式适用于大功率电厂，电能从电厂发出后直接通过直流输电线路传递到负荷中心，满足其供电需求。通常，该送出方式比较容易进行分析，因为电厂直接外送发生故障时，送出端处于孤立状态，不会产生非常严重的后果。网内单点外送与电厂直接外送方式存在相似之处，但交流电网会影响直流输电，电网发生故障时整流母线电压会出现波动，波动较大会引发换相失败，影响直流输电线路送电能力。网内多点外送形式，是由多个网内多点形成的直流输电线路，一般多应用于多风电场互联、多种新能源发电互联电网，可以实现灵活、多元化供电。这种送电形式会加大交直流之间的影响，交流系统发生故障时直流系统会出现因充电过电压而闭锁的情况，直流侧故障则会导致大量电能无法外送，同时交流侧产生较大的波动。

1.2 交直流混合运行的特点

直流输电方式功率调节比较灵活，不存在同步运行稳定性问题，也不会加大交流系统短路容量，因此是超高压输电和远距离输电中比较理想的输电方式。但其不足之处在于故障率较高，对此可在实际输电系统中选择采用交直流并列运行方式，不仅可以发挥直流输电灵活特性、快速调节优势，而且可以避免直流单极闭锁引发的切机频繁、窝电和弃水问题。交直流混合运行方式具有直流系统调制功能，受电力系统扰动而引发的功率变化得以抵消，不仅改善了系统低频振荡问题，而且可依据交流频率和系统电压变化进行及时、合理调节。但交直流混合运行方式也存在一定的不足。首先，交流系统会受到直流输电系统的不良影响，一方面直流输电系统故障会冲击交流稳定性，尤其是双极闭锁冲击严重；另一方面存在变压器受到入侵的情况，即直流输电系统接地极电流入侵变压器，易导致变压器励磁电流产生畸变。其次，交流系统出现异常时会对直流系统产生影响，甚至引发直流双极闭锁。一方面接地故障引发换相失败，主要是逆变站附近交流线路出现该问题；另一方面由于未全面、深入掌握交直流混合系统运行特征，对其运行下可能出现保护配合问题缺乏深入研究，而导致实际工作中未采取有效防护措施，缺乏到位的直流保护，因此易受到交流系统故障影响，而无法及时规避故障[1]。

以我国西电东送主网架为例，其显著特点是“强直流、弱交流”，其中占比较大的是直流输电。交流系统与直流系统并联运行下，相比直流系统，交流系统整体更弱，直流系统发生故障后会引发大范围功率转移，导致功角和电压稳定被破坏，不利于保证系统安全稳定性，同时影响输电通道能力。在多馈入直流输电系统中，交流故障引发多回直流系统同时换相失败甚至闭锁的可能性较高。

2 交直流故障对特高压直流送电能力的影响

2.1 交流故障影响因素

2.1.1 交流系统热稳定影响

在特高压直流送电接入电源全开的情况下，会受到交流线路故障影响，其对应的安控动作会降低直流功率。发生该故障的情况下，交流线路事故回线达到热稳极限，此时直流送电能力最大。

2.1.2 交流故障对整流侧的影响

交流系统故障一般发生在换流站周围，会导致换流站出现交流母线电压降低、消失的问题，引发电压波形畸变、线电压过零点偏移等问题。随着交流电压的降低，会降低换流桥直流电压，甚至使其工作被迫停止。如果出现交流电压不对称状况，会引发线电压零点偏移现象，将造成换流桥不等间隔的导通，导致交直流系统无法正常运行。

首先，整流侧交流三相短路故障。发生该故障时，整流器换向电压变化会受到与故障点间距离的影响，故障点距离换流站越近，整流器换向电压有效值和整流器直流电压下降幅度越大，直到电压降至0。受换向电压下降的影响，直流系统会出现电流下降现象，定电流控制转变为逆变侧，导致降低直流输送功能。其中会产生危及直流系统的过电压、过电流，对此不需停运直流系统，消除交流系统故障后，随着其电压恢复，直流功率也会恢复。

其次，一种不对称的整流侧交流单相短路故障。通常，交流系统更易出现对地闪络的单相故障。不同的换流器接线方式会对换向电压产生不同影响，换流变压器中性点有零序分量通过的情况下，需要考虑换向电压过零点相位变化。出现整流侧交流系统单相故障时，受不平衡换向电压影响，直流系统会产生二次谐波，而且直流电流与电压降低，但其输送功率降低幅度较小。系统的单相故障被清除，直流输送功率也可以及时得到恢复。

最后，整流侧交流单相重合闸，即交流线路出现单相相对地闪络故障，其机理与交流系统单相故障机理类似，可通过单相重合闸处理措施消除故障，但需要耗费较长时间，因而直流扰动时间较长[2]。

2.1.3 交流故障对逆变侧的影响

在常规的直流输电系统中，逆变器必须在受端交流系统提供的换相电压支持下才能正常工作。因此，受端交流系统发生故障时，会影响逆变站交流母线，导致其电压幅值、相位等发生变化。

一是由逆变侧交流三相短路故障引发的换相失败问题，此故障导致逆变站交流母线的电压、反电动势降低。交流电压降低速度、幅值主要受交流系统强弱、距离故障点距离的影响。在距离故障点较近且系统比较弱的情况下，交流电压下降幅度大，会引发换相失败。

二是逆变侧交流出现单相短路故障，此故障下如果一相换相电压为0而不便触发脉冲相位，在一相电压幅值降低的同时会改变线电压过零点。此情况下应开通阀开通条件和应关闭阀关断角不足，会引发逆变器连续出现换相失败现象。

三是逆变侧单相重合闸故障。在实际运行过程中，逆变站需设置多回交流线路，其中一回出现单相对地闪络，换相会瞬间失败之后快速恢复。故障顺利切除后，换流变压器三角连线互感作用支持两相运行过程中，换流器各相换相电压保持一定幅值，换相按照正常顺序进行，逆变器恢复到正常状态。重合的情况下，如果未消除单相故障，则会导致逆变器再次换相失败，之后恢复正常。三相重合成功后，可以恢复换相电压和逆变器。无法清除单相故障的情况下，需要交流系统后备保护切除故障，不执行重合闸操作，交流电压恢复后可使直流系统恢复正常。

2.2 直流故障影响因素

以雁淮直流近区网架发生变化后的送电能力为例，雁淮直流送电、长南线南送分别为730万kW和280万kW，直流连续发生4次换相失败和5次换相失败闭锁。4次换相失败后，长南线不解列、华北机组功角稳定。5次换相失败后，闭锁切机530万kW，留不平衡量200万kW，其中长南线不解列、华北机组功角稳定。连续换相失败、双极闭锁故障下，其系统维持稳定状态，按照“4+1”配置即可实施有效的直流换相失败加速保护。

3 直流保护配置应对措施

3.1 过电流保护

过电流保护机理是通过形成换流器过电流保护和电流差动后备保护发挥保护功效，需要测量换流变压器阀侧电力、换流器直流侧中性母线电力等参数。首先，直流过电保护，可以降低换流设备过电流概率，减少设备损坏。其保护原理为运行中对换流器直流侧最大电流值进行测量，对比给定范围，如果故障电流超出一定范围则换流器闭锁。同时，通过保护定值的设置、延时分段方式，使主保护可以有效配合直流运行。其次，交流过电流保护，与前者比较相似，两者不同之处在于需要监测的参数，交流过电流保护需要监测的参数为换流器交流侧电流。

3.2 电压保护

该方面主要保护对象为交流侧、直流侧电压。首先，电压应力保护。通过应用连锁换流变压器分接开关，防止设备在交流电压影响下产生较高电气压力，导致阀避雷器和换流变压器分别出现过应力和过励磁问题。在理想空载直流电压计算过程中，需要结合交流换流母线电压和分接开关位置进行，对比电压值与预设值，如果电压值超出范围，则启动保护动作。具体策略就是在空载直流电压较高的状态下，及时禁止加大分接开关动作。在高于更高定值下，分接开关可发挥作用切换冗余控制系统，以降低直流电压方向动作。如果直流电压更高，此时需闭锁换流器。其次是直流过电压保护，目的是避免分接开关运行不正常，主要是检测直流电压，需结合直流电流、触发角实际情况配合避免过电压情况。在实际运行中，这种保护措施需要结合极控设备中过电压限制和直流线路保护功能等发挥作用。

3.3 直流线路保护

该保护措施的原理就是通过滤出直流电流中基波和二次谐波，根据预定值，如果谐波电流超过该值则开启保护。较小谐波电流下，采取的保护措施是发出延时报警，谐波电流较大时可以将换流器闭锁。在该保护策略下，可以有效检测交流线路与直流线路碰线问题，及时发现其中是否存在阀故障等系统问题和设备缺陷。动作时间需要考虑换相失败保护时间和交流保护最长故障清除时间，主要保护动作就是切换冗余控制系统和闭锁换流器等。