穆星宇

（國(guó)網(wǎng)蒙東電力檢修分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引 言

我國(guó)地域廣闊、能源豐富，但是存在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的負(fù)荷中心與豐富電源中心間分布不均的問題。受空間分布矛盾以及用電需求量加大的影響，未來(lái)我國(guó)將形成大規(guī)模電力流格局。隨著直流輸電線路的不斷建設(shè)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，從以往簡(jiǎn)單的單直流連接方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模多直流送出，緩解了資源與負(fù)荷不均勻分布帶來(lái)的矛盾，但是增加了電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前需加強(qiáng)對(duì)交直流混合系統(tǒng)的研究，科學(xué)合理地應(yīng)對(duì)其故障引發(fā)的送電風(fēng)險(xiǎn)。

1 特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)外送電形式與特點(diǎn)

1.1 送電形式

在交直流混聯(lián)系統(tǒng)建設(shè)中，一般是先有交流輸電系統(tǒng)，然后加入直流輸電線路，以增強(qiáng)送端系統(tǒng)送電能力。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，可以將送端電力系統(tǒng)送出形式分為3種，包括電廠直接外送、網(wǎng)內(nèi)單點(diǎn)送出和網(wǎng)內(nèi)多點(diǎn)送出形式。其中，電廠直接外送方式適用于大功率電廠，電能從電廠發(fā)出后直接通過(guò)直流輸電線路傳遞到負(fù)荷中心，滿足其供電需求。通常，該送出方式比較容易進(jìn)行分析，因?yàn)殡姀S直接外送發(fā)生故障時(shí)，送出端處于孤立狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。網(wǎng)內(nèi)單點(diǎn)外送與電廠直接外送方式存在相似之處，但交流電網(wǎng)會(huì)影響直流輸電，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)整流母線電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)較大會(huì)引發(fā)換相失敗，影響直流輸電線路送電能力。網(wǎng)內(nèi)多點(diǎn)外送形式，是由多個(gè)網(wǎng)內(nèi)多點(diǎn)形成的直流輸電線路，一般多應(yīng)用于多風(fēng)電場(chǎng)互聯(lián)、多種新能源發(fā)電互聯(lián)電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)靈活、多元化供電。這種送電形式會(huì)加大交直流之間的影響，交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)直流系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)因充電過(guò)電壓而閉鎖的情況，直流側(cè)故障則會(huì)導(dǎo)致大量電能無(wú)法外送，同時(shí)交流側(cè)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。

1.2 交直流混合運(yùn)行的特點(diǎn)

直流輸電方式功率調(diào)節(jié)比較靈活，不存在同步運(yùn)行穩(wěn)定性問題，也不會(huì)加大交流系統(tǒng)短路容量，因此是超高壓輸電和遠(yuǎn)距離輸電中比較理想的輸電方式。但其不足之處在于故障率較高，對(duì)此可在實(shí)際輸電系統(tǒng)中選擇采用交直流并列運(yùn)行方式，不僅可以發(fā)揮直流輸電靈活特性、快速調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)，而且可以避免直流單極閉鎖引發(fā)的切機(jī)頻繁、窩電和棄水問題。交直流混合運(yùn)行方式具有直流系統(tǒng)調(diào)制功能，受電力系統(tǒng)擾動(dòng)而引發(fā)的功率變化得以抵消，不僅改善了系統(tǒng)低頻振蕩問題，而且可依據(jù)交流頻率和系統(tǒng)電壓變化進(jìn)行及時(shí)、合理調(diào)節(jié)。但交直流混合運(yùn)行方式也存在一定的不足。首先，交流系統(tǒng)會(huì)受到直流輸電系統(tǒng)的不良影響，一方面直流輸電系統(tǒng)故障會(huì)沖擊交流穩(wěn)定性，尤其是雙極閉鎖沖擊嚴(yán)重；另一方面存在變壓器受到入侵的情況，即直流輸電系統(tǒng)接地極電流入侵變壓器，易導(dǎo)致變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生畸變。其次，交流系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生影響，甚至引發(fā)直流雙極閉鎖。一方面接地故障引發(fā)換相失敗，主要是逆變站附近交流線路出現(xiàn)該問題；另一方面由于未全面、深入掌握交直流混合系統(tǒng)運(yùn)行特征，對(duì)其運(yùn)行下可能出現(xiàn)保護(hù)配合問題缺乏深入研究，而導(dǎo)致實(shí)際工作中未采取有效防護(hù)措施，缺乏到位的直流保護(hù)，因此易受到交流系統(tǒng)故障影響，而無(wú)法及時(shí)規(guī)避故障[1]。

以我國(guó)西電東送主網(wǎng)架為例，其顯著特點(diǎn)是“強(qiáng)直流、弱交流”，其中占比較大的是直流輸電。交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行下，相比直流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)整體更弱，直流系統(tǒng)發(fā)生故障后會(huì)引發(fā)大范圍功率轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致功角和電壓穩(wěn)定被破壞，不利于保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，同時(shí)影響輸電通道能力。在多饋入直流輸電系統(tǒng)中，交流故障引發(fā)多回直流系統(tǒng)同時(shí)換相失敗甚至閉鎖的可能性較高。

2 交直流故障對(duì)特高壓直流送電能力的影響

2.1 交流故障影響因素

2.1.1 交流系統(tǒng)熱穩(wěn)定影響

在特高壓直流送電接入電源全開的情況下，會(huì)受到交流線路故障影響，其對(duì)應(yīng)的安控動(dòng)作會(huì)降低直流功率。發(fā)生該故障的情況下，交流線路事故回線達(dá)到熱穩(wěn)極限，此時(shí)直流送電能力最大。

2.1.2 交流故障對(duì)整流側(cè)的影響

交流系統(tǒng)故障一般發(fā)生在換流站周圍，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站出現(xiàn)交流母線電壓降低、消失的問題，引發(fā)電壓波形畸變、線電壓過(guò)零點(diǎn)偏移等問題。隨著交流電壓的降低，會(huì)降低換流橋直流電壓，甚至使其工作被迫停止。如果出現(xiàn)交流電壓不對(duì)稱狀況，會(huì)引發(fā)線電壓零點(diǎn)偏移現(xiàn)象，將造成換流橋不等間隔的導(dǎo)通，導(dǎo)致交直流系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

首先，整流側(cè)交流三相短路故障。發(fā)生該故障時(shí)，整流器換向電壓變化會(huì)受到與故障點(diǎn)間距離的影響，故障點(diǎn)距離換流站越近，整流器換向電壓有效值和整流器直流電壓下降幅度越大，直到電壓降至0。受換向電壓下降的影響，直流系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)電流下降現(xiàn)象，定電流控制轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儌?cè)，導(dǎo)致降低直流輸送功能。其中會(huì)產(chǎn)生危及直流系統(tǒng)的過(guò)電壓、過(guò)電流，對(duì)此不需停運(yùn)直流系統(tǒng)，消除交流系統(tǒng)故障后，隨著其電壓恢復(fù)，直流功率也會(huì)恢復(fù)。

其次，一種不對(duì)稱的整流側(cè)交流單相短路故障。通常，交流系統(tǒng)更易出現(xiàn)對(duì)地閃絡(luò)的單相故障。不同的換流器接線方式會(huì)對(duì)換向電壓產(chǎn)生不同影響，換流變壓器中性點(diǎn)有零序分量通過(guò)的情況下，需要考慮換向電壓過(guò)零點(diǎn)相位變化。出現(xiàn)整流側(cè)交流系統(tǒng)單相故障時(shí)，受不平衡換向電壓影響，直流系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生二次諧波，而且直流電流與電壓降低，但其輸送功率降低幅度較小。系統(tǒng)的單相故障被清除，直流輸送功率也可以及時(shí)得到恢復(fù)。

最后，整流側(cè)交流單相重合閘，即交流線路出現(xiàn)單相相對(duì)地閃絡(luò)故障，其機(jī)理與交流系統(tǒng)單相故障機(jī)理類似，可通過(guò)單相重合閘處理措施消除故障，但需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，因而直流擾動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)[2]。

2.1.3 交流故障對(duì)逆變側(cè)的影響

在常規(guī)的直流輸電系統(tǒng)中，逆變器必須在受端交流系統(tǒng)提供的換相電壓支持下才能正常工作。因此，受端交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會(huì)影響逆變站交流母線，導(dǎo)致其電壓幅值、相位等發(fā)生變化。

一是由逆變側(cè)交流三相短路故障引發(fā)的換相失敗問題，此故障導(dǎo)致逆變站交流母線的電壓、反電動(dòng)勢(shì)降低。交流電壓降低速度、幅值主要受交流系統(tǒng)強(qiáng)弱、距離故障點(diǎn)距離的影響。在距離故障點(diǎn)較近且系統(tǒng)比較弱的情況下，交流電壓下降幅度大，會(huì)引發(fā)換相失敗。

二是逆變側(cè)交流出現(xiàn)單相短路故障，此故障下如果一相換相電壓為0而不便觸發(fā)脈沖相位，在一相電壓幅值降低的同時(shí)會(huì)改變線電壓過(guò)零點(diǎn)。此情況下應(yīng)開通閥開通條件和應(yīng)關(guān)閉閥關(guān)斷角不足，會(huì)引發(fā)逆變器連續(xù)出現(xiàn)換相失敗現(xiàn)象。

三是逆變側(cè)單相重合閘故障。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，逆變站需設(shè)置多回交流線路，其中一回出現(xiàn)單相對(duì)地閃絡(luò)，換相會(huì)瞬間失敗之后快速恢復(fù)。故障順利切除后，換流變壓器三角連線互感作用支持兩相運(yùn)行過(guò)程中，換流器各相換相電壓保持一定幅值，換相按照正常順序進(jìn)行，逆變器恢復(fù)到正常狀態(tài)。重合的情況下，如果未消除單相故障，則會(huì)導(dǎo)致逆變器再次換相失敗，之后恢復(fù)正常。三相重合成功后，可以恢復(fù)換相電壓和逆變器。無(wú)法清除單相故障的情況下，需要交流系統(tǒng)后備保護(hù)切除故障，不執(zhí)行重合閘操作，交流電壓恢復(fù)后可使直流系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2.2 直流故障影響因素

以雁淮直流近區(qū)網(wǎng)架發(fā)生變化后的送電能力為例，雁淮直流送電、長(zhǎng)南線南送分別為730萬(wàn)kW和280萬(wàn)kW，直流連續(xù)發(fā)生4次換相失敗和5次換相失敗閉鎖。4次換相失敗后，長(zhǎng)南線不解列、華北機(jī)組功角穩(wěn)定。5次換相失敗后，閉鎖切機(jī)530萬(wàn)kW，留不平衡量200萬(wàn)kW，其中長(zhǎng)南線不解列、華北機(jī)組功角穩(wěn)定。連續(xù)換相失敗、雙極閉鎖故障下，其系統(tǒng)維持穩(wěn)定狀態(tài)，按照“4+1”配置即可實(shí)施有效的直流換相失敗加速保護(hù)。

3 直流保護(hù)配置應(yīng)對(duì)措施

3.1 過(guò)電流保護(hù)

過(guò)電流保護(hù)機(jī)理是通過(guò)形成換流器過(guò)電流保護(hù)和電流差動(dòng)后備保護(hù)發(fā)揮保護(hù)功效，需要測(cè)量換流變壓器閥側(cè)電力、換流器直流側(cè)中性母線電力等參數(shù)。首先，直流過(guò)電保護(hù)，可以降低換流設(shè)備過(guò)電流概率，減少設(shè)備損壞。其保護(hù)原理為運(yùn)行中對(duì)換流器直流側(cè)最大電流值進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比給定范圍，如果故障電流超出一定范圍則換流器閉鎖。同時(shí)，通過(guò)保護(hù)定值的設(shè)置、延時(shí)分段方式，使主保護(hù)可以有效配合直流運(yùn)行。其次，交流過(guò)電流保護(hù)，與前者比較相似，兩者不同之處在于需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)，交流過(guò)電流保護(hù)需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)為換流器交流側(cè)電流。

3.2 電壓保護(hù)

該方面主要保護(hù)對(duì)象為交流側(cè)、直流側(cè)電壓。首先，電壓應(yīng)力保護(hù)。通過(guò)應(yīng)用連鎖換流變壓器分接開關(guān)，防止設(shè)備在交流電壓影響下產(chǎn)生較高電氣壓力，導(dǎo)致閥避雷器和換流變壓器分別出現(xiàn)過(guò)應(yīng)力和過(guò)勵(lì)磁問題。在理想空載直流電壓計(jì)算過(guò)程中，需要結(jié)合交流換流母線電壓和分接開關(guān)位置進(jìn)行，對(duì)比電壓值與預(yù)設(shè)值，如果電壓值超出范圍，則啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。具體策略就是在空載直流電壓較高的狀態(tài)下，及時(shí)禁止加大分接開關(guān)動(dòng)作。在高于更高定值下，分接開關(guān)可發(fā)揮作用切換冗余控制系統(tǒng)，以降低直流電壓方向動(dòng)作。如果直流電壓更高，此時(shí)需閉鎖換流器。其次是直流過(guò)電壓保護(hù)，目的是避免分接開關(guān)運(yùn)行不正常，主要是檢測(cè)直流電壓，需結(jié)合直流電流、觸發(fā)角實(shí)際情況配合避免過(guò)電壓情況。在實(shí)際運(yùn)行中，這種保護(hù)措施需要結(jié)合極控設(shè)備中過(guò)電壓限制和直流線路保護(hù)功能等發(fā)揮作用。

3.3 直流線路保護(hù)

該保護(hù)措施的原理就是通過(guò)濾出直流電流中基波和二次諧波，根據(jù)預(yù)定值，如果諧波電流超過(guò)該值則開啟保護(hù)。較小諧波電流下，采取的保護(hù)措施是發(fā)出延時(shí)報(bào)警，諧波電流較大時(shí)可以將換流器閉鎖。在該保護(hù)策略下，可以有效檢測(cè)交流線路與直流線路碰線問題，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中是否存在閥故障等系統(tǒng)問題和設(shè)備缺陷。動(dòng)作時(shí)間需要考慮換相失敗保護(hù)時(shí)間和交流保護(hù)最長(zhǎng)故障清除時(shí)間，主要保護(hù)動(dòng)作就是切換冗余控制系統(tǒng)和閉鎖換流器等。

4 結(jié) 論

特高壓直流送電能力與交直流系統(tǒng)穩(wěn)定性有密切關(guān)系，因此需關(guān)注交直流故障問題，分析存在的主要故障及其形成原因，掌握各類型故障對(duì)直流送電能力的影響，完善相關(guān)應(yīng)對(duì)措施，提升其送電能力。