陳明泉 肖世挺 嚴(yán)昌華 施清山 吳金福

廈門柔直工程高頻諧波保護(hù)方案分析與試驗(yàn)

陳明泉1,2肖世挺1嚴(yán)昌華1,2施清山1吳金福1,2

（1. 福建中試所電力調(diào)整試驗(yàn)有限責(zé)任公司，福州 350007； 2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007）

國內(nèi)外柔性直流工程在接入電網(wǎng)后多數(shù)發(fā)生了不同程度的高頻振蕩，采取相應(yīng)抑制策略后，高頻振蕩問題仍不能徹底解決。本文結(jié)合廈門柔直工程新增高頻諧波保護(hù)的應(yīng)用實(shí)例，對高頻諧波保護(hù)原理、判據(jù)等邏輯進(jìn)行詳細(xì)說明，通過仿真試驗(yàn)和現(xiàn)場檢驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。同時(shí)，針對高頻諧波保護(hù)存在的不足，提出相應(yīng)的優(yōu)化建議，以期為同類工程改造提升提供參考。

柔性直流；模塊化多電平換流器（MMC）；高頻振蕩；抑制策略

0 引言

2011年至今，我國相繼投入運(yùn)行的柔性直流工程有±30kV/18MW上海直匯風(fēng)電柔性直流接入工程、±160kV/20MW南網(wǎng)南澳風(fēng)電多端柔性直流接入工程、±200kV/300MW浙江舟山多端柔性直流海島供電工程、±320kV/1 000MW廈門柔性直流輸電科技示范工程（以下簡稱廈門柔直工程）、±350kV/ 1 000MW魯西背靠背直流異步聯(lián)網(wǎng)工程、±420kV/ 5 000MW渝鄂背靠背聯(lián)網(wǎng)工程、±500kV/3 750MW張北四端柔性直流試驗(yàn)示范工程、±800kV/5 000MW昆柳龍?zhí)馗邏喝嘶旌现绷鞴こ?、?00kV/1 100MW如東深海風(fēng)電送出工程、±800kV/8 000MW白江特高壓混合直流工程、±300kV/3 000MW廣東背靠背直流工程等。

其中，廈門柔直工程是首個(gè)采用對稱雙極接線方案[1-7]的直流工程，電壓等級±320kV，直流電流1 600A，輸送容量1 000MW。相比于其他接線方式，對稱雙極接線方式供電可靠性更高。工程一次系統(tǒng)采用中電普瑞公司生產(chǎn)的模塊化多電平換流器（modular multilevel converter, MMC）[8-11]作為換流核心設(shè)備，二次系統(tǒng)核心設(shè)備是由南瑞繼保公司生產(chǎn)的極控保（pole control and protection, PCP）系統(tǒng)和中電普瑞公司生產(chǎn)的閥控系統(tǒng)（valve base controller, VBC）組成。廈門柔直工程一次主接線簡化示意圖如圖1所示。

圖1 廈門柔直工程一次主接線簡化示意圖

相較于常規(guī)直流或兩電平換流器和三電平換流器等，基于MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)的開關(guān)頻率低、損耗小、波形質(zhì)量好；但MMC的電力電子設(shè)備多、控制系統(tǒng)復(fù)雜、內(nèi)部動態(tài)特性穩(wěn)定性差，易在接入電網(wǎng)時(shí)與系統(tǒng)發(fā)生高頻振蕩問題。例如，西班牙—法國聯(lián)網(wǎng)工程在1.6kHz頻段、魯西背靠背工程在1 271Hz頻段、渝鄂工程在1 810Hz和700Hz頻段、張北工程在3 550Hz、1 550Hz及750Hz頻段、如東工程在2 500Hz和2 000Hz頻段均發(fā)生了高頻諧振事件[12-17]。本文所述的廈門柔直工程在端對端系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，直流側(cè)發(fā)生了23Hz左右的低頻振蕩和530Hz左右小幅度的高頻振蕩事件。

目前，針對MMC的高頻振蕩抑制策略分別有調(diào)整MMC控制系統(tǒng)的有源抑制策略和添加硬件濾波支路的無源抑制策略。文獻(xiàn)[14]提出通過優(yōu)化序分量分離算法，在電壓前饋環(huán)節(jié)、電流反饋環(huán)節(jié)增加濾波器，采用弱反饋控制算法等高頻振蕩抑制策略。但是，數(shù)字濾波器帶寬不能無限降低，且不合適的帶寬會惡化中頻段阻抗特性；另外，在故障穿越過程中，弱反饋控制內(nèi)環(huán)限流環(huán)節(jié)的投入仍不可避免會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。文獻(xiàn)[15]提出基于電壓前饋環(huán)節(jié)比例諧振控制的有源抑制方法和基于幅相校正器的無源抑制策略，該策略僅在理論上可實(shí)現(xiàn)全頻段抑制，當(dāng)前并未在實(shí)際工程中應(yīng)用。文獻(xiàn)[16]提出基于電壓前饋環(huán)節(jié)非線性濾波的抑制策略，該策略能夠改善柔直系統(tǒng)在中、高頻段的阻抗特性，有效降低諧振風(fēng)險(xiǎn)，但未能在全頻段完全消除諧振可能。文獻(xiàn)[17]提出基于有源低通濾波器和基于改進(jìn)橋臂電抗的無源阻尼法，理論上能有效抑制高頻振蕩，保證換流器交流側(cè)高頻阻抗呈正阻尼特性。雖然上述策略均有高頻抑制效果，但在實(shí)際工程中仍無法徹底解決全頻段的柔直系統(tǒng)諧振問題；此外，鮮有文獻(xiàn)針對柔直工程的高頻振蕩問題，為防止高頻振蕩幅度過大超過設(shè)備（換流變、橋臂電抗器）的耐受能力導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至燒毀而提出增設(shè)高頻諧波保護(hù)的應(yīng)用方案。

鑒于此，本文結(jié)合廈門柔直工程新增高頻諧波保護(hù)方案的應(yīng)用實(shí)例，對方案中高頻諧波保護(hù)原理、判據(jù)等邏輯進(jìn)行詳細(xì)說明，闡述保護(hù)功能現(xiàn)場檢驗(yàn)方法及注意事項(xiàng)，最后通過仿真試驗(yàn)和現(xiàn)場檢驗(yàn)對方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 廈門柔直工程高頻諧波保護(hù)

1.1 高頻諧波保護(hù)配置方案

由于廈門柔直工程屬于早期建設(shè)工程，且運(yùn)行過程中并未暴露出明顯的交流系統(tǒng)高頻振蕩問題，因此未配置后續(xù)新建工程中采用的電壓諧波保護(hù)及電流諧波保護(hù)。

按照防止柔性直流關(guān)鍵設(shè)備事故措施和柔直換流站設(shè)備可靠性提升重點(diǎn)措施的通知[18]文件要求，為監(jiān)視及預(yù)防系統(tǒng)振蕩，柔性直流控制保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)配置電壓諧波保護(hù)、電流諧波保護(hù)等功能，在廈門柔直工程極保護(hù)（pole protection, PPR）系統(tǒng)中增設(shè)諧波保護(hù)跳閘功能，其包含網(wǎng)側(cè)電壓諧波畸變率保護(hù)、閥側(cè)諧波電流保護(hù)及橋臂電抗器諧波過負(fù)荷保護(hù)。諧波保護(hù)配置如圖2所示，圖2中s為網(wǎng)側(cè)交流電壓，VC為換流器閥側(cè)電流，BP、BN為換流器上、下橋臂電流。

圖2 諧波保護(hù)配置

1.2 網(wǎng)側(cè)電壓諧波畸變率保護(hù)

網(wǎng)側(cè)電壓諧波畸變率保護(hù)邏輯是分相提取網(wǎng)側(cè)交流電壓s的2～40次諧波，計(jì)算出每相總諧波畸變率（total harmonics distortion, THD）的大小，若大于網(wǎng)側(cè)電壓基波額定值的7%，則延時(shí)10s保護(hù)報(bào)警出口。為防止變壓器涌流沖擊的影響，對7次及以下各次諧波進(jìn)行2%限幅，并經(jīng)s基波閉鎖。網(wǎng)測電壓諧波畸變率保護(hù)邏輯示意圖如圖3所示。

1.3 閥側(cè)諧波電流保護(hù)

浦園、鷺島換流站的換流變壓器分別為特變電工沈陽變壓器集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的ZZDFPZ—176700/220—320型和山東電力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZZDFPZ—176700/230—320型分相雙繞組油浸式有載調(diào)壓變壓器。根據(jù)廠家提供的換流變諧波耐受能力值，考慮額定運(yùn)行工況下，疊加不同水平的諧波量，諧波電流計(jì)算至40次，確定換流變在額定運(yùn)行工況下的耐受時(shí)間。以換流變閥側(cè)額定相電流峰值作為基準(zhǔn)值b_nom（2 598.14A），根據(jù)廠家提資數(shù)據(jù)，采用曲線擬合的方式，將不同頻次電流轉(zhuǎn)換為同一頻率下的等效總熱電流，用于判斷設(shè)備耐受時(shí)間。廈門柔直工程兩站閥側(cè)諧波電流保護(hù)曲線擬合后的動作特性示意圖如圖4所示。

圖4 兩站閥側(cè)諧波電流保護(hù)曲線擬合后動作特性示意圖

閥側(cè)諧波電流保護(hù)邏輯是分相提取換流變閥側(cè)交流電流VC的2～40次諧波，根據(jù)提取擬合后的VC_THD諧波大小范圍自動切換輸出至對應(yīng)段諧波保護(hù)元件，若滿足該段諧波保護(hù)元件的判據(jù)，則保護(hù)動作出口閉鎖換流器、跳開網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)斷路器，并啟動網(wǎng)側(cè)開關(guān)失靈保護(hù)；反之則保護(hù)不動作。閥側(cè)諧波電流保護(hù)邏輯示意圖如圖5所示。

圖5 閥側(cè)諧波電流保護(hù)邏輯示意圖

1.4 橋臂電抗器諧波過負(fù)荷保護(hù)

浦園、鷺島換流站的橋臂電抗器分別為西安中揚(yáng)電氣股份有限公司生產(chǎn)的PKDGKL—160—1600—60型和北京電力設(shè)備總廠生產(chǎn)的PKK—320—100/600—60型干式電抗器。根據(jù)廠家提供信息，考慮趨膚效應(yīng)系數(shù)影響的電抗器過負(fù)荷能力值，確定橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)的基準(zhǔn)電流B、動作定值B、時(shí)間常數(shù)等，廈門柔直工程橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)定值見表1。

表1 廈門柔直工程橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)定值

電抗器過負(fù)荷保護(hù)邏輯是分別提取上、下橋臂每相交流電流BP、BN的2～40次諧波，提取的諧波電流分別與對應(yīng)的諧波次數(shù)趨膚效應(yīng)系數(shù)相乘后，輸出至橋臂電抗器反時(shí)限保護(hù)元件進(jìn)行反時(shí)限計(jì)算，橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)采用符合IEC 60255—8標(biāo)準(zhǔn)的反時(shí)限特性曲線方程，即

式中：為動作時(shí)間；為熱過負(fù)荷時(shí)間常數(shù)，也稱散熱時(shí)間常數(shù)；B為熱過負(fù)荷基準(zhǔn)電流，也稱持續(xù)運(yùn)行電流；為熱過負(fù)荷動作定值系數(shù)，也稱長期過載倍數(shù)；為上橋臂交流相電流BP或下橋臂交流相電流BN的2～40次諧波電流值。待持續(xù)熱積累值達(dá)到反時(shí)限動作值時(shí)，動作出口，閉鎖換流器、跳開網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)斷路器，并啟動網(wǎng)側(cè)開關(guān)失靈保護(hù)。橋臂電抗器諧波過負(fù)荷保護(hù)邏輯示意圖如圖6所示。

1.5 高頻諧波保護(hù)跳閘回路

廈門柔直工程極保護(hù)系統(tǒng)采用三重化配置，三套極保護(hù)動作后分別輸出至三取二主機(jī)A、B及極控制系統(tǒng)值班主機(jī)，經(jīng)“三取二”邏輯[19-20]判斷滿足條件后，驅(qū)動IO板卡出口跳閘。保護(hù)跳閘回路示意圖如圖7所示。

圖6 橋臂電抗器諧波過負(fù)荷保護(hù)邏輯示意圖

圖7 保護(hù)跳閘回路示意圖

2 高頻諧波保護(hù)仿真及現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室對新增設(shè)的諧波保護(hù)跳閘功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，模擬在工程仿真系統(tǒng)中注入諧波，從極保護(hù)的動作結(jié)果可以看出：網(wǎng)側(cè)電壓諧波畸變率保護(hù)、閥側(cè)諧波電流保護(hù)及橋臂電抗器諧波過負(fù)荷保護(hù)均能正確動作。諧波保護(hù)跳閘仿真試驗(yàn)項(xiàng)目見表2。

廈門工程極保護(hù)裝置的諧波保護(hù)采樣輸入取自站內(nèi)對應(yīng)電子式互感器輸出的采用IEC 60044—8協(xié)議FT3接口的數(shù)字量，現(xiàn)場通過數(shù)字式繼保測試儀模擬高頻振蕩故障輸出的數(shù)字量，檢查極保護(hù)諧波保護(hù)跳閘功能的正確性。具體調(diào)試方法見文獻(xiàn)[21]，除采樣方式有異于常規(guī)模擬量保護(hù)裝置試驗(yàn)外，其他均與常規(guī)模擬量保護(hù)裝置試驗(yàn)方法類似，本文不再贅述。由于橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)為反時(shí)限元件保護(hù)，且過負(fù)荷保護(hù)時(shí)間常數(shù)太大，不便于現(xiàn)場試驗(yàn)，因此現(xiàn)場可對時(shí)間常數(shù)進(jìn)行臨時(shí)置數(shù)（置為允許的最小值）后再驗(yàn)證保護(hù)功能。

表2 諧波保護(hù)跳閘仿真試驗(yàn)項(xiàng)目

（續(xù)表2）

上述試驗(yàn)結(jié)果均與預(yù)期結(jié)果一致，區(qū)內(nèi)保護(hù)均能正確動作。不過，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)保護(hù)邏輯存在不足之處：①若閥側(cè)高頻振蕩幅值在閥側(cè)諧波電流保護(hù)兩段動作區(qū)之間來回波動，則可能造成閥側(cè)諧波電流保護(hù)動作時(shí)間延長，超過延時(shí)整定值，甚至拒動，因保護(hù)各段元件分別計(jì)時(shí)，且諧波幅值超出該段動作區(qū)后計(jì)時(shí)器清零，再次進(jìn)入動作區(qū)時(shí)重新計(jì)時(shí)；②橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)的熱過負(fù)荷時(shí)間常數(shù)非常大，造成保護(hù)動作返回慢，根據(jù)廠內(nèi)仿真測試報(bào)告結(jié)果，保護(hù)動作返回時(shí)間約為11.3s，由于保護(hù)動作出口有啟動交流站斷路器失靈，進(jìn)而造成故障切除后，啟動失靈出口返回時(shí)間遠(yuǎn)大于30ms的要求[22]。建議廠家后續(xù)可采取相應(yīng)措施進(jìn)行優(yōu)化，如：①閥側(cè)諧波電流保護(hù)的相鄰段保護(hù)動作區(qū)可相互交叉，以躲過閥側(cè)高頻振蕩幅值振擺范圍，或者諧波幅值大于該段保護(hù)動作區(qū)時(shí)計(jì)時(shí)器仍繼續(xù)積計(jì)，小于該段動作區(qū)時(shí)則清零；②橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)動作出口僅閉鎖換流器、跳開網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)斷路器，不啟動網(wǎng)側(cè)開關(guān)失靈保護(hù)。

3 結(jié)論

本文結(jié)合廈門柔直工程新增高頻諧波保護(hù)的應(yīng)用實(shí)例，對高頻諧波保護(hù)原理、判據(jù)等邏輯進(jìn)行詳細(xì)說明，通過仿真試驗(yàn)和現(xiàn)場檢驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)高頻諧波保護(hù)的不足之處：①若閥側(cè)高頻振蕩幅值在閥側(cè)諧波電流保護(hù)兩段動作區(qū)之間來回波動，則可能造成閥側(cè)諧波電流保護(hù)動作時(shí)間延長，超過延時(shí)整定值，甚至拒動；②橋臂電抗器過負(fù)荷保護(hù)故障切除后，啟動失靈出口返回時(shí)間遠(yuǎn)大于30ms的要求。針對不足之處，提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議，可為同類工程提供參考。

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Analysis and experiment of high frequency harmonic protection scheme in Xiamen flexible HVDC transmission project

CHEN Mingquan1,2XIAO Shiting1YAN Changhua1,2SHI Qingshan1WU Jinfu1,2

(1. Fujian Zhongshisuo Electric Power Testing & Commission Co., Ltd, Fuzhou 350007; 2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

Most domestic and foreign flexible HVDC transmission projects have experienced varying degrees of high frequency oscillations after being connected to the power grid. After adopting corresponding mitigation strategies, the high frequency oscillation problem still cannot be completely solved. In this paper, combined with the new application example of high frequency harmonic protection in Xiamen flexible HVDC transmission project, the principle, criterion and other logic of the high frequency harmonic protection are explained in detail. The feasibility of the scheme is verified through simulation experiments and field test. At the same time, corresponding optimization suggestions are proposed to address the shortcomings of high frequency harmonic protection, in order to provide reference for similar projects.

flexible DC; modular multilevel converter (MMC); high frequency oscillation; mitigation methods

2023-09-01

2023-09-08

陳明泉（1982—），男，福建省南平市人，本科，工程師，主要從事繼電保護(hù)及自動化、直流輸電及電力監(jiān)控安全防護(hù)工作。