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基于模块化多电平换流器的背靠背柔性直流换流站绝缘配合方案研究

时间：2021-04-01 10:33:25

点击下面标题，了解通知详情第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛

背靠背柔直换流站的绝缘配合方案是柔直换流站设计的关键之一。中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司的研究人员苏嘉彬、陈斌、熊静、周亚龙、羌丁建，在第5期《电气技术》杂志上撰文，在对柔直换流站的典型故障工况进行分析的基础上，给出了避雷器的典型配置方案及选型原则。同时，结合阿富汗Khwaja-Alwan换流站的情况，通过PSCAD仿真建模，分析了各种故障工况下避雷器保护水平的最低要求，给出了全站避雷器配置方案及设备绝缘水平，验证了所提出的避雷器典型配置方案及设备绝缘配合方案的准确性。

背靠背柔性直流输电是指输电线路无限短的柔性直流输电系统，通常用于实现两个交流电网的异步联网。柔性直流换流站采用全控型电力电子器件，具有控制灵活、谐波性能好、能够向无源网络供电等优点，越来越多地被应用到各个电压等级的电网中。柔性直流输电的避雷器配置方案、设备绝缘水平与交流电网设备存在较大差异，尚未形成标准的配置方案，目前大多是根据工程实际仿真计算来确定的。本文通过对柔直换流站故障工况、避雷器配置原则及参数确定原则的分析，结合仿真分析，给出了阿富汗Khwaja-Alwan换流站的绝缘配合方案。1 背靠背柔直换流站拓扑背靠背柔直换流站的换流器通常采用模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）结构。根据运行控制需求可将MMC拓扑分为半桥、全桥结构。目前，已投运的柔直换流站工程多采用半桥结构的MMC换流器，本文以此结构拓扑展开分析，其典型拓扑结构如图1所示。由图1可见，背靠背柔直换流站采用对称结构，即送端换流器和受端换流器共用公共直流侧母线。由于两侧设备选型、过电压水平相近，因此，对背靠背柔直换流站的绝缘配合方案只需选取送端或者受端任意一侧进行研究。根据主要设备布置，可将柔直换流站分为联结变网侧、联结变阀侧、桥臂电抗器阀侧和换流器直流侧4个区域。本文针对背靠背柔直换流站送端进行绝缘配合方案研究。

图1 基于MMC的背靠背柔直换流站典型拓扑结构2 柔直换流站故障工况柔直换流站常见的故障工况通常包括交流侧故障、直流侧故障和雷电过电压3种：1）交流侧故障工况交流侧故障包括交流侧母线及联结变阀侧接地故障。当送端交流侧母线发生接地故障时，整流站换流器失去电源导致直流电压下降，清除故障后，受控制器响应限制，产生超调并引起过电压；当受端换流站发生交流侧三相接地故障时，换流站失压导致功率无法送出，而送端子模块仍在充电，引起直流侧过电压。同样，联结变阀侧接地故障也会在桥臂电抗器、换流阀和直流侧产生严重的过电压。2）直流侧故障工况直流侧故障的工况较多，且过电压水平与换流器拓扑结构、接地方式等因素有关，通常考虑换流阀与桥臂电抗器间对地短路、直流母线对地或双极短路、桥臂电抗器阀侧相间短路3种故障。3）雷电过电压工况柔直换流站雷电过电压的起因有直击雷和沿线路传过来的电压波2种，直击雷的概率很小，因此通常仅考虑沿交流线路侵入换流站的雷电过电压影响。由于交流避雷器、联结变压器等对雷电波侵入阀侧都有阻尼作用，所以雷电过电压工况对柔直换流站的影响通常可通过合理配置避雷器进行消除。3 背靠背柔直换流站避雷器典型配置方案根据前文分析可知，背靠背柔直换流站送端和受端为对称结构，其过电压水平及故障工况类似，因此避雷器配置方案也基本一致。本文选取送端进行避雷器配置方案的研究分析。氧化锌避雷器作为换流站内设备主要的过电压保护装置，其配置原则如下：1）交流侧产生的过电压由交流侧的避雷器来保护。2）直流侧产生的过电压由直流侧的避雷器来保护。3）重点保护的设备由紧靠它的避雷器直接保护。根据上述保护原则，给出送端柔直换流站避雷器配置方案，如图2所示。

图2 送端柔直换流站避雷器配置方案根据图2给出的配置方案，对各个位置配置的避雷器进行说明，见表1。

表1 避雷器配置方案说明受端换流站的避雷器配置方案与送端换流站完全一致，此处不再赘述。4 背靠背柔直换流站避雷器的选型原则避雷器的选型应确定持续运行电压、保护水平、参考电压、避雷器能量等主要参数。4.1 持续运行电压的确定避雷器持续运行电压包括最大持续运行电压（maximum continuous operating voltage, MCOV）和持续运行电压峰值（constant continuous operating voltage, CCOV）两种，均根据系统的最高运行电压确定。同时，应考虑严苛工况条件下的运行电压叠加谐波和高频暂态电压，避免避雷器吸收能量导致老化加速或者可靠性降低。对于MMC型换流器，应重点考虑因半桥型子模块中IGBT（insulated gate bipolar transistor）反并联二极管的存在而导致在直流母线接地故障时换流器处于的不控整流状态，此时直流母线避雷器持续运行电压不宜使避雷器持续放电。4.2 保护水平的确定设备的保护水平应根据设备的绝缘水平确定，直流换流站设备绝缘水平应满足GB 311.1—《高压输变电设备的绝缘配合》、GB/T 311.3—《高压直流换流站绝缘配合程序》、GIGRE第33委员会33-05工作组《高压直流换流站绝缘配合和避雷器保护使用导则》等相关规程规范的要求。设备的绝缘水平应根据运行电压等级选取，由于IEC 60071- 2规定的交流设备的标准耐受电压水平不能完全适用于直流设备，所以在进行计算时，对直流设备的耐受电压可根据工程的经验值在同电压等级交流设备耐受电压的基础上向上取合适可行的值。在绝缘裕度的选择上，应根据运行电压尽可能选择标准的避雷器额定参数及保护水平。根据IEC 60071-5标准规定，操作冲击保护水平（switching impulse protection level, SIPL）、雷电冲击保护水平（lightning impulse protection level, LIPL）、陡波前冲击保护水平（steep front impulse protection level, STIPL）与要求的操作冲击耐受电压（required switching impulse withstand voltage, RSIWV）、雷电冲击耐受电压（required lightning impulse withstand voltage, RLIWV）、陡波前冲击耐受电压（required steep front impulse withstand voltage, RSFIWV）水平应满足表2的裕度要求。

表2 绝缘耐受电压与冲击保护水平的裕度要求4.3 参考电压及能量的确定对于避雷器参考电压Uref的选取，应根据荷电率（持续运行电压/Uref）、保护水平和避雷器的能量等因素综合考虑。其中，荷电率通常考虑取0.7左右。避雷器能量应根据系统仿真研究计算出的关键故障工况下的能量，取0～20%的裕度进行选取。5 阿富汗Khwaja-Alwan换流站的避雷器配置方案阿富汗Khwaja-Alwan换流站采用背靠背柔直换流站形式，其主要系统参数见表3。通过PSCAD仿真建模，分别对联结变阀侧接地故障、桥臂电抗器阀侧接地故障、直流母线接地故障、桥臂电抗器阀侧相间短路和直流母线极间短路等故障工况分别进行仿真，确定各避雷器的配置方案。所有故障发生时刻均为t =3s，故障持续时间均为100ms。结果如下：

表3 阿富汗Khwaja-Alwan换流站主要系统参数5.1 交流母线避雷器的耐受情况经过仿真，得到不同故障工况下交流母线避雷器处的应力，见表4。

表4 不同故障工况下交流母线避雷器处的应力根据表4，交流母线避雷器应力最严苛工况为系统运行在最大短路容量下输送额定有功功率。同时，输出额定无功功率时，在直流母线发生接地故障。此时，交流母线避雷器处耐受的电压为326.67kV，电流为0.767kA，释放能量为1300kJ。电压、能量和电流波形如图3所示。5.2 交流避雷器的耐受情况经过仿真，得到不同故障工况下交流避雷器处的应力，见表5。根据表5，交流避雷器应力最严苛工况为系统运行在最大短路容量下输送额定有功功率，同时输出额定无功功率时，在直流母线发生极间短路故障。此时，交流避雷器位置的电压、能量和电流波形如图4所示。最严苛工况下交流避雷器处耐受的电压为345.7kV，电流为3.647kA，释放能量为494kJ。5.3 直流母线避雷器的耐受情况经过仿真，得到不同故障工况下直流母线避雷器处的应力，见表6。

图3 最严苛工况下交流母线避雷器的应力情况

表5 不同故障工况下交流避雷器处的应力

图4 最严苛工况下交流避雷器的应力情况根据表6，直流母线避雷器应力最严苛工况为系统运行在最大短路容量下输送额定有功功率。同时，输出额定无功功率时，在直流母线发生接地故障。此时，直流母线避雷器处耐受的电压为335.34kV，电流为1.636kA，释放能量为3500kJ。电压、能量和电流波形如图5所示。

表6 不同故障工况下直流母线避雷器处的应力

图5 最严苛工况下直流母线避雷器的应力情况5.4 桥臂电抗器避雷器的耐受情况经过仿真，得到不同故障工况下桥臂电抗器避雷器处的应力，见表7。

表7 不同故障工况下桥臂电抗器避雷器处的应力根据表7，桥臂电抗器避雷器应力最严苛工况为系统运行在最大短路容量下输送额定有功功率。同时，输出额定无功功率时，在桥臂电抗器阀侧发生相间短路故障。此时，桥臂电抗器避雷器处耐受的电压为227.7kV，电流为0.883kA，释放能量为91.0kJ。电压、能量和电流波形如图6所示。

图6 最严苛工况下桥臂电抗器避雷器的应力情况5.5 中性点避雷器的耐受情况经过仿真，得到不同故障工况下中性点避雷器处的应力，见表8。

表8 不同故障工况下中性点避雷器处的应力根据表8，中性点避雷器应力最严苛工况为系统运行在最大短路容量下输送额定有功功率。同时，输出额定无功功率时，在直流母线发生接地故障。此时，避雷器处耐受的电压为200.2kV，电流为0.126kA，释放能量为64kJ。电压、能量和电流波形如图7所示。5.6 避雷器保护水平配置方案交流避雷器按常规500kV电网侧避雷器配置。根据上述分析，结合避雷器的V-I特性曲线，给出本工程避雷器保护水平配置方案，见表9。5.7 设备绝缘水平配置方案根据避雷器保护水平配置方案研究结果，给出本工程设备绝缘水平配置方案，见表10。

图7 最严苛工况下中性点避雷器的应力情况

表9 阿富汗Khwaja-Alwan换流站避雷器保护水平配置方案

表10 阿富汗Khwaja-Alwan换流站设备绝缘水平配置方案6 结论本文通过理论分析及仿真建模，为柔直换流站的绝缘配置设计提供了思路。具体如下：

1）结合柔直换流站的典型故障工况，给出了避雷器的典型配置方案。

2）给出了柔直换流站的避雷器选型原则，提供了确定各避雷器最大应力的仿真方案。

3）结合仿真结果，给出了设备绝缘水平的选取方案。

4）结合阿富汗Khwaja-Alwan换流站的情况，给出了全站避雷器配置方案及设备绝缘水平的选取实例。

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