常聚忠，張正茂，管 鑫

（國網(wǎng)湖北直流公司，湖北 宜昌 443002）

0 引言

隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)重和人們環(huán)保意識的增強，可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視，為實現(xiàn)2025 年我國非化石能源消費占比達(dá)到20%，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電將在“十三五”快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，于“十四五”期間迎來新的高峰，新能源快速蓬勃發(fā)展是國家政策推動下的時代使命。目前，絕大多數(shù)新能源發(fā)電通過交流聯(lián)網(wǎng)，其傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是由于交流電纜充電電流的影響，限制了傳輸容量和傳輸距離，當(dāng)傳輸容量較大、傳輸距離較遠(yuǎn)時，利用高壓直流輸電傳輸更有優(yōu)勢［1-7］。

高壓直流輸電跨區(qū)域以及多區(qū)域聯(lián)網(wǎng)對于電壓穩(wěn)定性的要求很高。本文提出一種陜武工程交流電壓故障判別邏輯優(yōu)化方案，可以精準(zhǔn)判別交流電壓波動較大時閉鎖直流系統(tǒng)，避免造成對跨區(qū)電網(wǎng)造成更大的影響。

1 逆變側(cè)換流變PT 斷線

2021 年8 月8 日，陜武直流在系統(tǒng)調(diào)試期間，運行工況為雙極低端雙閥組雙極功率模式，雙極功率400 MW，進(jìn)行逆變側(cè)PT 斷線試驗；18：12：15：103 時刻，極2 低端閥控B 系統(tǒng)為主系統(tǒng)，同時拉開逆變側(cè)極2 閥控B 系統(tǒng)A、B、C 三相交流進(jìn)線開關(guān)，閥控B 系統(tǒng)失去交流進(jìn)線電壓。閥控B 系統(tǒng)經(jīng)過1.52 s 后換流器過流保護(hù)動作Z 閉鎖產(chǎn)生執(zhí)行閉鎖閥組，極2 功率轉(zhuǎn)帶至極1，雙極功率維持400 MW 運行。

1.1 電流迅速提升原因分析

極2 低端交流PT 斷線及保護(hù)動作波形見圖1 所示，因交流電壓丟失，觸發(fā)角不變的情況下直流電流迅速升高，換流器過流保護(hù)動作。

圖1 極2 低端交流PT 斷線及保護(hù)動作波形Fig.1 Pole 2 low-end AC PT disconnection and protection action waveform

直流電流迅速升高的原因為：閥控系統(tǒng)采集交流系統(tǒng)電壓作為同步電壓用于鎖相并控制觸發(fā)脈沖，同步電壓丟失后保持丟失前的固定相位控制觸發(fā)脈沖，此時若實際交流系統(tǒng)電壓因系統(tǒng)擾動產(chǎn)生頻率變化會引起相位偏移，導(dǎo)致控制鎖相的固定相位與實際交流系統(tǒng)電壓相位不一致，固定相位的觸發(fā)脈沖對于不同步相位的交流系統(tǒng)來說是不正確的觸發(fā)脈沖，因觸發(fā)異常進(jìn)而引起換相失敗，使得換流器交流電流及直流電流迅速升高。

閥控系統(tǒng)配置有同步電壓檢測故障，即同步電壓幅值低于0.15 p.u. 且持續(xù)2 s 則閉鎖直流，晚于換流器過流保護(hù)動作。同步電壓檢測故障延時設(shè)置2 s 的原因是為了躲過交流系統(tǒng)瞬時故障并與重合交流開關(guān)時間匹配，即要大于重合交流開關(guān)時間。

1.2 換流器過流保護(hù)動作原因分析

換流器過流保護(hù)是測量換流器閥側(cè)Y 繞組和D 繞組的電流，接地極線出線的直流電流，取其中的最大值與參考水平進(jìn)行比較。換流器過流保護(hù)判據(jù)為：Max[IVY，IVD，IDNE]＞Iref，其中IVY和IVD為換流器閥側(cè)Y繞組和D 繞組三相電流的整流值，IDNE是接地極線出線的直流電流，Iref為保護(hù)動作參考值。保護(hù)定值見表1所示，武漢站保護(hù)動作波形見圖2 所示。

表1 換流器過流保護(hù)定值Tab.1 Inverter overcurrent protection setting

圖2 武漢站保護(hù)動作波形Fig.2 Wuhan station protection action waveform

根據(jù)保護(hù)定值和現(xiàn)場波形分析，本次保護(hù)滿足保護(hù)IV 段，3.5 p.u. 和2 ms。

換流器過流保護(hù)A、B、C 三套滿足保護(hù)定值3.5 p.u.=17 500 A，A 套保護(hù)未滿足保護(hù)動作延時1.875 ms，A 套保護(hù)不動作；B、C 套保護(hù)滿足保護(hù)動作延時（2 ms）后發(fā)出閉鎖信號，保護(hù)正確動作。

2 優(yōu)化修改方案

換流器過流保護(hù)動作的過程是因為交流電壓消失，電壓消失之后，控制系統(tǒng)鎖相輸出的觸發(fā)脈沖保持不變，但由于與實際交流電壓相位不一致，造成實際觸發(fā)角不確定，引起直流過流，換流器過流保護(hù)動作。閥控系統(tǒng)配置有三相交流電壓故障判別邏輯，即交流電壓幅值低于0.15 p.u. 且持續(xù)2 s 則閉鎖直流。針對空氣開關(guān)斷開導(dǎo)致的交流電壓故障，提出了取消閥控測量屏柜交流電壓空氣開關(guān)，并增加CVT 空氣開關(guān)位置用于交流電壓故障判別的優(yōu)化措施，具體方案如下。

2.1 硬件修改

2.1.1 陜北站硬件修改方案

陜北換流站原方案換流變進(jìn)線電壓經(jīng)過一個空氣開關(guān)（-F711）進(jìn)入閥組測量裝置，以極1 高端閥組為例，詳情見圖3 所示。

圖3 閥組的換流變進(jìn)線電壓Fig.3 Incoming line voltage of the commutation transformer of the valve group

將換流變進(jìn)線電壓的空氣開關(guān)（-F711）刪除。

陜北站換流變進(jìn)線PT 小空氣開關(guān)接點位置共3 個信號分別為“第二繞組空氣開關(guān)跳開”、“第三繞組空氣開關(guān)跳開”和“第四繞組空氣開關(guān)跳開”。其中第二繞組為極1 高端換流變網(wǎng)側(cè)PT 測量A 系統(tǒng)繞組，第三繞組為極1 高端換流變網(wǎng)側(cè)PT 測量B 系統(tǒng)繞組，第四繞組為極1 高端換流變網(wǎng)側(cè)PT 測量C 系統(tǒng)繞組。閥控A/B 系統(tǒng)需分別選用“第二繞組空氣開關(guān)跳開”和“第三繞組空氣開關(guān)跳開”信號作為判據(jù)。

2.1.2 武漢站硬件修改方案

武漢站由于500 kV 母線分為兩段，按照分層接入的原則，閥組測量屏分別接入了本閥組（對應(yīng)-X711 端子排）和對閥組（對應(yīng)-X713 端子排）的換流變進(jìn)線電壓，見圖4 和圖5 所示。

圖4 本閥組的換流變進(jìn)線電壓Fig.4 Incoming line voltage of the converter transformer of this valve group

圖5 對閥組的換流變進(jìn)線電壓Fig.5 Incoming line voltage of the commutation transformer of the valve group

將換流變進(jìn)線電壓的空氣開關(guān)（-F711、-F713）刪除。

武漢站換流變進(jìn)線電壓CVT 端子箱內(nèi)，需要將每個閥組測量屏對應(yīng)的空氣開關(guān)的輔助接點獨立出來，單獨上送對應(yīng)Y/Y 換流變接口屏。由于換流變進(jìn)線電壓CVT 端子箱到Y(jié)/Y 換流變接口屏再增加長電纜比較困難，設(shè)計院意見是調(diào)整換流變進(jìn)線電壓CVT 端子箱內(nèi)空氣開關(guān)輔助接點的接法，4 個閥組的修改方案相同。如極1 高端換流變進(jìn)線電壓CVT 端子箱，上送極1 高端Y/Y 換流變接口屏（=S2+TFYI 11A/B），具體接線見表2 所示。

表2 極1 高端換流變進(jìn)線電壓CVT 端子箱接線表Tab.2 Pole 1 high-end converter transformer incoming line voltage CVT terminal box wiring table

2.2 軟件修改

為防止閥控采集的交流電壓對應(yīng)的CVT 空氣開關(guān)斷開后換流器產(chǎn)生過電流，增加CVT 空氣開關(guān)斷開信號關(guān)聯(lián)同步電壓故障判別邏輯，由閥控系統(tǒng)同步電壓故障及時閉鎖直流。圖6為優(yōu)化后的同步電壓故障邏輯圖。

圖6 優(yōu)化后的同步電壓故障邏輯圖Fig.6 Optimized logic diagram of synchronous voltage failure

①CVT 空氣開關(guān)斷開且同步電壓正常時，延時5 s 報輕微故障切換極控系統(tǒng)（新增）；

②CVT 空氣開關(guān)閉合且同步電壓故障時，延時2 s 報緊急故障切換極控系統(tǒng)（在原邏輯基礎(chǔ)上關(guān)聯(lián)CVT 空氣開關(guān)閉合信號）；

③CVT 空氣開關(guān)斷開且同步電壓故障時，延時20 ms 報緊急故障切換極控系統(tǒng)（新增）。

3 試驗分析

為了驗證陜武工程交流電壓故障判別邏輯優(yōu)化方案是否具備現(xiàn)場實施的條件及故障判別的準(zhǔn)確性。必須在不同故障場景下驗證故障判別邏輯是否能準(zhǔn)確正常的動作。試驗所采用的仿真平臺為國網(wǎng)湖北直流公司搭建的陜武工程實時仿真系統(tǒng)，所搭建的實時仿真系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)保持一致。

3.1 逆變側(cè)空氣開關(guān)斷開大于5 s 且交流電壓正常驗證

陜武工程是±800 kV 特高壓直流工程，雙極由正負(fù)電壓的兩個、共用接地極的單極組成，分為極1、極2，電壓等級半壓是指額定電壓的一半，即±400 kV，保護(hù)控制主機(jī)為一主一備，值班主機(jī)為主用主機(jī)。試驗1 是為了驗證CVT 空氣開關(guān)斷開大于5 s 且交流電壓正常時邏輯正確性，本試驗狀態(tài)如表3。

表3 試驗1 狀態(tài)表Tab.3 Test 1 status table

試驗1 步驟如下：

①將系統(tǒng)啟動至試驗狀態(tài)工況，并設(shè)置A 系統(tǒng)為主系統(tǒng)；②置位主系統(tǒng)CVT 空氣開關(guān)斷開；③觀察系統(tǒng)是否產(chǎn)生切換，錄波是否正確動作。

通過上述試驗步驟，在仿真平臺上做試驗1，其中仿真平臺站B 高端閥組為冗余系統(tǒng)配置，試驗1 結(jié)果站2 波形見圖7 所示。通過波形可以看出，試驗1 結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果，主系統(tǒng)檢測到空氣開關(guān)斷開大于5 s 時，報輕微故障，進(jìn)行系統(tǒng)切換，切換前后系統(tǒng)正常運行。

圖7 試驗1 結(jié)果波形圖Fig.7 Test 1 result waveform

3.2 逆變側(cè)空氣開關(guān)閉合且交流電壓故障100 ms 驗證

試驗2 是為了驗證CVT 空氣開關(guān)閉合且交流電壓故障100 ms 時邏輯正確性，本試驗狀態(tài)如表4。

表4 試驗2 狀態(tài)表Tab.4 Test 2 status table

試驗2步驟如下：

①將系統(tǒng)啟動至試驗狀態(tài)工況，并設(shè)置A 系統(tǒng)為主系統(tǒng)；②置位主系統(tǒng)CVT 空氣開關(guān)閉合；③模擬逆變側(cè)極1低端閥組主系統(tǒng)三相交流電壓PT 斷線產(chǎn)生100 ms；④觀察錄波是否100 ms后正確動作。

通過上述試驗步驟，在仿真平臺上做試驗2，其中仿真平臺站B 高端閥組為冗余系統(tǒng)配置，試驗2 結(jié)果站2 波形見圖8 所示。通過波形可以看出，試驗2 結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果，主系統(tǒng)A 未產(chǎn)生緊急故障，交流三相故障100 ms 后直流系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

圖8 試驗2 結(jié)果波形圖Fig.8 Test 2 result waveform

3.3 逆變側(cè)雙系統(tǒng)空氣開關(guān)閉合且雙系統(tǒng)交流電壓故障200 ms 驗證（大功率）

試驗3 是為了驗證雙系統(tǒng)CVT 空氣開關(guān)閉合且雙系統(tǒng)交流電壓故障時邏輯正確性，本試驗狀態(tài)見表5。

表5 試驗3 狀態(tài)表Tab.5 Test 3 status table

試驗3 步驟如下：

①將系統(tǒng)啟動至試驗狀態(tài)工況，設(shè)置B 系統(tǒng)為主系統(tǒng)；②置位雙系統(tǒng)CVT 空氣開關(guān)閉合；③模擬逆變側(cè)極1 高端閥組雙系統(tǒng)三相交流電壓PT 斷線產(chǎn)生200 ms；④觀察錄波是否120 ms 后正確動作。

通過上述試驗步驟，在仿真平臺上做試驗3，其中仿真平臺站B 高端閥組為冗余系統(tǒng)配置，試驗3 結(jié)果站2 波形見圖9 所示。通過波形可以看出，試驗3 結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果，主從系統(tǒng)同時收到空氣開關(guān)閉合且交流電壓故障信號120 ms 后，同時產(chǎn)生緊急故障，直流系統(tǒng)閉鎖。

圖9 試驗3 結(jié)果波形圖Fig.9 Test 3 result waveform

3.4 逆變側(cè)雙系統(tǒng)空氣開關(guān)斷開且雙系統(tǒng)交流電壓故障100 ms 驗證（大功率）

試驗4 是為了驗證CVT 空氣開關(guān)斷開且交流電壓故障時邏輯正確性，本試驗狀態(tài)見表6。

表6 試驗4 狀態(tài)表Tab.6 Test 4 status table

試驗4 步驟為：①將系統(tǒng)啟動至試驗狀態(tài)工況，設(shè)置A 系統(tǒng)為主系統(tǒng)；②置位雙系統(tǒng)CVT 空氣開關(guān)斷開；③模擬逆變側(cè)極1 高端閥組雙系統(tǒng)三相交流電壓PT 斷線產(chǎn)生100 ms；④觀察錄波是否20 ms 后正確動作。

通過上述試驗步驟，在仿真平臺上做試驗4，其中仿真平臺站B 高端閥組為冗余系統(tǒng)配置，試驗4 結(jié)果站2 波形見圖10 所示。通過波形可以看出，試驗4 結(jié)果符合預(yù)期結(jié)果，主從系統(tǒng)同時收到空氣開關(guān)斷開且交流電壓故障信號20 ms 后，同時產(chǎn)生緊急故障，直流系統(tǒng)閉鎖。

圖10 試驗4 結(jié)果波形圖Fig.10 Test 4 result waveform

通過上述四個試驗結(jié)果可以得出結(jié)論，陜武工程交流電壓故障判別邏輯優(yōu)化所涉及的軟件修改功能正確，具備在現(xiàn)場實施的條件。

4 總結(jié)與展望

本文針對空氣開關(guān)斷開導(dǎo)致的交流電壓故障，提出一種在硬件和軟件方面都進(jìn)行改進(jìn)的優(yōu)化方案，在硬件方面，閥組測量屏柜取消交流電壓進(jìn)線開關(guān)，閥控系統(tǒng)增加CVT 空氣開關(guān)位置信號采集；在軟件方面，閥控系統(tǒng)三相交流電壓故障判別邏輯關(guān)聯(lián)CVT 空氣開關(guān)位置及交流場開關(guān)位置信號。通過試驗結(jié)果可以得出優(yōu)化后方案具備在現(xiàn)場實施的條件，且故障判別準(zhǔn)確。