羅美玲,鄭 濤,潘志遠,劉校銷,3,于曉軍,吳建云
基于選相投旁通對的LCC-HVDC系統(tǒng)逆變側換流變故障性涌流主動抑制策略
羅美玲1,鄭 濤2,潘志遠2,劉校銷2,3,于曉軍1,吳建云1
(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司,寧夏 銀川 750001;2.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學),北京 102206;3.魯汶大學,比利時 Leuven 3001)
當高壓直流輸電系統(tǒng)換流變閥側發(fā)生單相接地故障,由于換流閥的單向?qū)ㄐ?,閥側故障電流中含有較大的直流分量,流入換流變可能導致?lián)Q流變飽和并產(chǎn)生“故障性涌流”。與傳統(tǒng)三大涌流不同,故障性涌流由閥側單相接地故障誘發(fā)并受直流控制與保護系統(tǒng)的影響。計及直流控保系統(tǒng)的影響,分析了逆變側換流變發(fā)生閥側單相接地故障時,換流變故障性涌流的產(chǎn)生機理及其對換流變差動保護的影響。針對換流變保護區(qū)內(nèi)閥側單相接地故障場景下,故障性涌流可能導致差動保護誤閉鎖的問題,提出了一種基于選相投旁通對的故障性涌流主動抑制策略,可以從根本上避免差動保護誤閉鎖問題?;赑SCAD/EMTDC的仿真實驗驗證了所提方案的有效性。
高壓直流輸電;換流變壓器;差動保護;故障性涌流;旁通對
自上世紀50年代以來,電網(wǎng)換相式高壓直流輸電系統(tǒng)(line-commutated converter based high-voltagedirect-current, LCC-HVDC)由于具有輸送距離遠、輸送容量大和工程造價低等優(yōu)點,在國內(nèi)外得以快速發(fā)展[1-3]。目前我國已建成世界上規(guī)模最大、電壓等級最高的交直流混聯(lián)電網(wǎng),然而交直流混聯(lián)電網(wǎng)中繼電保護的適應性仍需進一步研究[4-6]。
換流變壓器(以下簡稱“換流變”)閥側單相接地故障,一般由閥側穿墻套管絕緣破損或閃絡引起,通常為永久性故障[7-9]。前期已針對LCC- HVDC系統(tǒng)中換流變閥側單相接地故障進行了研究[10-12]。文獻[10-12]針對LCC-HVDC系統(tǒng)中換流變閥側單相接地故障后的故障特性及影響進行了較為全面的分析。文獻[10]針對整流側換流變閥側單相接地故障后直流分量流入換流變導致?lián)Q流變鐵心飽和的現(xiàn)象,首次提出了“故障性涌流”的概念,同時指出故障性涌流可能導致差動保護在閥側區(qū)外轉區(qū)內(nèi)故障場景下誤閉鎖。文獻[11-12]分析了逆變側換流變閥側接地故障引發(fā)換流變故障性涌流的問題,由于逆變側閥側故障可能引發(fā)換相失敗,本文進一步對換相失敗后閥側故障特性及故障性涌流特征進行了分析,并指出故障性涌流可能導致差動保護在區(qū)內(nèi)故障時誤閉鎖。但上述分析未考慮直流系統(tǒng)中控制及保護(下文簡稱“直流控保”)策略的影響。
換流變是換流站中最重要的組成部分之一,其安全穩(wěn)定運行對高壓直流輸電系統(tǒng)至關重要,因此對換流變保護提出了很高的要求。換流變主保護一般采取基于二次諧波閉鎖的比率制動式差動保護,文獻[13-15]分析了不同故障對換流變差動保護的影響,不同工況下的勵磁涌流也可能會使換流變差動保護拒動或者誤動[16-21]。故障性涌流與傳統(tǒng)涌流有著很大差異,由閥側接地故障誘發(fā),且受直流控保系統(tǒng)的影響。因此,現(xiàn)有文獻中針對勵磁涌流的換流變差動保護防誤動措施在故障性涌流場景下的適應性有待進一步研究。
針對故障性涌流引起換流變差動保護誤閉鎖的問題,文獻[22]提出了一種故障性涌流的抑制策略。通過調(diào)整整流側強制移相的動作時間,抑制故障性涌流的產(chǎn)生,以減輕故障性涌流對換流變差動保護的不利影響。但文獻[22]僅分析了整流側換流變的故障性涌流抑制策略,逆變側故障特性比整流側更為復雜,直流控保動作對于整流側和逆變側故障特性的影響有所不同。因此,亟需研究考慮實際工程中直流控保影響下的逆變側換流變故障性涌流的主動抑制方案。
綜上所述,對LCC-HVDC系統(tǒng)中逆變側換流變閥側單相接地故障及其引起的換流變故障性涌流的研究尚存不足。本文分析了直流控保影響下逆變側換流變閥側單相接地故障及其誘發(fā)的故障性涌流特征,研究了故障性涌流對換流變差動保護的影響,基于閥側單相接地故障檢測和故障相判別的方法,提出了一種基于選相投旁通對的故障性涌流抑制策略,降低了故障性涌流對換流變差動保護的不利影響。最后通過PSCAD/EMTDC仿真實驗驗證了理論分析的正確性及所提方案的有效性。
特高壓直流輸電系統(tǒng)多采用雙極雙12脈動的主接線方式,本文以逆變側正極為例進行分析,如圖1所示,根據(jù)故障所在位置,可以將閥側單相接地故障分為4種,即圖中的K1, K2, K3, K4。
圖1 逆變側閥側單相接地故障分布示意圖
以換流變T1閥側發(fā)生A相接地故障(K1)為例進行分析,故障后閥側故障相電壓下降為零,非故障相電壓上升為線電壓,由于高端D橋交流側電壓保持不變,共陰極閥承受反向電壓而截止,進而導致D橋及低端閥組都將關斷。由于故障電流將通過直流線路,經(jīng)過共陽極閥流向故障點,因此共陽極閥的狀態(tài)將決定閥側電流的特征。
如圖1所示,共陽極閥的導通狀態(tài)可分為兩種情況:1) 與故障相相連的共陽極閥導通;2) 與非故障相相連的共陽極閥(以V61為例)導通。當與故障相相連的共陽極閥導通時,故障電流流通路徑如圖1中藍色虛線所示,此時故障電流直接流入故障接地點而不流入換流變;當與故障相相連的共陽極閥導通時,故障電流流通路徑如圖1中綠色虛線所示,故障電流經(jīng)過換流變流入接地點。由于晶閘管的單向?qū)ㄐ?,閥側電流含有較大的直流分量。此外,逆變側故障還會導致?lián)Q相失敗,進而影響換流閥的導通時間,改變換流變的飽和程度[12]。
故障后直流電壓下降,直流電流迅速增大,直流控保系統(tǒng)開始響應??刂葡到y(tǒng)將執(zhí)行增大整流側觸發(fā)角等控制策略以穩(wěn)定直流電壓和電流,但故障仍然存在,需繼續(xù)執(zhí)行故障清除策略。文獻[23-24]中指出逆變側發(fā)生換流變閥側單相接地故障后,直流控保系統(tǒng)將整流側晶閘管的觸發(fā)角增加到120°~160°左右(強制移相),并在逆變側故障換流器投任意相旁通對(即觸發(fā)同一相的共陰極閥和共陽極閥),最終閉鎖換流器并跳開網(wǎng)側交流斷路器。當投故障相旁通對時,故障電流直接流入接地點,不流入換流變;當投非故障相旁通對時,將會延長直流分量流入換流變閥側繞組的時間[25]。
根據(jù)第1節(jié)分析可知,當換流變閥側發(fā)生單相接地故障后,故障電流將經(jīng)過非故障相上橋臂、換流變閥側繞組流入故障接地點。由于晶閘管的單向?qū)ㄌ匦?,流入換流變的閥側電流含有較大直流分量,導致?lián)Q流變鐵心飽和,進而產(chǎn)生故障性涌流[10]。由于與非故障相相連的共陽極閥導通時才有電流流入換流變,投非故障相旁通對后將使得與非故障相相連的共陽極閥導通時間變長,加速故障性涌流的產(chǎn)生。
換流變普遍采用具有二次諧波制動特性的差動保護作為主保護,當差動電流進入到動作區(qū)且二次諧波含量低于整定值(一般取15%)時,差動保護才能動作并發(fā)出跳閘命令。
圖2所示為換流變閥側區(qū)內(nèi)故障時故障電流的流通路徑及T型等效電路。當故障相換流閥導通時,故障電流流經(jīng)換流變閥側CT進入故障點;當非故障相換流閥導通時,故障電流中的直流分量經(jīng)換流變流向接地點,使換流變飽和,產(chǎn)生故障性涌流,且故障相換流變故障性涌流為非故障相換流變故障性涌流之和。非故障相差動電流即為故障性涌流,故障相差動電流為故障性涌流與故障電流之和。由于故障性涌流二次諧波含量較高,換流變差動保護可能發(fā)生誤閉鎖[25],因此亟需提出相應的故障性涌流抑制策略。
由第1節(jié)分析可得,通過投故障相旁通對可以使故障電流不流經(jīng)換流變而直接流入故障點,因此,本文提出了基于選相投旁通對的故障性涌流主動抑制策略。其中,檢測故障、故障換流變定位及故障相識別為所提策略的關鍵問題。所提出的策略可以分為如下3個步驟。
換流器直流差動保護通過檢測換流器兩端的差動電流來識別換流器接地故障。根據(jù)第1節(jié)分析可知,由于故障換流器共陰極閥承受反向電壓而關斷,故障點以下的換流器不會有電流流入,而故障點以上的換流閥則流過較大的故障電流,因此,故障換流器的差動電流將在故障后明顯上升,可以利用換流器差動電流檢測故障發(fā)生于高端換流器還是低端換流器。圖3為換流器差動保護CT配置示意圖,故障檢測并識別故障換流器的判據(jù)為
式中:和是換流器差動保護的整定值;為由直流線路流入高端換流器的電流;為由高端換流器流入低端換流器的電流;為由低端換流器流入接地極的電流。如圖3所示。以故障為例,若故障后換流器差動電流大于整定值,則判定高端換流器發(fā)生接地故障,并將差動電流超過整定值的時間記為t0。
式中:和分別為和換流變的零序電流;和分別為和換流變閥側CT測得的電流。考慮最大的三相不平衡,整定值可以設置為0.12 p.u.,并將零序電流超過整定值的時間記為。
由于保護動作隨機投旁通對時,可能觸發(fā)非故障相旁通對,加劇故障相涌流產(chǎn)生,在步驟1、2判別發(fā)生區(qū)內(nèi)故障的換流變后,需要步驟3進一步識別故障相,通過投故障相旁通對,避免含有直流分量的故障電流流入換流變,實現(xiàn)故障性涌流的抑制。
根據(jù)2.2節(jié)的分析,對于區(qū)內(nèi)故障,換流變故障相的差動電流等于流入故障點的故障電流與故障性涌流之和,非故障相差動電流即為相應的故障性涌流。由于故障性涌流的產(chǎn)生需要一段時間,而故障電流在故障后迅速增大,故障相的換流變差動電流將比非故障相的差動電流增長更快,可以根據(jù)換流變差動電流識別故障相。詳細的故障相選相過程如下:計算換流變?nèi)嗖顒与娏?,將與差動電流的整定值進行比較,三相差動電流中首先超過整定值的相將被識別為故障相。識別故障相后,保護將向控制系統(tǒng)發(fā)送投故障相旁通對的信號?;谶x相投旁通對的故障性涌流主動抑制策略整體流程如圖5所示。
圖5 基于投故障相旁通對的策略流程圖
本文在PSCAD/EMTDC上搭建了±800 kV/5 GW的雙極雙12脈動LCC-HVDC系統(tǒng)(如圖6所示),仿真參數(shù)如表1所示。直流控制系統(tǒng)中整流側控制策略由最小觸發(fā)角控制和定電流控制組成,逆變側控制策略由定熄弧角控制、電流偏差控制和定電流控制組成。
圖6 LCC-HVDC系統(tǒng)示意圖
表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)
圖7 故障性涌流抑制策略的仿真驗證
綜上,本文提出的基于選相投旁通對的保護策略,可以檢測換流變保護區(qū)內(nèi)閥側單相接地故障所在換流變,最終選擇故障相并觸發(fā)故障相旁通對,以抑制故障性涌流。
LCC-HVDC系統(tǒng)換流變閥側發(fā)生單相接地故障后,含有直流分量的故障電流將流經(jīng)換流變閥側繞組,可能引起換流變飽和,進而導致故障性涌流的產(chǎn)生。本文分析了逆變側閥側單相接地故障下,換流變故障性涌流的產(chǎn)生機理及其對換流變差動保護的影響,指出了故障性涌流可能導致?lián)Q流變差動保護在閥側區(qū)內(nèi)故障時誤閉鎖。為此本文提出了一種基于選相投旁通對的故障性涌流主動抑制策略,抑制故障性涌流的產(chǎn)生,從而避免故障性涌流對換流變差動保護的影響。最后通過PSCAD/EMTDC仿真結果驗證了該方案的有效性。
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Faulty-phase bypass-pair-based mitigation strategy for fault-induced inrush currents in LCC-HVDC inverter-side converter transformers
LUO Meiling1, ZHENG Tao2, PAN Zhiyuan2, LIU Xiaoxiao2, 3, YU Xiaojun1, WU Jianyun1
(1. State Grid Ningxia Electric Power Limited Company, Yinchuan 750001, China; 2. State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University),Beijing 102206, China; 3. Kathotic University of Leuven, Leuven 3001, Belgium)
When a single-phase-to-ground fault occurs on the valve-side of the converter transformer in the line- commutated converter high-voltage direct current system, then because of the forward-bias characteristics of converter valves, the valve-side fault currents contain large DC components. These flow into the converter transformer, resulting in the saturation of the converter transformer and fault-induced inrush current (FIIC). The FIIC, different from the traditional inrush currents, is induced by the valve-side grounding fault and affected by DC control and the protection system. Considering their influence, the generation mechanism and characteristics of FIIC on the inverter side are analyzed, and the influence of FIIC on converter differential protection is analyzed. Given the problem that the FIIC may lead to the mal-block of differential protection when the single-phase grounding fault occurs in the case of an internal fault, a protection strategy based on phase selection and triggering the bypass-pairs is proposed to actively suppress the FIIC and fundamentally avoid the mal-block of differential protection. Finally, simulation experiments based on PSCAD/EMTDC have been conducted to verify the effectiveness of the proposed strategy.
HVDC transmission; converter transformer; differential protection; fault-induced inrush current; bypass-pair
10.19783/j.cnki.pspc.220255
寧夏回族自治區(qū)自然科學基金項目資助(2021AAC03497)
This work is supported by the Natural Science Foundation of Ningxia Hui Autonomous Region (No. 2021AAC03497).
2022-03-02;
2022-08-20
羅美玲(1982—),女,正高級工程師,研究方向為電網(wǎng)繼電保護;E-mail: 693400664@qq.com
鄭 濤(1975—),男,博士,教授,研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護;E-mail: zhengtao_sf@126.com
潘志遠(1999—),男,碩士,研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護。E-mail: pzy7_ncepu@163.com
(編輯 魏小麗)