基於模組化多電平換流器的背靠背柔性直流換流站絕緣配合方案

背靠背柔直換流站的絕緣配合方案是柔直換流站設計的關鍵之一。中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司的研究人員蘇嘉彬、陳斌、熊靜、周亞龍、羌丁建，在2020年第5期《電氣技術》雜誌上撰文，在對柔直換流站的典型故障工況進行分析的基礎上，給出了避雷器的典型配置方案及選型原則。同時，結合阿富汗Khwaja-Alwan換流站的情況，透過PSCAD模擬建模，分析了各種故障工況下避雷器保護水平的最低要求，給出了全站避雷器配置方案及裝置絕緣水平，驗證了所提出的避雷器典型配置方案及裝置絕緣配合方案的準確性。

背靠背柔性直流輸電是指輸電線路無限短的柔性直流輸電系統，通常用於實現兩個交流電網的非同步聯網。柔性直流換流站採用全控型電力電子器件，具有控制靈活、諧波效能好、能夠向無源網路供電等優點，越來越多地被應用到各個電壓等級的電網中。

柔性直流輸電的避雷器配置方案、裝置絕緣水平與交流電網裝置存在較大差異，尚未形成標準的配置方案，目前大多是根據工程實際模擬計算來確定的。本文透過對柔直換流站故障工況、避雷器配置原則及引數確定原則的分析，結合模擬分析，給出了阿富汗Khwaja-Alwan換流站的絕緣配合方案。

1 背靠背柔直換流站拓撲

背靠背柔直換流站的換流器通常採用模組化多電平換流器（modular multilevel converter， MMC）結構。根據執行控制需求可將MMC拓撲分為半橋、全橋結構。目前，已投運的柔直換流站工程多采用半橋結構的MMC換流器，本文以此結構拓撲展開分析，其典型拓撲結構如圖1所示。

由圖1可見，背靠背柔直換流站採用對稱結構，即送端換流器和受端換流器共用公共直流側母線。由於兩側裝置選型、過電壓水平相近，因此，對背靠背柔直換流站的絕緣配合方案只需選取送端或者受端任意一側進行研究。根據主要裝置佈置，可將柔直換流站分為聯結變網側、聯結變閥側、橋臂電抗器閥側和換流器直流側4個區域。本文針對背靠背柔直換流站送端進行絕緣配合方案研究。

圖1

2 柔直換流站故障工況

柔直換流站常見的故障工況通常包括交流側故障、直流側故障和雷電過電壓3種：

1）交流側故障工況

交流側故障包括交流側母線及聯結變閥側接地故障。當送端交流側母線發生接地故障時，整流站換流器失去電源導致直流電壓下降，清除故障後，受控制器響應限制，產生超調並引起過電壓；當受端換流站發生交流側三相接地故障時，換流站失壓導致功率無法送出，而送端子模組仍在充電，引起直流側過電壓。同樣，聯結變閥側接地故障也會在橋臂電抗器、換流閥和直流側產生嚴重的過電壓。

2）直流側故障工況

直流側故障的工況較多，且過電壓水平與換流器拓撲結構、接地方式等因素有關，通常考慮換流閥與橋臂電抗器間對地短路、直流母線對地或雙極短路、橋臂電抗器閥側相間短路3種故障。

3）雷電過電壓工況

柔直換流站雷電過電壓的起因有直擊雷和沿線路傳過來的電壓波2種，直擊雷的機率很小，因此通常僅考慮沿交流線路侵入換流站的雷電過電壓影響。由於交流避雷器、聯結變壓器等對雷電波侵入閥側都有阻尼作用，所以雷電過電壓工況對柔直換流站的影響通常可透過合理配置避雷器進行消除。

3 背靠背柔直換流站避雷器典型配置方案

根據前文分析可知，背靠背柔直換流站送端和受端為對稱結構，其過電壓水平及故障工況類似，因此避雷器配置方案也基本一致。本文選取送端進行避雷器配置方案的研究分析。

氧化鋅避雷器作為換流站內裝置主要的過電壓保護裝置，其配置原則如下：

1）交流側產生的過電壓由交流側的避雷器來保護。2）直流側產生的過電壓由直流側的避雷器來保護。3）重點保護的裝置由緊靠它的避雷器直接保護。

根據上述保護原則，給出送端柔直換流站避雷器配置方案，如圖2所示。

圖2

根據圖2給出的配置方案，對各個位置配置的避雷器進行說明，見表1。

表1

受端換流站的避雷器配置方案與送端換流站完全一致，此處不再贅述。

4 背靠背柔直換流站避雷器的選型原則

避雷器的選型應確定持續執行電壓、保護水平、參考電壓、避雷器能量等主要引數。

4.1 持續執行電壓的確定

避雷器持續執行電壓包括最大持續執行電壓（maximum continuous operating voltage， MCOV）和持續執行電壓峰值（constant continuous operating voltage， CCOV）兩種，均根據系統的最高執行電壓確定。同時，應考慮嚴苛工況條件下的執行電壓疊加諧波和高頻暫態電壓，避免避雷器吸收能量導致老化加速或者可靠性降低。

對於MMC型換流器，應重點考慮因半橋型子模組中IGBT（insulated gate bipolar transistor）反並聯二極體的存在而導致在直流母線接地故障時換流器處於的不控整流狀態，此時直流母線避雷器持續執行電壓不宜使避雷器持續放電。

4.2 保護水平的確定

裝置的保護水平應根據裝置的絕緣水平確定，直流換流站裝置絕緣水平應滿足GB 311。1—2012《高壓輸變電裝置的絕緣配合》、GB/T 311。3—2005《高壓直流換流站絕緣配合程式》、GIGRE第33委員會33-05工作組《高壓直流換流站絕緣配合和避雷器保護使用導則》等相關規程規範的要求。

裝置的絕緣水平應根據執行電壓等級選取，由於IEC 60071- 2規定的交流裝置的標準耐受電壓水平不能完全適用於直流裝置，所以在進行計算時，對直流裝置的耐受電壓可根據工程的經驗值在同電壓等級交流裝置耐受電壓的基礎上向上取合適可行的值。

在絕緣裕度的選擇上，應根據執行電壓儘可能選擇標準的避雷器額定引數及保護水平。根據IEC 60071-5標準規定，操作衝擊保護水平（SIPL）、雷電衝擊保護水平（ LIPL）、陡波前衝擊保護水平（STIPL）與要求的操作衝擊耐受電壓（RSIWV）、雷電衝擊耐受電壓（RLIWV）、陡波前衝擊耐受電壓（RSFIWV）水平應滿足表2的裕度要求。

表2

4.3 參考電壓及能量的確定

對於避雷器參考電壓Uref的選取，應根據荷電率（持續執行電壓/Uref）、保護水平和避雷器的能量等因素綜合考慮。其中，荷電率通常考慮取0。7左右。避雷器能量應根據系統模擬研究計算出的關鍵故障工況下的能量，取0～20%的裕度進行選取。

5 阿富汗Khwaja-Alwan換流站的避雷器配置方案

阿富汗Khwaja-Alwan換流站採用背靠背柔直換流站形式，其主要系統引數見表3。

透過PSCAD模擬建模，分別對聯結變閥側接地故障、橋臂電抗器閥側接地故障、直流母線接地故障、橋臂電抗器閥側相間短路和直流母線極間短路等故障工況分別進行模擬，確定各避雷器的配置方案。所有故障發生時刻均為t =3s，故障持續時間均為100ms。結果如下：

表3

5.1 交流母線避雷器的耐受情況

經過模擬，得到不同故障工況下交流母線避雷器處的應力，見表4。

表4

根據表4，交流母線避雷器應力最嚴苛工況為系統執行在最大短路容量下輸送額定有功功率。同時，輸出額定無功功率時，在直流母線發生接地故障。此時，交流母線避雷器處耐受的電壓為326。67kV，電流為0。767kA，釋放能量為1300kJ。電壓、能量和電流波形如圖3所示。

5.2 交流避雷器的耐受情況

經過模擬，得到不同故障工況下交流避雷器處的應力，見表5。

根據表5，交流避雷器應力最嚴苛工況為系統執行在最大短路容量下輸送額定有功功率，同時輸出額定無功功率時，在直流母線發生極間短路故障。此時，交流避雷器位置的電壓、能量和電流波形如圖4所示。

最嚴苛工況下交流避雷器處耐受的電壓為345。7kV，電流為3。647kA，釋放能量為494kJ。

5.3 直流母線避雷器的耐受情況

經過模擬，得到不同故障工況下直流母線避雷器處的應力，見表6。

圖3

表5

圖4

根據表6，直流母線避雷器應力最嚴苛工況為系統執行在最大短路容量下輸送額定有功功率。同時，輸出額定無功功率時，在直流母線發生接地故障。此時，直流母線避雷器處耐受的電壓為335。34kV，電流為1。636kA，釋放能量為3500kJ。電壓、能量和電流波形如圖5所示。

表6

圖5

5.4 橋臂電抗器避雷器的耐受情況

經過模擬，得到不同故障工況下橋臂電抗器避雷器處的應力，見表7。

表7

根據表7，橋臂電抗器避雷器應力最嚴苛工況為系統執行在最大短路容量下輸送額定有功功率。同時，輸出額定無功功率時，在橋臂電抗器閥側發生相間短路故障。此時，橋臂電抗器避雷器處耐受的電壓為227。7kV，電流為0。883kA，釋放能量為91。0kJ。電壓、能量和電流波形如圖6所示。

圖6

5.5 中性點避雷器的耐受情況

經過模擬，得到不同故障工況下中性點避雷器處的應力，見表8。

表8

根據表8，中性點避雷器應力最嚴苛工況為系統執行在最大短路容量下輸送額定有功功率。同時，輸出額定無功功率時，在直流母線發生接地故障。此時，避雷器處耐受的電壓為200。2kV，電流為0。126kA，釋放能量為64kJ。電壓、能量和電流波形如圖7所示。

5.6 避雷器保護水平配置方案

交流避雷器按常規500kV電網側避雷器配置。根據上述分析，結合避雷器的V-I特性曲線，給出本工程避雷器保護水平配置方案，見表9。

5.7 裝置絕緣水平配置方案

根據避雷器保護水平配置方案研究結果，給出本工程裝置絕緣水平配置方案，見表10。

圖7

表9

表10

6 結論

本文透過理論分析及模擬建模，為柔直換流站的絕緣配置設計提供了思路。具體如下：

1）結合柔直換流站的典型故障工況，給出了避雷器的典型配置方案。

2）給出了柔直換流站的避雷器選型原則，提供了確定各避雷器最大應力的模擬方案。

3）結合模擬結果，給出了裝置絕緣水平的選取方案。

4）結合阿富汗Khwaja-Alwan換流站的情況，給出了全站避雷器配置方案及裝置絕緣水平的選取例項。