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 華文1，凌衛(wèi)家2，黃曉明1，裘鵬1，陸翌1，于淼1，盧岑岑1

（1國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江杭州  310014;2．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州  310007）

摘要：為了驗(yàn)證舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)是否具備在線極隔離功能，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面進(jìn)行了分析  基于模塊化多電平換流器 (MMC)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其子模塊結(jié)構(gòu)，對(duì)MMC在線極隔離過(guò)程中的充放電可能性進(jìn)行了分析，理論上證明了在線極隔離的可行性。為保證安全，現(xiàn)場(chǎng)極隔離試驗(yàn)分為帶線路空載加壓試驗(yàn)以及端對(duì)端試驗(yàn)兩個(gè)過(guò)程，通過(guò)舟定換流站的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)具備了在線極隔離的功能．在此過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的過(guò)壓以及持續(xù)的燃弧現(xiàn)象，在線極隔離對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)影響。

關(guān)鍵詞：舟山工程；多端柔性直流輸電系統(tǒng)；模塊化多電平換流器；極隔離；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM721  DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.06.078.05

0引言

 基于模塊化多電平的多端柔性直流輸電(modular multilevelConverter based multi-terminalhigh voltage direct c:urrent．MMC-MTDC)具有運(yùn)行方式靈活、有功無(wú)功可獨(dú)立控制以及能夠向弱交流系統(tǒng)甚至無(wú)源網(wǎng)絡(luò)供電等優(yōu)勢(shì)，因此多端柔性直流輸電在海島供電技術(shù)領(lǐng)域越來(lái)越受到關(guān)注。目前南澳三端柔性直流輸電工程以及舟山五端柔性直流輸電工程都已投入正式運(yùn)行。

 多端柔性直流換流站的在線極隔離技術(shù)是保證多端柔性直流系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)重要技術(shù)，只有具備這一技術(shù)后才能夠保證單個(gè)換流站內(nèi)部故障后可實(shí)現(xiàn)自我隔離而不影響其他換流站的正常運(yùn)行，否則任一換流站的故障將導(dǎo)致整個(gè)多端柔性直流輸電系統(tǒng)的停運(yùn)，繼而對(duì)海島電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。研究了含多端柔性直流輸電的交直流混合電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性，分析了單站退出運(yùn)行后電網(wǎng)特性；提出了一種電壓偏差控制策略，給出了定直流電壓站退出運(yùn)行后直流電壓的控制策略；提出了一種改進(jìn)下垂控制策略，可以應(yīng)對(duì)定電壓站退出后的直流電壓控制：提出了柔性直流的控制保護(hù)策略．并將極隔離作為其故障清除的一種手段。以上文獻(xiàn)均默認(rèn)MMC在實(shí)際T程中是可以實(shí)現(xiàn)在線極隔離．但是目前尚無(wú)文獻(xiàn)表明實(shí)際工程中的MMC具備此功能。

 本文基于舟山多端柔性直流輸電工程，首先在理論上分析了MMC在線極隔離的可能性，最后通過(guò)舟山柔直現(xiàn)場(chǎng)在線極隔離試驗(yàn)，證明了MMC在線極隔離的可行性。

1  舟山多端柔性直流輸系統(tǒng)程簡(jiǎn)介

 舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)是中國(guó)也是全世界第一個(gè)五端柔性直流輸電系統(tǒng)，各換流站采用基于模塊化多電平技術(shù)的電壓源換流器，各站分別位于舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島．如圖1所示。舟山多端柔性直流電壓為±200 kV,各換流站容量分別為：舟定換流站400 MW.舟岱換流站300 MW、舟衢、舟洋、舟泗換流站各100 MW。舟定站與舟岱站通過(guò)220kV交流接入舟山電網(wǎng)，舟衢、舟洋以及舟泗站通過(guò)110 kV交流線路接入舟山電網(wǎng)。各換流站問(wèn)采用電纜連接，其中海纜總長(zhǎng)258 km，陸纜總長(zhǎng)22.8 km。舟山多端柔性直流輸電工程已于2014年7月4日通過(guò)168 h試運(yùn)行正式投入運(yùn)行。該工程的投產(chǎn)可有效提高舟山海島供電的可靠性，并為舟山海島風(fēng)電場(chǎng)提供可靠的輸出通道。

2 MMC在線極隔離的理論分析

2.1  MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，MMC有6個(gè)橋臂．每個(gè)橋臂包N個(gè)相同的子模塊，每相上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元，工作時(shí)每個(gè)相單元都有n個(gè)子模塊(SM)投入，考慮到冗余子模塊的存在，一般n<N。子模塊主要由一個(gè)作為開(kāi)關(guān)元件的IGBT半橋以及一個(gè)直流儲(chǔ)能電容并聯(lián)組成，此外子模塊電容還并聯(lián)了一個(gè)放電電阻．用于在MMC停運(yùn)后釋放電容上的電荷，在子模塊下管上并聯(lián)了一個(gè)晶閘管以及旁路開(kāi)關(guān)，晶閘管用于在MMC發(fā)生雙極短路時(shí)旁路子模塊以防止大電流損壞子模塊，旁路開(kāi)關(guān)用于在子模塊故障后旁路故障子模塊。

2.2 MMC在線極隔離的充放電分析

 針對(duì)換流站內(nèi)部司可隔離故障，舟山工程現(xiàn)場(chǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)的處理邏輯為：控保系統(tǒng)在檢測(cè)到本站出現(xiàn)可隔離的故障后，同時(shí)發(fā)出閉鎖及跳交流系統(tǒng)進(jìn)線開(kāi)關(guān)命令，在確認(rèn)交流系統(tǒng)進(jìn)線開(kāi)關(guān)處于分位且直流側(cè)電流小于某一定值后發(fā)出極隔離命令。

 交流進(jìn)線開(kāi)關(guān)已跳開(kāi)，因此在MMC極隔離時(shí)不存在交流側(cè)與MMC之間的充放電關(guān)系，僅存在直流側(cè)與MMC的充放電關(guān)系。在MMC閉鎖后由于子模塊上管與下管都是處于關(guān)斷狀態(tài)，且上管反并聯(lián)二極管也不能為子模塊電容提供放電同路．因此閉鎖后在任何情況下子模塊電容都不能向直流側(cè)放電。

 此時(shí)若存在充電同路，僅存在直流側(cè)向MMC充電一種可能性，其充電回路如圖3所示（以A相為例），此時(shí)直流側(cè)將通過(guò)子模塊上管反并聯(lián)二極管為整個(gè)相單元充電。若該充電回路成立，則有式(1)成立，即子模塊電壓必須降至額定電壓50%以下。

 根據(jù)圖2中的子模塊結(jié)構(gòu)．MMC閉鎖后子模塊的電容與放電電阻構(gòu)成一個(gè)一階RC放電回路．閉鎖后子模塊電容電壓可表示為

式中：T為子模塊放電時(shí)問(wèn)常數(shù)。

 舟山工程采用的子模塊放電時(shí)間常數(shù)范圍為44～176 s，極隔離刀閘分閘到位的時(shí)問(wèn)為10 s．若閉鎖后立即發(fā)出極隔離命令，由式(2)可以計(jì)算出極隔離完畢后子模塊電容電壓為額定電壓的79.6%~94.5%，大于50%的額定電壓，式(1)對(duì)應(yīng)的關(guān)系不成立，因此推斷出圖3中的充電回路不存在。

 通過(guò)以上分析可以得到，若在MMC閉鎖后立即發(fā)出極隔離命令，理論上不會(huì)存在MMC與直流側(cè)之間的充放電回路，在極隔離過(guò)程中極隔離刀閘上不會(huì)有電流流過(guò)，即MMC在線極隔離是可行的。

3 MMC在線極隔離試驗(yàn)

3.1  現(xiàn)場(chǎng)在線極隔離試驗(yàn)方案

 舟山工程在線極隔離試驗(yàn)于2014年10月16-17日在舟定站進(jìn)行。為確保安全，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分為2步進(jìn)行：第1步在舟定站帶直流海纜空載加壓模式下進(jìn)行；第2步在舟定站與舟岱站兩端運(yùn)行模式下進(jìn)行，其中舟定站作為定功率站運(yùn)行。舟岱站在舟定站極隔離前后始終作為定直流電壓控制站運(yùn)行。每種模式下都由控制保護(hù)廠家通過(guò)后臺(tái)操作實(shí)現(xiàn)MMC的在線極隔離。在線極隔離動(dòng)作邏輯與2.2節(jié)中描述一致。

3.2  空載加壓試驗(yàn)結(jié)果

 待舟定站解鎖直流電壓升至400 kV后，由廠家在后臺(tái)操作停運(yùn)舟定站并執(zhí)行在線極隔離操作。回放監(jiān)控視頻，拉開(kāi)瞬間肉眼可見(jiàn)燃弧，拉開(kāi)瞬間截屏如圖4所示。試驗(yàn)波形如圖5所示，從波形上可判斷負(fù)極刀閘先于正極刀閘動(dòng)作；正負(fù)極刀閘在2.0 s內(nèi)發(fā)生多次燃弧，刀閘斷口的擊穿電壓隨著動(dòng)靜觸頭距離的增加而不斷增大，燃弧熄滅后直流電壓快速衰減至零左右；正極最大電壓峰值216 kV,負(fù)極最低電壓峰值-225 kV。直流電流在刀閘分開(kāi)前后基本沒(méi)有變化，大小均在電流互感器的零漂范圍內(nèi)。試驗(yàn)完成后進(jìn)入直流場(chǎng)檢查極隔離刀閘觸頭情況（見(jiàn)圖6）。由圖6可以看出，試驗(yàn)結(jié)束后刀閘觸頭無(wú)明顯燒灼痕跡。經(jīng)過(guò)檢查現(xiàn)場(chǎng)所有避雷器計(jì)數(shù)器均無(wú)動(dòng)作記錄。

3.3端對(duì)端試驗(yàn)結(jié)果

 待舟定站與舟岱站解鎖穩(wěn)定運(yùn)行后，由廠家停運(yùn)舟定站并執(zhí)行在線極隔離操作，同時(shí)保持舟岱站繼續(xù)運(yùn)行。該試驗(yàn)共進(jìn)行了4次，試驗(yàn)過(guò)程中正極最高電壓254 kV,負(fù)極最低電壓-249 kV。同放監(jiān)控視頻，拉開(kāi)瞬間肉眼可見(jiàn)燃弧，拉開(kāi)瞬間截屏如圖7所示，試驗(yàn)波形如圖8所示，試驗(yàn)后極隔離刀閘觸頭如圖9所示。端對(duì)端極隔離試驗(yàn)結(jié)果與空載加壓極隔離試驗(yàn)結(jié)果基本一致，極隔離過(guò)程巾的直流電流在電流互感器零漂范圍內(nèi)．避雷器無(wú)動(dòng)作。

4結(jié)語(yǔ)

 (1)舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)換流站在線極隔離過(guò)程巾會(huì)出現(xiàn)短時(shí)的燃弧現(xiàn)象，極隔離完成后直流電壓迅速降至OV附近。換流站在線極隔離對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備無(wú)影響。

 (2)舟山多端柔性直流在極隔離過(guò)程中放電電流較小，與理論分析基本一致。在線極隔離過(guò)程中過(guò)電壓水平在合理范圍內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致避雷器動(dòng)作。

 (3)本次試驗(yàn)證明，在控制保護(hù)的控制下，舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)具備實(shí)現(xiàn)在線極隔離功能，可以實(shí)現(xiàn)故障站的在線隔離，該功能的實(shí)現(xiàn)極大地增強(qiáng)了多端柔性直流系統(tǒng)的可靠性。