昆柳龙直流工程柳州站双阀组充电跳闸事件分析及对策

杨雪飞，杨绍远，李桂源，章功辽，姚日斌，杨顺建

(1. 南方电网超高压输电公司柳州局， 广西 柳州545006； 2. 直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院)， 广州510663)

0 引言

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具有低损耗，低占地面积，低谐波含量，模块化易扩展，不需要IGBT直接串联等优点[1 - 3]。自2002年提出后，MMC已获得广泛的关注与长足的发展。乌东德电站送电广东广西特高压多端直流(昆柳龙直流工程)示范工程是世界首个±800 kV特高压大容量三端混合直流工程(图1)，是国家“十三五”重点工程[4 - 5]。工程起点云南省昆北换流站采用常规直流，直流落点广西壮族自治区柳州换流站和广东省龙门换流站均采用柔性直流，线路全长1 452 km。直流额定电压为±800 kV，额定输送容量8 000 MW，其中送广东5 000 MW，送广西3 000 MW[6 - 8]，工程经充分试运行测试已于2020年12月27日正式投产。

作为世界首个特高压多端柔性直流工程，其运行工况和控制特性复杂、多样，启动调试项目多，周期长，启动调试是检验工程设计、设备和施工质量的关键环节，以最大限度地提高工程运行阶段可靠性，包括控制保护系统、柔直换流阀、柔直变压器、启动电阻、桥臂电抗器等多种“首台套”在内的设备和系统将经受考验和性能验证。本文针对昆柳龙现场调试过程发生的柳州换流站极2双阀组充电跳闸事件进行分析，定位了跳闸事件的原因，并提出相应的改进措施并经过了RTDS仿真验证。所提方案已成功应用于昆柳龙直流工程，为工程调试和后续安全稳定运行提供了保证，对以后特高压柔性直流工程具有重要的参考价值。

昆柳龙直流工程采用LCC+VSC+VSC三端混合直流输电方式，三端柔直阀组接线采用双极对称，高低阀组串联(400 kV+400 kV)的接线方式，如图1所示。本工程受端采用模块化多电平换流器[9 - 10]，为满足直流线路故障自清除[11 - 13]、阀组在线投退、直流降压运行，以及考虑经济性等，采用全桥和半桥子模块混合构成的混合型MMC[14 - 15]，柳州站的全桥、半桥子模块比例7:3，其三端接线示意图如图1所示，混合桥子模块拓朴[8]结构如图2所示。

图1 昆柳龙直流接线方式图Fig.1 Kunliulong DC wiring diagram

图2 混合桥子模块拓扑结构图Fig.2 Topological structure diagram of hybrid bridge sub-module

柔直换流器的能量转换依赖桥臂中的子模块进行，为防止少数子模块的偶发故障影响直流运行，柔直换流器需配置一定比例的冗余子模块[16]。昆柳龙工程中该比例为8%，即每个桥臂均配置16个冗余全桥子模块，若旁路子模块及故障子模块数目超过16，将造成换流器冗余子模块数目不足，由相应阀控出口跳闸逻辑。

1 特高压柔性直流站充电策略

将柳州换流站混合拓扑结构 MMC 换流器的充电过程分为4个阶段[17 - 18]。

1)第一阶段：合上交流侧开关，全、半桥子模块进行不可控充电。

2)第二阶段：全桥子模块电压满足取能要求后，T4 管导通转为半桥子模块继续不可控充电。

3)第三阶段：启动电阻旁路刀闸合上，将启动电阻旁路。

4)第四阶段：全部子模块电压满足取能要求后，转为可控充电。

柔直换流阀解锁前，需进行充电操作，以使取能电源正常工作，在不控充电的初始阶段，子模块自取能电源尚未得电，所有功率器件的IGBT均处于关断状态，电流只能经其反并联二极管流过。半桥子模块在正向桥臂电流下旁路子模块电容，在负向桥臂电流下给电容充电。

同时阀控将子模块电容电压升至额定值附近，减小解锁时的冲击。充电过程从时序上可分为不控充电阶段、可控充电阶段[19 - 21]，从方式上可分为交流侧充电、直流短接充电等，双阀组解锁时采用交流侧充电方式，其等效回路如图3所示。

图3 柔直换流阀交流侧充电过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the AC side charging process of VSC-HVDC converter valve

柔直换流阀开始充电时，由于子模块电容初始电压较小，为防止交流进线开关合闸时的冲击电流过大，需提前串入充电电阻。开关合闸后的暂态过程可用式(1)所示的全响应模型等效。式中η为联接变变比；Us为网侧线电压瞬时值；R为充电电阻阻值；C为两个桥臂全桥子模块与一个桥臂半桥子模块串联后的等效电容容值；Uc为该等效电容的等效电压。

(1)

假设合闸前等效电容的电压为U0，可求得Uc。

(2)

进而可求得合闸后的充电电流在暂态过程中满足：

(3)

由式(3)可知，子模块电容的初始电压越高，则U0越高，交流开关合闸后的暂态充电电流越小，且充电电流随时间指数衰减。

图3所示的充电回路，全桥子模块得电速率约为半桥子模块两倍，为防止全半桥子模块电容压差过大，全桥子模块电容电压达到取能电源的驱动门槛时，统一触发T4，同时为加速充电过程，交流开关合上20 s后，若交流电流三相有效值均低于20 A且满足5 s的延时要求，下发充电电阻旁路隔刀合闸命令，将充电电阻旁路。全桥子模块T4导通且充电电阻旁路后，阀组充电过程在直流侧可等效为图4所示的不控整流电路。

图4 柔直换流阀充电等效电路Fig.4 Charging equivalent circuit of VSC-HVDC converter valve

因此柳州站极2低端换流阀充电，与高端阀组连接点的电位由阀侧线电压E决定，阀侧为额定电压时，图4中M点的电位UdM约为

(4)

2 故障分析

2.1 事件概述

2020年12月13日，昆柳龙直流按计划开展昆柳两端极2双换流器解闭锁试验，13:19:24，柳州换流站合极2低端阀组交流进线开关，低端阀组开始不控充电，13:22:53 ，合极2高端阀组交流进线开关，约3 s后，柳州站极2高端阀组控制(CCP)报“阀控请求跳闸信号出现”，阀控报“阀控系统冗余不足出现”，于该信号出口时，极2两阀组均未解锁，高低阀组联跳故障并执行极隔离，监控信号如图5所示。

图5 柳州站极2高端阀组阀控相关SOEFig.5 Liuzhou station pole 2 high-end valve group control related SOE

2.2 原因分析

2.2.1 低阀不控充电时高阀充电回路

低端阀组充电时，高端阀组CCP录波如图6所示。从图中可以看出，该阶段UdM电压维持在-311 kV左右，与前文的分析一致。与此同时，由于UdM与UdL存在电位差，高端阀组承受约97 kV的电压，该电压的作用下，高端阀组子模块电容平均电压在未合交流开关时已升至370 V左右。

图6 高端阀组CCP录波Fig.6 CCP recording of high-end valve group

高端阀组的被动充电现象如图7所示，在低端阀组带电后，UdM通过高端阀组的全桥子模块给全桥子模块充电，而半桥子模块被反向二极管旁路，图7中高端阀组低压侧的电位UdM由低端阀组的不控整流回路建立，约为-311 kV，考虑极2线路对地电容、线路间耦合电容、昆北站直流滤波器、线路上一二次设备绝缘电阻的作用，引入虚拟对地回路，构成环路后，高端阀组的全桥子模块即可被低端阀组充电。

图7 柳州换流站极2高端阀组被动充电结果示意图Fig.7 Schematic diagram of passive charging results of the pole 2 high-end valve group of Liuzhou converter station

2.2.2 高阀充电过程冗余不足跳闸

随着高端阀组合上交流进线开关，高端阀组开始交流侧充电，根据现有的阀控配合时序，如图8所示，交流开关合位约3 s后，阀控触发全桥子模块T4，并进行黑模块检测。

图8 柳州站极2阀控交流侧充电协调时序图Fig.8 Charging coordination time sequence diagram of valve control of AC side at pole 2 of Liuzhou station

正常情况下，3 s的交流侧充电时间足以使半桥子模块电压升至取能电源工作门槛值之上，并将此前闭锁过程中锁存的各类故障初始化，而考虑低端阀组充电对高端阀组全桥子模块的影响，高端阀组交流侧开关合闸瞬间，U0约为97 kV，根据式(3)可知，充电电流将相应减小，半桥子模块得电速率相应变慢。如图9所示，交流侧合闸3 s后，半桥子模块电压仍低于门槛值(约400 V)，故障信号未复归造成全部半桥子模块被识别为故障子模块，进而导致子模块冗余耗尽跳闸。

图9 柳州站极2高端阀组阀控录波Fig.9 Valve control recording of the high-end valve group of Liuzhou station pole 2

阀控请求跳闸的出口形式为阀组层ESOF，但由于保护动作时刻，极2两阀组均未解锁，保护联跳低端阀组，并执行极隔离措施。

2.2.3 阀控跳闸逻辑说明

昆柳龙工程中每个桥臂配置 216 个子模块，其中包括 16 个冗余子模块，冗余不足保护定值暂定如下：冗余不足报警定值：12；冗余不足跳闸定值：16。当任一桥臂的故障子模块数目大于冗余不足跳闸定值时，阀控系统自主闭锁 6 个桥臂并请求跳闸，其跳闸逻辑图如图10所示。

图10 阀控跳闸逻辑Fig.10 Valve-controlled trip logic

在本次跳闸事件中，由于低端换流器先充电后，高端换流器全桥子模块受感应电充电(在充电前，每个子全桥子模块电压达到370 V左右，而半桥子模块电压为零)，在高端换流器进入不控充电以后，由于混合拓扑结构全桥子模块充电速率是半桥的两倍，全桥子模块电压上升速率远大于半桥子模块速率，当取能成功的半桥模块平均电压大于900 V 后，开始判断半桥模块故障。由于半桥模块上电速度不完全一致，当取能成功的半桥模块平均大于900 V 时，仍有一些半桥模块处于上行通信故障状态 ，导致冗余不足而跳闸(单个桥臂故障子模块大于16个，阀控直接闭锁)。判断逻辑如图11所示。

图11 阀控判断故障子模块逻辑Fig.11 Valve control judgment fault sub-module logic

综上所述，柳州换流站极2两阀组先后充电，低端阀组充电阶段，经直流线路对地虚拟回路，高端阀组全桥子模块被动得电，半桥模块处于无压状态。随后高端阀组交流侧开关合闸，由于全桥子模块存在较高的初始电压，高端阀组交流侧开关合闸时充电电流较小，半桥子模块得电较慢。而当时的黑模块检测时机为合交流开关后3 s，裕度较小，造成半桥子模块电压未升至取能电源工作门槛值时，已开始进行故障识别，半桥子模块全部误判为故障子模块导致冗余不足而跳闸。

3 改进措施

3.1 改进故障判断逻辑

鉴于以上双阀组带线路充电工况下，低阀不控充电之后，合闸进行高阀充电时，半桥充电缓慢的情况，修改故障判断逻辑，对全半桥模块故障分开判断，全桥模块保持原来合闸3 s(500 ms控保延时+2.5 s阀控自身延时)开启故障判断逻辑不变，半桥模块2.5 s阀控延时之后，同时判半桥模块平均电压大于900 V之后再启动半桥模块故障判断逻辑，避免充电期间半桥模块因为充电速度缓慢导致的误判故障。完善后的判断故障逻辑图如图12所示。

图12 修改后逻辑图Fig.12 Modified logic diagram

3.2 改进阀控和子模块配合时序

阀控和子模块配合时序如下所示：

1)子模块取能电源板卡启动工作电压为400 V，当子模块电容电压充电至400 V时，取能电源开始工作，启动时间约为1 s。

2)子模块控制板卡各级电压正常，芯片正常工作，时间约为0.5 s。

3)当子模块控制板卡芯片正常工作后，延时1 s，之后与阀控正常建立通信，开始上送子模块电压和状态等信息。

鉴于上述充电过程中半桥模块充电存在离散性及SMC在达到400 V工作电压到与阀控建立通信需要2.5 s 的情况，在原来充电期间开始判断半桥模块故障的条件上新增：半桥模块平均电压大于900 V之后延时5 s再启动半桥模块故障判断逻辑，避免充电期间半桥模块因为充电速度不一致及与阀控建立通信延时不够导致的误判故障。

4 仿真验证

在完善上述策略后，将完善后的策略通过PSCAD/EMTDC仿真验证。直流换流器主要参数如表1所示。

表1 直流换流器主要参数Tab.1 MMC main parmeters

仿真场景与柳州换流站正常操作时序类似，先给低端换流器充电，由于前述感应电的影响，高端换流器中全桥子模块会被充电，由图13可以看出，在充电初期，半桥模块电压略大于全桥模块电压(AVG_VOL_CD_HB

图13 逻辑修改后的换流器充电波形Fig.13 VSC-Inverter charging waveform after logic modification

5 结语

低端阀组充电时，高端阀组全桥通过低端阀组感应电得电是特高压柔直特有的现象，先充电的低阀组会产生感应电压对高阀全桥子模块进行充电，全桥子模块的得电会大大降低高阀组中半桥子模块的充电速率，本文对此进行充电机理分析，最后通过梳理阀控逻辑，发现故障跳闸是阀控判断故障子模块的逻辑及时序配合不当所导致的，在完善程序逻辑后，在RTDS平台验证后无误，对柳州换流站阀控进行程序升级，由于感应电造成的全桥子模块与半桥子模块充电速率不一致导致阀控误判故障的问题得到解决，优化后的逻辑也达到预期效果，为工程调试和后续安全稳定运行提供了保证，对以后特高压柔性直流工程具有重要的参考价值。