海洋输电中柔性直流输电系统线路保护技术研究

甘纯 GAN Chun；张引贤 ZHANG Yin-xian；李剑波 LI Jian-bo；苗林 MIAO Lin

（国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，舟山 316000）

0 引言

在海洋环境之中，由于缺少遮挡物，因此风速较大，输电线路容易受到环境因素的影响。当前的海洋电力生产主要是以海上风电场为主，一般来说在陆地上此类电力在生产之后，往往是采取110kV 以下的低压电缆进行输送，在海洋环境下相应的输电活动则是采取110kV 以上的高压电缆输送，不过这种输电方式的技术难度相对较大，且海洋环境中相应的线路需要建设于远离陆地、人烟稀少的区域，经过长距离输送之后接入电网，其中的不可预测因素较多，而数字化技术的应用，则可以在这些条件下对输电线路的安全和稳定形成保障。

1 海洋环境下的电力输送形式

1.1 海洋环境下的电力输送形式概述

目前海洋输电的方式主要包括2 种，即高压交流输电（HVAC）、高压直流输电（HVDC），同时在直流输电的基础上，相关的技术又可以分为基于晶闸管换流器（PCC）的直流输电技术、基于电压源变流器（VSC）的轻型直流输电技术和混合HVDC 直流输电技术几种。海洋输电方式和具体设施建设过程中，主要考量的因素是其是否能够在海浪、强风、盐雾、潮湿等环境中会安全稳定地运行，以及相应的输电线路在建设成本及效能方面是否具有比较优势。传统的交流输电模式在结构方面较为简单，建设成本低，因此受到的关注也相对较大，但同时其在应用的时候会受到交流电缆充电电流的影响，所以输电功率和输电电流将会受到较大的限制[1]。针对这种现象，在交流输电电缆的应用中，需要采取不同的HVAC 输电模式来规避对应的电力传输问题，如针对距离相对较短、功率相对较小的情况，往往采取直接连接的方式，无需变压器和高电压输电，而如果输电功率较大，且输电的距离较长的时候，则有必要采取变压器和高压输电模式。当前我国的海洋交流输电过程中，一般会采取配合静止无功补偿器的方式来完成输电过程。与之相对，传统的高压直流输电方式则可以比较好地适应大功率远距离输电、海底电缆和交流系统间异步连接等场景，同时输电的损耗较低，可以控制有功和无功，海上发电厂也无需与电网同步。同时高压直流输电方式也可以对两端网络的故障进行隔离，解耦连接的电网。不过这种输电方式也存在一些不足，如在进行设施建设的时候需要配备辅助设备供应换向电流、输送距离短以及输送功率小的情况下成本较高、换电站的晶闸管阀会产生谐波等。

1.2 柔性直流输电技术

常规的直流输电过程中，是以晶闸管技术来实现整流器和逆变器，晶闸管是半控期间在运行过程中只能开通而无法进行关断，晶闸管换流器在运行中必须依靠相应电网电压来实现换相过程，这种现象也被称为电网换相换流器。从以往的实践之中已经可以了解到，常见的直流输电技术在应用的时候可以较为有效地减少电力的损耗，且针对远距离输电的情况，其整体的造价也相对较低。尽管其存在这些优势，然而由于在正常功能发挥的时候，晶闸管等器件无法有效关断的情况下，仍然会导致其得阀电流减小到换流阀的维持电流之下，让其难以适用于向弱交流系统，以及其他一些无源负荷的供电，同时因为常规直流输电系统需要依靠受端电网电压来进行换相，所以也必然存在着较高地换相失败的风险，有可能导致电力输送的中断。在以往的基础上，形成了以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为基础的电压源型柔性直流输电技术（VSCHVDC），电压源型柔性直流输电技术是采取绝缘栅双极型晶体管来进行直流输电系统构建的方法，通过以绝缘栅双极型晶体管构成电压源换流器进行直流输电，该过程中相应的电压源换流器能够视为幅值和相位都可实现有效控制的电压源，在此基础上即可比较灵活地对相关线路的有功功率和无功功率进行控制。而两个电压源换流器的直流侧通过直流线路连接在一起的时候，即形成了直流输电系统，可以保证在两个交流系统之间进行功率的有效传输[2]。不过这种技术在应用中，也存在IGBT 器件短时电器耐受能力较差、故障穿越和切除困难的问题。而模块化电平换流器（MMC）技术的形成，则解决了这些情况，其不仅可以有效应对直流输电中换电失败的问题，还可以作为受端系统的无功电源，形成电压支撑作用，比较适宜参与海洋输电。MMC-HVDC 系统在结构方面，主要由整流站、逆变站、直流输电线路三个部分组成（如图1 所示）。

图1 MMC-HVDC 系统结构

柔性直流输电系统在海洋输电领域之中的应用，主要具有如下优势：①采取绝缘栅双极型晶体管的电压源换流器为全控器件，在作用过程中可以有效控制线路中的电流关断，而无需针对其施加对应的换相电压，可以充分克服既往直流输电线路受端必须为有源网络的缺陷，同时也可以确保向弱交流系统以及无源负荷进行电源的提供；②这种直流输电线路也能够避免以往直流输电过程中常见的换相失败问题，确保功率传输的持续性；③在应用过程中，柔性直流输电系统也可以较大程度地减少谐波，从而显著降低线路的滤波需求，多数情况下无需进行滤波器的安装[3]。

2 柔直流输电的常见故障及保护技术

2.1 柔直流输电的常见故障

柔性直流输电技术可以比较有效地满足海洋输电的各类需求，因此成为海洋发电传输和并网的重要手段。但相应的系统在运行过程中仍然有可能出现各类问题，所以需要针对相应的问题采取合理的保护措施。海洋输电中，柔直流输电功率半导体器件承受过流能力方面远远弱于传统的交流输电系统，这种特征导致柔直流系统在出现短路故障的时候将产生更为严重的安全问题[4]。以常见的三段式距离保护为例，距离保护Ⅱ段可以保全线路全长，其动作时间大于0.5s，远远大于柔直保护的动作时间，正是因为这一特征的存在，所以三段式距离保护和过流保护无法在柔直流系统中应用。在故障类型方面，从既往对柔直流输电线路的应用经验中可以了解到单极接地故障、双极接地故障、断线故障等故障类型，是柔直流输电网络比较常见的故障类型，相关故障阐述如下：

①单极接地故障。该故障所指的是在直流系统之中，仅在一极导线与地之间出现的接地故障现象，在海洋输电所采用的MMC-HVDC 系统之中，此故障的特点表现为MMC 子模块电容经故障点与避雷器形成回路，模块电容经故障点与交流侧接地电阻形成回路。MMC-HVDC 系统的直流侧出现故障之后，在相应换流器锁闭前的时间中，会出现电流增加的现象，不过因为存在钳位大电阻对其进行限制，因此电流增加的幅度有限。而在控制器的影响下，交流侧的电流则会持续升高，其并联侧的电流幅值也将在这一作用之下增大。故障之后，相关系统的正极电压瞬时会降低为0，而负极的电压则会上升到正常状态下的2倍，极间电压将保持不变，有功功率整体的变化不明显，因而处于这一状态的时候，柔直流系统仍然能够正常地进行功率传输。有鉴于此，在相应故障发生之后，换流器无需进行迅速闭锁，只需要对相应的交直流保护整定值进行适当调整，确保其能够与直流侧系统进行有效配合即可[5]。但如果单极接地故障为永久性故障，则必然导致负荷超过线路的耐压承受，造成严重的事故，因此需要积极进行排除。

②双极接地故障。通常情况下，在柔直流输电系统之中双极短路故障的发生可能性低于单极接地故障，但因为这一类故障放电回路的特殊性，因此对于海洋输电系统破坏性更强。实际上，当此类故障发生之后，MMC 内各相电路都存在着放电回路，会导致相应的电容电压跌落为0，故障电流达到最高，进而严重影响到系统之中各个组成部分的安全性和稳定性。此外，随着母线电压跌落到0，将造成输电系统的功率传输过程停止。相应故障发生之后，故障电流主要可以分为两个部分，首先是MMC 子模块电容经过换流器桥臂向故障点放电，造成故障电流在短时间内增大，其次则是换流器锁闭之后，交流侧的三相短路电流经过换流器向故障点放电，这一故障电流相对较小。由于双极接地故障导致的后果严重程度较高，因此相关单位在海洋输电过程中应当重点对其进行应对和保护。

③断线故障。断线故障的发生可能性相对较低，不过在海洋输电环境之中，由于各类海浪、大风等因素的影响，这一故障仍然是有可能发生的。在出现单极断线故障之后，线路首端功率立即停止输送，造成功率瞬间不平衡，使得送端换流器的直流母线出现较为明显的过电压现象。当相关情况发生后，具体的情况将根据换流器的工作情况而出现一定的差异。如果为整流模式，则会造成母线电压的震荡[6]。如果是处于你变模式，则会导致受端MMC 子模块电容向受端系统放电，造成电压的降低。

2.2 柔直流输电的保护技术

在海洋输电活动中，对柔直流输电线路进行保护可以促进电力输送过程的稳定和安全。在实施相应保护工作的时候，可以采取基于非同步故障电流最大值的双端保护方案，相关方案实施的方法如下：

①故障定位。在相应的系统检测出柔直流的故障之后，MMC 将进入闭锁状态，直流断路器也将断开，故障后由于相应线路中的电容完全放电，故障电流将会达到最大值，因此在故障定位的过程中，相关人员可以通过对不同MMC 之间的故障电流最大值以及电压值进行测量，来实现定位目的[7]。进行测量的时候MMC 所投入的子模块数量，将会对电容电压值以及故障电流的最大值形成影响，从而导致测量精度的降低，有鉴于此，可以通过一次仅投入一个子模块的方法，防止MMC 之间的反向充电问题出现。在完成对应子模块的检测之后，再进行下一个子模块的投入，直到将其完全进行检测（如图2 所示）。

图2 双端非同步测距步骤

②测距方法。在故障定位步骤的基础上，应用相关故障的特性来进行测距即能够实现对故障的准确定位，从而有效地保护海洋柔直流输电线路。首先，在面对单极接地故障的时候，对应系统之中的正极电压将会瞬时为0，而负极的电压则会显著上升，极间电压则会保持不变。故障之后，两端MMC 等效电路见图3。

图3 MMC 等效电路

当相应的开关闭合之后，即形成经典RLC 回路，可得到其零状态输入相应的二阶电路[8]。在此基础上可以针对相应线路之中的故障电流曲线对电感电压、电容瞬间电流、MMC 电容瞬间电压等特征进行观察，实际上，当MMC端电容瞬间电压达到巅峰的情况下，相应线路的电容瞬间电流也将处于巅峰状态，随着时间变化，当MMC 电容瞬间电压逐渐降低的时候，电容瞬间电压也将逐步降低，而电感瞬间电压则会逐步上升。因此在故障发生之后，数据中心可以根据MMC 的故障电流最大值以及电压值实现对故障距离的测量。

其次，在双极短路故障现象发生之后，对故障进行定位的方法则与单极接地故障有所类似，同时也存在一定的差异。主要的差异在于双极接地故障的回路为欠阻尼状态，从而造成其故障回路的等效值有所不同。其故障具体距离，可以通过两个MMC 测得的电压值、电流最大值来进行计算。

3 结语

综上所述，在当前的电力生产之中，电力输送是影响电力利用的关键因素，随着海洋发电整体格局的形成，在海洋环境中进行电力输送已经成为人们广泛关注的问题。柔性直流输电系统由于其所具有的优势，在海洋输电领域扮演着关键性的角色，而如何在海洋环境之中进行柔性直流输电系统的保护，是当前的重点和难点。本文对柔性直流输电的特征、常见的故障问题以及发生故障之后进行故障定位的方法进行了探讨，在后续的工作之中相关单位需要进一步研究柔直流输电的保护策略，促进海洋输电系统的稳定。