厦门柔直工程高频谐波保护方案分析与试验

陈明泉 肖世挺 严昌华 施清山 吴金福

厦门柔直工程高频谐波保护方案分析与试验

陈明泉1,2肖世挺1严昌华1,2施清山1吴金福1,2

（1. 福建中试所电力调整试验有限责任公司，福州 350007； 2. 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

国内外柔性直流工程在接入电网后多数发生了不同程度的高频振荡，采取相应抑制策略后，高频振荡问题仍不能彻底解决。本文结合厦门柔直工程新增高频谐波保护的应用实例，对高频谐波保护原理、判据等逻辑进行详细说明，通过仿真试验和现场检验验证了方案的可行性。同时，针对高频谐波保护存在的不足，提出相应的优化建议，以期为同类工程改造提升提供参考。

柔性直流；模块化多电平换流器（MMC）；高频振荡；抑制策略

0 引言

2011年至今，我国相继投入运行的柔性直流工程有±30kV/18MW上海直汇风电柔性直流接入工程、±160kV/20MW南网南澳风电多端柔性直流接入工程、±200kV/300MW浙江舟山多端柔性直流海岛供电工程、±320kV/1 000MW厦门柔性直流输电科技示范工程（以下简称厦门柔直工程）、±350kV/ 1 000MW鲁西背靠背直流异步联网工程、±420kV/ 5 000MW渝鄂背靠背联网工程、±500kV/3 750MW张北四端柔性直流试验示范工程、±800kV/5 000MW昆柳龙特高压三端混合直流工程、±400kV/1 100MW如东深海风电送出工程、±800kV/8 000MW白江特高压混合直流工程、±300kV/3 000MW广东背靠背直流工程等。

其中，厦门柔直工程是首个采用对称双极接线方案[1-7]的直流工程，电压等级±320kV，直流电流1 600A，输送容量1 000MW。相比于其他接线方式，对称双极接线方式供电可靠性更高。工程一次系统采用中电普瑞公司生产的模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）[8-11]作为换流核心设备，二次系统核心设备是由南瑞继保公司生产的极控保（pole control and protection, PCP）系统和中电普瑞公司生产的阀控系统（valve base controller, VBC）组成。厦门柔直工程一次主接线简化示意图如图1所示。

图1 厦门柔直工程一次主接线简化示意图

相较于常规直流或两电平换流器和三电平换流器等，基于MMC的柔性直流输电系统的开关频率低、损耗小、波形质量好；但MMC的电力电子设备多、控制系统复杂、内部动态特性稳定性差，易在接入电网时与系统发生高频振荡问题。例如，西班牙—法国联网工程在1.6kHz频段、鲁西背靠背工程在1 271Hz频段、渝鄂工程在1 810Hz和700Hz频段、张北工程在3 550Hz、1 550Hz及750Hz频段、如东工程在2 500Hz和2 000Hz频段均发生了高频谐振事件[12-17]。本文所述的厦门柔直工程在端对端系统试验时，直流侧发生了23Hz左右的低频振荡和530Hz左右小幅度的高频振荡事件。

目前，针对MMC的高频振荡抑制策略分别有调整MMC控制系统的有源抑制策略和添加硬件滤波支路的无源抑制策略。文献[14]提出通过优化序分量分离算法，在电压前馈环节、电流反馈环节增加滤波器，采用弱反馈控制算法等高频振荡抑制策略。但是，数字滤波器带宽不能无限降低，且不合适的带宽会恶化中频段阻抗特性；另外，在故障穿越过程中，弱反馈控制内环限流环节的投入仍不可避免会产生振荡现象。文献[15]提出基于电压前馈环节比例谐振控制的有源抑制方法和基于幅相校正器的无源抑制策略，该策略仅在理论上可实现全频段抑制，当前并未在实际工程中应用。文献[16]提出基于电压前馈环节非线性滤波的抑制策略，该策略能够改善柔直系统在中、高频段的阻抗特性，有效降低谐振风险，但未能在全频段完全消除谐振可能。文献[17]提出基于有源低通滤波器和基于改进桥臂电抗的无源阻尼法，理论上能有效抑制高频振荡，保证换流器交流侧高频阻抗呈正阻尼特性。虽然上述策略均有高频抑制效果，但在实际工程中仍无法彻底解决全频段的柔直系统谐振问题；此外，鲜有文献针对柔直工程的高频振荡问题，为防止高频振荡幅度过大超过设备（换流变、桥臂电抗器）的耐受能力导致设备损坏甚至烧毁而提出增设高频谐波保护的应用方案。

鉴于此，本文结合厦门柔直工程新增高频谐波保护方案的应用实例，对方案中高频谐波保护原理、判据等逻辑进行详细说明，阐述保护功能现场检验方法及注意事项，最后通过仿真试验和现场检验对方案的可行性进行验证。

1 厦门柔直工程高频谐波保护

1.1 高频谐波保护配置方案

由于厦门柔直工程属于早期建设工程，且运行过程中并未暴露出明显的交流系统高频振荡问题，因此未配置后续新建工程中采用的电压谐波保护及电流谐波保护。

按照防止柔性直流关键设备事故措施和柔直换流站设备可靠性提升重点措施的通知[18]文件要求，为监视及预防系统振荡，柔性直流控制保护系统应配置电压谐波保护、电流谐波保护等功能，在厦门柔直工程极保护（pole protection, PPR）系统中增设谐波保护跳闸功能，其包含网侧电压谐波畸变率保护、阀侧谐波电流保护及桥臂电抗器谐波过负荷保护。谐波保护配置如图2所示，图2中s为网侧交流电压，VC为换流器阀侧电流，BP、BN为换流器上、下桥臂电流。

图2 谐波保护配置

1.2 网侧电压谐波畸变率保护

网侧电压谐波畸变率保护逻辑是分相提取网侧交流电压s的2～40次谐波，计算出每相总谐波畸变率（total harmonics distortion, THD）的大小，若大于网侧电压基波额定值的7%，则延时10s保护报警出口。为防止变压器涌流冲击的影响，对7次及以下各次谐波进行2%限幅，并经s基波闭锁。网测电压谐波畸变率保护逻辑示意图如图3所示。

1.3 阀侧谐波电流保护

浦园、鹭岛换流站的换流变压器分别为特变电工沈阳变压器集团有限公司生产的ZZDFPZ—176700/220—320型和山东电力设备有限公司生产的ZZDFPZ—176700/230—320型分相双绕组油浸式有载调压变压器。根据厂家提供的换流变谐波耐受能力值，考虑额定运行工况下，叠加不同水平的谐波量，谐波电流计算至40次，确定换流变在额定运行工况下的耐受时间。以换流变阀侧额定相电流峰值作为基准值b_nom（2 598.14A），根据厂家提资数据，采用曲线拟合的方式，将不同频次电流转换为同一频率下的等效总热电流，用于判断设备耐受时间。厦门柔直工程两站阀侧谐波电流保护曲线拟合后的动作特性示意图如图4所示。

图4 两站阀侧谐波电流保护曲线拟合后动作特性示意图

阀侧谐波电流保护逻辑是分相提取换流变阀侧交流电流VC的2～40次谐波，根据提取拟合后的VC_THD谐波大小范围自动切换输出至对应段谐波保护元件，若满足该段谐波保护元件的判据，则保护动作出口闭锁换流器、跳开网侧和阀侧断路器，并启动网侧开关失灵保护；反之则保护不动作。阀侧谐波电流保护逻辑示意图如图5所示。

图5 阀侧谐波电流保护逻辑示意图

1.4 桥臂电抗器谐波过负荷保护

浦园、鹭岛换流站的桥臂电抗器分别为西安中扬电气股份有限公司生产的PKDGKL—160—1600—60型和北京电力设备总厂生产的PKK—320—100/600—60型干式电抗器。根据厂家提供信息，考虑趋肤效应系数影响的电抗器过负荷能力值，确定桥臂电抗器过负荷保护的基准电流B、动作定值B、时间常数等，厦门柔直工程桥臂电抗器过负荷保护定值见表1。

表1 厦门柔直工程桥臂电抗器过负荷保护定值

电抗器过负荷保护逻辑是分别提取上、下桥臂每相交流电流BP、BN的2～40次谐波，提取的谐波电流分别与对应的谐波次数趋肤效应系数相乘后，输出至桥臂电抗器反时限保护元件进行反时限计算，桥臂电抗器过负荷保护采用符合IEC 60255—8标准的反时限特性曲线方程，即

式中：为动作时间；为热过负荷时间常数，也称散热时间常数；B为热过负荷基准电流，也称持续运行电流；为热过负荷动作定值系数，也称长期过载倍数；为上桥臂交流相电流BP或下桥臂交流相电流BN的2～40次谐波电流值。待持续热积累值达到反时限动作值时，动作出口，闭锁换流器、跳开网侧和阀侧断路器，并启动网侧开关失灵保护。桥臂电抗器谐波过负荷保护逻辑示意图如图6所示。

1.5 高频谐波保护跳闸回路

厦门柔直工程极保护系统采用三重化配置，三套极保护动作后分别输出至三取二主机A、B及极控制系统值班主机，经“三取二”逻辑[19-20]判断满足条件后，驱动IO板卡出口跳闸。保护跳闸回路示意图如图7所示。

图6 桥臂电抗器谐波过负荷保护逻辑示意图

图7 保护跳闸回路示意图

2 高频谐波保护仿真及现场试验验证

在实验室对新增设的谐波保护跳闸功能进行仿真验证，模拟在工程仿真系统中注入谐波，从极保护的动作结果可以看出：网侧电压谐波畸变率保护、阀侧谐波电流保护及桥臂电抗器谐波过负荷保护均能正确动作。谐波保护跳闸仿真试验项目见表2。

厦门工程极保护装置的谐波保护采样输入取自站内对应电子式互感器输出的采用IEC 60044—8协议FT3接口的数字量，现场通过数字式继保测试仪模拟高频振荡故障输出的数字量，检查极保护谐波保护跳闸功能的正确性。具体调试方法见文献[21]，除采样方式有异于常规模拟量保护装置试验外，其他均与常规模拟量保护装置试验方法类似，本文不再赘述。由于桥臂电抗器过负荷保护为反时限元件保护，且过负荷保护时间常数太大，不便于现场试验，因此现场可对时间常数进行临时置数（置为允许的最小值）后再验证保护功能。

表2 谐波保护跳闸仿真试验项目

（续表2）

上述试验结果均与预期结果一致，区内保护均能正确动作。不过，在试验过程中发现保护逻辑存在不足之处：①若阀侧高频振荡幅值在阀侧谐波电流保护两段动作区之间来回波动，则可能造成阀侧谐波电流保护动作时间延长，超过延时整定值，甚至拒动，因保护各段元件分别计时，且谐波幅值超出该段动作区后计时器清零，再次进入动作区时重新计时；②桥臂电抗器过负荷保护的热过负荷时间常数非常大，造成保护动作返回慢，根据厂内仿真测试报告结果，保护动作返回时间约为11.3s，由于保护动作出口有启动交流站断路器失灵，进而造成故障切除后，启动失灵出口返回时间远大于30ms的要求[22]。建议厂家后续可采取相应措施进行优化，如：①阀侧谐波电流保护的相邻段保护动作区可相互交叉，以躲过阀侧高频振荡幅值振摆范围，或者谐波幅值大于该段保护动作区时计时器仍继续积计，小于该段动作区时则清零；②桥臂电抗器过负荷保护动作出口仅闭锁换流器、跳开网侧和阀侧断路器，不启动网侧开关失灵保护。

3 结论

本文结合厦门柔直工程新增高频谐波保护的应用实例，对高频谐波保护原理、判据等逻辑进行详细说明，通过仿真试验和现场检验验证了方案的可行性。同时，发现高频谐波保护的不足之处：①若阀侧高频振荡幅值在阀侧谐波电流保护两段动作区之间来回波动，则可能造成阀侧谐波电流保护动作时间延长，超过延时整定值，甚至拒动；②桥臂电抗器过负荷保护故障切除后，启动失灵出口返回时间远大于30ms的要求。针对不足之处，提出了相应的优化建议，可为同类工程提供参考。

[1] 胡文旺, 唐志军, 林国栋, 等. 柔性直流输电工程系统调试技术应用、分析与改进[J]. 电力自动化设备, 2017, 37(10): 197-203, 210.

[2] 邹焕雄, 李超, 胡文旺, 等. 厦门柔性直流输电工程真双极大功率试验方法研究[J]. 电气技术, 2017, 18(6): 23-26, 33.

[3] 吕金都, 王致杰, 王海群, 等. 柔性直流输电技术及其应用研究[J]. 电力学报, 2015, 30(4): 293-300.

[4] 李剑波, 刘黎, 苗晓君, 等. 舟山多端柔直换流站起停顺序分析研究及改进[J]. 电气技术, 2015, 16(8): 88-91, 94.

[5] 陈东, 乐波, 梅念, 等. ±320kV厦门双极柔性直流输电工程系统设计[J]. 电力系统自动化, 2018, 42(14): 180-185.

[6] 李超, 胡文旺, 唐志军, 等. 对称双极柔性直流输电系统功率转带控制策略[J]. 高电压技术, 2018, 44(7): 2173-2180.

[7] 陈明泉, 林国栋, 晁武杰, 等. 厦门柔直工程交流故障穿越失败事件分析及改进措施[J]. 电气技术, 2023, 24(2): 71-76.

[8] 王姗姗, 周孝信, 汤广福, 等. 模块化多电平电压源换流器的数学模型[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(24): 1-8.

[9] 邹毅军, 魏明洋. 模块化多电平换流器子模块故障模拟方法[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 96-101.

[10] 茆美琴, 程德健, 袁敏, 等. 基于暂态能量流的模块化多电平高压直流电网接地优化配置[J]. 电工技术学报, 2022, 37(3): 739-749.

[11] 班国邦, 牛唯, 杨文勇, 等. 基于模块化多电平换流器的直流融冰装置馈线潮流控制仿真[J]. 电气技术, 2021, 22(9): 27-33.

[12] 杨诗琦, 刘开培, 秦亮, 等. MMC-HVDC高频振荡问题研究进展[J]. 高电压技术, 2021, 47(10): 3485- 3496.

[13] 于浩天, 吕敬, 厉璇, 等. 高频振荡抑制策略对柔性直流输电系统动态性能影响的综合评估[J]. 中国电机工程学报, 2022, 42(8): 2873-2889.

[14] 苑宾, 厉璇, 尹聪琦, 等. 孤岛新能源场站接入柔性直流高频振荡机理及抑制策略[J]. 电力系统自动化, 2023, 47(4): 133-141.

[15] 赵峥, 李明, 田园园, 等. 江苏如东海上风电柔直工程系统谐振分析与抑制[J]. 电力建设, 2023, 44(6): 144-152.

[16] 郭贤珊, 刘斌, 梅红明, 等. 渝鄂直流背靠背联网工程交直流系统谐振分析与抑制[J]. 电力系统自动化, 2020, 44(20): 157-164.

[17] 杜镇宇, 阳岳希, 季柯, 等. 张北柔直工程高频谐波振荡机理与抑制方法研究[J]. 电网技术, 2022, 46(8): 3066-3075.

[18] 国网设备部关于落实柔直换流站设备可靠性提升重点措施的通知: 设备直流〔2022〕145号[Z]. 北京:国家电网有限公司, 2022.

[19] 郭健生, 唐志军, 石吉银, 等. 柔性直流换流变压器保护配置方案及试验技术研究[J]. 电气应用, 2018, 37(3): 72-76, 83.

[20] 陈明泉, 晁武杰, 胡文旺, 等. 基于选相跳闸和无接地点跳闸的厦门柔直工程提升方案[J]. 电气技术, 2022, 23(11): 92-98.

[21] 蔡振才. 国网福建省电力有限公司电力科学研究院组编. 柔性直流输电系统调试技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2017.

[22] 继电保护和安全自动装置技术规程: GB/T 14285—2006[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.

Analysis and experiment of high frequency harmonic protection scheme in Xiamen flexible HVDC transmission project

CHEN Mingquan1,2XIAO Shiting1YAN Changhua1,2SHI Qingshan1WU Jinfu1,2

(1. Fujian Zhongshisuo Electric Power Testing & Commission Co., Ltd, Fuzhou 350007; 2. State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350007)

Most domestic and foreign flexible HVDC transmission projects have experienced varying degrees of high frequency oscillations after being connected to the power grid. After adopting corresponding mitigation strategies, the high frequency oscillation problem still cannot be completely solved. In this paper, combined with the new application example of high frequency harmonic protection in Xiamen flexible HVDC transmission project, the principle, criterion and other logic of the high frequency harmonic protection are explained in detail. The feasibility of the scheme is verified through simulation experiments and field test. At the same time, corresponding optimization suggestions are proposed to address the shortcomings of high frequency harmonic protection, in order to provide reference for similar projects.

flexible DC; modular multilevel converter (MMC); high frequency oscillation; mitigation methods

2023-09-01

2023-09-08

陈明泉（1982—），男，福建省南平市人，本科，工程师，主要从事继电保护及自动化、直流输电及电力监控安全防护工作。