南瑞继保电气公司唐俊、赵文强 等：混合级联特高压直流输电系统旁通对过负荷保护优化

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南京南瑞继保电气有限公司的唐俊、赵文强等人在研究一种同时采用电网换相换流器（LCC）和电压源换流器（VSC）组成的新型混合直流输电拓扑结构时发现，某些故障可能导致该结构中的LCC换流器旁通对过负荷保护误动。通过分析多种工况下的故障回路和保护误动机理，优化了保护判据和定值整定方法，并提出了逆变站LCC换流器执行闭锁时合旁通开关（BPS）的策略。实时数字仿真（RTDS）试验表明，所提方案简单可行，提高了直流输电系统的可靠性。

团队介绍

南京南瑞继保电气有限公司：主要从事电网、电厂和各类工矿企业的电力保护控制及智能电力装备的研发和产业化，是国家能源局“国家能源电力控制保护技术研发（实验）中心”的依托单位，是国家重点高新技术企业和国家规划布局内的重点软件企业。

唐俊

工程师，研究方向为直流输电系统的控制与保护。

赵文强

高级工程师，研究方向为直流输电系统的控制与保护。

吕彦北

工程师，研究方向为直流输电系统的控制与保护。

姜崇学

高级工程师，研究方向为柔性直流输电系统的控制与保护。

邹强

高级工程师，研究方向为直流/柔性直流输电系统的控制与保护。

研究背景

现有直流输电系统发生双极换相失败时，极易引发交流系统振荡，从而导致多回直流同时换相失败，造成事故扩大化。为解决上述问题，出现了图1所示混合级联直流输电系统拓扑结构。该拓扑利用VSC换流器无换相失败的特性，在交流系统故障时起到电压和无功支撑作用，从很大程度上缓解了常规直流系统换相失败问题。

在工程上，这种新型混合级联特高压直流系统的控制保护策略可以很大程度借鉴现有特高直流输电系统的成熟方案，但其诸多特殊性和不适用性也应充分研究改进。

图1 混合级联特高压直流输电系统拓扑结构

论文所解决的问题及意义

混合级联特高压直流输电系统中，逆变站LCC换流器发生接地故障时，在VSC换流器的作用下，可能导致LCC换流器旁通对过负荷保护误动。

此外，为防止极母线或直流线路故障时，VSC换流器通过高端LCC换流器的BPS开关形成短路回路，引起VSC换流器过流，故在执行极闭锁时，逆变站LCC换流器不能像常规特高压工程一样，在投入旁通对的同时合BPS。站间通信中断时，这将导致LCC换流器旁通对持续流过电流，影响其使用寿命。

基于以上问题，研究适用于混合级联特高压直流输电系统的旁通对过负荷保护原理及相关闭锁策略，对提高混合级联特高压直流输电系统可靠性具有很大意义。

论文方法及创新点

1

故障回路分析及保护判据优化

本文分析了混合级联直流输电系统在逆变站高端LCC换流器的低压侧（F1点）发生接地故障时的故障回路。由于低端VSC换流器中反并联二极管的存在，会形成图1中所示4个电流回路，产生负向的IDC1N电流，沿用现有特高压直流系统的保护判据，会造成逆变站高端LCC换流器的旁通对过负荷保护误动。

图2 F1点永久故障时电流回路示意图

基于以上故障电流回路分析，提出同时采用LCC换流器高、低压侧电流实测值的旁通对过负荷保护判据，有效解决了保护误动问题。

2

闭锁时序优化及保护定值整定

如图3所示，逆变站F2点发生接地故障，站间通信中断时，整流站无法在逆变站执行闭锁时配合移相，导致逆变站高端LCC换流器投入旁通对后持续有较大的电流流过，旁通对过负荷保护动作。

图3  F2点故障示意图

考虑混合级联直流系统特点，在VSC换流器闭锁、换流变交流开关跳开后，倒灌回路的电源即被切断，故此时LCC换流器可以投入BPS，对旁通对起到分流作用。优化后的逆变站极闭锁逻辑流程图如图4所示。

图4  优化后的逆变站极闭锁逻辑

考虑保护动作后，低端VSC收到闭锁命令并发出跳交流开关的延时，以及低端换流变开关全部跳开的时间，可以在执行整极闭锁50~70ms后开放高端LCC换流器合BPS，故旁通对过负荷保护的时间定值可在常规特高压工程150ms的基础上增加50~70ms，即按200~220ms考虑。

结论

本文详细分析了混合级联特高压直流系统中旁通对过负荷保护的误动问题，提出了采用换流器高低压侧实测电流的保护判据。对于站间通信中断时逆变站保护动作的问题，优化了LCC换流器合BPS的逻辑，并在此基础上配合调整了保护定值。

通过理论分析和RTDS仿真试验证明，优化后的保护整体方案可以有效解决保护误动问题，而对于旁通对异常运行情况，仍具备与以往判据相同的灵敏度。本方案提高了系统整体的可靠性，具有工程应用价值。

图5 应用案例

引用本文

唐俊, 赵文强, 吕彦北, 姜崇学, 邹强. 混合级联特高压直流输电系统旁通对过负荷保护优化[J]. 电气技术, 2022, 23(1): 84-88. TANG Jun, ZHAO Wenqiang, LÜ Yanbei, JIANG Chongxue, ZOU Qiang. Optimization of bypass pair overload protection in hybrid cascade UHVDC transmission system. Electrical Engineering, 2022, 23(1): 84-88.  

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