一种对称单极柔直系统深度过电压抑制方法

技术领域

本发明涉及直流输电系统技术领域，特别是关于一种对称单极柔直系统深度过电压抑制方法。

背景技术

柔性直流输电因具有可以快速独立控制有功和无功、无需滤波和无功补偿装置、无换相失败问题、可为无源系统供电、适合构成多端直流系统和直流电网等优势，在可再生能源并网、异步电网互联、偏远地区供电和多端网络构建等方面具有广阔的应用前景。

柔性直流一般包括对称双极柔性直流与对称单极柔性直流结构。对称单极柔性直流系统相比于对称双极柔性直流系统具有结构简单、经济性高、联接变压器阀侧无直流偏置电压等优势，是中小容量柔性直流系统的优选方案，在远海风电经柔性直流送出领域应用广泛，目前国内外在运的远海风电柔性直流送出工程均采用对称单极接线型式。

然而，本申请的发明人在研究中发现，对称单极柔性直流系统在单极接地故障下，极易出现较高的直流暂态过电压，系统绝缘水平相比对称双极柔性直流系统高得多。尤其在远海风电柔性直流送出等应用领域，系统绝缘水平将严重影响直流海缆等核心设备与海上换流平台的设计制造难度和整体投资水平。因此，如何优化对称单极柔性直流系统的绝缘配合方法，实现对称单极柔性直流系统的过电压深度抑制，是亟待解决的关键问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种对称单极柔直系统深度过电压抑制方法，能够利用优选电抗器的暂态分压特性以及换流阀超高速保护解决避雷器的长时暂态耐压和超大能量耐受难题，提出对称单极柔直系统高荷电率避雷器全局优化绝缘配合方案，实现系统暂态过电压的深度抑制。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种对称单极柔直系统深度过电压抑制方法，所述方法包括：

基于所述对称单极柔直系统预设的限制因素，进行电抗器数值的配置，所述限制因素包括系统暂态电压应力、系统暂态电流应力、系统动态响应特性以及系统运行经济性；

基于所述对称单极柔性直流系统换流站的主接线，配置系统避雷器，所述系统避雷器包括桥臂电抗器阀侧避雷器、联接变压器阀侧避雷器和直流极线避雷器；

结合所述对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统的过电压演变过程和电抗器的暂态分压特性，开展所述系统避雷器的参数设置。

在本申请的一种实现方式中，所述进行电抗器数值的配置，包括：

基于所述电抗器的数值，和所述限制因素中的一项或多项的组合，进行迭代优化。

在本申请的一种实现方式中，所述电抗器数值为十mH至百mH数量级。

在本申请的一种实现方式中，所述配置系统避雷器，包括：

在换流阀与桥臂电抗器之间配置桥臂电抗器阀侧避雷器；

在联接变压器和换流阀之间配置联接变压器阀侧避雷器；

在直流极母线的线路出口处配置直流极线避雷器。

在本申请的一种实现方式中，所述对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统的过电压演变过程，包括：

阶段1：故障发生至换流器闭锁；换流器通过电抗器、避雷器、故障点形成放电回路，避雷器上的电压远小于换流器端间电压，形成电抗器暂态分压作用，有效限制避雷器瞬时能量吸收；

阶段2：换流器闭锁至交流断路器跳开；避雷器承受电压降低至交流线电压峰值，避雷器能量积累速度进一步降低，换流器将闭锁；

阶段3：交流断路器跳开后，避雷器承受电压降低，放电电流降低，避雷器停止能量积累。

在本申请的一种实现方式中，所述电抗器暂态分压作用，包括：

对于桥臂电抗器阀侧避雷器，换流器单相子模块依次通过健全极桥臂电抗器阀侧避雷器、故障点以及故障极电抗器形成放电回路，故障极电抗器对于桥臂电抗器阀侧避雷器具有暂态分压作用；

对于联接变压器阀侧避雷器，考虑故障发生时刻换流器故障极桥臂端间电压处于峰值的极端情况，换流器故障极单桥臂子模块依次通过联接变压器阀侧避雷器、故障点以及故障极电抗器形成放电回路，故障极电抗器对于联接变压器阀侧避雷器具有暂态分压作用；

对于直流极线避雷器，换流器单相子模块依次通过健全极电抗器、健全极直流极线避雷器、故障点以及故障极电抗器形成放电回路，健全极电抗器与故障极电抗器对于直流线路避雷器具有暂态分压作用。

在本申请的一种实现方式中，所述开展所述系统避雷器的参数设置，包括：

开展避雷器持续运行电压设置。

在本申请的一种实现方式中，所述开展避雷器持续运行电压设置，包括：

对于桥臂电抗器阀侧避雷器设置为最高直流运行电压叠加桥臂电抗器的端间运行电压峰值；对于联接变压器阀侧避雷器设置为峰值达到最高直流运行电压叠加桥臂电抗器的端间运行电压峰值的交流电压；对于直流极线避雷器设置为最高直流运行电压。

在本申请的一种实现方式中，所述开展所述系统避雷器的参数设置，还包括：

开展避雷器荷电率设置。

在本申请的一种实现方式中，所述开展避雷器荷电率设置，包括：

考虑优选电抗暂态分压对避雷器能量的抑制作用，按照对称单极柔性直流系统发生单极接地故障后，持续时间较长的阶段2中避雷器承受电压接近或略低于避雷器参考电压为原则选取较高荷电率。

本发明提供了一种基于优选电抗暂态分压的对称单极柔直系统深度过电压抑制方法，充分利用优选电抗器的暂态分压特性以及换流阀超高速保护解决避雷器的长时暂态耐压和超大能量耐受难题，基于对称单极柔直系统高荷电率避雷器全局优化绝缘配合实现系统暂态过电压的深度抑制，大幅降低设备绝缘难度和工程投资水平，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的对称单极柔性直流系统换流站主接线中关键位置避雷器的配置示意图；

图2是本发明提供的对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统过电压演变过程阶段1中换流器对桥臂电抗器阀侧避雷器的放电回路；

图3是本发明提供的对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统过电压演变过程阶段1中换流器对联接变压器阀侧避雷器的放电回路；

图4是本发明提供的对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统过电压演变过程阶段1中换流器对直流极线避雷器的放电回路；

图5是本发明提供的对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统过电压演变过程阶段2中桥臂电抗器阀侧避雷器承受电压为交流线电压峰值示意图；

图6是本发明提供的对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统过电压演变过程阶段2中联接变压器阀侧避雷器承受电压为交流线电压峰值示意图；

图7是本发明提供的对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统过电压演变过程阶段2中直流极线避雷器承受电压为交流线电压峰值示意图；

图8是本发明的实施例2中对称单极柔性直流系统发生单极接地故障后，故障初期的阀端间电压、电抗器端间电压、桥臂电抗器阀侧避雷器电压、联接变压器阀侧避雷器电压以及直流极线避雷器电压仿真波形；

图9是本发明的实施例2中对称单极柔性直流系统发生单极接地故障后桥臂电抗器阀侧避雷器、联接变压器阀侧避雷器以及直流极线避雷器的能量耐受仿真波形。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术的对称单极柔性直流系统在单极接地故障下，极易出现较高的直流暂态过电压的问题，本申请相应提供一种对称单极柔直系统深度过电压抑制方法，所述方法包括：基于所述对称单极柔直系统预设的限制因素，进行电抗器数值的配置，所述限制因素包括系统暂态电压应力、系统暂态电流应力、系统动态响应特性以及系统运行经济性；基于所述对称单极柔性直流系统换流站的主接线，配置系统避雷器，所述系统避雷器包括桥臂电抗器阀侧避雷器、联接变压器阀侧避雷器和直流极线避雷器；结合所述对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统的过电压演变过程和电抗器的暂态分压特性，开展所述系统避雷器的参数设置。

下面结合本申请的附图，在本申请的一些实施例中说明上述的方法。

本实施例提供一种对称单极柔直系统深度过电压抑制方法，其包括以下步骤：

1)综合考虑系统暂态电压应力、系统暂态电流应力、系统动态响应特性以及系统运行经济性等限制因素，开展电抗器数值的优化配置；

2)基于对称单极柔性直流系统换流站的主接线，配置桥臂电抗器阀侧避雷器、联接变压器阀侧避雷器、直流极线避雷器等关键位置避雷器；

3)结合对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统的过电压演变过程分析以及优选电抗器的暂态分压特性分析，开展系统避雷器参数设置。

优选地，上述步骤1)中，开展电抗器数值优化配置的方法是指：基于电抗器选值越大、暂态分压特性越好、过电压抑制效果越好、系统暂态电流抑制效果越好的特性，以及电抗器选值越小、系统动态响应速度越快、系统运行经济性越好的特性，以同时满足系统过压过流应力控制要求、系统动态响应速度指标要求、系统PQ运行区间要求、系统经济指标要求等为原则，开展电抗器数值的联合迭代优化选择，典型优选电抗器数值为数十mH级至百mH级。

优选地，上述步骤2)中，如图1所示，配置关键位置避雷器的方法，包括以下步骤：

2.1)在换流阀与桥臂电抗器之间配置桥臂电抗器阀侧避雷器。

2.2)在联接变压器和换流阀之间配置联接变压器阀侧避雷器。

2.3)在直流极母线的线路出口处配置直流极线避雷器。

优选地，上述步骤3)中，对称单极柔性直流系统单极接地故障下系统的过电压演变过程包括：

a、阶段1：故障发生至换流器闭锁，换流器通过电抗器、避雷器、故障点形成放电通路，回路电流迅速增大，电抗器产生较大反向感应电势，使得作用于避雷器上的电压远小于换流器端间电压，形成电抗器暂态分压作用，有效限制避雷器瞬时能量吸收。其中，如图2所示，对于桥臂电抗器阀侧避雷器，换流器单相子模块依次通过健全极桥臂电抗器阀侧避雷器、故障点以及故障极电抗器形成放电回路，故障极电抗器对于桥臂电抗器阀侧避雷器具有暂态分压作用；如图3所示，对于联接变压器阀侧避雷器，考虑故障发生时刻换流器故障极桥臂端间电压处于峰值的极端情况，换流器故障极单桥臂子模块依次通过联接变压器阀侧避雷器、故障点以及故障极电抗器形成放电回路，故障极电抗器对于联接变压器阀侧避雷器具有暂态分压作用；如图4所示，对于直流极线避雷器，换流器单相子模块依次通过健全极电抗器、健全极直流极线避雷器、故障点以及故障极电抗器形成放电通路，健全极电抗器与故障极电抗器对于直流线路避雷器具有暂态分压作用。

b、阶段2：换流器闭锁至交流断路器跳开，如图5～7所示，避雷器最高承受电压降低至交流线电压峰值，避雷器能量积累速度进一步降低，由于在换流阀超高速保护作用下，换流器将迅速闭锁(ms级)，因此阶段1将迅速转换为阶段2。

c、阶段3：交流断路器跳开后，能量源消失，避雷器承受电压迅速降低至UI特性拐点附近，放电电流降至mA级以下，避雷器停止能量积累。

优选地，上述步骤3)中，开展系统避雷器参数设置的方法，包括以下步骤：

3.1)避雷器持续运行电压设置方法为：对于桥臂电抗器阀侧避雷器设置为最高直流运行电压叠加桥臂电抗器的端间运行电压峰值；对于联接变压器阀侧避雷器设置为峰值达到最高直流运行电压叠加桥臂电抗器的端间运行电压峰值的交流电压；对于直流极线避雷器设置为最高直流运行电压。

3.2)避雷器荷电率设置方法为：充分考虑优选电抗暂态分压对避雷器能量的抑制作用，按照对称单极柔性直流系统发生单极接地故障后，持续时间较长的阶段2中避雷器承受电压接近或略低于避雷器参考电压为原则选取较高荷电率。

以极线避雷器为例，其持续运行电压为：

设置其参考电压为：

即荷电率为：

其中，U

当m取0.85时，对应的荷电率为0.68。

为了进一步验证上述方法的有效性和可行性，通过本实施例作进一步说明：

在电力系统电磁暂态仿真软件中搭建直流电压为±400kV的对称单极柔性直流系统仿真模型，优选电抗器为133mH，设置避雷器参考电压为588kV，设置柔直系统于14.2s发生负极单极接地故障。

如图8-9所示，故障初期电抗器的暂态分压有效抑制了避雷器的能量快速吸收，换流器快速闭锁后避雷器的能量积累速度进一步降低，解决了对称单极柔性直流系统中高荷电率避雷器的能量耐受难题，实现了系统暂态过电压的深度抑制。

本实施例表明，本发明提出的一种基于优选电抗暂态分压的对称单极柔直系统深度过电压抑制方法，充分利用优选电抗器的暂态分压特性以及换流阀超高速保护解决避雷器的长时暂态耐压和超大能量耐受难题，基于对称单极柔直系统高荷电率避雷器全局优化绝缘配合实现系统暂态过电压的深度抑制，大幅降低设备绝缘难度和工程投资水平，具有巨大的实用价值与广阔的应用前景。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上上述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。