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3 暂态电流和过电压计算
由于采用双极接线的柔性直流工程直流侧有零电位参考点,与对称单极接线相比各故障下的暂态电流和过电压的表现特征不同。如表1所示,根据位置和类型不同本文将换流站内考虑的典型故障分为9大类23种故障,分析不同故障机理和特征,对比分析了采用对称单极接线和双极接线柔性直流工程的暂态电流特性和暂态过电压特性,分别如表2和表3所示。从分析结果看,①双极接线的工程比单极接线的工程暂态电流严苛;②双极接线的工程比单极接线的工程暂态过电压较低,有利于降低绝缘水平。
表1 双极接线柔性直流工程换流站内的典型故障
表2 两种接线方式下各故障下的暂态电流比较
表3 两种接线方式下各故障下的暂态过电压比较
双极接线下直流侧单极接地故障类似于单极接线下的双极短路故障,故障发生后,工程中仅阀控过流保护来得及动作,是决定设备暂态电流应力的关键故障,本文对此故障机理和过程进行了重点分析,提出暂态电流精确解析计算方法。从实际桥臂电流达到保护启动值,中间经过电流测量装置的阶跃延时和测量延时、阀控过流保护的判断时间、阀控到子模块的链路延时,直到子模块成功关断的总延时(以下简称换流阀闭锁总延时)约为百微秒级。在这段时间内,子模块电容迅速放电,IGBT在极短时间内闭锁。
故障发生后,桥臂暂态电流主要由三部分组成:①子模块电容的放电电流。由于短路故障发生时直流极母线为低电压,若IGBT管触发则子模块电容迅速放电;②由于故障发生到换流器闭锁的时间较短,子模块电容电压跌落很小且控制系统来不及响应,从而使得换流变压器阀侧电流和桥臂电流的基波分量依然按照正弦规律变化;③桥臂电流的初值。由于桥臂电抗器的作用,故障发生时刻桥臂电流不能突变。
最苛刻故障的筛选需要考虑2个因素:①故障发生前换流器满功率整流运行且无功功率最大,使得稳态时IGBT管具有的最大电流初值;②由于子模块电容电压基本不变,故障发生最苛刻的时刻为阀控过流保护启动后,交流电流的分量剧烈变化的时刻。
在实际工程中,需要计算故障发生后,在阀控过流保护的电流启动定值和总延时时间下,桥臂实际暂态电流不能超过IGBT可关断的最大电流。以送端站出口发生接地故障为例,阀控过流保护的动作定值取Iset=2.1kA,换流阀闭锁时的桥臂电流随换流阀闭锁总延时的变化如图7所示。可见,解析计算结果和电磁暂态仿真结果几乎完全吻合。
图7 单极接地故障不同保护动作延时下换流阀闭锁电流
4 结论
本文以厦门工程为背景对双极高压大容量柔性直流工程的系统设计展开研究,在如下方面取得了进展:
1)通过主接线优化设计使得采用双极接线的柔性直流工程具备3种运行方式,提高了系统的可靠性。
2)高压大容量柔性直流工程中设备裕度通常较小,通过对主回路参数开展精确计算从而实现小容量可关断器件支撑工程大功率传输。
3)柔性直流工程采用双极接线时,暂态电流更苛刻。通过提出暂态电流精确解析计算方法以及优化布置等方法,确保工程可关断器件的安全性。
4)柔性直流工程通过采用双极接线有效地降低了工程的绝缘水平。
本文所做工作对张北柔性直流电网工程及后续高压大容量柔性直流工程的系统设计具有较好的指导意义。
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