±800KV特高压直流输电系统全电压启动过电压研究
黄源辉，王钢，李海锋，汪隆君
（华南理工大学电力学院，广东广州510640）
摘要：全电压启动过电压是直流输电中直流侧最严重的过电压情况。本文以PSCAD/EMTDC为工具，以正在建设的云广±800kV特高压直流输电系统参数为依据，建立全电压启动过电压仿真计算模型。对各种全电压启动情况进行了仿真计算，讨论了各种因素对全电压启动的影响，并与±500KV HVDC系统的全电压启动过电压作了比较，获得了一些具有实用价值的结论。
关键词：±800KV；特高压直流输电；全电压启动；过电压
0引言
为满足未来持续增长的电力需求，实现更大范围的资源优化配置，中国南方电网公司和国家电网公司提出了加快建设特高压电网的战略方针[1]。随着输电系统电压等级的升高，绝缘费用在整个系统建设投资中所占比重越来越大。对于±800KV特高压直流输电系统，确定直流线路和换流站设备的绝缘水平成为建设时遇到的基本问题之一。在种类繁多的直流系统内部过电压中，全电压误启动多因为的过电压是其中最严重和最重要的一种。它的幅值最大，造成的危害最大，在选择直流设备绝缘水平和制订过电压保护方案时往往以此为条件[2]。因此，对特高压直流系统的全电压启动过电压进行研究和分析具有很大的实际意义。
为降低启动过程的过电压及减小启动时对两端交流系统的冲击，直流输电的正常启动应严格按照一定的顺序进行[3]。正常情况下，在回路完好、交直流开关设备全部投入且交流滤波器投入适量等条件满足后（α≥90°），先解锁逆变器，后解锁整流器，按照逆变侧定电压调节或定息弧角调节规律的要求，由调节器逐步升高直流电压至额定值，即所谓的“软启动”。然而由于某些原因（如控制系统异常），两端解锁过程紊乱，逆变侧换流器尚未解锁而整流侧却全部解锁，此时若以较小的触发角启动，全电压突然对直流线路充电，由此直流侧会产生非常严重的过电压。
1云广直流系统简介
南方电网正在建设的云南-广东特高压直流系统双极输送功率5000MW，电压等级为±800kV，直流线路长度约1438km，导线截面为6×630mm2，两极线路同杆并架。送端楚雄换流站通过2回500kV 线路与云南主网的昆西北变电站相连，西部的小湾水电站（装机容量4200MW，计划2009年9月首台机组投产，2011年全部建成）和西北部的金安桥水电站（总装机2400MW，计划2009年12月首台机组投产，2011年全部建成）均以2回500kV线路接入楚雄换流站。受端穗东换流站位于广东省增城东部，500kV交流出线6回，分别以2回500kV线路接入增城、横沥和水乡站[4]。楚雄换流站接入系统如图1所示。
图1 楚雄换流站接入系统
云南-广东特高压直流系统交流母线额定电压为525kV，整流侧无功补偿总容量为3000MV Ar，逆变侧无功补偿总容量为3040MV Ar。平波电抗器电感值为300mH，平波电抗器按极母线和中性母线平衡布置，各为150mH。直流滤波器采用12/24双调谐方式。避雷器使用金属氧化物模型。每极换流单元采用2个12脉动换流器串联组成。
2云广直流系统模型
本文以PSCAD/EMTDC为工具，以南方电网建设中的云南-广东±800kV特高压直流系统参数为依据，建立了全电压启动过电压仿真计算模型。换流站内的单极配置如图1所示。
图2UHVDC 换流站示意图
控制系统仿真时采用主控制级、极控制级及阀组控制级三个层次。主控制级接收输电功率指令，经过运算以后发送一个电流整定值指令给极控制级。极控制级经过控制运算以发送一个触发角指令给阀组控制级。在极控制级中，整流侧采用定电流控制，逆变侧采用定关断角控制。此外，在极控制级，两侧均配有启动停运控制、低压限流控制，逆变侧还配有电流偏差控制。仿真中采用的控制系统框图如图3所示。
图3 UHVDC 控制框图
3 全电压启动过电压的仿真计算
3.1 不投入避雷器 3.1.1 过电压计算值
正常运行时正极直流电压为：
4(
cos )d d a U E I R απ
=− （1）
式中 E ——交流线电压有效值； α——触发延迟角；
I d ——直流电流；
R a ——整流侧等值换相电阻。
当避雷器不投入时发生全电压误启动，I d 很 小（接近0），所以，
απ
cos 2
34E U d ×
= （2）
当±800KV 特高压直流系统整流侧以小角度（5°）解锁，逆变侧阀全部闭锁时由式2计算得直流正极电压最大值为2.1p.u 。 3.1.2 仿真验证
±800KV 直流系统整流侧以小角度（5°）解锁，逆变侧阀全部闭锁时，整流侧正负极母线电压如图3所示。
图4 不接避雷器时发生全电压启动整流侧正负极电压
从图4可以看出，正极电压最大瞬时值超过了2.12p.u.，稳态时过电压也保持在一个很高的数值（2.05p.u.)。这是由于逆变侧闭锁后系统无功需求发生改变，整流侧交流母线电压大幅升高造成直流侧产生严重过电压，仿真结果与计算结果一致。在这种情况下特高压直流输电系统在整流侧阀桥顶端、逆变侧阀桥顶端、逆变侧线路末端和上下组12脉动换流单元之间的连接母线都会产生很大的过电压。避雷器是非线性很强的元件，没有避雷器保护的UHVDC 系统接近线性系统，此时全电压启动过程中所有响应都随触发角α的余弦变化而变化[5]。
αcos 0d d V V =
（3）
3．2 避雷器投入
3.2.1逆变侧闭锁时的全电压启动过电压
避雷器投入，逆变侧阀闭锁时的全电压启动会产生严重过电压。整流侧直流母线不同触发角在逆变侧阀不同闭锁类型时对应的过电压幅值和线路避雷器吸收的能量如表1所示。
表1逆变侧闭锁时全电压启动整流侧直流母线的过电压
逆变侧阀闭锁类型 整流器触发角α（°）
整流侧直流母线电压幅值（KV ）
整流侧DL 避雷器吸收的能量（MJ ）
5 1318.2 0.77 10 1318.7 0.79 15 1313.8 0.77 单极 闭锁 30 1263.2 0.58 5 1370.4 4.71 10 1372.3 4.68 15 1374.0 4.64 双极 闭锁
30
1356.6
2.74
按照上面的方法，对不同的点进行测量对比，
得出在逆变侧闭锁的全电压启动中出现严重过电压的位置如表2所示。
表2逆变侧断线全电压启动时整流侧的过电压
位置 吸收能量(kJ) 电压幅值(kV) 整流侧直流母线 4.71 1374.0 整流侧阀顶 4.88 1380.8
上下组十二脉动换流单元连接母线 2.53 707.3
逆变侧直流母线 4.30 1381.1
由表1及表2可看出，由于避雷器的限压作用，直流线路上的过电压大大降低，由原来的2.12p.u 降低到1.71p.u （1370.4KV ）。对相同触发角的情况，双极闭锁的过电压比单极闭锁时严重，这是因为双极闭锁时直流系统没有输送功率，整流侧交流母线上侧无功全部过剩，而单极闭锁时系统还有很大的无功需求。能量要求最大的避雷器是整流侧阀顶的DC 避雷器，吸收的能量为4.88MJ 。单极闭锁时逆变侧DL 避雷器吸收能量最大，这是因为线路的储能作用使逆变侧直流母线电压高于整流侧。双极闭锁时，由于整流侧交流母线上大量的功率要通过就近的避雷器释放，所以最大的避雷器通流出现在整流侧阀顶避雷器。触发角的大小对过电压幅值影响不大，但是对DC 、DL 、CB1避雷器吸收的能量有很大影响。双极闭锁时，整流侧避雷器吸收的能量随触发角增大而减少。
3.2.2 直流线路断线时全电压启动过电压
当直流线路断线，整流侧以小角度触发时直流侧同样会产生严重的过电压。对不同的触发角，不同的断线位置以及单极或双极断线等不同情况进行仿真。仿真结果表明特高压直流线路末端双极断线时系统过电压最严重，各个主要位置的最大过电压情况如表3所示。
表3直流线路断线时全电压启动整流侧的过电压
位置 吸收能量(kJ) 电压幅值(kV) 整流侧直流母线 7.44 1401.2 整流侧阀顶 7.54 1394.8
上下组十二脉动换流单元连接母线 3.90 710.8
直流线路断线处 - 1516.9
由表3可知，最大过电压出现在的直流线路末端，这是由于在断线位置电压波发生全反射，发射波叠加到原来的前行波上使过电压幅值增大。整流侧直流母线、阀桥顶端和上下组十二脉动换流单元连接母线的最大过电压值都比双极闭锁时大；同时整流侧DC 、DL 和CB1避雷器吸收的最大能量也比双极闭锁时大。这是因为断线时逆变侧避雷器不起作用，全部能量由整流侧的避雷器来释放。双极断线比单极断线的过电压情况严重得多，双极断线时对避雷器的通流能力提出了很高要求，DC 避雷器最大需要释放能量为7.54MJ 。双极断线时，直流母线断线位置越接近整流侧，整流侧避雷器吸收的能量越大。
3.3 与±500kV 高压直流输电系统的比较
直流单极线路电容的储能为：
22
1
CU W =
（4）
C ——线路等效电容； U ——线路末端电压。
由系统避雷器投入前后的过电压情况对比，投入避雷器后±800KV 特高压直流输电系统单极线路储能减少了3.07MJ 。这部分能量主要从线路避雷器释放。而相同情况下±500kV 高压直流输电系统单极线路储能只减少1.07MJ 。与±500kV 高压直流输
电系统的相比[5]
，全电压启动在有避雷器保护情况下的过电压启动倍数相差不大，但是随着电压等级的升高对特高压直流系统绝缘要求变得更高。避雷器吸收的最大是能量由从以往±500kV 输电系统的1.59MJ 提高到7.54MJ ，提高了3.7倍，这对线路避雷器提出了很高的要求。
4 结论
±800KV 特高压直流输电系统在逆变侧双极闭锁系统无避雷器保护的情况下，整流侧阀桥顶端、逆变侧阀桥顶端、逆变侧线路末端和上下组12脉动换流单元之间的连接母线都会产生很大的过电压，其值都超过2.0p.u 。在逆变侧闭锁并且系统有避雷器保护的情况想，系统的过电压幅值下降到1.71p.u 。直流双极闭锁比单极闭锁过电压严重；触发角对过电压幅值影响不大，对避雷器吸收的能量有很大影响。在系统有避雷器保护的情况下，直
