楊張斌,阮琳,雷肖,彭代曉,劉明洋
(1.中國科學(xué)院大學(xué),北京市100049;2.中國科學(xué)院電工研究所,北京市100190;3. 中國三峽建工(集團(tuán))有限公司,成都市 610041;4.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北省宜昌市443002)
基于電壓源換流器(voltage source converter, VSC)的高壓直流輸電(high voltage direct current, HVDC),也稱為柔性直流輸電(VSC-HVDC),具備自換相功能,且不需要濾波裝置,設(shè)備占地面積小,在海上風(fēng)電等可再生能源接入電網(wǎng)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)作為近年來發(fā)展迅速的VSC,由于其模塊化的結(jié)構(gòu)更適合于高電壓等級(jí)和大傳輸容量,在國內(nèi)外背靠背、海上風(fēng)電等工程中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。
我國柔性直流輸電技術(shù)近幾年得到了快速發(fā)展,自2010年我國完成首個(gè)模塊化多電平換流器低壓樣機(jī)試驗(yàn)至今,國家電網(wǎng)有限責(zé)任公司及中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司已經(jīng)在陸上成功建設(shè)了多個(gè)大型柔性直流多端和背靠背工程。針對(duì)海上風(fēng)電柔性直流輸電,目前國內(nèi)尚無投運(yùn)工程實(shí)例,我國在海上柔性直流輸電系統(tǒng)建設(shè)方面仍需要開展大量的技術(shù)研究和探索工作。2020年開始,隨著國內(nèi)海上風(fēng)電深遠(yuǎn)海、規(guī)?;虚_發(fā)的趨勢越發(fā)明顯[5],海上風(fēng)電柔性直流輸電成為了直流輸電領(lǐng)域最熱門的研究方向之一,江蘇和廣東等地部分工程已進(jìn)入技術(shù)可行性論證甚至工程實(shí)施階段。
為盡可能降低工程造價(jià)和施工風(fēng)險(xiǎn),海上風(fēng)電對(duì)于海上柔性直流輸電換流站提出了緊湊型、輕量化的要求,此外,設(shè)備還應(yīng)適應(yīng)海上長期高鹽高濕和低頻振動(dòng)的運(yùn)行環(huán)境。同時(shí)海上換流站的可達(dá)性和可維護(hù)性均較差,對(duì)工程能量利用率和設(shè)備可靠性提出了更高的技術(shù)指標(biāo)。為滿足上述要求,換流閥在交付現(xiàn)場安裝前必須通過系列試驗(yàn)來檢驗(yàn)換流閥設(shè)計(jì)的正確性[6-9]和長期運(yùn)行的可靠性。某海上風(fēng)電柔性直流輸電工程按照常規(guī)試驗(yàn)方法開展換流閥端間絕緣試驗(yàn)期間,出現(xiàn)了直流局部放電異常的情況,該類似情況在之前的工程中未曾出現(xiàn)過,沒有現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和技術(shù)方案可供參考和改進(jìn)。針對(duì)上述問題,本文以某海上風(fēng)電柔性直流輸電工程換流閥端間絕緣試驗(yàn)直流局部放電異?,F(xiàn)象為切入點(diǎn),對(duì) IEC 62501[10]和 GB/T 33348[11]的試驗(yàn)規(guī)定和要求進(jìn)行場景延展,深入分析換流閥端間絕緣試驗(yàn)在典型試驗(yàn)電路下,固定閥塔結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)對(duì)不同直流電壓與交流電壓交互疊加的局部放電數(shù)值影響[12];結(jié)合理論計(jì)算、模擬環(huán)境及現(xiàn)場設(shè)備驗(yàn)證,提出解決高電壓下?lián)Q流閥端間絕緣試驗(yàn)局部放電測量回路補(bǔ)償?shù)膮?shù)確定及回路設(shè)計(jì)方法。該方法在符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下,能夠有效驗(yàn)證同類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多重閥單元外絕緣及各個(gè)單閥之間的電壓耐受能力和局部放電水平,為后續(xù)工程換流閥端間絕緣試驗(yàn)的順利開展提供借鑒或參考。
海上風(fēng)電柔性直流輸電與陸上柔性直流輸電工程不同,海上風(fēng)電柔性直流換流閥需充分考慮海上特殊環(huán)境要求及海上運(yùn)輸起吊等過程振動(dòng)對(duì)換流閥的影響,采用臨時(shí)加固及封裝措施,開展鹽霧霉菌、多維振動(dòng)等專項(xiàng)試驗(yàn),以適應(yīng)高濕度、高腐蝕及長期振動(dòng)運(yùn)行等復(fù)雜工況。此外,不同于陸上架空線傳輸,海上風(fēng)電柔性直流輸電系統(tǒng)必須采用長距離直流海纜輸電。因此,對(duì)于海上風(fēng)電柔性直流換流閥,除應(yīng)具備同陸上柔性直流換流閥類似的電氣性能外,閥塔設(shè)備因防腐和抗振設(shè)計(jì)考慮,以及長距離直流海纜的影響,其結(jié)構(gòu)布置、表層涂裝及電氣絕緣等要求與陸上電網(wǎng)直流輸電工程要求已完全不同,因此其端間絕緣試驗(yàn)也出現(xiàn)了與陸上電網(wǎng)直流輸電工程不完全相同的情況。
換流閥端間絕緣試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證換流閥直流、交流過電壓特性及換流閥在規(guī)定試驗(yàn)條件下局部放電水平及電子電路的預(yù)期負(fù)荷,試驗(yàn)試品為一個(gè)完整閥塔。本項(xiàng)試驗(yàn)包括短時(shí)試驗(yàn)和長時(shí)試驗(yàn),短時(shí)試驗(yàn)再現(xiàn)了某一換流器或系統(tǒng)故障導(dǎo)致的疊加的交-直流電壓。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,試驗(yàn)時(shí)在交流電源上連接電容器產(chǎn)生一個(gè)疊加的交流-直流電壓波形。電容器可作為閥的一部分,也可以是獨(dú)立的,也可使用一個(gè)單獨(dú)的直流電壓源來代替電容器。本文使用獨(dú)立的直流電壓源來開展換流閥端間絕緣試驗(yàn)。
按照IEC 62501以及GB/T 33348的試驗(yàn)要求,換流閥端間絕緣試驗(yàn)初始試驗(yàn)電壓應(yīng)不高于最高試驗(yàn)電壓的50%,然后升至短時(shí)試驗(yàn)電壓Utv1,持續(xù)10 s后,電壓下降至長時(shí)試驗(yàn)電壓Utv2,持續(xù)3 h恒定,最后電壓降為0。試驗(yàn)過程中,水冷系統(tǒng)必須工作,試驗(yàn)期間進(jìn)行局部放電測量[13-14]。
換流閥端間絕緣試驗(yàn)對(duì)于交流局部放電測量而言,在規(guī)定的3 h試驗(yàn)期間的最后1 min記錄的局部放電的峰值不應(yīng)大于200 pC。直流局部放電測量中,應(yīng)在規(guī)定的3 h試驗(yàn)的最后1 h記錄,整個(gè)記錄期間,平均每分鐘300 pC以上的脈沖數(shù)應(yīng)不超過15個(gè)。直流局部放電詳細(xì)試驗(yàn)要求見表 1。
表1 直流局放限值Table 1 Thresholds for DC partial discharge
被測換流閥采用半橋型子模塊,子模塊由2個(gè)IGBT(4 500 V/2 000 A)模塊及其反并聯(lián)二極管、直流電容、直流均壓電阻等構(gòu)成,換流閥的具體參數(shù)如表 2所示。換流閥的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示。
表2 被測換流閥參數(shù)Table 2 Parameters of the test valve
圖1 MMC拓?fù)涫疽鈭DFig.1 Topology of the MMC
換流閥端間絕緣試驗(yàn)施加于換流閥塔全部組件進(jìn)出線端間的電壓是一個(gè)含有直流分量的正弦波形,試驗(yàn)電壓對(duì)于短時(shí)10 s試驗(yàn)電壓Utv1按下式確定:
Utv1=[kc1Uac1sin(2πft)+Udc1]k0k9
(1)
其中:
1)Uac1是閥橋臂最大暫態(tài)過電壓交流分量峰值,應(yīng)考慮實(shí)際運(yùn)行工況下由于過電壓而裝設(shè)的閥避雷器或極避雷器的限制作用。本試驗(yàn)按交流最大電壓465 kV的1.3倍考慮,此電壓下不存在避雷器的限制情況。
2)Udc1是閥最大暫態(tài)過電壓直流分量峰值。應(yīng)考慮實(shí)際運(yùn)行工況下由于過電壓而裝設(shè)的閥避雷器或極避雷器的限制作用。本試驗(yàn)按直流額定電壓404 kV的1.15倍考慮,此電壓下不存在避雷器的限制情況。
3)kc1為電壓階躍過沖系數(shù),與換流器輸出階梯電壓波的一個(gè)臺(tái)級(jí)電壓階躍相關(guān),和確定Uac1的條件一致。對(duì)于MMC而言,電壓階躍過沖系數(shù)與每個(gè)子模塊電壓過沖系數(shù)相關(guān),本試驗(yàn)取kc1=1.01。
4)k0為被試閥段試驗(yàn)比例系數(shù),在閥組件上進(jìn)行的所有絕緣試驗(yàn),試驗(yàn)電壓需通過比例系數(shù)k0進(jìn)行調(diào)整,其計(jì)算方式為:
(2)
式中:Ntu為試品中沒有短路連接的串聯(lián)閥級(jí)的數(shù)量,本試驗(yàn)共計(jì)144個(gè)子模塊串聯(lián),冗余模塊不短接,即Ntu取144;Nt為閥中串聯(lián)閥級(jí)的總數(shù),本試驗(yàn)橋臂共計(jì)3個(gè)閥塔,串聯(lián)閥級(jí)的總數(shù)為432;Ntr為閥中冗余的串聯(lián)閥級(jí)的總數(shù),本試驗(yàn)冗余的串聯(lián)閥級(jí)為正常運(yùn)行閥級(jí)數(shù)的8%。根據(jù)前述數(shù)據(jù),可以計(jì)算得到k0=0.36。
5)k9為試驗(yàn)安全系數(shù)。當(dāng)被試閥段子模塊數(shù)量不足一個(gè)完整閥塔子模塊數(shù)量時(shí),k9=1.15;當(dāng)被試閥段子模塊數(shù)量大于或等于一個(gè)完整閥塔子模塊數(shù)量時(shí),k9=1.10。本試驗(yàn)試品k9取1.10。
根據(jù)各系數(shù)取值,最終可以確定短時(shí)10 s試驗(yàn)電壓。
長時(shí)3 h試驗(yàn)電壓Utv2的計(jì)算表達(dá)式如下所示:
Utv2=Utac2+Utdc2
(3)
式中:Utac2和Utdc2的計(jì)算式分別如下所示:
(4)
Utdc2=Udmaxk0k9
(5)
式中:k0和k9參考短時(shí)試驗(yàn)電壓中的定義,其他參數(shù)定義如下:
1)Umax_cont為聯(lián)接變壓器交流母線最大持續(xù)運(yùn)行線電壓,按交流最大重復(fù)電壓峰值的1.1倍考慮。
2)Udmax為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最高直流電壓,按直流額定電壓的1.1倍考慮。
3)kc2為電壓階躍過沖系數(shù),其與換流器輸出階梯電壓波的一個(gè)臺(tái)級(jí)電壓階躍相關(guān),和定義kc1時(shí)的系統(tǒng)條件一致,取kc2=1.01。
國內(nèi)現(xiàn)有的試驗(yàn)回路中,交流電壓發(fā)生器和直流電壓發(fā)生器直接連接于半橋MMC閥塔兩端給功率模塊電容器充電,若交流電壓峰值高于直流電壓,則半橋MMC功率模塊二極管D2將會(huì)導(dǎo)通,交直流試驗(yàn)電源回路將發(fā)生短路,造成試驗(yàn)電源及相關(guān)設(shè)備的損壞。因此在實(shí)際的試驗(yàn)過程中,需要對(duì)試驗(yàn)電壓值進(jìn)行折算,調(diào)整降低交流電壓峰值,抬升直流電壓,在保證換流閥端間總電壓不變且交流電壓盡可能接近計(jì)算值的前提下,確保交直流試驗(yàn)電源回路不發(fā)生短路,保證試驗(yàn)安全。
為保證交流電壓峰值不高于直流電壓,對(duì)上文計(jì)算的10 s和3 h電壓總值進(jìn)行交直流等分,折算后的電壓及要求如表3所示。
表3 試驗(yàn)電壓及要求Table 3 Test voltages and other requirements
閥塔底層接交流,閥塔頂層接直流負(fù)極,閥塔底座及支柱絕緣子法蘭等接地。試驗(yàn)接線原理如圖 2所示。試驗(yàn)前采用200 pC校準(zhǔn)源對(duì)交流回路進(jìn)行校準(zhǔn),2 000 pC校準(zhǔn)源對(duì)直流回路進(jìn)行校準(zhǔn)。
圖2 閥端間耐壓試驗(yàn)電路原理Fig.2 Principle of the test circuit for valve terminal withstand voltage
試驗(yàn)采用交直流聯(lián)合加壓的方式,利用交流高壓電源和直流高壓電源在整個(gè)閥塔的閥端間產(chǎn)生交直流復(fù)合電壓,試驗(yàn)過程中使用的直流高壓電源為2 400 kV/300 mA直流電壓發(fā)生器,交流高壓電源為600 kV/5 A工頻試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)回路示意圖如圖 3所示。此試驗(yàn)回路為常規(guī)試驗(yàn)回路,以往的柔性直流工程均采用此試驗(yàn)回路。
圖3 試驗(yàn)回路Fig.3 Test circuits
圖3中:MC1為直流回路主開關(guān);Tr1為直流變壓器;Rp1、Rp2為保護(hù)電阻;C為濾波電容;Dv1為直流分壓器;R1、R2為直流分壓器電阻;MS1為直流電壓測量系統(tǒng);MC2為交流回路主開關(guān);Tr2為交流變壓器;Dv2為電容分壓器;C1、C2為分壓器電容;MS2為交流電壓測量系統(tǒng)。
首先對(duì)換流閥進(jìn)行可控充電,退出可控充電后,將交流電壓升至217 kV,此刻直流電壓約為250 kV,開始計(jì)時(shí)10 s。升壓過程及10 s測試期間不監(jiān)測局部放電。
10 s后降低交流電壓到190 kV,降低直流電壓到 210 kV,開始計(jì)時(shí)3 h。前2 h監(jiān)測直流局部放電,后1 h 記錄直流局部放電,整個(gè)試驗(yàn)期間監(jiān)測交流局部放電,最后1 min記錄交流局部放電。試驗(yàn)期間電壓會(huì)波動(dòng),控制交流電壓不低于190 kV,直流電壓不低于195 kV。
因?yàn)镸MC電容在試驗(yàn)中不斷地進(jìn)行充放電,期間二極管頻繁通斷,可能出現(xiàn)與系統(tǒng)中電力電子器件電流換相有關(guān)的規(guī)律性重復(fù)干擾,因此在試驗(yàn)中局部放電參照GB/T 7354—2018進(jìn)行開窗測量,若每個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)幾個(gè)與電源同步的干擾源時(shí),開窗抑制間隔不超過試驗(yàn)周期的10%。
在首次進(jìn)行閥塔端間交直流耐壓試驗(yàn)時(shí),10 s試驗(yàn)順利通過,但3 h試驗(yàn)交流局部放電超標(biāo)。
針對(duì)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題,試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行了詳細(xì)排查:分別使用超聲和紫外成像儀多次觀察,未發(fā)現(xiàn)異常放電現(xiàn)象;使用直流電壓發(fā)生器和交流電源分別進(jìn)行單層、兩層和三層閥端間試驗(yàn),局部放電均滿足要求;通過提高直流電壓,降低交流電壓的方式(230 kV(DC)+150 kV(AC))開展試驗(yàn),局部放電亦滿足要求。通過以上檢查和各層間支架測試分析判斷換流閥本體并無絕緣缺陷。
在試驗(yàn)過程中對(duì)交流電源波形進(jìn)行監(jiān)視,發(fā)現(xiàn)交流端對(duì)地電壓波形有明顯畸變,交流端對(duì)地電壓波形如圖 4所示。此波形畸變加劇了二極管開通關(guān)斷的干擾脈沖且相位不一致,影響局部放電測量結(jié)果。試驗(yàn)過程中,直流高電壓通過子模塊上的反并聯(lián)二極管、工頻試驗(yàn)變壓器的二次繞組給子模塊電容充電。此時(shí)充電回路產(chǎn)生的子模塊直流充電電流持續(xù)流過試驗(yàn)變壓器的二次繞組,導(dǎo)致變壓器直流偏磁逐漸加劇,使交流電壓波形畸變,如圖 5所示,最終導(dǎo)致局部放電測量超標(biāo),最大放電量達(dá)968 pC。
圖4 交流相電壓波形Fig.4 AC Phase voltage
圖5 試驗(yàn)交流變壓器Tr2的二次側(cè)交流電壓波形Fig.5 Secondary voltage of Tr2
為驗(yàn)證直流偏磁對(duì)交流電壓波形畸變的影響,利用SABER軟件對(duì)試驗(yàn)變壓器進(jìn)行直流偏磁工況仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果看,變壓器直流偏磁對(duì)變壓器輸出電壓波形造成很大影響,與試驗(yàn)結(jié)果分析一致[15-16]。
圖6 試驗(yàn)變壓器直流偏磁仿真結(jié)果Fig.6 Simulation for DC magnetic bias
GB/T 33348指出:柔性直流換流閥端間絕緣試驗(yàn)是為試驗(yàn)高壓交流系統(tǒng)和元件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)波形和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,特殊的高壓直流應(yīng)用可能導(dǎo)致實(shí)際波形不同于標(biāo)準(zhǔn)波形,在此情況下,可通過改進(jìn)試驗(yàn)回路以達(dá)到實(shí)際需要的電氣條件[17]。經(jīng)過分析研究及試品檢測摸底試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)MMC電容充放電的直流電流引起的直流偏磁導(dǎo)致試驗(yàn)變壓器交流電壓畸變是影響局部放電干擾脈沖增多的因素之一,因此在試驗(yàn)回路中增加補(bǔ)償回路,通過交流電流對(duì)試驗(yàn)變壓器進(jìn)行交流消磁,從而改善交流發(fā)生器輸出電壓波形[18]。
為改善交流電壓波形,對(duì)原試驗(yàn)回路進(jìn)行了改進(jìn),在試驗(yàn)變壓器二次繞組高壓端與地之間增加了負(fù)載補(bǔ)償回路,該回路由電容與電感串聯(lián)組成。改進(jìn)后的試驗(yàn)回路原理如圖7所示。
補(bǔ)償支路主要有電感Lx、電容Cx和電阻R構(gòu)成。其主要參數(shù)設(shè)計(jì)原則如下:
1)電容。電容的選取需要確保在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下,閥的交流對(duì)地波形基本為正弦。經(jīng)現(xiàn)場測試,當(dāng)電容值取20 mF時(shí),交流側(cè)電壓總諧波失真率小于5%,滿足要求。
2)電感。電感的選取需要結(jié)合諧振頻率考慮。脈沖電流法局放儀依靠局部放電脈沖引發(fā)的耦合電路震蕩來測量局部放電,典型諧振頻率在30~300 kHz,補(bǔ)償支路的LC諧振頻率應(yīng)避開局放測量用的頻率范圍。當(dāng)電感值取16 mH時(shí),補(bǔ)償支路的諧振頻率為8.9 Hz,其對(duì)局部放電耦合頻率信號(hào)表現(xiàn)為電感特性,不會(huì)影響局部放電測量裝置。
圖7 帶補(bǔ)償支路的改進(jìn)試驗(yàn)回路Fig.7 Improved test circuit with supplementary branch
3)電阻。由于局部放電測量前會(huì)先行校準(zhǔn),因此電阻對(duì)局部放電測量裝置的影響較小。電阻主要考慮能夠阻尼濾波LC振蕩,并且不影響50 Hz基波的波形。電阻值取2 kΩ。
在測試電路中加入補(bǔ)償支路后,試驗(yàn)變壓器的交流電壓波形如圖8所示,其畸變程度降低效果明顯。在此試驗(yàn)回路下,重新進(jìn)行了10 s與3 h耐壓試驗(yàn)。
圖8 改進(jìn)后的交流電壓Fig.8 Improved AC voltage
試驗(yàn)結(jié)果為:3 h耐壓200 kV(DC)+191.4 kV(AC),交流局部放電量為89.3 pC;直流局部放電分別為5.97次/min(300 pC)、2.17次/min(500 pC)、0.067次/min(1 000 pC)、0次/min(2 000 pC)。交直流局部放電及施加電壓均滿足技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求[19]。
根據(jù)GB/T 7354—2018第4.2節(jié)所述“有時(shí)在高壓端接入一個(gè)阻抗或?yàn)V波器,以減小來自供電電源的背景噪聲。”因此試驗(yàn)回路基于國標(biāo)增加的負(fù)載補(bǔ)償可以起到有效隔離來自供電電源背景噪聲的作用。改進(jìn)后的試驗(yàn)回路符合GB/T 7354—2018中推薦的試驗(yàn)回路,同時(shí)負(fù)載補(bǔ)償不會(huì)影響試品閥的局部放電測量[20]。
本文介紹了海上風(fēng)電柔性直流輸電工程換流閥端間交直流耐壓試驗(yàn)情況, 在按照以往陸上柔性直流輸電工程試驗(yàn)回路及試驗(yàn)方法出現(xiàn)局部放電超標(biāo)的情況下,對(duì)局部放電超標(biāo)的原因和機(jī)理進(jìn)行了深入分析和計(jì)算仿真。提出了符合標(biāo)準(zhǔn)要求的試驗(yàn)回路補(bǔ)償方法及參數(shù)整定值,通過相同試驗(yàn)環(huán)境和電壓條件再次試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)論滿足設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了換流閥單元的外絕緣電壓耐受能力和多重閥單元結(jié)構(gòu)之間的電壓耐受能力和局部放電水平。改進(jìn)后的試驗(yàn)回路符合高壓直流輸電用電壓源換流器閥電氣試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求,采用改進(jìn)試驗(yàn)回路后的試驗(yàn)結(jié)果滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程的要求。本文結(jié)論可為以后采用更高電壓等級(jí)換流閥端間絕緣試驗(yàn)的順利開展提供方法指導(dǎo)。
隨著海上風(fēng)電資源的深遠(yuǎn)、規(guī)?;_發(fā),高壓大容量柔性直流輸電的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域得到延展。同時(shí)海上風(fēng)電固有的孤島型電源、長距離海纜及海洋環(huán)境適應(yīng)性等系列特點(diǎn),仍需要在檢測手段和試驗(yàn)方法上進(jìn)行專項(xiàng)研究和定制,以更有利于設(shè)備的可靠性驗(yàn)證和性能指標(biāo)評(píng)估,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高比例可再生能源、高比例電力電子裝備的能源電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化奠定基礎(chǔ)。