李浩原，周國梁，王剛，李文津，劉超

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢430071)

0 引言

在可再生能源發(fā)電方式中，風力發(fā)電以其成本較低、技術較成熟、可靠性較高等優(yōu)勢，得以快速發(fā)展并開始在能源供給中發(fā)揮越來越重要的作用。相對陸上風能而言，海上風能密度較大、年可利用小時數(shù)較高，市場前景廣闊[1]。通常，電力學術界和工程界認為風場離岸距離超過70 km，相較于高壓交流，柔性直流(VSC-HVDC)送出是技術上和經(jīng)濟上均較優(yōu)的選擇。隨著近海風電資源的快速開發(fā)，采用柔性直流送出的遠海風電將是未來的發(fā)展方向[2 - 4]。

截至2019年，歐洲已有9條海上風電柔性直流送出工程投入運行，供應商包括ABB、Siemens和GE。由三峽集團投資的如東海上風電柔性直流送出工程是國內(nèi)首條海上風電柔性直流送出工程，目前正在建設中。

在海上風電柔性直流送出工程中，連接整流站和逆變站之間的直流線路一般為海底電纜。海底電纜屬于固體絕緣，一旦發(fā)生電擊穿，絕緣不可恢復，會導致整個直流系統(tǒng)停運，且直流海纜價格昂貴，施工搶修較為復雜，保障其安全穩(wěn)定運行至關重要。海纜的過電壓與絕緣水平是海底電纜系統(tǒng)可靠性的重要評價依據(jù)，因此，有必要研究海纜過電壓。

對于柔性直流工程的過電壓研究，已有多篇文獻進行了報道。李泓志等針對英國EA ONE工程提出了兩種換流站絕緣配合方案，并分別確定了避雷器參數(shù)、絕緣裕度和設備絕緣水平[5]。陳晴等研究了用于海上風電并網(wǎng)的柔性直流系統(tǒng)過電壓與絕緣配合，對柔性直流系統(tǒng)的過電壓進行了研究[6]。周浩等針對舟山多端柔性直流輸電工程，研究了3種不同避雷器配置方案下的絕緣配合結(jié)果，并分析了其優(yōu)缺點，為其他工程提供參考[7]。蔡偉、鄧鶴鳴等依托舟山多端柔性直流輸電工程，以定海-岱山換流站直流海纜為對象，研究了其過電壓分布情況[8 - 9]。鄧旭等依托舟山多端柔性直流輸電示范工程，建立了五端柔性直流輸電系統(tǒng)仿真模型，對換流站交直流側(cè)的過電壓進行了分析和仿真計算[10]。徐偉、趙遠濤、張正祥等針對海南聯(lián)網(wǎng)工程，計算了500 kV交流海纜的過電壓情況[11 - 14]。嚴有祥等對廈門±320 kV柔性直流工程的電纜選型和敷設進行了詳細的探討[15]。目前，尚無文獻針對兩端海上風電柔性直流送出工程海底直流電纜過電壓進行研究。

本文基于正在規(guī)劃中的某海上風電柔性直流送出工程，以直流海纜為研究對象，在PSCAD/EMTDC中搭建整個風電柔直送出系統(tǒng)的仿真模型，考慮系統(tǒng)交直流側(cè)的各種故障工況，研究直流海纜不同位置的過電壓分布情況，得到海上風電柔性直流送出工程海纜的絕緣水平，為工程建設提供參考。

1 海上風電柔直送出工程仿真模型

該海上風電柔性直流送出工程的風電由兩個500 MW風電場發(fā)出。兩個風電場電能匯集后，經(jīng)海上升壓站升壓至220 kV后，由交流海纜送至海上柔性直流整流站，再通過直流海纜連至陸上柔性直流逆變站，最后變?yōu)?00 kV交流電接入陸上電網(wǎng)系統(tǒng)。

該海上風電柔性直流送出工程采用模塊化多電平(MMC)的換流器拓撲。直流額定電壓為±250 kV，直流場主接線采用對稱單極結(jié)構(gòu)，如圖1所示。按照圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)，在PSCAD/EMTDC中搭建了海上風電柔性直流送出模型，模型主要包括兩個風場、送端換流站、直流海纜、受端換流站、系統(tǒng)等效模型等。本工程主要設備參數(shù)見表1。避雷器設置如圖1拓撲結(jié)構(gòu)圖所示，避雷器配置見表2。

圖1 海上風電柔直送出工程拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of offshore wind power VSC-HVDC transmission

表1 主設備參數(shù)Tab.1 Parameters of main equipments

表2 換流站避雷器配置Tab.2 Converter station arrester configuration

由于海纜結(jié)構(gòu)較為復雜，建模時一般將其進行一定的簡化處理，由內(nèi)到外可簡化為：導體、絕緣層1、鉛護套、絕緣層2、鎧裝層、外被層，共6層。在PSCAD/EMTDC中，電纜有3種模型：PI等值模型、貝杰龍模型和頻率相關模型。其中頻率相關模型考慮了所有與頻率相關的參數(shù)，可以在很寬的頻率范圍內(nèi)較為準確地反映電纜的電氣特性，頻率相關模型又分為frequent dependent (mode) model和frequent dependent (phase) model，對于理想換位線路，這兩種模型均可以給出較準確結(jié)果，對于非理想換位線路，后者計算得到的結(jié)果更為準確。直流線路不用考慮換位問題，因此本文采用frequent dependent (mode) model。

本工程海纜長度為78 km，海纜截面見圖2所示，具體截面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。

圖2 直流海纜截面圖Fig.2 Section area of DC submarine cable

表3 直流海纜參數(shù)Tab.3 Parameters of DC submarine cable

2 仿真設置

2.1 研究的海纜過電壓類型

由于海上換流站至陸上換流站輸電線路全線均為海纜，海纜直接接入直流場，因此不用考慮雷電侵入。直流場設備均安裝于戶內(nèi)，也不用考慮雷電侵入的情況。因此，只需要對操作過電壓進行研究。且由于護套-鎧裝和鎧裝-地的過電壓均相對很小[9]，因此本計算中不考慮，僅計算海纜芯線對地操作過電壓。

2.2 故障工況和控制保護策略

計算中考慮的故障工況包括：聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)單相接地、兩相接地、兩相短路和三相接地；聯(lián)接變閥側(cè)單相接地、兩相接地、兩相短路和三相接地；橋臂電抗器閥側(cè)單相接地、兩相接地、兩相短路、三相接地和同相上下橋抗閥側(cè)短路；換流閥交直流側(cè)短路；直流電抗器閥側(cè)接地、單極接地和雙極短路。

控制保護策略如下。

1)聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，考慮網(wǎng)側(cè)故障一般為短時故障(故障持續(xù)時間為3個工頻周期)，直流保護系統(tǒng)不動作；

2)故障發(fā)生在聯(lián)接變閥側(cè)時，故障后2 ms換流器閉鎖，100 ms后斷開交流斷路器；

3)故障發(fā)生在直流場時，故障后2 ms換流器閉鎖，100 ms后斷開交流斷路器。

2.3 過電壓觀測點設置

該工程海纜總長度為78 km，以送端海上換流站作為起點，受端陸上換流站作為終點，將海纜過電壓觀測點每隔10 km設置一個，如圖3所示。海纜鉛護套和鎧裝層在海纜起點和終點接地。

圖3 海纜過電壓測量點Fig.3 Measuring points of submarine cable overvoltage

2.4 過電壓數(shù)據(jù)的采集

一個工頻周期內(nèi)，在不同的時刻發(fā)生某種故障，會對過電壓的峰值產(chǎn)生影響，保守起見，需研究不同時刻發(fā)生故障時產(chǎn)生的操作過電壓峰值，選取其中的最大值作為該種故障情況下的操作過電壓峰值。為獲取最大過電壓峰值，采用PSCAD軟件的Multiple Run功能，并結(jié)合Snapshot來對不同故障工況進行多次計算。將一個工頻周期分為50等份，分別在這50個時刻觸發(fā)故障，統(tǒng)計得到海纜過電壓最大值。

3 海纜過電壓仿真結(jié)果與分析

3.1 聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)故障

聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)故障有4種：單相接地、兩相接地、兩相短路和三相接地。這4種故障產(chǎn)生的過電壓傳遞到直流側(cè)并在直流海纜上形成操作過電壓。聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)接地故障一般為暫時性故障，持續(xù)時間較短，故障清除后，絕緣可自恢復。仿真中設置故障持續(xù)時間為3個工頻周期。

仿真得到4種故障情況下海纜沿線過電壓情況如圖4所示。由圖可見：1)聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)單相接地時海纜過電壓最小，三相接地時海纜過電壓最大；2)海纜過電壓最大值出現(xiàn)在陸上換流站所在的海纜終點，沿著海纜向終點方向操作過電壓略有增大；3)這4種故障情況下，海纜沿線操作過電壓介于290～360 kV之間，最大操作過電壓值為356.8 kV。

圖4 聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)故障時海纜過電壓Fig.4 Submarine cable overvoltage in coupling transformer grid side faults

3.2 聯(lián)接變閥側(cè)故障

聯(lián)接變閥側(cè)故障有4種：單相接地、兩相接地、兩相短路和三相接地。換流變閥側(cè)的運行環(huán)境一般較好，部分工程聯(lián)接變閥側(cè)設備放置于室內(nèi)，因此發(fā)生的故障多為永久性故障。為保護昂貴的換流閥設備，需在故障發(fā)生2 ms后閉鎖換流器，100 ms后斷開交流側(cè)斷路器。

仿真得到4種故障情況下海纜沿線過電壓情況如圖5所示。由圖可見：1)兩相接地故障在海纜上產(chǎn)生的操作過電壓最大，過電壓最大值出現(xiàn)在電纜前端；2)這4種故障情況下，海纜沿線操作過電壓介于320～450 kV之間，最大操作過電壓峰值為442.3 kV。

圖5 聯(lián)接變閥側(cè)故障時海纜過電壓Fig.5 Submarine cable overvoltage in coupling transformer valve side faults

3.3 橋臂電抗器閥側(cè)故障

橋臂電抗器閥側(cè)故障有5種，包括：單相接地、兩相接地、兩相短路、三相接地和同相上下橋抗閥側(cè)短路。上下橋臂電抗器閥側(cè)短路時，類似于極間短路，此時極線電壓迅速降為0，海纜上無過電壓。橋臂電抗器閥側(cè)的運行環(huán)境與聯(lián)接變閥側(cè)一樣，發(fā)生的故障多為永久性故障，需在故障發(fā)生2 ms后閉鎖換流器，100 ms后斷開交流側(cè)斷路器。仿真得到4種故障情況下海纜沿線過電壓情況見圖6所示。

圖6 橋臂電抗器閥側(cè)故障時海纜過電壓Fig.6 Submarine cable overvoltage in arm reactor valve side faults

由圖6可見：1)橋抗閥側(cè)兩相短路故障時的海纜操作過電壓明顯小于其余3種故障工況，且沿著海纜過電壓峰值逐漸減小；2)單相接地、兩相接地和三相接地3種故障工況下的海纜過電壓峰值相差不大，三相接地故障下過電壓峰值最大，且最大值出現(xiàn)在海纜的中部；3)這4種故障情況下，海纜沿線操作過電壓介于270～480 kV之間，最大操作過電壓峰值為478.3 kV。

3.4 直流側(cè)故障

直流側(cè)故障類型有4種，包括：直流線路單極接地(圖7中的數(shù)據(jù)為接地故障點位于海纜終點處)、直流線路雙極短路、直流電抗器閥側(cè)接地(即直流母線接地)和換流閥端間短路。發(fā)生雙極短路時，正負極線電壓迅速降為0，海纜無過電壓。

當直流極線或直流母線接地時，一般為永久性故障，且情況較為嚴重。故障后2 ms換流站閉鎖，模塊電容器停止對接地點放電，但是交流系統(tǒng)仍可通過換流閥模塊中的續(xù)流二極管向故障點輸送能量，因此故障點電弧無法自熄，直至100 ms后交流側(cè)斷路器斷開。這種故障情況下，聯(lián)接變閥側(cè)會出現(xiàn)直流偏置電壓(幅值為極線直流工作電壓)，聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)接地電阻中會流過較大的電流，同時非接地極線的電壓會瞬間抬升至兩倍工作電壓，該故障工況會對設備造成較大的電壓電流應力。仿真得到3種故障情況下海纜沿線過電壓情況如圖7所示。

圖7 直流側(cè)故障時海纜過電壓Fig.7 Submarine cable overvoltage in DC side faults

由圖7可見：1)閥端間短路故障下海纜過電壓峰值較其余兩種故障明顯偏小，直流線路單極接地和直流電抗器閥側(cè)接地兩種故障工況下的海纜過電壓峰值差別較小，最大過電壓出現(xiàn)在直流電抗器閥側(cè)接地故障情況下；2)直流電抗器閥側(cè)接地兩種故障情況下，海纜過電壓最大值出現(xiàn)在電纜中部，兩端操作過電壓較低；3)這3種故障情況下，海纜沿線操作過電壓介于350～490 kV之間，最大操作過電壓峰值為480.3 kV，對應的故障工況為直流電抗器閥側(cè)接地。

由于在海纜不同部位發(fā)生單極接地故障產(chǎn)生的過電壓峰值不同，因此，分別在0 km、8 km、18 km、28 km、38 km、48 km、58 km、68 km、78 km共9處設置接地故障，分別計算這10種情況下海纜沿線過電壓的最大值，計算結(jié)果見圖8所示，海纜操作過電壓最大值出現(xiàn)在海纜起點接地短路的情況下，最大值為506.4 kV。

圖8 單極接地故障時海纜過電壓Fig.8 Submarine cable overvoltage in pole line grounding fault

3.5 海纜絕緣配合

綜合考慮了聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)、聯(lián)接變閥側(cè)、橋抗閥側(cè)和直流側(cè)共17種故障工況，根據(jù)圖4—8的計算結(jié)果，可以得出直流海纜起點短路接地時海纜過電壓最為嚴重，為506.4 kV。

根據(jù)GB/T 311.3—2017的規(guī)定，選取30%的絕緣裕度作為直流電纜的操作沖擊絕緣水平[16]，考慮海纜最大操作過電壓為506.4 kV，則海纜導體對地絕緣水平為660 kV。

4 結(jié)論

本文基于規(guī)劃中的某海上風電柔直送出工程，在PSCAD/EMTDC中建立了海上風電柔性直流輸電海纜過電壓仿真計算模型，主要工作和結(jié)論如下。

1)考慮了聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)、聯(lián)接變閥側(cè)、橋臂電抗器閥側(cè)和直流側(cè)共17種故障工況，直流側(cè)的故障海纜絕緣的影響最大，聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)故障對海纜絕緣的影響最??；

2)海纜沿線過電壓最大值，聯(lián)接變網(wǎng)側(cè)故障時出現(xiàn)在海纜末端，聯(lián)接變閥側(cè)和橋臂電抗器閥側(cè)故障時出現(xiàn)在始端或者中部，直流側(cè)故障時出現(xiàn)在中部；

3)海纜沿線操作過電壓最大的故障工況為直流海纜起點接地短路，過電壓值為506.4 kV；

4)取絕緣裕度為30%，計算得到海纜導體對地的操作沖擊絕緣水平為660 kV。