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HVDC换流站闭锁事故分析及改进措施  

2016-04-15 10:30:37|  分类: 变频技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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某高压直流输电(HVDC)换流站发生闭锁事故,事故是由于阀冷系统循环水泵变频器不具备高低电压穿越能力造成的。根据循环水泵的启动运行方式及变频器AC/DC/AC的特性,从变频器的直流环节入手,提出基于直流支撑技术的低电压穿越改进技术,通过直流支撑系统和变频器直流环节的改造还可以实现变频器的高电压穿越。

  引言:阀冷系统是直流工程中最重要的辅助系统,它将阀体上各元器件的功耗发热量排放到阀厅外,保证晶闸管运行结温在正常范围内。阀冷系统的安全与否直接关系到整个直流系统运行情况。

  主循环泵是阀冷系统的重要组成部分。主要给内冷水系统提供动力。在一些换流站中,主循环水泵启动方式采用变频器启动长期运行方式。在电网过压、欠压及换流阀换相失败等造成的电能质量问题,直接影响主循环泵的运行,造成阀冷系统停止运行,进而造成换流站直流闭锁。

  1、直流闭锁事件过程

  A-B高压直流换流站,A双极低端内冷水系统主泵变频器过压保护动作,主泵停运后内冷水流量低保护动作,双极低端阀组闭锁。

  根据故障时段A-B站直流故障录波、事件记录和现场设备检查情况综合分析,判断原因为A-B直流逆变侧(B站)交流系统故障引起双极四阀组换相失败,进而引起整流侧(A站)交流系统电压扰动从而造成A站站用电源异常,导致双极低端四台阀水冷主泵和双极高端两台阀水冷主泵故障,双极低端阀组阀冷主水流量低保护动作。

  事件过程如下所述:

  1:13∶50∶01∶419,直流逆变侧(B站)双极四阀组同时发生换相失败。

  2:13∶50∶01∶452,A站交流系统开始出现扰动,随后出现阀避雷器检测到冲击电压报警;且因逆变侧换相失败报出“极I、极II直流线路保护闭锁”信号;部分换流变冷却器电源故障;相关交流保护、故障录波启动等。

  2、直流闭锁原因分析

  从故障录波分析来看,B站因交流系统故障造成双极四阀组换相失败,换相失败告警持续53ms,期间极I、极II直流电流峰值达到7200A。

  因A-B换流站直流发生双极换相失败,直流电流突升,直流电压跌落至零,在直流控制器和系统无功调节作用下,A站交流电压畸变严重,其中电压跌落达20%。

  检查发现,故障时A站双极低端主水流量低于29L/s续超过1.1s(横轴每格2.5s),满足保护动作条件。

  3、主泵停运原因分析

  综合现场检查情况,初步分析认为主泵停运原因为:A-B换流站直流逆变侧双极换相失败,引起A站交流电压扰动,两路主用站用电电源异常,A站4个阀组8台主泵变频器中的6台(双极低端4台主泵变频器和双极高端2#主泵变频器)检测到直流电压超过内置过压保护定值,直流过压保护动作。另外2台高端1#泵的变频器由于测量误差,直流电压未达到内置过压保护定值,故直流过压保护未动作。故障发生时,4个阀组均为2#主泵运行,当4台主泵的变频器直流过压保护动作后,立即停运主泵并切至1#泵运行,并向运行人员工作站发“主泵故障”报警。

  对于极I低端而言,由于2台泵同时故障,因此无法切换,2台主泵均停运,虽然几秒钟后2台主泵先后恢复运行,但是主水流量29L/s并持续超过1.1s延时,流量低保护二段动作,闭锁极I低端直流。

对于极II低端而言,2#主泵故障后成功切换至1#主泵,但是23ms后1#主泵也故障,此时2#主泵故障仍未恢复,因此无法进行切换,2台主泵停运,待故障恢复时,主水流量29L/s并持续超过1.1s延时,流量低保护二段动作,闭锁极II低端直流。

  对于双极高端而言,由于2台1#主泵变频器直流过压保护均未动作,因此当2#泵故障停运后,成功切换至1#泵运行,因此仅在切换过程中出现主水流量低(<65L/s)报警,随后主水流量恢复正常,未影响直流系统运行。

  4、解决方案

  由于交流电压异常,导致变频器过压保护动作是主泵停运的根本原因,同样,若交流电压出现欠压,也会引起变频器欠压保护动作,从而导致主泵停运,引起直流闭锁事件,因此,提高变频器高、低电压穿越能力非常有必要。

  4.1系统方案

  根据变频器的故障原因,以及变频器交-直-交工作原理,可以采用基于直流支撑技术的直流解决方案,以提高变频器的高、低电压穿越水平,系统方案如图所示。

高、低电压穿越直流解决方案图

  基于直流支撑技术的低电压穿越解决方案是指从变频器的直流环节入手,在直流环节上并联一路备用直流电源,低电压穿越时,保证变频器逆变电路正常工作,从而输出交流电给负载供电。

  高电压穿越解决方案的思路是在变频器整流单元后侧切断过压源,再利用低电压穿越解决方案的直流支撑备用电源对变频器直流母线提供直流电,继而逆变成交流电给负载供电。

  4.2系统组成

  高、低电压穿越的系统主要由充电模块(AC/DC模块)、VSP电压暂降保护模块(DC/DC模块)、高电压穿越模块(VOP模块)、隔离单元(VD1)、主监控单元(监测系统)、直流配电回路(断路器、接触器、电缆等)、储能单元(电池及监测模块等)等组成。

 4.3低电压穿越系统工作原理

  变频器正常运行时低电压穿越系统通过隔离单元VD1与变频器完全隔离,使低电压穿越系统处于后备式运行方式。当电网电压有所跌落且高于90%额定电压时,低电压穿越系统不启动,处于热备用状态;当电网电压跌落到90%额定电压以下时,低电压穿越系统瞬时启动工作,维持变频器直流母线电压在DC500V左右,DC500V逆变成交流电,保证变频器正常运行。

  4.4高电压穿越系统工作原理

  VOP 模块用于解决变频器的高电压穿越问题,当电网电压在130%Ue以下时,VOP处于导通状态,当电网电压骤升到130%Ue时,VOP切换工作状态,断开变频器直流母线,直流母线电压瞬间下降到DC500V,此时低电压穿越系统输出DC500V直流电给变频器直流母线供电,保证变频器不停机。当电网电压恢复正常时,VOP再次切换到导通状态由交流电网给变频器供电,低电压穿越系统退出工作进入热备用状态。

  4.5高低电压穿越解决方案配合时间要求和抗干扰措施

  该系统方案中,当发生低电压穿越时,高电压穿越系统不工作,VOP仍然处于导通状态,只需低电压穿越系统由热备用状态切换至直流支撑状态;当发生高电压穿越时,高电压穿越系统需要低电压穿越系统的配合,即VOP切换工作状态,同时低电压穿越系统进行直流支撑,这就需要高、低电压穿越系统之间的时间配合,当 VOP动作后,变频器直流母线电压下降,低电压穿越系统瞬时支撑,配合时间取决于直流母线电压由过电压降至DC500V的时间。

  本系统抗干扰措施分别从软件和硬件入手,分别采用滤波、接地、屏蔽、隔离等技术,如:软件程序中加入数字滤波,提高采样数据的抗干扰性能;通信采用屏蔽线和隔离通信技术,提高系统通信的抗干扰性能;硬件电路中加入输入EMI滤波电路,控制电路加入RC滤波电路,提高了硬件电路的抗干扰性能;系统中的柜体和模块都采取可靠接地技术,提高了系统的抗干扰能力。

  5、结语

  本文分析了一种HVDC换流站直流闭锁事故,事故原因在于站用电过压(高电压穿越)造成换流阀冷系统主循环水泵变频器过压保护动作,引起主水流量低跳闸。根据变频器工作原理以及电力电子技术,提出了基于直流支撑技术的高低电压穿越解决方案。该方案能在站用电电压波动时确保主循环水泵不间断运行,从而提高了阀冷系统的可靠性,提高了HVDC系统的稳定性。

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