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全球能源互联网
第7卷 第4期 2024年07月；页码：463-472
海上风电用±550 kV直流GIS过电压与绝缘配合研究
Research on Overvoltage and Insulation Coordination of ±550 kV DC GIS for Offshore Wind Power
- 1.先进输电技术全国重点实验室（国网智能电网研究院有限公司），北京市 昌平区 102209
- 2.国网福建省电力有限公司超高压分公司，福建省 福州市 350013
- SU Pengfei1*, YUAN Yijia1, SUN Yahui2, LIN Zhiguang1, LI Yuanzhen1 (1. State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology (State Grid Smart Grid Research Institute Co., Ltd.,Changping District, Beijing 102209, China
- 2. State Grid Fujian EHV Company, Fuzhou 350013, Fujian Province, China
关键词
Keywords
摘 要
Abstract
海上风电经柔性直流送出已成为风电消纳的重要途径。直流气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，GIS）用于海上风电换流平台，可以降低整体海上换流站平台体积及设备造价，降低了海上设备的运维成本。围绕海上风电用±550 kV直流GIS的过电压与绝缘配合进行研究，首先确定柔直系统的结构与参数、控制保护策略和避雷器配置方案，进而通过仿真获得最大过电压水平，对于不同运行方式下故障极与非故障极的直流极线过电压进行分析，最后明确±550 kV直流GIS中避雷器参数与±550 kV直流GIS设备的绝缘水平要求。
The VSC-HVDC transmission of offshore wind power has become an important way for wind power consumption. Direct current gas insulated switchgear (DC GIS)is used for offshore wind power converter platforms, which could reduce the overall platform volume and equipment cost of offshore converter stations, and reduce the operation and maintenance costs of offshore equipment. The overvoltage and insulation coordination of ±550 kV DC GIS for offshore wind power have been studied. Firstly, the structure and parameters of VSC-HVDC system are studied. The control and protection strategies, and the configuration of surge arrester are given.Then, the maximum overvoltage level is obtained through the simulation. The DC pole line overvoltage of faulty pole and non-faulty pole under different operation modes are analyzed.Finally, the parameters of the arrester in ±550 kV DC GIS and the insulation level requirements of the ±550 kV DC GIS are given.
0 引言
相较于交流输电，直流输电具备输送容量高、输送距离远、灵活性高和可靠性强等特点，更加适用于新能源并网、海岛供电和跨海远距离输电等场景[1-5]。其中，柔性直流输电能够实现电流自关断，能够独立控制有功功率和无功功率，使得电力传输更加灵活安全[6-11]，目前已经在高压直流输电领域获得了较为广泛的工程实践应用。
在海上风电并网方面，随着海上风电厂址离岸距离越来越远，工程建设的成本逐步增加，对于运维服务的要求也更高。与传统海上风电交流送出相比，海上风电经柔性直流送出的优势主要体现在输电距离远、新能源消纳能力强、有利于成本控制等方面[12-17]。因此，海上风电经柔直送出已成为海上风电消纳的重要途径。中国如东海上风电柔性直流输电示范项目的投运，标志着中国海上风电柔性直流输电时代的到来。
目前中国的直流输电系统中直流侧采用的电气设备一般为敞开式空气绝缘开关设备（air insulated switchgear，AIS），占地面积较大，设备重心高，隔离开关、接地开关等带电部件裸露，且在长期运行中存在绝缘子表面污闪的隐患，不能很好地满足海上换流站高湿高盐雾的环境要求与降成本、少维护的工程设计要求[18-19]。气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，GIS）利用封闭化设计以提高可靠性并节省占地面积，相比于AIS设备，相同电压等级下，GIS设备体积最多可减少约95%，从而使整体海上平台体积减少10%左右[20-21]。目前直流GIS设备尚无工程应用报道，但欧洲几个在建的海上风电柔直接入工程（如BorWin5）均提出拟采用直流GIS。ABB、Siemens及日本目前已研制出直流GIS设备[22-23]，国内平高集团正在开展直流GIS设备的研制工作。
随着海上风电工程输电容量逐渐向2 GW发展，直流输电电压等级也随之逐步提高至500 kV以上，开展±550 kV直流GIS的研究可以实现直流GIS向超高压的推广。同时直流设备的过电压水平与绝缘水平是决定设备能否安全运行的重要参数指标，且目前对于电压等级±500 kV及以上的海上风电柔直系统的过电压与绝缘配合研究较少，因此开展面向海上风电柔直系统用±550 kV直流GIS的过电压与绝缘配合研究很有必要，也是实现±550 kV直流GIS样机研制乃至工程应用的重要基础。
本文针对海上风电用±550 kV直流GIS的过电压与绝缘配合展开研究，首先确定柔直系统的结构与参数、控制保护策略和避雷器配置方案，进而通过仿真获得最大过电压水平，最后明确±550 kV直流GIS中避雷器参数与±550 kV直流GIS设备的绝缘水平要求。
1 系统结构和参数
首先依据现有世界范围内电压等级±500 kV以上的海上风电柔直系统进行主电路与主参数选择。截至2023年6月，国内尚未建设电压等级±500 kV以上的海上风电柔直工程，国外输电系统运营商TenneT正在建设荷兰IJmuiden Ver（IJV）海上风电项目，项目采用对称双极拓扑，直流电压为±525 kV，额定容量为2 GW。同时TenneT规划在德国北海建设BalWin 1、BalWin 2和BalWin 3海上风电柔直工程，将同样采用对称双极±525 kV拓扑，额定容量为2 GW。考虑到参数设计的普遍性，本文以荷兰IJmuiden Ver（IJV）海上风电工程为背景，输电系统采用±525 kV对称双极系统，系统拓扑采用双极带金属回线电缆的方式，额定输送容量为2 GW，输电距离为200 km，系统拓扑如图1所示。
图1 海上风电柔性直流±525 kV对称双极系统拓扑
Fig. 1 Topology of VSC-HVDC ±525 kV symmetrical bipolar system for offshore wind power
典型海上风电柔性直流系统包括2个换流站（海上换流站和陆上换流站），海上与陆上换流站均采用半桥MMC换流器（half-bridge modular multilevel converter，HB-MMC）。表1展示了±525 kV柔性直流系统中变压器、换流阀和桥臂电抗器等关键设备的参数。
表1 ±525 kV柔性直流系统主设备关键参数
Table 1 Key parameters of main equipment in ±525 kV VSC-HVDC system
项目海上换流站陆上换流站变压器额定电压/kV66/305400/295/20额定容量/MVA525/525（380/380/1） ×3漏抗/pu0.120.15子模块运行电压/kV1.83～2.181.83～2.18子模块电容/μF80008000桥臂子模块数/pcs238256桥臂电抗电抗值/mH4040换流阀
2 控制保护策略和避雷器配置方案
2.1 控制策略
柔性直流换流站采用典型的直接电流控制。海上站采用电压/频率控制，陆上站采用定直流电压/无功功率-交流电压控制。海上换流站与陆上换流站的极控配置分别如图2与图3所示。
图2 海上换流站极控配置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of pole control configuration for offshore converter station
图3 陆上换流站极控配置示意图
Fig. 3 Schematic diagram of pole control configuration for onshore converter station
2.2 保护策略
站内保护方案的宗旨是当发生故障时使电气系统的设备断开连接。故障可能来自短路，也可能来自系统中某个工作异常的设备。保护系统利用位于HVDC换流站的交流断路器实现故障的隔离与清除。
交流系统保护与直流系统保护包括的保护动作如表2所示。由于交流断路器的跳闸时间影响直流GIS中避雷器的能量，为获得最严苛工况下的避雷器能量需求，交流断路器跳闸需要考虑断路器失灵，此时由后备保护下发跳闸指令，断路器跳闸时间按照300 ms考虑。另外，考虑直流耗能装置失灵的情况，以获得最严苛工况下的直流极线过电压。
表2 交流系统保护与直流系统保护的保护动作
Table 2 Protection actions for AC system protection and DC system protection
保护类别保护动作交流系统保护发信号给换流站控保系统交流断路器跳闸直流系统保护告警切换到冗余控制系统闭锁换流阀交流断路器跳闸触发直流耗能装置极间隔离极线接地开关紧急接地
2.3 避雷器配置方案
根据柔性直流换流站避雷器配置原则[24-25]，本文建立的系统中陆上换流站和海上换流站的避雷器配置如图4与图5所示，其中A为海上风场交流进线避雷器；AV为变压器阀侧避雷器与换流阀交流母线避雷器；CBH为换流阀直流母线避雷器（直流极线侧）；CBN为换流阀直流母线避雷器（中性线侧）；DB为直流极母线避雷器；DL为高压直流电缆避雷器；E为中性线母线避雷器；EM为金属回线电缆避雷器；N为陆上站变压器网侧中性点避雷器。避雷器DB与DL集成在±550 kV直流GIS内部，各交流避雷器的额定电压与直流避雷器的直流1 mA参考电压参见附录A表A1。
图4 海上换流站避雷器配置
Fig. 4 Configuration of arresters for offshore converter station
图5 陆上换流站避雷器配置
Fig. 5 Configuration of arresters for onshore converter station
3 ±550 kV直流GIS暂态电压分析
3.1 故障仿真工况
暂态电压分析是决定电气设备绝缘水平的重要环节[26-30]，柔性直流输电系统换流站中出现的过电压是由于系统操作、发生故障以及遭受雷击等原因造成的。其中，换流站外部发生的交流系统操作、故障清除和雷击等一般仅对柔性直流输电系统的运行构成扰动，而不影响系统正常运行；换流站内部发生的接地和短路等故障则会直接影响柔性直流输电系统的正常运行，一般需要闭锁故障换流站。
基于PSCAD/EMTDC仿真软件，采用仿真计算的方法开展故障分析。每个海上风机模型由1个5 MW、PSCAD官网通用模型等效，利用电流源等效的方法，设置不同风机台数的等效风电场。陆上交流电网侧由理想电压源与交流电网等效阻抗进行等效。仿真中所用避雷器伏安特性曲线见附录A中图A1，图中电压值是以直流1 mA参考电压为基准的标幺值，同时此曲线是避雷器伏安特性的标准值，考虑±2%的制造误差，分别取图中电流所对应电压值的1.02倍与0.98倍作为避雷器的最大伏安特性与最小伏安特性。在最大伏安特性下进行过电压仿真以获得过电压的最大值，在最小伏安特性下进行避雷器能量仿真以获得能量的最大值。
故障仿真分为陆上换流站站内故障、海上换流站站内故障和直流线路故障。以海上站为例，关键故障事件的位置如图6所示，主要故障包括变压器网侧故障（ACF0）、变压器阀侧故障（ACF1）、电抗器阀侧故障（DCF1和DCF3）、直流母线故障（DCF2）、直流极线电缆故障（DCF4）等，具体仿真工况见附录A表A2。
图6 典型故障位置示意图
Fig. 6 Schematic diagram of typical fault location
由于电缆的故障位置对直流极线过电压水平有影响，因此考虑直流电缆不同位置点发生单极接地或极线对中性线短路故障，确定直流GIS暂态过电压水平。对电缆进行分段处理，连接海上换流站的直流电缆终端被指定为直流电缆路径的原点，其坐标为0 km，每10 km设置一个电缆的故障点（F1，F2，F3，…，F19，F20，F21），共计21个点，同时在每个故障点处设置电压测点，如图7所示。
图7 直流电缆故障示意图
Fig. 7 Schematic diagram of DC cable fault
3.2 直流GIS过电压分析
因为所研究系统为对称双极系统，仿真中发生故障的一极称为故障极，另一极称为非故障极。同时由于对称双极系统存在多种运行方式，包括双极带金属回线运行方式（bipole with dedicated metallic return，DMR运行方式）、双极不带金属回线运行方式（bipole without dedicated metallic return，RBP运行方式）、非对称单极运行方式（asymmetrical monopole，ASMP运行方式），本节将对不同运行方式下故障极与非故障极的直流极线全线过电压进行分析。
3.2.1 故障极直流极线过电压
在不同运行方式、不同故障位置下的故障极直流极线对地电压如图8所示。图中各曲线分别表示了双极带金属回线（DMR）、双极不带金属回线（RBP）和非对称单极（ASMP）运行方式下海上站和陆上站故障时故障极的直流极线对地电压。由于电缆故障时故障极直流极线无过电压，所以未在图中给出。可以看出，对于换流站故障极直流母线处的设备，海上站直流母线对地电压的最大值为733.1 kV（非对称单极运行，故障工况为陆上站变压器网侧发生两相短路接地故障），陆上站直流母线对地电压的最大值为735.1 kV（非对称单极运行，故障工况为陆上站变压器网侧发生三相短路接地故障）；对于直流线路，最大过电压为735.2 kV（非对称单极运行，故障工况为陆上站变压器网侧发生三相短路接地故障，测点为距离海上换流站直流母线190 km处）。
图8 故障极直流极线对地电压
Fig. 8 Pole-to-ground voltages of DC pole line in faulty pole
3.2.2 非故障极直流极线过电压
在不同运行方式、不同故障位置下的非故障极直流极线对地电压如图9所示。图中各曲线分别表示双极带金属回线（DMR）与双极不带金属回线（RBP）运行方式下海上站、陆上站和电缆故障时非故障极直流极线的对地电压。由于非对称单极（ASMP）运行方式下非故障极未投入运行，无过电压，所以未在图中给出。可以看出，对于换流站非故障极直流母线处的设备，海上站直流母线对地电压的最大值为726.3 kV（双极带金属回线运行，故障工况为陆上站变压器网侧发生三相短路接地故障），陆上站直流母线对地电压的最大值为736.0 kV（双极带金属回线运行，故障工况为陆上站变压器网侧发生三相短路接地故障）；对于直流线路，最大过电压为736.0 kV，即发生于陆上站直流电缆终端，与陆上站直流母线处最大过电压工况相同。
图9 非故障极直流极线对地电压
Fig. 9 Pole-to-ground voltages of DC pole line in non-faulty pole
3.2.3 直流GIS过电压总结与分析
根据第3.2.1节与第3.2.2节中的过电压仿真结果，表3总结了在各种运行方式、故障类型下，直流GIS设备（即换流站直流母线处）的最大对地电压。可以看出直流GIS设备的最大对地电压为736.0 kV（双极带金属回线运行，陆上站变压器网侧发生三相短路接地故障，电压观测点为陆上站非故障极直流母线），此最大过电压波形如图10所示，该数据将作为直流GIS设备的额定操作冲击耐受电压的参考计算值。
表3 直流GIS设备最大对地电压
Table 3 Maximum pole to ground voltage of DC GIS equipment
运行方式故障类型最大对地电压/kV故障极非故障极双极带金属回线海上站故障577.9630.7陆上站故障729.2736.0直流线路故障627.3双极不带金属回线海上站故障586.8713.1陆上站故障720.2724.0直流线路故障713.7非对称单极海上站故障591.9陆上站故障735.2直流线路故障
图10 直流GIS最大过电压波形
Fig. 10 Maximum overvoltage waveform of DC GIS
由仿真结果可以看出，直流GIS设备的最大对地电压一般出现在陆上站变压器网侧发生故障时。结合仿真波形分析，在仿真中t=2.004 s时陆上站变压器网侧发生三相短路接地故障，由于在仿真计算中考虑了换流站间通信失灵的工况，故障发生后一段时间海上换流站将继续运行，海上风电功率持续注入导致直流电压持续升高，直到换流阀过压保护或直流过压保护动作使得海上站换流阀闭锁，此时直流极线的过电压达到最大值。同时，在海上站换流阀闭锁后，直流极线会承受一段时间的暂时过电压直至交流断路器跳闸。
另外，在大多数故障的情况下，无论是站内故障还是电缆故障，非故障极都应在双极带金属回线运行模式下保持不降功率运行。但是，由于陆上站两极的变压器网侧为共交流母线布置，在一些陆上站内部故障的情况下，如陆上换流站变压器网侧三相短路故障，非故障极也会出现过电压并且闭锁换流阀。
图11为陆上站变压器网侧故障后示意图，直流极线最终暂态过电压可达直流额定电压的1.3～1.4倍。影响直流侧过电压水平的主要因素包括直流避雷器荷电率、子模块储能电容器的容值和直流电缆长度等。适当提高直流避雷器荷电率或减小子模块储能电容器的容值会降低直流侧过电压水平，而直流电缆长度的增加会使得直流侧过电压水平提高。
图11 陆上站变压器网侧故障后示意图
Fig. 11 Schematic diagram of transformer grid side fault at onshore station
4 直流GIS避雷器参数与GIS绝缘水平
直流GIS中直流避雷器荷电率的选取是影响直流GIS绝缘参数设计选型的关键环节。较小的荷电率会导致直流GIS与直流电缆的过电压水平较高，设备制造上需要达到更高的绝缘水平，会增加直流GIS与直流电缆的设计难度与设备成本。而过高的荷电率会使得避雷器吸收能量的要求增加，可能需要多柱并联，增加了设备的占地面积。对于对称双极系统，直流避雷器荷电率一般不宜超过0.85，在本文中，直流避雷器的直流1 mA参考电压选取为640 kV，对应的荷电率为0.83，可有效控制直流极线过电压水平，同时避雷器能量也不至于过大。
不同运行条件下直流GIS中直流避雷器的参数仿真结果如表4所示（最大对地电压、最大放电电流和最大吸收能量均在避雷器最大伏安特性下得到）。可以看出，直流侧单个避雷器能量最大值为3692 kJ，对地电压最大值为736.0 kV，避雷器放电电流最大值为0.06 kA。
表4 直流GIS中避雷器参数仿真结果
Table 4 Simulation results of arrester parameters in DC GIS
运行方式故障位置DC GIS避雷器仿真计算结果最大对地电压/kV最大放电电流/kA最大吸收能量/kJ双极带金属回线海上站630.700陆上站736.00.062547直流线路627.300双极不带金属回线海上站713.10.052536陆上站724.00.052466直流线路713.70.052668非对称单极海上站591.900陆上站735.20.063692直流线路
进一步地，根据表4的仿真结果与户内设备雷电防护设计经验，确定±550 kV直流GIS内避雷器保护水平与能量等关键参数如表5所示。选取避雷器的能量时，需考虑双极带金属回线运行方式下发生故障后，系统改为非对称单极运行，短时间内再次发生故障的情况，因此避雷器能量的选取需在最小伏安特性曲线下，取双极带金属回线与非对称单极2种运行方式下避雷器的最大能量之和，再考虑20%的裕度，最终选择避雷器能量需8.8 MJ。
表5 ±550 kV直流GIS内直流避雷器参数
Table 5 Parameters of DC arrester in ±550 kV DC GIS
直流1mA参考电压/kV雷电冲击保护水平/kV雷电配合电流/kA操作冲击保护水平/kV操作配合电流/kA能量/MJ 640909286418.8
考虑到换流站设备绝缘配合中的绝缘裕度，对于直流GIS设备，雷电冲击最低绝缘裕度取20%，操作冲击取15%，由此获得±550 kV直流GIS设备的绝缘水平要求如表6所示，其中雷电冲击耐受电压为1175 kV，操作冲击耐受电压为1050 kV，该绝缘水平可用于指导±550 kV直流GIS绝缘参数的选取。
表6 ±550 kV直流GIS设备绝缘水平要求
Table 6 Insulation level requirements for ±550 kV DC GIS equipment
雷电冲击保护水平/kV需要的雷电冲击耐受电压/kV雷电冲击耐受电压/kV操作冲击保护水平/kV需要的操作冲击耐受电压/kV操作冲击耐受电压/kV 909109111758649941050
5 结论
本文以±525 kV对称双极拓扑海上风电柔性直流并网工程为例，对于海上风电用±550 kV直流GIS的过电压与绝缘配合进行了研究，获得以下结论：
1） 对称双极系统中，直流GIS设备的最大过电压为736.0 kV，出现在双极带金属回线运行方式下，故障工况为陆上站变压器网侧发生三相短路接地故障；
2） ±550 kV直流GIS设备绝缘水平的要求是雷电冲击耐受电压1175 kV，操作冲击耐受电压1050 kV，该绝缘水平可用于指导±550 kV直流GIS绝缘参数的选取。
附录 A 避雷器额定电压、参考电压、伏安特性曲线与仿真工况
表A1 避雷器额定电压Ur与直流1 mA参考电压Uref
Table A1 Rated voltage Ur and DC 1 mA reference voltage Uref of arrester
换流站避雷器类型Ur /kVUref /kV换流站避雷器类型Ur /kVUref /kV 336 AV640N168 CBH640AV640 DB640CBH640 DL640DB640 CBN396DL640 E 50CBN396 EM50E50 EM50 A 66 A海上站陆上站
表A2 仿真工况
Table A2 Simulation cases
编号故障位置故障类型ACF0变压器网侧故障单相接地两相短路两相短路接地三相短路接地故障类型单相接地两相短路两相短路接地三相短路接地DCF1极线侧桥臂电抗与阀之间故障单相接地两相短路接地ACF1变压器阀侧故障DCF2直流母线或电缆终端故障单极接地双极短路DCF3中性线侧桥臂电抗与阀之间故障单相接地两相短路接地DCF4直流电缆故障单极护套击穿接地故障极间短路故障其他直流电缆紧急接地单极接地故障后紧急接地，合直流GIS接地开关对电缆进行放电断路器偷跳或直流线路断线断路器偷跳或直流线路断线导致的直流功率突变
图A1 避雷器伏安特性曲线
Fig. A1 V-I characteristics of arrester
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基金项目
国家电网有限公司科技项目“换流站用±550 kV直流GIS关键技术研究”（5500-202147110A-0-0-00）。
Science and Technology Foundation of SGCC (5500-202147110A-0-0-00).
作者简介
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苏鹏飞
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袁艺嘉
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孙亚辉
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林志光
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李元贞