本文发表在《全球能源互联网》2022年第3期“新型配电系统智能感知、分析与优化运行”专题上，欢迎点击品读。受国家电网有限公司科技项目（SGGR0000ZLJS1900608）资助。

近年来，中国海上风电装机规模增长迅速，截至2021年底，累计海上风电并网容量达593万kW。中国目前近海风电开发程度已较高，未来深度开发空间相对有限，与之相比，远海风电是未来风电发展的“潜力股”。柔性直流输电已成为当前远海风电并网的首要解决方案，也是目前国际上唯一具有工程实践经验的大规模远海风电并网方案。而暂态电气应力分析是柔性直流输电系统设计的重要一环，其将直接决定海上换流站的设备暂态应力技术规范，并影响海上换流站平台尺寸、重量等指标。已有的研究文献鲜有对不同桥臂电抗配置方案换流站暂态应力的研究，大多数暂态应力分析研究假定桥臂电抗位于换流阀交流侧，本文以对称单极系统为主要研究对象，重点针对桥臂电抗交流侧、直流侧两种配置方案，对比分析了海上柔性直流换流站暂态电气应力，以明确不同方案对设备的关键技术要求，为工程实施提供技术指导。

1）分析了不同桥臂电抗器配置方案，重点针对交流侧配置和直流侧配置搭建了海上风电柔性直流输电系统PSCAD/EMTDC仿真模型； 

2）对海上换流阀交流侧单相接地、两相短路，换流阀直流侧母线接地等关键性故障暂态应力产生机理进行了详细阐述，并进行仿真分析；

3）结合暂态应力分析结果，提出了桥臂电抗器交流侧配置和直流侧配置在工程中需要重点关注的问题。

全球海上风电柔性直流并网工程总容量已达10GW，随着单位投资成本不断降低，柔性直流在未来一段时间内仍然是远海风电并网工程的首选方案。由于海上换流站交流电网主要由风电场构成，其暂态电气应力相比陆上换流站有所不同；此外，不同桥臂电抗配置方案会产生不同暂态电气应力。为此，重点针对对称单极系统，对比分析了阀交流侧和直流侧两种桥臂电抗配置方案海上换流站的暂态电气应力。通过建立PSCAD/EMTDC仿真模型，详细分析了海上换流阀交流侧单相接地、两相短路等关键性故障暂态应力特性差异与产生机理，并对主要设备操作过电压与绝缘耐受进行了对比研究。结果表明，直流侧配置方案将显著减小换流阀瞬态电压、电流应力，但暂态应力耐受能力要求更高。

在现有的工程设计中，桥臂电抗一般配置在换流阀的交流侧如图1 a）；近些年来，海上风电并网工程逐步将桥臂电抗配置于换流阀的直流侧如图1 b)，以整合桥臂电抗与平波电抗的功能；此外，还有一种双侧桥臂电抗配置方案如图1 c），即在换流阀的交直流侧均配置有桥臂电抗器。

⬆ 图1  不同桥臂电抗配置方案

两种桥臂电抗配置方案所设置的故障总体相同，主要区别集中在换流阀区域，图2 a)是桥臂电抗交流侧配置方案故障示意，图2 b)是桥臂电抗直流侧配置方案示意。后文中提到方案1均为桥臂电抗器交流侧配置，方案2均为桥臂电抗器直流侧配置。

⬆ 图2  阀区关键故障示意

对于桥臂电抗器交流侧配置方案1，阀交流母线两相短路故障会造成换流阀直接短路，造成严重的换流阀瞬时过电流，可达数百kA，严重危及设备安全，其对应的故障电流通路示意如图3 a）所示。对于桥臂电抗器直流配置方案2，也会造成阀短路，但是由于桥臂电抗器位于阀直流母线侧，瞬态过流峰值将大大降低，其对应的故障电流通路示意如图3 b）所示。

⬆ 图3  阀交流母线两相短路故障机理

图4是两种桥臂电抗配置方案阀交流母线两相短路故障仿真结果。如图4 a）所示，交流侧配置方案1故障瞬间桥臂电流达到226kA；直流侧配置方案2几乎不会出现过流应力，但会造成电抗器端间出现过电压，峰值电压约250kV，约为交流侧配置方案的2倍。因此，在采用交流侧配置方案时，阀厅布局需要考虑阀交流母线间距，以避免此类故障发生。

⬆ 图4  阀交流母线两相短路故障仿真

对于桥臂电抗器交流侧配置方案1，故障发生后换流阀闭锁前，一方面海缆对接地点进行放电，另一方面故障相上下桥臂投入的子模块经过上下桥臂电抗器、故障点向非故障极电缆进行充电，如图5 a）所示，由于电缆对地电容相对较小，非故障极迅速出现过压，阀闭锁后，阀对非故障极电缆充电回路被阻断，非故障极电压不再上升，后续过程主要由阀交流侧电压决定。

对于桥臂电抗器直流侧配置方案2，阀闭锁前后机理与方案1类似，其对应的故障回路如图5 b）所示。由于桥臂电抗器位于直流侧，故障回路中仅下桥臂电抗器在故障回路中，相同条件下非故障极海缆充电电流大于方案1。同时，桥臂电抗端间暂态过电压是方案1的2倍左右。换流阀闭锁瞬间，若桥臂电流为正（参考方向由正极到负极），故障极所有子模块电压将作用在非故障极海缆等效电容与桥臂电抗器之间，此时桥臂电抗器端间电压达到最大。

⬆ 图5  阀直流母线接地故障机理

图6 a)和图6 b)给出了2种方案下阀直流母线接地故障仿真结果。由于阀直流母线和直流极线为等电位，交流侧配置方案1故障后直流极线电压直接被钳位至零电位，桥臂过流略有增大，桥臂电抗器端间暂态过电压峰值约100kV。直流侧配置方案2故障后由于回路仅包含非故障极桥臂电抗，桥臂瞬时电流峰值变化幅值约是方案1的2倍；同样，故障瞬间桥臂电抗端间电压也大概为方案1的2倍。闭锁瞬间，桥臂电流为正，桥臂电抗端间电压出现严重的瞬时过电压，峰值可达400kV。

⬆ 图6  阀直流母线接地故障仿真

 研究团队