CN102185307A - 模块化多电平变流器柔性直流输电***的绝缘配置方法 - Google Patents

模块化多电平变流器柔性直流输电***的绝缘配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模块化多电平式柔性直流输电***的过电压分析方法和绝缘配合方法，通过分析***过电压、配置避雷器和绝缘配合设置步骤对模块化多电平式柔性直流输电***的各种过电压进行准确分析计算，寻求一种避雷器配置和参数选择方案，进而完成***设备的绝缘配合，保证模块化多电平式柔性直流输电***在正常运行、故障期间及故障后的安全，并使得全***的费用最省，该方案可用于指导相关技术人员高效地完成模块化多电平式柔性直流输电***的绝缘配合分析。

Description

模块化多电平变流器柔性直流输电***的绝缘配置方法
技术领域：
本发明涉及一种模块化多电平变流器的柔性直流输电***的绝缘配合方案，具体涉及基于模块化多电平换流器柔性直流输电的绝缘配合方法。
背景技术：
电力***的绝缘配合，就是综合考虑电气设备在***中所有可能工况下承受的各种作用电压(包括工作电压和过电压)、保护装置的特性和设备绝缘对各种工作电压的耐受特性，以选择最优的保护装置配置方式和设备的绝缘水平，使总体的设备造价、维护费用和因设备绝缘故障而引起的故障损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的。
绝缘配合设计，一般情况下，需基于***电磁暂态过程的模拟计算，按照常规的保护装置配置原则，经有经验的设计人员根据具体计算结果不断调整保护配置和保护装置的参数，以最终确定整个***的绝缘配合方案，因此绝缘配合设计是一项专业性和技术性很强的工作。其不仅需要通用的保护装置配置原则，还需要设计人员有坚实的专业基础和丰富的工程经验。
现有的高压直流换流站绝缘配合程序，只是针对基于晶闸管换流器阀的常规高压直流输电***，又称线路换相换流器高压直流输电***(LCC-HVDC)。其换流站内绝缘配合的基本原则是：交流侧的过电压应尽可能由装在交流侧的避雷器保护；直流侧的过电压应由直流侧的避雷器组合加以限制；换流设备的关键部件应由与该部件紧密相连的避雷器直接保护。
对于模块化多电平式柔性直流输电***由6个桥臂组成，每个桥臂由若干个子模块串联组成，结构如图1所示。其换流器基于可关断器件，并且换流过程采用特有的控制和保护方式，使柔性直流换流站与常规直流换流站和交流变电站相比，对保护及被保护设备的过电压、保护装置的配置、设备绝缘水平的选择有其特殊的要求。对于交流输电***和常规直流输电***，分别可以参照国家电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》和国家标准GB/T311.3-2007《绝缘配合第3部分：高压直流换流站绝缘配合程序》，进行避雷器配置、参数选择以及设备的绝缘水平确定，但是对于柔性直流输电***，目前尚没有特定的绝缘配合设计方法。柔性直流输电***的过电压与绝缘配合设计是柔性直流输电工程设计、实施中的关键技术之一。***过电压分析、直流输电运行方式的选择、避雷器配置与保护水平、设备的绝缘水平直接关系到设备的设计、制造、造价等各方面。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明目的是对模块化多电平式柔性直流输电***的各种过电压进行准确分析计算，寻求一种避雷器配置和参数选择方案，保证模块化多电平式柔性直流输电***在正常运行、故障期间及故障后的安全，并使得全***的费用最省。
本发明提供的模块化多电平变流器柔性直流输电***的绝缘配置方法，所述柔性直流输电***包括子模块，其改进之处在于，所述方法包括分析***过电压、配置避雷器和绝缘配合设置；
所述分析***过电压包括如下步骤：
1)选择设备绝缘配合***的运行方式：
2)划分过电压分析区域：
3)根据步骤2)的划分区域分析换流站过电压产生原因；
4)根据步骤3)得出的不同过电压类型及相应的主频率进行电磁暂态建模：
5)在步骤4)的基础上进行过电压计算；
所述配置避雷器包括如下步骤：
A)根据步骤5)和避雷器配置原则确定避雷器的位置；
B)确定荷电率和阀片型号；
C)根据阀片文件、避雷器持续运行电压CCOV、持续运行电压峰值PCOV和避雷器的参考电压Uref生成避雷器文件；
D)根据步骤4)和步骤C)提取避雷器特征值：
E)根据步骤D)中最严重故障类型下的避雷器特征值，选择配合电流：
F)计算避雷器保护水平；
所述绝缘配合设置包括如下步骤：
①最严重故障下过电压计算；
②确定绝缘配合系数；
③根据步骤F)的结果和步骤②的系数确定设备的要求耐受电压；
④确定设备绝缘水平。
本发明提供的第一优选方案的配置方法，其改进之处在于，所述划分过电压分析区域是将模块化多电平柔性直流输电***分为换流站交流侧、换流站直流侧和换流站内部三个区域；
本发明提供的第二优选方案的配置方法，其改进之处在于，所述步骤C)的所述避雷器的参考电压Uref的计算公式为：Uref＝CCOV/荷电率。
本发明提供的第三优选方案的配置方法，其改进之处在于，所述设备绝缘配合***的运行方式是根据柔性直流输电***的运行方式和稳定性分析后进行选择。
本发明提供的第四优选方案的配置方法，其改进之处在于，所述计算避雷器保护水平包括计算避雷器的操作冲击保护水平SIPL和雷电冲击保护水平LIPL。
本发明提供的较优选方案的配置方法，其改进之处在于，所述换流站交流侧的过电压包括暂时过电压、操作过电压和雷电过电压。
本发明提供的另一优选方案的配置方法，其改进之处在于，所述换流站内的过电压包括暂时过电压、操作过电压、雷电过电压和陡波过电压。
本发明提供的再一优选方案的配置方法，其改进之处在于，所述换流站直流侧的过电压包括雷电过电压和操作过电压。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明的过电压分析步骤，可大大减小过电压分析过程中的工作量；通过区域划分，将整个***分换流站交流侧、换流站直流侧和换流站内部三个区域，并对各个区域内引起过电压的故障类型进行分别管理，可以指导用户准确、全面地完成故障类型的统计，并提高了工作效率；基于***的过电压分析模型，对各种过电压的所有待分析故障类型，进行仿真计算，统计整个***中所有设备的端对地及端间的电压应力，可为避雷器配置提供充实的依据。
本发明的避雷器配置步骤，为了方便用户进行避雷器配置，整个***中所有设备的端对地及端间的电压应力统计结果，用户可直接确定避雷器的安装位置，降低了对用户专业水平及工作经验的要求。
本发明的绝缘配合步骤，考虑到绝缘配合系数的选取，在此基础上确定设备的额定绝缘水平，可以充分保证设备的安全。
本发明设计了模块化多电平柔性直流输电***的绝缘配合程序，可指导用户高效、准确地完成***的绝缘配合分析。
附图说明
图1：本发明提供的模块化多电平式柔性直流输电***结构图；
图2：本发明提供的整体流程框图；
图3：本发明提供的***过电压分析的流程框图；
图4：本发明提供的避雷器配置的流程框图；
图5：本发明提供的绝缘配合步骤的流程框图.
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
图1为模块化多电平式柔性直流输电***结构图，图2为本发明整体流程框图。该方法包括***过电压分析、避雷器配置和绝缘配合设置；
一：***过电压分析：
对于模块化多电平柔性直流输电***，其电磁暂态过程是由交、直流输电***的各种操作、故障或雷击引起的，将在换流站的交、直流设备上产生各种过电压应力(工频过电压、谐振过电压、操作过电压、雷电过电压等)，直接决定了***保护装置(避雷器)的配置以及各种设备绝缘水平的选取。
对于***过电压分析，首先应对可能引起过电压的工况进行总结，选择合适的电磁暂态仿真软件，对各种工况进行机理分析，准确搭建与实际***相同的仿真分析模型，对过电压进行计算。本实施方式选取电力***计算机辅助设计软件PSCAD(Power System Computer Aided Design，加拿大曼尼托巴高压直流研究中心推出的一款商业软件)和电磁暂态仿真软件ATP(The Alternative Transients Program，雏形由美国能源部邦维尔电力局(BPA)主导开发的一款全球免费软件)两个电磁暂态仿真软件进行仿真。本实施方式的框图如图3，包括如下步骤：
1)选择设备绝缘配合***的运行方式：根据柔性直流输电***在电网中的运行方式，对不同运行方式下***的稳定性进行分析，确定决定设备绝缘配合的***运行方式。
2)划分过电压分析区域：将模块化多电平柔性直流输电***分为换流站交流侧、换流站直流侧和换流站内部三个区域，以分区域对***中可能引起过电压应力的工况进行分析。
3)根据步骤2)的划分区域分析换流站过电压产生原因：
来自换流站交流侧的过电压有暂时过电压、操作过电压和雷电过电压三种。对三种过电压的的产生原因进行分析。
来自换流站内的过电压有暂时过电压、操作过电压、雷电过电压、陡波过电压四种。对换流站内各种过电压的产生原因进行分析。
来自换流站直流侧的过电压主要有雷电过电压和操作过电压两种。当直流线路采用地下电缆时，不存在换流站直流侧的雷电过电压。
4)根据步骤3)得出的不同过电压类型及相应的主频率进行电磁暂态建模：针对不同的过电压类型及相应的主频率，借助于电磁暂态分析软件，通过选用元件库中对应的元件，建立与实际***相同的过电压分析等效模型。
5)在步骤4)的基础上进行过电压计算：基于***的过电压分析模型，对各种过电压的所有待分析故障类型，进行仿真计算，统计柔性直流输电***中所有设备的端对地及端间的电压应力。
二：避雷器配置
对于交流***和常规直流输电***，都有通用的绝缘配合的基本原则。对于模块化多电平柔性直流输电***，国际和国内均无可循的标准和导则，需根据***的过电压水平，初步确定避雷器配置位置、类型及数量。从避雷器安全的角度出发，需考虑其长期连续运行的安全和过电压下避雷器的能量不能超过其允许值两个方面的问题。一般来说，避雷器额定电压越高，单位电压的能量要求越低。较高的避雷器额定电压可以降低单位电压避雷器的能量要求，从而降低避雷器制造难度和费用。对于被保护设备，避雷器额定电压越高，保护水平就越高，设备的绝缘水平也必定相应提高，导致制造难度和费用增加。为了解决避雷器安全和设备造价之间的矛盾，需要进行精心的优化配置工作。本实施方式的框图如图 
Figure BDA0000054415150000051
4，包括如下步骤：
A)根据步骤5)和避雷器配置原则确定避雷器的位置：依据***过电压计算统计结果，给出避雷器的配置位置，在设备端对地及设备端间过电压严重的部位安装避雷器。
B)初步确定荷电率和阀片型号：初步确定***设计中要求的避雷器荷电率以及避雷器伏安特性曲线的阀片文件。
C)根据阀片文件、避雷器持续运行电压CCOV、持续运行电压峰值PCOV和避雷器的参考电压Uref生成避雷器文件：结合***参数，确定避雷器持续运行电压CCOV和持续运行电压峰值PCOV，计算避雷器的参考电压Uref＝CCOV/荷电率，并根据阀片文件，计算生成与相应避雷器一一对应的避雷器文件。其中，阀片文件可由厂商提供。
D)根据步骤4)和步骤C)提取避雷器特征值：将元件库中避雷器元件分别配置在仿真模型对应的位置上，根据设计的避雷器类型调用对应的避雷器文件。对所有待分析的故障类型进行仿真分析，在故障发生的时间区域里，提取各个避雷器各自对应的最大残压、最大电流和能量并保存。选取其中避雷器的最大残压、最大电流值最大的故障类型最为最严重的故障类型，其对应的避雷器的最大残压、最大电流和能量作为避雷器特征值。
E)根据步骤D)中最严重故障类型下的避雷器特征值，选择配合电流：根据最严重故障类型下的避雷器特征值，确定避雷器的配合电流，配合电流值大于避雷器特征值中的最大电流。
F)计算避雷器保护水平：结合避雷器文件的伏安特性曲线和配合电流，计算避雷器的操作冲击保护水平SIPL和雷电冲击保护水平LIPL。
三：绝缘配合设置
在完成过电压分析建模和避雷器配置的基础上，需针对柔性直流输电***的电压应力特性点，研究换流站设备绝缘配合裕度系数的确定和绝缘水平的选取工作，本实施方式的框图如图5，包括如下步骤：
①最严重故障下过电压计算：对加装避雷器后的***，进行最严重故障类型下的仿真计算，记录所有设备端对地及端间的最高电压应力。
②确定绝缘配合系数：配合系数为设备的要求冲击耐受电压与冲击保护水平的比值。主要是针对直流设备而言，直流应用中，没有规定标准的耐受电压水平。如果用户有具体的要求，配合系数值按用户要求而定。否则，可参照常规直流输电绝缘配合中配合系数的选取。
③根据步骤F)的结果和步骤②的系数确定设备的要求耐受电压：根据避雷器的操作冲击保护水平和雷电冲击保护水平，结合设备的绝缘配合系数，确定设备的端对地(即设备一端与地之间)、端间(即设备的两端之间)的要求操作冲击耐受电压和要求雷电耐受电压。
④确定设备绝缘水平：根据设备的要求绝缘水平计算结果，对交流设备选取标准的(由厂商规定)耐受电压；对于直流设备，没有标准耐受电压水平，将额定耐受水平调整到经验值。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (8)

1.模块化多电平变流器柔性直流输电***的绝缘配置方法，所述柔性直流输电***包括子模块，其特征在于，所述方法包括分析***过电压、配置避雷器和绝缘配合设置；
所述分析***过电压包括如下步骤：
1)选择设备绝缘配合***的运行方式：
2)划分过电压分析区域：
3)根据步骤2)的划分区域分析换流站过电压产生原因；
4)根据步骤3)得出的不同过电压类型及相应的主频率进行电磁暂态建模：
5)在步骤4)的基础上进行过电压计算；
所述配置避雷器包括如下步骤：
A)根据步骤5)和避雷器配置原则确定避雷器的位置；
B)确定荷电率和阀片型号；
C)根据阀片文件、避雷器持续运行电压CCOV、持续运行电压峰值PCOV和避雷器的参考电压Uref生成避雷器文件；
D)根据步骤4)和步骤C)提取避雷器特征值：
E)根据步骤D)中最严重故障类型下的避雷器特征值，选择配合电流：
F)计算避雷器保护水平；
所述绝缘配合设置包括如下步骤：
①最严重故障下过电压计算；
②确定绝缘配合系数；
③根据步骤F)的结果和步骤②的系数确定设备的要求耐受电压；
④确定设备绝缘水平。
2.如权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述划分过电压分析区域是将模块化多电平柔性直流输电***分为换流站交流侧、换流站直流侧和换流站内部三个区域。
3.如权利要求1所述的配置方法，其特征在于：所述步骤C)的所述避雷器的参考电压Uref的计算公式为：Uref＝CCOV/荷电率。
4.如权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述设备绝缘配合***的运行方式是根据柔性直流输电***的运行方式和稳定性分析后进行选择。
5.如权利要求1所述的配置方法，其特征在于，所述计算避雷器保护水平包括计算避雷器的操作冲击保护水平SIPL和雷电冲击保护水平LIPL。
6.如权利要求2所述的配置方法，其特征在于，述换流站交流侧的过电压包括暂时过电压、操作过电压和雷电过电压。 
7.如权利要求2所述的配置方法，其特征在于，所述换流站内的过电压包括暂时过电压、操作过电压、雷电过电压和陡波过电压。
8.如权利要求2所述的配置方法，其特征在于，所述换流站直流侧的过电压包括雷电过电压和操作过电压。 
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