柔性直流功率模块比对失败跳闸事件分析
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摘 要：针对鲁西背靠背换流站调试期间发生的一起柔性直流功率模块比对失败，从而导致跳闸的事件，本文对跳闸条件进行了阐述，根据跳闸条件对本次比对失败导致跳闸的原因进行了分析，同时进行了现场排查并确定了故障原因，针对故障原因提出了相应建议，以避免类似事件再次发生。
关键词：柔性直流 功率模块 黑模块 鲁西换流站
中图分类号：TM721 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0036-03
Abstract：Focusing on a trip accident caused by VSC-HVDC power module comparison failure of Luxi back-to-back converter station in the debugging period， this paper illustrated the trip criteria， analyzed the reason of this trip accident based on the trip criteria， did the on-site investigation to determine the cause of failure， and made suggestions to avoid the recurrence of such incident.
Key Words：VSC-HVDC;Power module;Black module;Luxi converter station
1 引言
我國经济社会快速发展，带动了用电需求持续增长，为满足用电负荷增长的需要，电网规模扩大、区域电网互联成为主流发展方向[1]。电网互联带来了跨省跨地区输电量的大幅提高，不仅加强了大电网资源优化配置，也为电网互为支撑、相互支援提供了强大的保障[2]。另一方面，风电、太阳能等可再生能源利用规模的不断扩大，但由于其固有的分散性、小型性、远离负荷中心等特点[3]，迫切要求并网时采用柔性直流输电技术，并不断提升其输电能力。同时，城市用电负荷的快速增加，需要不断扩充电网的容量，但鉴于城市人口膨胀和土地资源的稀缺，不仅要求利用有限的线路走廊输送更多的电能，而且要求大量的配电网转入地下。因此，迫切需要采用更加灵活、经济、环保、安全的输电方式解决以上问题。
柔性直流输电技术具有控制灵活、无换相失败、快速实现有功无功调节、易于扩展等优点，是实现可再生能源大规模并网利用、分布式发电并网、大型电网异步互联、无源网络供电等领域的首选技术，同时也是我国能源电力发展的核心技术[4]。
目前，国内柔性直流输电换流阀多采用MMC（modular multilevel converter，模块化多电平换流器）拓扑结构。MMC采用完全一致的模块化技术，便于实现冗余控制，在研发、制造、动态和静态均压以及减小环流方面有着很大优势[5]。
鲁西背靠背直流异步联网工程建设地点位于云南省曲靖市罗平县鲁西村，直流容量一期按2000MW规划，二期规模按3000MW规划[6]。该工程首次通过柔性直流输电系统将主网与区域电网间异步联网，其柔性直流输电换流阀额定直流电压±350kV，额定功率1000MW，电压等级和容量均为世界最高水平。处于功率传输模式时，柔性直流单元具备-300Mvar至+300Mvar的无功输出能力。除传输功率外，柔性直流单元还被长期用于无功调节，平均无功输出约200Mvar，对电网提供了无功支撑，有效平抑了系统电压波动。
鲁西背靠背换流站柔直单元的换流器由云南侧换流器和广西侧换流器组成，两侧均采用了目前业内主流的模块化多电平（MMC）拓扑换流阀。换流阀分为六个桥臂，由众多半桥拓扑结构的功率模块构成。功率模块是MMC拓扑换流阀的最小单元，发生故障后由模块内部的机械旁路开关实现故障隔离，不影响换流阀的整体运行。柔性直流功率模块设计时考虑了较高的冗余度，保证在整个大修时间区间内不用更换功率模块。
2 跳闸事件简介
鲁西背靠背直流异步联网工程柔直单元于2016年7月完成安装，8月进入系统调试，并于8月30日正式投运。
在2016年8月7日工程调试阶段，柔性直流阀控系统在闭锁阶段报出“广西侧C相上桥臂模块387故障”和“模块比对故障”，同时阀控上报跳闸请求，换流单元三由闭锁状态转为备用状态。
3 跳闸分析
3.1 跳闸条件及逻辑框图
换流站阀控系统由阀控接口设备VCMI和阀组控制设备VGC两部分构成。
阀控接口设备VCMI完成换流阀脉冲调制、脉冲分配及相关的保护功能。该装置负责接收上层CCP控制保护命令，并反馈换流阀的部分状态信息;也负责6个桥臂中功率模块电容电压的均衡控制和桥臂环流抑制，并将控制结果（参考电压）下发给每个桥臂的VGC设备供其分配每个功率模块的触发脉冲。另外，VCMI也负责与测量装置MU、故障录波TFR设备、SCADA设备等的通讯以及对换流站内部电压、电流的监测与保护。VCMI与VGC、SCADA之间通过光纤进行通讯。
VCMI设备分为VCMI-A和VCMI-B两套接口设备，工作方式采用双系统热备份冗余工作方式，VCMI装置A、B两套系统完全独立，同时接收换流站级控制保护装置的命令，经过A、B两套系统的协调判断后，确定发给脉冲分配装置的控制保护命令。 阀组控制设备VGC主要用于接收上层来自VCMI-A和VCMI-B的调制电压、操作指令等控制保护命令，并根据来自CCP的值班信号选择使用A或B系统的数据，同时向上层VCMI屏柜反馈换流阀的故障信息;向下层功率模块控制器PMC发送控制命令，同时接收功率模块的电容电压、故障状态等信息。
VGC设备分为六套硬件和软件完全相同的屏柜，对应于A、B、C三相的上、下桥臂，每面VGC屏柜与一个桥臂所有的功率模块通讯。VGC与对应桥臂的功率模块以及VCMI-A、VCMI-B之间均通过光纤进行通讯。
阀控系统示意图如图1所示。
在模块比对功能投入的情况下，阀控将各桥臂模块在上位机记录或设置的旁路模块状态与阀本次重启充电后所获得的新故障状态进行比对，若存在某模块前后兩次的故障状态不一致，即比对结果出现黑模块，则阀控系统不发出“允许解锁”信号，将“比对失败”故障报送SCADA，向PCP申请跳闸，并闭锁换流器。换流器充电过程中模块状态比对不一致故障的情况下两套阀控系统的逻辑框图如图2所示。
3.2 跳闸原因分析
通过分析跳闸条件，黑模块实质为与阀控通讯中断，阀控无法读取其状态的模块，强行解锁后，该类模块可能被串联在回路中无法退出。
在柔性直流换流阀停运并接地后，进入阀厅对CU387功率模块进行检查，使用功率模块测试平台对该模块进行测试，各项功能均正常。对该模块与阀组控制设备VGC之间的通讯光纤进行衰减测试，发现光纤衰减过大，对光纤进行更换后，换流阀重新上电，并正常解锁。
光纤用于换流阀功率模块与阀控VGC屏柜之间的通讯，正常情况下，功率模块通过上行光纤将模块电压和故障代码等状态信息上传至阀控，阀控以此为依据，通过下行光纤将控制命令下发至功率模块，从而实现对功率模块的控制。功率模块与VGC屏柜通讯示意图如图3所示。
光纤结构如图4所示。光纤主要由光纤接头、分支尾纤、分支器、拖曳保护管及主缆部分组成。对故障光纤进行观察，发现光纤由于过度弯折，使得光纤衰减过大，中断了功率模块与阀控之间的通讯，阀控无法读取模块状态，故产生了黑模块，导致比对失败跳闸。
光纤为非金属光纤，尽管已对光纤做了拉伸、弯曲等相应机械性能方面的处理，但相对于其他器件来说仍然比较脆弱，在运输、安装、使用及维护方面需要非常谨慎，避免光纤受损。
4 结语
本文对鲁西背靠背换流站发生的一起柔性直流功率模块比对失败从而导致跳闸的事件过程进行了说明，对跳闸条件进行了阐述，并根据跳闸条件对本次跳闸的原因进行了排查分析，最终确定跳闸原因为光纤故障，并针对故障原因提出了相应建议，以避免类似事件再次发生。
参考文献
[1] 徐然.大电网拓扑分割的算法研究[D].山东大学， 2016.
[2] 高宗和，陈刚，杨军峰，等.特高压互联电网联络线功率控制（一）AGC控制策略[J].电力系统自动化，2009，33（15）：51-55.
[3] 邓明.柔性直流输电系统及其无网侧电动势传感器控制技术的研究[D].中南大学，2010.
[4] 汤广福，贺之渊，庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J]. 电力系统自动化，2013，37 （15）： 3-14.
[5] 封磊，苟锐锋，杨晓平，等.柔性直流输电系统功率模块研究与设计[J].高压电器，2016，52（1）： 55-61.
[6] 张东辉，洪潮，周保荣，等.云南电网与南方电网主网异步联网系统方案研究[J].南方电网技术，2014，8（6）：1-6.
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