华文1，凌卫家2，黄晓明1，裘鹏1，陆翌1，于淼1，卢岑岑1
（1国网浙江省电力公司电力科学研究院，浙江杭州 310014;2．国网浙江省电力公司，浙江杭州 310007）
摘要：为了验证舟山多端柔性直流输电系统是否具备在线极隔离功能，从理论和实践两个方面进行了分析 基于模块化多电平换流器 (MMC)的拓扑结构及其子模块结构，对MMC在线极隔离过程中的充放电可能性进行了分析，理论上证明了在线极隔离的可行性。为保证安全，现场极隔离试验分为带线路空载加压试验以及端对端试验两个过程，通过舟定换流站的现场试验，证明了舟山多端柔性直流输电系统具备了在线极隔离的功能．在此过程中不会出现危险的过压以及持续的燃弧现象，在线极隔离对现场设备无影响。
关键词：舟山工程；多端柔性直流输电系统；模块化多电平换流器；极隔离；现场试验
中图分类号：TM721 DOI：10.11930/j．issn．1004-9649.2016.06.078.05
0引言
基于模块化多电平的多端柔性直流输电(modular multilevelConverter based multi-terminalhigh voltage direct c:urrent．MMC-MTDC)具有运行方式灵活、有功无功可独立控制以及能够向弱交流系统甚至无源网络供电等优势，因此多端柔性直流输电在海岛供电技术领域越来越受到关注。目前南澳三端柔性直流输电工程以及舟山五端柔性直流输电工程都已投入正式运行。
多端柔性直流换流站的在线极隔离技术是保证多端柔性直流系统可靠性的一项重要技术，只有具备这一技术后才能够保证单个换流站内部故障后可实现自我隔离而不影响其他换流站的正常运行，否则任一换流站的故障将导致整个多端柔性直流输电系统的停运，继而对海岛电网的安全稳定运行造成严重影响。研究了含多端柔性直流输电的交直流混合电网的动态特性，分析了单站退出运行后电网特性；提出了一种电压偏差控制策略，给出了定直流电压站退出运行后直流电压的控制策略；提出了一种改进下垂控制策略，可以应对定电压站退出后的直流电压控制：提出了柔性直流的控制保护策略．并将极隔离作为其故障清除的一种手段。以上文献均默认MMC在实际T程中是可以实现在线极隔离．但是目前尚无文献表明实际工程中的MMC具备此功能。
本文基于舟山多端柔性直流输电工程，首先在理论上分析了MMC在线极隔离的可能性，最后通过舟山柔直现场在线极隔离试验，证明了MMC在线极隔离的可行性。
1 舟山多端柔性直流输系统程简介
舟山多端柔性直流输电系统是中国也是全世界第一个五端柔性直流输电系统，各换流站采用基于模块化多电平技术的电压源换流器，各站分别位于舟山本岛、岱山岛、衢山岛、泗礁岛及洋山岛．如图1所示。舟山多端柔性直流电压为±200 kV,各换流站容量分别为：舟定换流站400 MW.舟岱换流站300 MW、舟衢、舟洋、舟泗换流站各100 MW。舟定站与舟岱站通过220kV交流接入舟山电网，舟衢、舟洋以及舟泗站通过110 kV交流线路接入舟山电网。各换流站问采用电缆连接，其中海缆总长258 km，陆缆总长22.8 km。舟山多端柔性直流输电工程已于2014年7月4日通过168 h试运行正式投入运行。该工程的投产可有效提高舟山海岛供电的可靠性，并为舟山海岛风电场提供可靠的输出通道。
2 MMC在线极隔离的理论分析
2.1 MMC的拓扑结构
MMC的拓扑结构如图2所示，MMC有6个桥臂．每个桥臂包N个相同的子模块，每相上下两个桥臂构成一个相单元，工作时每个相单元都有n个子模块(SM)投入，考虑到冗余子模块的存在，一般n<N。子模块主要由一个作为开关元件的IGBT半桥以及一个直流储能电容并联组成，此外子模块电容还并联了一个放电电阻．用于在MMC停运后释放电容上的电荷，在子模块下管上并联了一个晶闸管以及旁路开关，晶闸管用于在MMC发生双极短路时旁路子模块以防止大电流损坏子模块，旁路开关用于在子模块故障后旁路故障子模块。
2.2 MMC在线极隔离的充放电分析
针对换流站内部司可隔离故障，舟山工程现场控制保护系统的处理逻辑为：控保系统在检测到本站出现可隔离的故障后，同时发出闭锁及跳交流系统进线开关命令，在确认交流系统进线开关处于分位且直流侧电流小于某一定值后发出极隔离命令。
交流进线开关已跳开，因此在MMC极隔离时不存在交流侧与MMC之间的充放电关系，仅存在直流侧与MMC的充放电关系。在MMC闭锁后由于子模块上管与下管都是处于关断状态，且上管反并联二极管也不能为子模块电容提供放电同路．因此闭锁后在任何情况下子模块电容都不能向直流侧放电。
此时若存在充电同路，仅存在直流侧向MMC充电一种可能性，其充电回路如图3所示（以A相为例），此时直流侧将通过子模块上管反并联二极管为整个相单元充电。若该充电回路成立，则有式(1)成立，即子模块电压必须降至额定电压50%以下。
根据图2中的子模块结构．MMC闭锁后子模块的电容与放电电阻构成一个一阶RC放电回路．闭锁后子模块电容电压可表示为
式中：T为子模块放电时问常数。
舟山工程采用的子模块放电时间常数范围为44～176 s，极隔离刀闸分闸到位的时问为10 s．若闭锁后立即发出极隔离命令，由式(2)可以计算出极隔离完毕后子模块电容电压为额定电压的79.6%~94.5%，大于50%的额定电压，式(1)对应的关系不成立，因此推断出图3中的充电回路不存在。
通过以上分析可以得到，若在MMC闭锁后立即发出极隔离命令，理论上不会存在MMC与直流侧之间的充放电回路，在极隔离过程中极隔离刀闸上不会有电流流过，即MMC在线极隔离是可行的。
3 MMC在线极隔离试验
3.1 现场在线极隔离试验方案
舟山工程在线极隔离试验于2014年10月16-17日在舟定站进行。为确保安全，现场试验分为2步进行：第1步在舟定站带直流海缆空载加压模式下进行；第2步在舟定站与舟岱站两端运行模式下进行，其中舟定站作为定功率站运行。舟岱站在舟定站极隔离前后始终作为定直流电压控制站运行。每种模式下都由控制保护厂家通过后台操作实现MMC的在线极隔离。在线极隔离动作逻辑与2.2节中描述一致。
3.2 空载加压试验结果
待舟定站解锁直流电压升至400 kV后，由厂家在后台操作停运舟定站并执行在线极隔离操作。回放监控视频，拉开瞬间肉眼可见燃弧，拉开瞬间截屏如图4所示。试验波形如图5所示，从波形上可判断负极刀闸先于正极刀闸动作；正负极刀闸在2.0 s内发生多次燃弧，刀闸断口的击穿电压随着动静触头距离的增加而不断增大，燃弧熄灭后直流电压快速衰减至零左右；正极最大电压峰值216 kV,负极最低电压峰值-225 kV。直流电流在刀闸分开前后基本没有变化，大小均在电流互感器的零漂范围内。试验完成后进入直流场检查极隔离刀闸触头情况（见图6）。由图6可以看出，试验结束后刀闸触头无明显烧灼痕迹。经过检查现场所有避雷器计数器均无动作记录。
3.3端对端试验结果
待舟定站与舟岱站解锁稳定运行后，由厂家停运舟定站并执行在线极隔离操作，同时保持舟岱站继续运行。该试验共进行了4次，试验过程中正极最高电压254 kV,负极最低电压-249 kV。同放监控视频，拉开瞬间肉眼可见燃弧，拉开瞬间截屏如图7所示，试验波形如图8所示，试验后极隔离刀闸触头如图9所示。端对端极隔离试验结果与空载加压极隔离试验结果基本一致，极隔离过程巾的直流电流在电流互感器零漂范围内．避雷器无动作。
4结语
(1)舟山多端柔性直流输电系统换流站在线极隔离过程巾会出现短时的燃弧现象，极隔离完成后直流电压迅速降至OV附近。换流站在线极隔离对现场一次设备无影响。
(2)舟山多端柔性直流在极隔离过程中放电电流较小，与理论分析基本一致。在线极隔离过程中过电压水平在合理范围内，不会导致避雷器动作。
(3)本次试验证明，在控制保护的控制下，舟山多端柔性直流输电系统具备实现在线极隔离功能，可以实现故障站的在线隔离，该功能的实现极大地增强了多端柔性直流系统的可靠性。
