MMC-HVDC系统过电压保护和绝缘配合的研究

第41卷第21期电力系统保护与控制Vol.41 No.21 2013年11月1日Power System Protection and Control Nov.1, 2013

张哲任，徐政，薛英林

（浙江大学电气工程学院, 浙江杭州 310027）

摘要：在整个MMC-HVDC系统的设计中，过电压保护和绝缘配合是一个必须解决的关键问题。鉴于国内外相关专题研究较少，在充分借鉴传统直流工程以及MMC-HVDC系统本身特性研究成果的基础上，基于西门子Transbay工程，提出了一种适用于MMC-HVDC系统的过电压保护方案。该保护方案通过将避雷器安置在换流站的关键位置，通过限制关键点的过电压去实现保护换流站关键部件的功能。鉴于该工程全部采用直流海缆，可以不考虑雷电过电压，所以提出了14种换流站中可能发生的故障，用来作为换流站绝缘设计的校核工况。借助于PSCAD/EMTDC，并采用绝缘配合中的确定性方法，计算得到了换流站关键设备的耐受电压等级。

关键词：模块化多电平换流器；高压直流输电；换流站故障；海底电缆；过电压；避雷器配置；绝缘配合

Study of overvoltage protection and insulation coordination for MMC based HVDC

ZHANG Zhe-ren, XU Zheng, XUE Ying-lin

(College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract:In the entire cycle of MMC-HVDC planning, overvoltage protection and insulation coordination is one of the most important parts needed to be considered. An overvoltage protection scheme, which takes the Transbay project by Siemens as an example system, is proposed. The scheme combines the research results in traditional HVDC systems and the characteristics of MMC-HVDC systems, and places arresters at some key locations in the MMC-HVDC converter station, which can directly limit the overvoltage to an acceptable range and hence protect the key equipment concerned. Since all the DC lines of the project are undersea cables, no lighting overvoltage is considered and 14 faults which could happen are carefully selected to serve as the verification conditions for the insulation design. Based on the PSCAD/EMTDC simulations and the deterministic method, the required withstand voltage level of the key equipment in the converter station is calculated.

This work is supported by National High Technology Research and Development Program of China (863 Program) (No. 2012AA050205).

Key words:modular multilevel converter;HVDC; Converter station faults; undersea cable; overvoltage; arrester configuration; insulation coordination

中图分类号：TM85 文献标识码：A 文章编号：1674-3415(2013)21-0058-07

0 引言

作为新一代电压源换流器，模块化多电平换流器（MMC）采用半桥子模块级联的形式，具有器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点[1-4]，尤其适用于高压直流输电应用场合，其在海岛送电、城市配电、新能源并网领域具有广阔的应用前景。目前美国Transbay工程[5]和中国南汇示范工程[6]

基金项目：国家863高技术基金项目（2012AA050205）连跨海柔性直流输电重大科技示范工程、浙江舟山多端柔性直流输电示范工程、广东南澳多端直流输电系统工程等。

已经投入运行。此外国内外多个工程正在筹建和规划中，如连接西班牙和法国的Inelfe Project、辽宁大

过电压保护和绝缘配合是MMC-HVDC（MMC based HVDC）工程应用中必然面临且亟待解决的关键性问题。绝缘水平若选取得太高，会增加设备制造的难度，提高整个直流系统的成本，绝缘水平若选取得太低，会增大换流站因故障而停运的概率，造成不必要的经济损失。因此选取合理的绝缘配合方案是整个柔性直流输电系统设计的一个非常重要的方面。从目前国内外研究理论来看，大部分文献侧重于MMC-HVDC的数学建模、控制器设计、调制策略选取、冗余保护等方面[7-14]，针对MMC-HVDC