多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流故障保護(hù)策略

羅永捷，李耀華，李子欣，王 平

(1．中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院電工研究所，北京100190;

2．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

與基于晶閘管相控?fù)Q流器的傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)(LCC-HVDC)相比，基于電壓源型換流器的柔性直流輸電(VSC-HVDC)具有不存在換相失敗風(fēng)險(xiǎn)、潮流反轉(zhuǎn)時(shí)直流電壓極性不變、有功和無功獨(dú)立解耦控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，有較高的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，非常適于構(gòu)建多端系統(tǒng)［1-4］。多端柔性直流輸電(MTDC)

系統(tǒng)具有多個(gè)受端和送端，能夠?qū)⒎植际侥茉摧斔椭炼鄠€(gè)負(fù)荷中心，具有傳輸損耗低、潮流控制靈活、能夠連接異步電網(wǎng)且易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)［5-7］。世界首個(gè)多端柔性直流輸電系統(tǒng)——中國廣東南澳大規(guī)模海上風(fēng)電接入示范工程已于2013年底投入運(yùn)行。

直流短路故障是柔性直流輸電系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障之一。一方面，當(dāng)前工程中常用的兩電平或三電平VSC和半橋型模塊化多電平換流器(HB-MMC)無法實(shí)現(xiàn)直流短路故障的快速清除;另一方面，適用于高壓大容量場(chǎng)合的直流斷路器制造工藝尚不成熟。因此通常采用分?jǐn)嘟涣鲾嗦菲鞯姆绞剑瑪嚅_交直流系統(tǒng)的連接，以清除故障電流、保護(hù)換流閥。但交流斷路器屬于機(jī)械開關(guān)，響應(yīng)速度慢;發(fā)生短路故障且斷路器未分?jǐn)嗥陂g，故障點(diǎn)等效為交流電網(wǎng)三相短路，急劇增大的短路電流對(duì)交流系統(tǒng)穩(wěn)定性和換流閥的安全有嚴(yán)重影響;此外，清除故障后，直流系統(tǒng)重新恢復(fù)功率輸送需要預(yù)充電、解鎖等復(fù)雜的時(shí)序配合。上述問題使得工程中通常采用造價(jià)昂貴的電纜作為輸電線路以降低故障率，阻礙了多端柔性直流輸電的發(fā)展和應(yīng)用［8-12］。

基于上述原因，直流短路故障保護(hù)日益成為多端柔性直流輸電系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。德國學(xué)者Rainer Marquardt將MMC拓?fù)浞譃?①半橋型HB-MMC，功率半導(dǎo)體器件少、損耗低，但是缺乏直流故障穿越能力;②全橋型FB-MMC和雙鉗位子模塊型DCMMC，具備直流故障穿越能力，但功率半導(dǎo)體器件多、損耗較高。文獻(xiàn)［13］研究了DC-MMC的直流故障穿越機(jī)理，即模塊電容在故障回路提供的反電勢(shì)足夠大，利用二極管單向?qū)ㄌ匦酝瓿晒收想娀∏袛?。文獻(xiàn)［14］比較了各種MMC拓?fù)涞膮?shù)和性能，以混合串聯(lián)全橋型和半橋型模塊的方式，實(shí)現(xiàn)減少開關(guān)器件數(shù)量。文獻(xiàn)［15］利用FB-MMC直流母線電壓在一定范圍內(nèi)可控的特性，提出一種降低直流母線電壓以實(shí)現(xiàn)直流側(cè)單極對(duì)地短路和雙極短路故障穿越的保護(hù)策略。

換流站的協(xié)調(diào)控制也對(duì)多端直流輸電系統(tǒng)故障保護(hù)有重要影響。協(xié)調(diào)控制通常包括主從式控制、偏差控制和下垂控制等。主從式控制依賴于換流器與控制系統(tǒng)間的高速通信，主站發(fā)生故障后系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。偏差控制對(duì)控制器參數(shù)選擇有較為嚴(yán)格的限制，容易出現(xiàn)系統(tǒng)震蕩。下垂控制策略為多點(diǎn)控制，不依賴于換流站間的高速通信，可靠性較高［16］。

針對(duì)MTDC直流故障保護(hù)存在的問題，本文基于FB-MMC拓?fù)?，首先建立換流器數(shù)學(xué)模型，對(duì)換流器級(jí)保護(hù)策略進(jìn)行改進(jìn)。然后，提出一種適用于多端柔性直流輸電系統(tǒng)的“換流閥短時(shí)閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行”直流故障保護(hù)策略，能夠?qū)崿F(xiàn)短路故障電流快速清除，并且避免交流斷路器跳閘和系統(tǒng)停運(yùn)。結(jié)合多端系統(tǒng)的直流電壓下垂控制，實(shí)現(xiàn)故障后MTDC系統(tǒng)快速恢復(fù)和N－1運(yùn)行。最后，在PSCAD/EMTDC中驗(yàn)證所提出故障保護(hù)策略的有效性。

2 MTDC運(yùn)行原理

2.1 多端系統(tǒng)連接方式

多端柔性直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。典型的連接風(fēng)電場(chǎng)和交流電網(wǎng)MTDC系統(tǒng)包括直流網(wǎng)絡(luò)、交流電網(wǎng)和換流站。直流系統(tǒng)連接方式可分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)［2］，如圖2所示。目前工程中一般采用并聯(lián)方式。

圖1 MTDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 Structure of MTDC system

2.2 換流器數(shù)學(xué)模型

全橋型FB-MMC由六個(gè)橋臂構(gòu)成，每橋臂包括N個(gè)功率模塊(SM)和橋臂電感L，上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元，如圖3所示。圖3中uio為交流輸出電壓，其中o為假想的交流相電壓中點(diǎn)，i=a，b，c;Udc為直流母線電壓。

圖2 MTDC系統(tǒng)連接方式［2］Fig．2 Connection of MTDC system

圖3 MMC電路拓?fù)銯ig．3 Circuit topology of MMC

FB-MMC功率模塊由4個(gè)全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件和直流電容構(gòu)成，包括四種工作狀態(tài):輸出+UC、－UC、0和閉鎖狀態(tài)。正常運(yùn)行狀態(tài)下，全橋型模塊與半橋型模塊工作方式相同，輸出電壓為+UC或0。

以A相為例，F(xiàn)B-MMC交流輸出電壓uao可表示為:

式中，uau和ual為上下橋臂電壓。橋臂電流iau和ial表示為:

式中，ia為A相電流;idc和idiff為直流分量和環(huán)流分量。

上下橋臂參考電壓uau_ref和ual_ref分別表示為:

式中，Udc為直流母線電壓;um為橋臂電壓交流分量幅值;ω為工頻角頻率;δ為相位角。

3 控制保護(hù)策略

3.1 短路電流清除原理

FB-MMC拓?fù)渚邆渲绷鞴收锨宄芰Α０l(fā)生直流短路故障后，所有換流閥功率模塊中的開關(guān)器件立即關(guān)斷，功率模塊處于閉鎖狀態(tài)，根據(jù)初始時(shí)刻橋臂電流方向的不同，存在兩種電流回路，如圖4所示。在橋臂電感的續(xù)流作用下，橋臂電流為模塊電容充電，因此所有閉鎖狀態(tài)的模塊電容均以充電狀態(tài)串入放電回路。正常狀態(tài)下MMC橋臂電容電壓高于交流線電壓峰值，所以閉鎖后橋臂電流將迅速減小至零，實(shí)現(xiàn)故障電流清除。

圖4 FB-MMC模塊閉鎖狀態(tài)電流回路Fig．4 Current path of blocked FB-MMCmodule

3.2 換流器級(jí)保護(hù)策略

發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流急劇增大，在很短時(shí)間內(nèi)上升至橋臂電流額定值十倍以上，嚴(yán)重威脅換流閥的安全。因此，換流器級(jí)直流故障保護(hù)策略的關(guān)鍵在于限制故障電流以保護(hù)MMC中半導(dǎo)體開關(guān)器件和功率模塊電容。

短路故障電流包括直流分量和交流分量，其中直流分量為功率模塊電容放電電流。當(dāng)MMC直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，處于投入狀態(tài)的功率模塊電容通過短路點(diǎn)形成放電回路。由于均壓算法的作用，所有功率模塊輪流投入和切除，因此上下橋臂模塊電容可等效看做以并聯(lián)的形式串入放電回路。放電電流主要依靠橋臂電抗器限制;通常出于限制換流閥體積和成本的考慮，模塊電容值較小、放電速度快，導(dǎo)致故障電流直流分量迅速增大。故障電流交流分量為交流電網(wǎng)通過直流側(cè)短路故障點(diǎn)形成等效三相短路故障的饋入電流。換流閥閉鎖能夠快速抑制故障電流，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障清除。

但是，MMC-MTDC換流閥閉鎖后，若不斷開交流斷路器，由于功率模塊參數(shù)的差異性，會(huì)導(dǎo)致電容電壓逐漸發(fā)散，最終因電容電壓超過安全閾值而使整個(gè)MMC-MTDC系統(tǒng)退出運(yùn)行。利用FB-MMC能夠輸出+UC、－UC、0三種電平的特性，提出一種改進(jìn)的換流器直流故障保護(hù)策略。

如圖3所示FB-MMC，由于上下橋臂對(duì)稱性，分別對(duì)上下三相橋臂建立數(shù)學(xué)模型。以上橋臂為例，其數(shù)學(xué)模型為:

三相平衡電網(wǎng)滿足uao+ubo+uco=0。在直流短路故障發(fā)生后，MTDC系統(tǒng)尚未恢復(fù)功率傳輸，因此有iau+ibu+icu=0。對(duì)式(4)求和，有:

只考慮基波分量，在三相電壓平衡的工況下，uoP=0。同理，對(duì)下橋臂可得uoN=0。對(duì)式(4)進(jìn)行Park變換可得:

式中，iud，q、uud，q和eud，q分別為上橋臂電流、橋臂電壓和交流電壓的dq軸分量。

由數(shù)學(xué)模型可知，當(dāng)三相上橋臂獨(dú)立控制時(shí)，可通過控制橋臂參考電壓，使三相上橋臂連接公共點(diǎn)(直流母線正極)與電網(wǎng)電壓中性點(diǎn)等電位;同理，三相下橋臂連接公共點(diǎn)(直流母線負(fù)極)也與電網(wǎng)電壓中性點(diǎn)等電位，從而使得FB-MMC直流側(cè)極間電壓uPN為零。直流極間電壓為零是不使用高壓大容量直流斷路器，利用現(xiàn)有直流隔離開關(guān)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行可靠隔離的前提條件。換流器級(jí)保護(hù)策略控制框圖如圖5所示。

圖5 換流器級(jí)保護(hù)策略控制框圖Fig．5 Control scheme of converter protection strategy

換流器級(jí)保護(hù)策略分為兩個(gè)階段:①M(fèi)TDC發(fā)生直流短路故障后，F(xiàn)B-MMC換流閥立即閉鎖，清除故障電流;②確認(rèn)故障電流清除后，換流閥重新解鎖，上下橋臂獨(dú)立控制運(yùn)行，等待系統(tǒng)級(jí)保護(hù)策略完成故障隔離。在第二階段中，F(xiàn)B-MMC等效為兩個(gè)星型級(jí)聯(lián)H橋STATCOM并聯(lián)運(yùn)行。在故障電流清除、故障點(diǎn)隔離以及系統(tǒng)恢復(fù)期間，換流器均處于受控狀態(tài)，避免了閉鎖狀態(tài)下的模塊電容電壓超過安全閾值的問題，提高了系統(tǒng)安全性和可靠性。

3.3 系統(tǒng)級(jí)保護(hù)策略

基于FB-MMC拓?fù)涞闹绷鞴收锨宄芰?，在換流器級(jí)保護(hù)策略基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)MTDC系統(tǒng)級(jí)保護(hù)策略。

在高壓大容量直流斷路器尚不成熟的情況下，本文的重點(diǎn)為通過換流器合理控制，利用現(xiàn)有的隔離開關(guān)進(jìn)行故障隔離，同時(shí)完成多端系統(tǒng)的快速恢復(fù);對(duì)故障檢測(cè)和定位不做深入研究。文獻(xiàn)［12］將現(xiàn)有VSC-MTDC“握手原則”引入FB-MMC多端柔性直流輸電系統(tǒng)，一旦MTDC檢測(cè)到直流短路故障，所有FB-MMC立即閉鎖，潛在故障線路隔離開關(guān)跳開;在確認(rèn)故障電流衰減至零后，全部健全隔離開關(guān)閉合，F(xiàn)B-MMC解鎖運(yùn)行。該方法存在的問題是:①故障隔離后，要求剩余健全線路能滿足功率傳輸?shù)男枨螅@在不具備冗余直流線路的MTDC系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn);②發(fā)生永久性直流故障時(shí)，很難在文中所述的10ms內(nèi)完成故障清除，而長時(shí)間的閉鎖仍將導(dǎo)致交流斷路器跳閘和系統(tǒng)停運(yùn)。

針對(duì)上述問題，在本文提出的換流器級(jí)保護(hù)策略的基礎(chǔ)上，提出“換流閥短時(shí)閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行”控制策略。該策略可分為以下四個(gè)步驟。

(1)故障電流清除。MTDC發(fā)生直流短路故障后，F(xiàn)B-MMC換流閥立即閉鎖，清除故障電流。

(2)等效雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行。故障電流清除后，F(xiàn)B-MMC在短時(shí)間內(nèi)重新解鎖，控制模式由式(3)所示MMC運(yùn)行轉(zhuǎn)換為式(6)所示雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行。

(3)故障隔離。直流線路所置隔離開關(guān)對(duì)故障點(diǎn)(故障線路)進(jìn)行隔離。

(4)系統(tǒng)恢復(fù)。健全部分MTDC中換流器由雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為MMC運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行在N-1模式。

系統(tǒng)級(jí)保護(hù)策略控制流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)級(jí)保護(hù)策略Fig．6 Control scheme of system protection strategy

在永久性直流短路故障情況下，換流閥閉鎖能在很短時(shí)間內(nèi)完成故障電流清除;而由于FB-MMC重新解鎖后以雙STATCOM并聯(lián)的方式運(yùn)行，能夠長時(shí)間保證直流側(cè)極間電壓和直流電流為零，為故障清除和隔離提供了有利條件。

故障隔離后重新恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行，MTDC需要運(yùn)行于N-1狀態(tài)。采用直流電壓下垂控制，通過測(cè)量本地直流母線電壓對(duì)功率分配進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而不依賴于換流站間的高速通信，可靠性較高。當(dāng)故障發(fā)生并完成故障線路隔離后，系統(tǒng)剩余部分通過調(diào)整各個(gè)換流站功率分配和直流電壓參考值，仍能維持直流網(wǎng)絡(luò)電壓相對(duì)穩(wěn)定。

4 仿真分析

4.1 仿真模型及參數(shù)

為了驗(yàn)證本文提出的直流故障保護(hù)策略的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了三端柔性直流輸電系統(tǒng)模型并進(jìn)行了仿真分析。仿真模型參數(shù)如表1所示，電纜參數(shù)如表2所示。

表1 仿真模型參數(shù)Tab．1 Parameters of simulationmodel

表2 電纜參數(shù)Tab．2 Parameters of cable

圖7 直流故障仿真結(jié)果Fig．7 Simulation results of DC fault

4.2 直流短路故障仿真

對(duì)故障危害最為嚴(yán)重的永久性直流雙極短路故障進(jìn)行仿真驗(yàn)證。MTDC系統(tǒng)運(yùn)行至0.3s時(shí)刻，線路L3距離換流站3直流端30km處發(fā)生短路故障。故障前MTDC系統(tǒng)正常工作于功率傳輸狀態(tài)，其中換流站2和換流站3分別向交流電網(wǎng)饋入300MW和500MW有功功率，換流站1從交流電網(wǎng)吸收有功功率維持功率平衡。

正常運(yùn)行狀態(tài)下，換流站級(jí)控制采用式(3)所示MMC控制策略，系統(tǒng)級(jí)控制采用直流電壓下垂控制。

故障狀態(tài)下，換流站級(jí)控制采用圖5所示“換流閥短時(shí)閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行”控制策略，系統(tǒng)級(jí)控制采用圖6所示保護(hù)策略。

換流站1和換流站2的仿真結(jié)果如圖7所示。在此仿真條件下，故障前換流站1和換流站2分別向交流電網(wǎng)吸收250MW有功功率。故障發(fā)生后，線路L3利用隔離開關(guān)進(jìn)行故障隔離，換流站3退出運(yùn)行，MTDC系統(tǒng)運(yùn)行于N-1模式;此時(shí)換流站1向交流電網(wǎng)發(fā)出250MW有功功率，換流站2向交流電網(wǎng)吸收250MW有功功率。對(duì)比換流站直流母線電壓可以看出，在直流電壓下垂控制策略作用下，故障發(fā)生前后系統(tǒng)直流母線電壓由679kV上升為727kV。因此，從系統(tǒng)層面分析，該故障控制策略能夠滿足MTDC系統(tǒng)故障穿越、快速恢復(fù)以及故障隔離后的N-1運(yùn)行。

分析圖7可以看到，故障發(fā)生后，換流站1和換流站2的直流母線電壓迅速跌落為零，直流電流在極短時(shí)間內(nèi)(仿真測(cè)量約為600μs)急劇增大，峰值分別為6.617kA和6.587kA。相對(duì)應(yīng)的橋臂電流隨之增大，超過2kA的閉鎖保護(hù)閾值后，換流閥迅速閉鎖。

換流站閉鎖后，直流電流和換流器橋臂電流迅速衰減為零?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)過一定延時(shí)，確認(rèn)故障電流可靠清除后，換流閥重解鎖。在閉鎖期間內(nèi)，模塊電容在驅(qū)動(dòng)電路等負(fù)載損耗作用下，電壓逐漸降低并開始發(fā)散。換流閥重解鎖后，模塊電容電壓重新均衡并維持穩(wěn)定于額定值1600V。在重解鎖瞬間，由于模塊電容電壓差異性，產(chǎn)生一定沖擊電流，但其幅值在開關(guān)器件安全閾值以內(nèi)。

系統(tǒng)重解鎖后，換流站為雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行模式，橋臂電流和模塊電壓處于可控狀態(tài);同時(shí)保持直流母線電壓為零，直流電流為零，為短路故障清除和故障隔離提供條件。在0.5s時(shí)刻，完成隔離開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)故障隔離。系統(tǒng)延時(shí)0.1s恢復(fù)運(yùn)行?？梢钥吹?，換流站1出現(xiàn)功率反轉(zhuǎn)，其直流電流方向也與故障前相反。模塊電容電壓由額定值1600V上升至1660V附近波動(dòng)。

綜合上述仿真結(jié)果，本文提出的多端直流輸電系統(tǒng)直流故障保護(hù)策略，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能:①故障電流快速清除;②系統(tǒng)交流斷路器不跳閘，換流器處于可控狀態(tài);③避免長時(shí)閉鎖造成的電容電壓發(fā)散問題;④系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)并運(yùn)行于N-1狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文以FB-MMC-MTDC系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先分析FB-MMC的數(shù)學(xué)模型，然后分別從換流器級(jí)和系統(tǒng)級(jí)層面對(duì)MTDC系統(tǒng)直流故障策略進(jìn)行改進(jìn)，提出一種“換流閥短時(shí)閉鎖+重解鎖雙STATCOM并聯(lián)運(yùn)行”控制策略。為保證系統(tǒng)快速恢復(fù)和N－1運(yùn)行的可靠性，采用直流電壓下垂控制。PSCAD仿真分析表明，本文提出的故障保護(hù)策略是有效可靠的，可以實(shí)現(xiàn)MTDC系統(tǒng)在直流短路故障下的安全運(yùn)行以及快速恢復(fù)。

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