和敬涵 ,黃威博 ,李海英 ,羅國敏 ,王光江 ,許 寅
(1.北京交通大學 電氣工程學院,北京 100044;2.南瑞繼保有限公司,江蘇 南京 211102)
模塊化多電平換流器(MMC)是電壓源換流器(VSC)的一種拓撲結構,具有諸多優(yōu)點:模塊化設計、可拓展性好、單個器件開關頻率低、諧波性能好等[1-3]。其是目前電壓源換流站拓撲的主要技術方案。
隨著柔性直流輸電技術的發(fā)展,模塊化多電平換流器型直流輸電(MMC-HVDC)技術受到越來越多的關注。目前實際MMC工程中基本上都是采用半橋型模塊化多電平換流器(HBMMC)。在直流側發(fā)生短路故障時,交流電源將通過子模塊中的續(xù)流二極管向短路點饋入電流,換流器無法通過閉鎖來切斷故障電流,故使系統的安全穩(wěn)定運行受到嚴重危害[4-5]。一方面,由于高壓大功率的直流斷路器仍然處于研究開發(fā)階段,其工程應用還不成熟[6],所以采用直流斷路器的方法暫時還無法解決直流側故障電流問題;另一方面,實際工程中通過斷開交流斷路器來實現直流側故障的隔離和清除,但該方法動作速度慢,系統恢復時間長[7],面對系統內部的故障,尤其是瞬時故障,清除故障的代價比較大。然而,隨著交直流混聯電網的高速發(fā)展和應用需求越來越多,直流系統故障的快速清除就變得非常必要。因此,結合交流斷路器實現故障清除的HBMMC限制了MMC在遠距離輸電和多端直流領域的發(fā)展[8-9]。
直流故障保護策略對MMC的可靠運行有重要作用,研究具有直流故障穿越能力的MMC拓撲結構具有重要的應用價值。文獻[10]提出了一種采用雙向晶閘管旁路式子模塊的瞬時性故障保護方法,其成本低、無額外損耗,但需與交流斷路器保護配合,具有局限性。而在快速切除故障電流方面,全橋型模塊化多電平換流器(FBMMC)[11]具有相當大的優(yōu)勢,這種拓撲通過將子模塊電容引入橋臂,利用電容電壓來關斷續(xù)流二極管。由于電力電子器件的開關速度非???,從而能夠在極短時間內切除故障電流,無需斷開交流斷路器。由于其具有直流故障閉鎖能力,能夠在發(fā)生瞬時性故障后實現系統的快速重啟,恢復供電,因此其在故障率相對較高的遠距離架空線輸電場合具有相當大的應用價值,經濟效益好。文獻[12]提出了適用于全橋型模塊化多電平換流器型多端柔性直流輸電(FBMMC-MTDC)的直流故障選線“握手原則”及衡量直流故障穿越能力指標,但缺乏對FBMMC直流故障機理的分析和理論推導。文獻[13]針對實際工程中功率模塊具有恒功率負載特性,換流站閉鎖期間功率模塊電容電壓會逐漸發(fā)散并最終導致交流斷路器跳閘的問題,提出一種全橋型模塊化多電平換流器型直流輸電(FBMMC-HVDC)的故障穿越控制保護策略,但未細化直流故障閉鎖保護原理。
FBMMC在直流側故障時能夠有效控制交直流兩側的能量交換,具有較好的故障電流阻斷能力。為了深入分析其直流故障閉鎖保護原理,細化直流故障穿越機理,研究故障清除及恢復策略。本文首先從全橋子模塊(FBSM)導通模式角度出發(fā),介紹了FBMMC的充電機理,然后重點分析了FBMMC的故障機理和閉鎖前后的故障等效電路,最后總結并驗證了本文所提故障清除控制策略的有效性。
圖1為典型的MMC拓撲結構:換流器共有6個橋臂,每個橋臂由1個電抗器L0和N個子模塊(SM)串聯組成,每相上、下橋臂合在一起為一個相單元,MMC由3個完全相同的相單元構成。圖中,O點為零電位參考點;Udc為直流側電壓;idcp、idcn為直流側電流;ua、ub、uc和 ia、ib、ic分別為外部交流系統三相交流電壓和電流;ipa、ipb、ipc和 ina、inb、inc分別為上、下橋臂三相電流;upa、upb、upc和 una、unb、unc分別為上、下橋臂除橋臂電抗器之外的三相電壓。
圖1 MMC拓撲結構Fig.1 Topological structure of MMC
當MMC正常運行時,每個相單元中處于投入狀態(tài)的子模塊數在任意時刻都相等且保持投入子模塊總數不變,可通過對每相上、下橋臂中處于投入狀態(tài)的子模塊數進行分配來實現換流器交流側輸出多電平電壓波形的目的。橋臂電抗器L0不但能抑制相間環(huán)流,降低橋臂電流諧波畸變率,還能在發(fā)生故障時抑制故障電流,保護設備。
目前工程中MMC通常都采用半橋子模塊(HBSM),其拓撲結構如圖2所示:由2個IGBT、2個反并聯二極管以及1個直流電容器組成。正常工作時VT1、VT2交替導通。根據子模塊內VT1、VT2的開關狀態(tài)和電流流通方向,可將子模塊分為全電壓、零電壓和閉鎖3種運行狀態(tài)。
圖2 HBSM結構Fig.2 Structure of HBSM
FBMMC與HBMMC的拓撲結構相同,唯一不同之處在于子模塊的結構。FBMMC具有穿越直流故障的能力,在直流故障隔離方面具有HBMMC不具備的突出優(yōu)點。FBSM拓撲結構如圖3所示:由4個IGBT和4個反并聯二極管組成。圖中,C0為子模塊電容;UC為電容電壓值;USM為FBSM輸出電壓值。
圖3 FBSM結構及其輸出電壓Fig.3 Structure of FBSM and its output voltage
定義FBMMC的橋臂電流正方向為流入子模塊正端口的方向,反之則為負方向。VT1、VT4導通時,USM=UC;VT2、VT3導通時,USM=-UC;VT1、VT3或 VT2、VT4導通時,USM=0。
與HBSM相同,FBSM的運行狀態(tài)也可分為閉鎖、投入和切除3種狀態(tài)。根據以上運行機理,將FBSM的3種工作狀態(tài)分為2種工作模式,并以此作為 IGBT的輪換導通方法[11]:PLUS模式,子模塊交替輸出UC和0;MINUS模式,子模塊交替輸出-UC和0。在PLUS模式下,子模塊的3種狀態(tài)分別如下。
a.閉鎖狀態(tài):VT1—VT4全部關斷,電流經 VD1、VD4給電容充電,或者電容經VD2、VD3反極性接入電路。
b.投入狀態(tài):VT1、VT4導通,VT2、VT3關斷,電流經VD1、VD4給電容充電,或者經 VT1、VT4放電。
c.切除狀態(tài):VT1、VT3導通,VT2、VT4關斷,電流經VD1、VT3或 VD3、VT1將子模塊旁路。
穩(wěn)態(tài)運行時,子模塊工作在投入或切除狀態(tài);而在MMC不控啟動充電階段和系統出現故障情況下,子模塊則工作在閉鎖狀態(tài)。2種情況下電流通路分別如圖4和圖5所示。
圖4 穩(wěn)態(tài)時電流通路Fig.4 Current path under steady-state operation
圖5 閉鎖時電流通路Fig.5 Current path when blocking
FBMMC可以方便地繼承和移植HBMMC已經相對成熟的控制或調制策略。當全橋子模塊只輸出2 種電平(1、0)或(-1、0),開關動作時,子模塊電平變化的方向是唯一的,與半橋子模塊類似。此時,全橋子模塊投入和切除的控制策略與半橋相同,僅IGBT選通信號不同。圖6為FBMMC工作在調制比小于1情況下的運行特性。圖中,K1為a相上橋臂第一個子模塊輸出狀態(tài);Ksp為a相上橋臂所有子模塊輸出狀態(tài)之和;Ksn為a相下橋臂所有子模塊輸出狀態(tài)之和??梢?,當變壓器閥側交流電壓峰值小于直流電壓的一半時,子模塊只輸出2種電平(1、0),不會出現負投入的情況。
圖6 FBMMC直流電壓及子模塊個數(調制比小于1)Fig.6 FBMMC DC voltage and number of submodule(modulation ratio less than 1)
由于FBSM與HBSM相比,多了負電平輸出功能,故可以通過調制作用在保證其直流電壓恒定的前提下,輸出交流相電壓峰值略高于單極直流電壓,可有效降低輸入換流器的電流,進而降低換流器的運行損耗。此時,FBSM可輸出3種電平(1、0、-1),采用的投入和切除的控制策略與半橋不同。圖7為FBMMC工作在調制比大于1情況下的運行特性??梢?,當變壓器閥側交流電壓峰值大于直流電壓的一半時,子模塊輸出 3 種電平(1、0、-1),存在負投入的情況。
圖7 FBMMC直流電壓及子模塊個數(調制比大于1)Fig.7 FBMMC DC voltage and number of submodule(modulation ratio more than 1)
與交流輸電系統相比,直流輸電系統的阻尼往往比較低,響應時間常數也比較小,因此故障發(fā)展會更快,故障的切除難度更大[14-15]。直流故障是直流輸電系統中最嚴重的故障之一,不僅會對直流系統造成影響,還會影響交流系統,嚴重危害電力系統安全穩(wěn)定運行[16-17]。在直流系統故障中,主要有單極接地故障和雙極短路故障。當發(fā)生單極接地故障時,理論上只是改變了直流系統電位參考點的位置,非故障極電壓幅值上升一倍,正負極直流電壓保持不變,兩端系統可正常輸送功率。相比于單極接地故障,雙極短路故障則嚴重得多,因此本文以雙極短路故障為例進行故障機理分析。
與HBSM相比,FBSM在直流故障清除方面具有相當大的優(yōu)勢。直流側發(fā)生故障時,需要迅速閉鎖所有子模塊的IGBT,而此時電流在子模塊中的流通路徑是衡量MMC直流故障清除能力的關鍵。FBSM在閉鎖時的電流通路如圖5所示。
在故障初期,子模塊還來不及閉鎖,該階段內故障電流主要由子模塊電容放電和交流電源饋流組成,其中子模塊電容放電占主導。故障初期子模塊按照正常調制模式進行投切,任一時刻上下2個橋臂總共投入N個子模塊。根據子模塊電容電壓平衡控制策略可知,其間所有子模塊均會投入或切除,因此每相所有子模塊可近似等分為并聯的2個小組,每組N個子模塊依次交替放電。綜上,極間短路故障可以等效成如圖8所示的一個RLC二階振蕩放電回路。
圖8 FBMMC閉鎖前等效電路Fig.8 Equivalent circuit of FBMMC before locking
在t0時刻發(fā)生短路故障,等值電容電壓uC0滿足微分方程:
其初始狀態(tài)滿足:。其中 If0為電容放電電流初始電流值。
FBMMC直流短路故障放電電流if0和電容電壓uC0的解析式如下:
其中,τ0=4L/(2R+Rf)為放電回路等效電路的時間常數;為放電回路的諧振角頻率;θ0=為電流初始相角。
故障初期子模塊電容電壓快速下降,直流線路故障電流快速上升,由此也對子模塊的快速閉鎖提出了更高要求。當直流保護檢測到直流故障的發(fā)生后,為了保護換流器,系統立即發(fā)出閉鎖信號,關斷所有IGBT觸發(fā)信號,閉鎖換流器內所有子模塊,進入子模塊閉鎖后階段。
閉鎖后,每個橋臂可等效為二極管和級聯帶電電容串聯的結構。若忽略阻抗,此時故障等效電路如圖9所示,簡化電路如圖10所示。
圖9 FBMMC閉鎖后等效電路Fig.9 Equivalent circuit of FBMMC after locking
圖10 FBMMC閉鎖后簡化電路Fig.10 Simplified circuit of FBMMC after locking
可以看出,在閉鎖后,交流系統向直流側短路點饋流的潛在通路主要是由經換流器兩相上下橋臂和直流故障弧道構成的回路。在通路中,橋臂級聯電容電壓將會提供一個反電勢,利用二極管的反向阻斷能力,迫使故障電流迅速下降到0或者一個極小值。而要實現換流器的完全閉鎖,還應保證回路中級聯電容電壓提供的反電勢大于交流線電壓幅值,從而利用二極管的反向阻斷能力實現完全閉鎖,即:
在不考慮子模塊冗余的情況下,一般有橋臂級聯電容額定電壓之和等于直流電壓,即:
一般地,電壓調制比k的取值在0.8~0.9之間,且:
由式(8)、(9)可得:
由此可見,式(7)恒成立,完全可以保證換流器實現完全閉鎖。
當直流側發(fā)生故障時,FBMMC能發(fā)揮其自身的直流故障電流閉鎖能力,無需跳開交流斷路器就可以有效處理直流側故障,并實現換流器的快速重啟。故障后換流器控制策略如圖11所示。圖中,IDC為直流電流;Imax為直流電流限值;UDC為直流電壓;Uref為直流電壓目標值;ε為直流電壓波動限值;Nul為子模塊IGBT解鎖次數;λ為解鎖次數限值。
圖11 直流故障時的控制策略Fig.11 Control strategy for DC fault
由圖11的故障控制策略可以看出,直流故障下系統的動作響應特性大致可分為以下5個狀態(tài)。
a.正常運行狀態(tài)。系統未檢測到直流故障,保護邏輯單元不動作,換流器仍保持原有狀態(tài)運行,系統正常傳輸功率。
b.閉鎖過程。系統未檢測到直流故障,保護邏輯單元動作,向換流器發(fā)出閉鎖指令,控制器迅速關斷所有IGBT的觸發(fā)脈沖。故障電流僅通過二極管向儲能電容充電并迅速減小,加快直流網絡能量的釋放。交流電源由于交流線電壓幅值小于電容電壓反電勢不能饋流。當故障電流降低到0后,由于電容電壓和二極管反向阻斷能力使得換流器進入完全閉鎖狀態(tài)。
c.線路去游離。換流器進入閉鎖狀態(tài)后,保持此狀態(tài)運行一段時間(通常為200~500 ms),使得故障線路完全去能和充分去游離,確保閃絡弧道消失,使絕緣性能恢復到原有水平。
d.解鎖與系統恢復。線路充分去游離后,判斷解鎖次數 Nul,若Nul<λ,則解鎖子模塊 IGBT,嘗試建立系統直流電壓;若Nul≥λ,則判定故障為永久性故障,進入過程e。在解鎖后,若直流電壓能夠恢復,則故障為暫時性故障且已被切除,線路已具備重新輸電的條件,重新逐漸恢復功率傳輸,進入正常運行狀態(tài);若無法恢復直流電壓,則意味著故障弧道可能仍然存在,IGBT解鎖失敗,此時將重復過程b—e。
e.隔離與重啟。通過解鎖IGBT進行系統恢復失敗的情況,認為發(fā)生永久性故障,此時系統停機。根據故障定位信息,斷開故障線路兩端的隔離開關,經過檢修后重啟。
由此可見,FBMMC能夠通過自身子模塊的閉鎖能力,實現直流側故障的快速隔離和自清除而不需要交流斷路器的動作,保證系統的快速恢復。
為驗證FBMMC抑制直流故障電流、實現故障自清除的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建雙端21電平FBMMC模型,如圖12所示。整流側采用定有功功率和定無功功率控制,逆變側采用定直流電壓和定無功功率控制[18-19]。系統控制策略采用同步旋轉坐標系下的雙閉環(huán)矢量電流控制,調制策略采用最近電平逼近調制。仿真參數如下:額定功率為1000MW,交流系統電壓為220kV,變壓器變比為220kV/391kV,直流母線電壓為±320 kV,橋臂子模塊個數為20,子模塊電容為1300 μF,橋臂電感為60 mH,采樣頻率為10 kHz,直流電纜長度為10.7 km。
圖12 仿真模型Fig.12 Simulation model
1.2 s前,系統處于子模塊充電階段,子模塊電壓波形如圖13所示。系統穩(wěn)定后,設定在1.8 s時FBMMC系統發(fā)生雙極短路故障,考慮故障識別等因素,設定換流器閉鎖時間為故障后0.5 ms,即換流器在1.8005 s時閉鎖。對比FBMMC無閉鎖和有閉鎖2種情況,直流故障仿真結果如圖14所示。
圖13 子模塊電容電壓Fig.13 Capacitor voltage of submodule
圖14 雙端FBMMC-HVDC系統直流故障仿真結果Fig.14 DC fault simulative results of double-terminal FBMMC-HVDC system
圖14(a)、(c)、(e)、(g)表明,FBMMC-HVDC 系統發(fā)生直流故障后,如果不采取任何保護措施,子模塊電容將會放電,各子模塊電容電壓(UC)迅速降為0,交流電流(is)、直流電流(idc)、橋臂電流(ip、in)將迅速增加,將直接危害電力電子器件安全并影響故障清除后的系統恢復。而圖14(b)、(d)、(f)、(h)則表明,故障后迅速閉鎖換流器,由于電容電壓給二極管一個反向電壓,在二極管反向阻斷能力作用下三相交流電流以及直流側電流、橋臂電流迅速降為0,交流系統不再向直流故障點饋入電流,同時子模塊電容電壓得以保持,便于故障清除后系統的快速恢復。
假設故障持續(xù)時間為0.2 s,2 s時故障消失,換流器解鎖,系統恢復運行。仿真結果如圖15、16所示。可以看出,在控制系統的作用下,系統起初正常運行,隨著故障的發(fā)生,直流電壓開始下降,換流器閉鎖后,直流電壓降為0,有功傳輸終止。圖14(d)也表明,只要閉鎖及時,子模塊電容電壓略有降落,隨后將維持在額定電壓附近,保持不變。隨著故障消失,換流器解鎖,子模塊電容經過短暫充電后電壓基本維持穩(wěn)定,直流母線和有功功率迅速增大,經短時振蕩后恢復到穩(wěn)定狀態(tài),重新恢復直流定壓和有功傳輸,系統恢復正常運行。
圖15 整流側直流母線電壓Fig.15 DC bus voltage of rectifier-side
圖16 逆變側有功功率Fig.16 Active power of inverter-side
由仿真結果可知,FBSM在直流側發(fā)生雙極短路故障后,能夠通過閉鎖換流器來切斷故障電流,具有較好的直流故障穿越能力。
本文針對常規(guī)HBMMC子模塊無直流故障閉鎖能力的問題,選取了具有直流故障穿越能力的FBSM。首先分析了其導通充電機理,然后對其清除直流故障電流的機理和控制策略進行了分析,最后在直流側雙極短路故障下,對其切斷直流故障電流的能力進行了建模仿真分析。結果表明FBMMC具有閉鎖直流故障的能力,在無需交流斷路器動作的情況下能快速切斷故障電流,具有HBSM所不具備的突出優(yōu)勢,非常適用于采用架空線遠距離的柔性直流輸電場合。
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