適用于兩電平電壓源型換流器的直流故障清除輔助拓?fù)?/h1>
2018-04-16 09:41:09藍(lán)童琨李銀紅段獻(xiàn)忠陳朝暉
電力系統(tǒng)自動化 2018年7期
藍(lán)童琨, 李銀紅, 段獻(xiàn)忠, 羅 強(qiáng), 陳朝暉
(1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)), 湖北省武漢市 430074;2. 電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))， 湖北省武漢市 430074；3. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 湖北省武漢市 430074;4. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 廣東省廣州市 510623)
0 引言
兩電平電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)是應(yīng)用時(shí)間最長、技術(shù)最成熟的一類VSC[1-2],具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、控制難度低、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。相比于其他類型VSC,其在35 kV及以下輸電場合具有更高的成本效率比[3-4],被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)等領(lǐng)域[5-7]。
與其他類型VSC一樣,兩電平VSC同樣不具備直流雙極短路故障自清除能力。雙極短路故障情況下,控制系統(tǒng)迅速閉鎖換流站,交流側(cè)仍可通過橋臂反并聯(lián)二極管向故障點(diǎn)注入短路電流[8],故障持續(xù)存在。目前,實(shí)際工程中通常采用跳開交流斷路器的方法將雙極短路故障清除。但是,交流斷路器開斷速度較慢,最快也需2至3個(gè)工頻周期[9-10],給電網(wǎng)設(shè)備安全帶來了不可忽視的影響。
直流斷路器可在數(shù)毫秒內(nèi)將雙極短路故障清除,是一種有效的解決方案。文獻(xiàn)[11]提出了一種混合型直流斷路器,其通過分?jǐn)嗫焖匍_關(guān)使電流轉(zhuǎn)移至主開關(guān),從而實(shí)現(xiàn)故障清除,但快速開關(guān)的分?jǐn)啻嬖谳^大電弧,分?jǐn)嗄芰κ芟?。文獻(xiàn)[12]使用基于全控型電力電子器件的輔助開關(guān)配合快速開關(guān)進(jìn)行分?jǐn)?提升了分?jǐn)嗄芰?但成本較高。文獻(xiàn)[13]提出了基于晶閘管的無弧直流斷路器,通過輔助電源的反向電流作用,實(shí)現(xiàn)了快速開關(guān)無弧分?jǐn)?進(jìn)一步提升了分?jǐn)嗄芰?并降低了成本。
改進(jìn)VSC拓?fù)涫蛊渚邆渲绷鞴收锨宄芰κ橇硗庖环N有效的解決方案,也受到了學(xué)術(shù)界與工程界的廣泛關(guān)注。目前,相關(guān)研究主要集中在模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的改進(jìn)[14-16],很少有關(guān)于兩電平VSC改進(jìn)的研究。
本文提出了適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)?。采用所提輔助拓?fù)涞闹绷鞴收锨宄桨?具有清除速度快、故障電流小、電壓變化率低等優(yōu)點(diǎn)。最后,所提輔助拓?fù)涞恼_性與有效性在PSCAD/EMTDC中得到了驗(yàn)證。
1 兩電平VSC典型拓?fù)浼爸绷鱾?cè)典型故障
兩電平VSC拓?fù)淙鐖D1所示,由絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、反并聯(lián)二極管D、直流電容C、平波電抗器Ls構(gòu)成。接地方式為直流側(cè)分裂電容中點(diǎn)高阻Z接地,是一種常用的接地方式[17-18]。該種接地方式的兩電平VSC在不同類型直流故障下的故障清除方式存在明顯差異。
在單極接地故障F1下,零電位點(diǎn)由接地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到故障點(diǎn),直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生0.5Udc的直流偏置,換流站耐壓能力有限,控制保護(hù)系統(tǒng)閉鎖換流站。換流站閉鎖后,交流側(cè)無法與直流側(cè)故障點(diǎn)形成放電回路,故障被清除[19]。
在雙極短路故障F2下,直流電壓大幅下跌,橋臂電流增大。IGBT過電流耐受能力有限,控制保護(hù)系統(tǒng)在數(shù)毫秒內(nèi)閉鎖換流站。換流站閉鎖后,交流側(cè)仍可通過橋臂反并聯(lián)二極管向故障點(diǎn)注入短路電流,需要借助外部斷路器才能將故障清除[8]。
綜上所述,該種接地方式的兩電平VSC無法實(shí)現(xiàn)直流雙極短路故障清除,本文將基于此展開拓?fù)涓倪M(jìn)研究。
圖1 兩電平VSC拓?fù)銯ig.1 Topology of two-level VSC
2 直流雙極短路故障暫態(tài)特性分析
直流雙極短路故障發(fā)生后,直流電壓大幅下跌,橋臂電流與直流電容電流上升,為了保護(hù)換流站,控制保護(hù)系統(tǒng)在數(shù)毫秒內(nèi)閉鎖。閉鎖前故障電流在換流站耐受范圍之內(nèi),遠(yuǎn)小于閉鎖后的故障電流,因此,下文將忽略閉鎖前過程,對閉鎖后的故障暫態(tài)特性展開分析。
換流站閉鎖后可等效為三相不控整流橋,如圖2所示。其中,Rl和Ll分別為直流線路等值電阻與電感。線路對地電容遠(yuǎn)小于直流電容C,在此忽略不計(jì)。
直流電容是影響故障暫態(tài)過程的關(guān)鍵因素,基于此,根據(jù)直流電容的放電、充電特性,將故障暫態(tài)過程分為如下3個(gè)階段:直流電容放充電階段、二極管同時(shí)導(dǎo)通與電感續(xù)流階段、穩(wěn)態(tài)不控整流階段[20]。
2.1 階段1:直流電容放充電階段
該階段中,暫態(tài)特性體現(xiàn)在:直流電容放電、充電;交流側(cè)通過不控整流向故障點(diǎn)注入短路電流。電流回路如圖2(a)所示,其中iC為直流電容電流,is為交流側(cè)注入電流。電流回路的復(fù)頻域方程為:
(1)
(2)
圖2 各階段電流回路Fig.2 Current loop of each stage
式中:L=2Ls+2Ll;R=2Rl;UC(s)和IC(s)分別為直流電容電壓和電流的復(fù)頻域表達(dá)式;U0為直流電容初始電壓;I0為線路電感初始電流。
聯(lián)立式(1)和式(2)可得:
(3)
(4)
式中:
由于直流電容呈欠阻尼放電特性,當(dāng)uC=0時(shí),交流側(cè)不再由不控整流向故障點(diǎn)注入短路電流,階段1過程結(jié)束。
2.2 階段2:二極管同時(shí)導(dǎo)通與電感續(xù)流階段
階段1中直流電容呈欠阻尼放電特性,當(dāng)uC=0時(shí),進(jìn)入階段2。階段2中,平波電抗器Ls、線路電感Ll的正向電動勢使橋臂二極管D1至D6全部導(dǎo)通,直流電容C被旁路。電流回路如圖2(b)所示,交流側(cè)相當(dāng)于三相短路,不再由不控整流向故障點(diǎn)注入短路電流;直流電流idc流經(jīng)各相橋臂,不再流經(jīng)直流電容。相應(yīng)的電流表達(dá)式為:
(5)
(6)
式中:iac為交流電流;E為交流電源電壓;Lt為換流變壓器等效電感;idc為直流線路電流;Idc0為階段2直流初始電流。
橋臂電流由交流側(cè)注入電流iac與直流電流idc構(gòu)成,表達(dá)式如式(7)所示(二極管導(dǎo)通方向?yàn)檎较?。
(7)
式中:iup和idown分別為上、下橋臂電流。
由式(6)可知,idc隨時(shí)間衰減,式(7)將出現(xiàn)iup或idown為零的情況,則二極管D1至D6同時(shí)導(dǎo)通的條件不再成立,暫態(tài)過程返回階段1。階段1直流電容繼續(xù)充放電,當(dāng)滿足uC=0時(shí)又進(jìn)入階段2。綜上所述,階段1與階段2將在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)反復(fù)交替。
2.3 階段3:穩(wěn)態(tài)不控整流階段
經(jīng)過階段1與階段2的反復(fù)交替后,直流電容電壓uC維持穩(wěn)定,進(jìn)入階段3。階段3中,交流系統(tǒng)通過三相不控整流橋向故障點(diǎn)持續(xù)注入短路電流,電流回路如圖2(c)所示。穩(wěn)態(tài)直流電容電壓UC與穩(wěn)態(tài)直流線路電流Idc表達(dá)式如下[21]:
(8)
(9)
3 適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案
3.1 設(shè)計(jì)思路
由故障暫態(tài)特性分析可知,兩電平VSC直流雙極短路故障存在如下問題:階段1與階段2反復(fù)交替,暫態(tài)過程長且短路電流大;階段3中交流側(cè)經(jīng)橋臂反并聯(lián)二極管向故障點(diǎn)持續(xù)注入短路電流,故障無法清除。結(jié)合上述問題,得出設(shè)計(jì)思路如下。
1)限制短路電流,縮短故障暫態(tài)過程
2)實(shí)現(xiàn)直流雙極短路故障清除
增大短路電阻,達(dá)到了限制短路電流的效果。但是,直流電流依然維持在一定水平,不存在過零點(diǎn),故障難以清除。使用電流諧振的方法,可在直流電流過零時(shí)將故障清除。
3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路,提出了適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)?如圖3所示。所提輔助拓?fù)溥B接于兩電平VSC直流母線,分為3個(gè)部分:限流電路、諧振發(fā)生電路和過零關(guān)斷電路。
圖3 直流故障清除輔助拓?fù)銯ig.3 Assistant topology with DC fault clearing capability
1)限流電路
限流電路由超導(dǎo)故障電流限制器(superconducting fault current limiter,SFCL)構(gòu)成。電阻型SFCL具有超導(dǎo)態(tài)呈零阻性、失超態(tài)呈高阻性的特點(diǎn),在電力領(lǐng)域中已有應(yīng)用,具有廣闊的應(yīng)用前景[22-24]。正常運(yùn)行時(shí),SFCL處于超導(dǎo)態(tài);直流雙極短路故障情況下,短路電流超過SFCL的臨界值,SFCL由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為失超態(tài)。
限流電路的作用為在故障情況下可起到限流、縮短暫態(tài)過程的效果,且不影響正常運(yùn)行性能。
2)諧振發(fā)生電路
諧振發(fā)生電路由兩組反并聯(lián)晶閘管、電容、電感構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí),諧振發(fā)生電路被旁路;直流雙極短路故障發(fā)生后,觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管,投入諧振發(fā)生電路,直流電流諧振并出現(xiàn)過零點(diǎn)。
3)過零關(guān)斷電路
過零關(guān)斷電路由一組反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí),晶閘管導(dǎo)通;直流雙極短路故障下,晶閘管在直流電流諧振過零時(shí)自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障隔離。
3.3 直流故障清除暫態(tài)過程分析
3.3.1整流運(yùn)行模式
整流運(yùn)行模式下,直流雙極短路故障清除過程如圖4所示。圖中:t0為故障發(fā)生時(shí)刻,t1為換流站閉鎖時(shí)刻,t2為諧振發(fā)生電路投入時(shí)刻,t3為故障清除時(shí)刻。
圖4 整流模式直流雙極短路故障清除過程Fig.4 Clearing process of DC pole-to-pole fault under rectifying mode
正常運(yùn)行時(shí),限流電路的SFCL處于超導(dǎo)態(tài),諧振電路被旁路,過零關(guān)斷電路正向?qū)?。直流雙極短路故障發(fā)生后,限流電路的SFCL轉(zhuǎn)換為失超態(tài),進(jìn)行限流;待故障暫態(tài)過程進(jìn)入階段3,觸發(fā)諧振發(fā)生電路的兩組反并聯(lián)晶閘管,投入諧振發(fā)生電路;直流電流出現(xiàn)諧振過零點(diǎn),過零關(guān)斷電路的晶閘管自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障自清除。詳細(xì)的直流雙極短路故障自清除過程如下。
1)故障限流(時(shí)刻t1)
uC(t)=K1ep1t+K2ep2t
(10)
式中:
由于直流電容呈過阻尼放電特性,不再滿足uC=0條件。因此,暫態(tài)過程將由階段1直接進(jìn)入階段3,且故障電流得到限制。
2)諧振發(fā)生電路投入(時(shí)刻t2)
暫態(tài)過程進(jìn)入階段3,觸發(fā)諧振發(fā)生電路的兩組反并聯(lián)晶閘管。直流電流產(chǎn)生諧振,電流回路如圖5所示。
圖5 諧振電流回路Fig.5 Resonance current loop
電流回路復(fù)頻域方程為:
Idc(s)=IC(s)+Is(s)
(11)
(12)
式中:Cb和Lb分別為諧振發(fā)生電路的電容和電感;IC(s)和Is(s)分別為直流電容電流和交流側(cè)注入短路電流的復(fù)頻域表達(dá)式;UC0為直流電容初始電壓;Idc0為直流初始電流。
諧振發(fā)生電路投入后,直流電流諧振過零,即idc=0,可由過零關(guān)斷電路將故障清除。
3)直流電流過零關(guān)斷(時(shí)刻t3)
正常運(yùn)行時(shí),過零關(guān)斷電路的晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通;直流雙極短路故障情況下,諧振發(fā)生電路投入后,當(dāng)idc=0時(shí),晶閘管自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障清除。
3.3.2逆變運(yùn)行模式
換流站處于逆變運(yùn)行模式時(shí),在直流雙極短路故障情況下,直流電流反向。反向出現(xiàn)過零點(diǎn)idc=0時(shí),過零關(guān)斷電路的晶閘管自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障清除。
4 直流故障清除能力驗(yàn)證
4.1 仿真模型
為驗(yàn)證所提輔助拓?fù)涞闹绷鞴收锨宄芰?在PSCAD/EMTDC中對如下3種故障清除方案進(jìn)行了建模。
1)輔助拓?fù)浞桨?兩電平VSC+輔助拓?fù)洹?/p>
2)交流斷路器方案:兩電平VSC+交流斷路器。
3)直流斷路器方案:兩電平VSC+直流斷路器。
上述3個(gè)方案所采用的兩電平VSC參數(shù)與輔助拓?fù)鋮?shù)在附錄A表A1和表A2中給出。交流斷路器方案中交流斷路器跳開時(shí)間取故障發(fā)生后兩個(gè)工頻周期[9-10],即40 ms;直流斷路器方案采用ABB公司所研制的混合型高壓直流斷路器[12],其結(jié)構(gòu)示意圖如附錄A圖A1所示。假設(shè)保護(hù)在故障發(fā)生后1 ms動作[25],該直流斷路器使用快速開關(guān)K與輔助開關(guān),實(shí)現(xiàn)電流全部轉(zhuǎn)移,再由主開關(guān)進(jìn)行分?jǐn)?達(dá)到故障清除的效果。
4.2 仿真分析
本文所提輔助拓?fù)浞桨傅墓收锨宄^程如下:在整流站,t0=4.000 s時(shí)刻發(fā)生故障,t1=4.001 s時(shí)刻閉鎖換流站,直流電流上升,限流電路中SFCL由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為失超態(tài),實(shí)現(xiàn)限流;t2=4.010 s時(shí)刻,投入諧振發(fā)生電路,出現(xiàn)電流過零點(diǎn),由式(8)、式(9)、式(11)、式(12)可求得在t3=17.2 ms出現(xiàn)電流過零點(diǎn);由于晶閘管單向?qū)ㄐ?過零關(guān)斷電路的正向晶閘管在t3=17.2 ms自行關(guān)斷,故障被清除。在逆變站,故障發(fā)生后出現(xiàn)電流反向過零,過零關(guān)斷電路將故障清除。
不同方案仿真波形如附錄B圖B1所示,圖中列出了整流站與逆變站的直流電流idc、直流電壓變化率dudc/dt波形。最大直流電流、故障清除時(shí)間與最大直流電壓變化率在附錄B表B1中給出。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論。
1)在故障直流電流上,當(dāng)故障發(fā)生在距整流站0 km時(shí),輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收想娏鬟h(yuǎn)小于交流斷路器方案與直流斷路器方案。故障發(fā)生在距整流站50 km時(shí),輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收想娏髀源笥谥绷鲾嗦菲鞣桨?。原因?yàn)橹C振電路的投入會使故障電流略有上升,但仍遠(yuǎn)小于0 km故障位置時(shí)其他兩個(gè)方案的故障電流。
2)在故障清除時(shí)間上,輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收锨宄俣冉橛谥绷鲾嗦菲髋c交流斷路器方案之間,略小于理論推導(dǎo)的17.2 ms,原因?yàn)橹C振過程中,交流側(cè)注入的故障電流會有一部分流經(jīng)直流電容,導(dǎo)致直流線路上的交流注入分量減少,比理論分析提前出現(xiàn)直流電流過零點(diǎn)。輔助拓?fù)浞桨改孀冋竟收锨宄俣扰c直流斷路器方案近似,原因?yàn)楣收虾竽孀冋局绷麟娏髁⒓捶聪蜻^零,可實(shí)現(xiàn)故障快速清除。
3)在直流電壓變化率上,交流斷路器方案最小,輔助拓?fù)浞桨复沃?直流斷路器方案最大。原因?yàn)榻涣鲾嗦菲鞣桨竿ㄟ^跳開交流線路將故障清除,而另外兩個(gè)方案為阻斷直流通路,直流電壓突變較大。
4.3 性能對比
在故障清除能力方面,所提輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收锨宄龝r(shí)間遠(yuǎn)低于交流斷路器,逆變站故障清除時(shí)間與直流斷路器近似;故障電流得到有效的限制,尤其是在換流站近端故障情況;直流電壓變化率較小,對設(shè)備沖擊小。此外,晶閘管在電流諧振過零時(shí)自行關(guān)斷,無需使用快速開關(guān),元件數(shù)量少,控制簡單,可靠性強(qiáng)。但是,所提輔助拓?fù)渲?SFCL是故障清除的核心元件,如何解決SFCL無法正常工作的問題是后續(xù)工作需要考慮的方面。
在經(jīng)濟(jì)性上,ABB所研制的直流斷路器使用了造價(jià)較高的IGBT,總體成本較高。本文所提輔助拓?fù)涫褂媚褪苣芰^強(qiáng)且成本較低的晶閘管,元件數(shù)量較少,控制簡單,通態(tài)損耗較低,成本得到了有效控制。
結(jié)合上述性能對比分析,3種方案的特性對比在附錄B表B2中給出。可以得出,綜合考慮故障清除能力、經(jīng)濟(jì)性等方面因素,輔助拓?fù)浞桨甘歉鼮榭尚械墓收锨宄桨浮?/p>
5 結(jié)語
本文針對兩電平VSC不具備直流故障清除能力的特點(diǎn),基于直流雙極短路故障特性,提出適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)?特點(diǎn)如下。
1)具有良好的故障自清除能力,整流站故障清除時(shí)間遠(yuǎn)低于交流斷路器,逆變站故障清除時(shí)間與直流斷路器近似。
2)輔助拓?fù)淇刂撇呗院唵?且不改變兩電平VSC原有控制策略,技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低。結(jié)構(gòu)簡單,使用晶閘管作為關(guān)斷元件,成本得到了有效的控制。
3)使用電阻型SFCL進(jìn)行限流,并通過電流諧振過零實(shí)現(xiàn)故障清除,故障電流低且直流電壓變化率小,有效降低了對元件的沖擊。
SFCL是輔助拓?fù)涞暮诵脑?后續(xù)工作將考慮SFCL無法正常工作的問題。
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
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藍(lán)童琨(1991—),男,碩士研究生,主要研究方向:柔性直流輸電系統(tǒng)保護(hù)與控制。E-mail： lantongkun@foxmail.com
李銀紅(1976—),女,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)整定與校核計(jì)算、直流輸電保護(hù)與控制。E-mail: liyinhong@hust.edu.cn
段獻(xiàn)忠(1966—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電壓穩(wěn)定、柔性交流輸電系統(tǒng)技術(shù)和計(jì)算與信息技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。
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藍(lán)童琨, 李銀紅, 段獻(xiàn)忠, 羅 強(qiáng), 陳朝暉
(1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)), 湖北省武漢市 430074;2. 電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))， 湖北省武漢市 430074；3. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 湖北省武漢市 430074;4. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 廣東省廣州市 510623)
0 引言
兩電平電壓源型換流器(voltage source converter,VSC)是應(yīng)用時(shí)間最長、技術(shù)最成熟的一類VSC[1-2],具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、控制難度低、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。相比于其他類型VSC,其在35 kV及以下輸電場合具有更高的成本效率比[3-4],被廣泛應(yīng)用于風(fēng)電并網(wǎng)等領(lǐng)域[5-7]。
與其他類型VSC一樣,兩電平VSC同樣不具備直流雙極短路故障自清除能力。雙極短路故障情況下,控制系統(tǒng)迅速閉鎖換流站,交流側(cè)仍可通過橋臂反并聯(lián)二極管向故障點(diǎn)注入短路電流[8],故障持續(xù)存在。目前,實(shí)際工程中通常采用跳開交流斷路器的方法將雙極短路故障清除。但是,交流斷路器開斷速度較慢,最快也需2至3個(gè)工頻周期[9-10],給電網(wǎng)設(shè)備安全帶來了不可忽視的影響。
直流斷路器可在數(shù)毫秒內(nèi)將雙極短路故障清除,是一種有效的解決方案。文獻(xiàn)[11]提出了一種混合型直流斷路器,其通過分?jǐn)嗫焖匍_關(guān)使電流轉(zhuǎn)移至主開關(guān),從而實(shí)現(xiàn)故障清除,但快速開關(guān)的分?jǐn)啻嬖谳^大電弧,分?jǐn)嗄芰κ芟?。文獻(xiàn)[12]使用基于全控型電力電子器件的輔助開關(guān)配合快速開關(guān)進(jìn)行分?jǐn)?提升了分?jǐn)嗄芰?但成本較高。文獻(xiàn)[13]提出了基于晶閘管的無弧直流斷路器,通過輔助電源的反向電流作用,實(shí)現(xiàn)了快速開關(guān)無弧分?jǐn)?進(jìn)一步提升了分?jǐn)嗄芰?并降低了成本。
改進(jìn)VSC拓?fù)涫蛊渚邆渲绷鞴收锨宄芰κ橇硗庖环N有效的解決方案,也受到了學(xué)術(shù)界與工程界的廣泛關(guān)注。目前,相關(guān)研究主要集中在模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的改進(jìn)[14-16],很少有關(guān)于兩電平VSC改進(jìn)的研究。
本文提出了適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)?。采用所提輔助拓?fù)涞闹绷鞴收锨宄桨?具有清除速度快、故障電流小、電壓變化率低等優(yōu)點(diǎn)。最后,所提輔助拓?fù)涞恼_性與有效性在PSCAD/EMTDC中得到了驗(yàn)證。
1 兩電平VSC典型拓?fù)浼爸绷鱾?cè)典型故障
兩電平VSC拓?fù)淙鐖D1所示,由絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、反并聯(lián)二極管D、直流電容C、平波電抗器Ls構(gòu)成。接地方式為直流側(cè)分裂電容中點(diǎn)高阻Z接地,是一種常用的接地方式[17-18]。該種接地方式的兩電平VSC在不同類型直流故障下的故障清除方式存在明顯差異。
在單極接地故障F1下,零電位點(diǎn)由接地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到故障點(diǎn),直流輸電系統(tǒng)產(chǎn)生0.5Udc的直流偏置,換流站耐壓能力有限,控制保護(hù)系統(tǒng)閉鎖換流站。換流站閉鎖后,交流側(cè)無法與直流側(cè)故障點(diǎn)形成放電回路,故障被清除[19]。
在雙極短路故障F2下,直流電壓大幅下跌,橋臂電流增大。IGBT過電流耐受能力有限,控制保護(hù)系統(tǒng)在數(shù)毫秒內(nèi)閉鎖換流站。換流站閉鎖后,交流側(cè)仍可通過橋臂反并聯(lián)二極管向故障點(diǎn)注入短路電流,需要借助外部斷路器才能將故障清除[8]。
綜上所述,該種接地方式的兩電平VSC無法實(shí)現(xiàn)直流雙極短路故障清除,本文將基于此展開拓?fù)涓倪M(jìn)研究。
圖1 兩電平VSC拓?fù)銯ig.1 Topology of two-level VSC
2 直流雙極短路故障暫態(tài)特性分析
直流雙極短路故障發(fā)生后,直流電壓大幅下跌,橋臂電流與直流電容電流上升,為了保護(hù)換流站,控制保護(hù)系統(tǒng)在數(shù)毫秒內(nèi)閉鎖。閉鎖前故障電流在換流站耐受范圍之內(nèi),遠(yuǎn)小于閉鎖后的故障電流,因此,下文將忽略閉鎖前過程,對閉鎖后的故障暫態(tài)特性展開分析。
換流站閉鎖后可等效為三相不控整流橋,如圖2所示。其中,Rl和Ll分別為直流線路等值電阻與電感。線路對地電容遠(yuǎn)小于直流電容C,在此忽略不計(jì)。
直流電容是影響故障暫態(tài)過程的關(guān)鍵因素,基于此,根據(jù)直流電容的放電、充電特性,將故障暫態(tài)過程分為如下3個(gè)階段:直流電容放充電階段、二極管同時(shí)導(dǎo)通與電感續(xù)流階段、穩(wěn)態(tài)不控整流階段[20]。
2.1 階段1:直流電容放充電階段
該階段中,暫態(tài)特性體現(xiàn)在:直流電容放電、充電;交流側(cè)通過不控整流向故障點(diǎn)注入短路電流。電流回路如圖2(a)所示,其中iC為直流電容電流,is為交流側(cè)注入電流。電流回路的復(fù)頻域方程為:
(1)
(2)
圖2 各階段電流回路Fig.2 Current loop of each stage
式中:L=2Ls+2Ll;R=2Rl;UC(s)和IC(s)分別為直流電容電壓和電流的復(fù)頻域表達(dá)式;U0為直流電容初始電壓;I0為線路電感初始電流。
聯(lián)立式(1)和式(2)可得:
(3)
(4)
式中:
由于直流電容呈欠阻尼放電特性,當(dāng)uC=0時(shí),交流側(cè)不再由不控整流向故障點(diǎn)注入短路電流,階段1過程結(jié)束。
2.2 階段2:二極管同時(shí)導(dǎo)通與電感續(xù)流階段
階段1中直流電容呈欠阻尼放電特性,當(dāng)uC=0時(shí),進(jìn)入階段2。階段2中,平波電抗器Ls、線路電感Ll的正向電動勢使橋臂二極管D1至D6全部導(dǎo)通,直流電容C被旁路。電流回路如圖2(b)所示,交流側(cè)相當(dāng)于三相短路,不再由不控整流向故障點(diǎn)注入短路電流;直流電流idc流經(jīng)各相橋臂,不再流經(jīng)直流電容。相應(yīng)的電流表達(dá)式為:
(5)
(6)
式中:iac為交流電流;E為交流電源電壓;Lt為換流變壓器等效電感;idc為直流線路電流;Idc0為階段2直流初始電流。
橋臂電流由交流側(cè)注入電流iac與直流電流idc構(gòu)成,表達(dá)式如式(7)所示(二極管導(dǎo)通方向?yàn)檎较?。
(7)
式中:iup和idown分別為上、下橋臂電流。
由式(6)可知,idc隨時(shí)間衰減,式(7)將出現(xiàn)iup或idown為零的情況,則二極管D1至D6同時(shí)導(dǎo)通的條件不再成立,暫態(tài)過程返回階段1。階段1直流電容繼續(xù)充放電,當(dāng)滿足uC=0時(shí)又進(jìn)入階段2。綜上所述,階段1與階段2將在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)反復(fù)交替。
2.3 階段3:穩(wěn)態(tài)不控整流階段
經(jīng)過階段1與階段2的反復(fù)交替后,直流電容電壓uC維持穩(wěn)定,進(jìn)入階段3。階段3中,交流系統(tǒng)通過三相不控整流橋向故障點(diǎn)持續(xù)注入短路電流,電流回路如圖2(c)所示。穩(wěn)態(tài)直流電容電壓UC與穩(wěn)態(tài)直流線路電流Idc表達(dá)式如下[21]:
(8)
(9)
3 適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案
3.1 設(shè)計(jì)思路
由故障暫態(tài)特性分析可知,兩電平VSC直流雙極短路故障存在如下問題:階段1與階段2反復(fù)交替,暫態(tài)過程長且短路電流大;階段3中交流側(cè)經(jīng)橋臂反并聯(lián)二極管向故障點(diǎn)持續(xù)注入短路電流,故障無法清除。結(jié)合上述問題,得出設(shè)計(jì)思路如下。
1)限制短路電流,縮短故障暫態(tài)過程
2)實(shí)現(xiàn)直流雙極短路故障清除
增大短路電阻,達(dá)到了限制短路電流的效果。但是,直流電流依然維持在一定水平,不存在過零點(diǎn),故障難以清除。使用電流諧振的方法,可在直流電流過零時(shí)將故障清除。
3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路,提出了適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)?如圖3所示。所提輔助拓?fù)溥B接于兩電平VSC直流母線,分為3個(gè)部分:限流電路、諧振發(fā)生電路和過零關(guān)斷電路。
圖3 直流故障清除輔助拓?fù)銯ig.3 Assistant topology with DC fault clearing capability
1)限流電路
限流電路由超導(dǎo)故障電流限制器(superconducting fault current limiter,SFCL)構(gòu)成。電阻型SFCL具有超導(dǎo)態(tài)呈零阻性、失超態(tài)呈高阻性的特點(diǎn),在電力領(lǐng)域中已有應(yīng)用,具有廣闊的應(yīng)用前景[22-24]。正常運(yùn)行時(shí),SFCL處于超導(dǎo)態(tài);直流雙極短路故障情況下,短路電流超過SFCL的臨界值,SFCL由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為失超態(tài)。
限流電路的作用為在故障情況下可起到限流、縮短暫態(tài)過程的效果,且不影響正常運(yùn)行性能。
2)諧振發(fā)生電路
諧振發(fā)生電路由兩組反并聯(lián)晶閘管、電容、電感構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí),諧振發(fā)生電路被旁路;直流雙極短路故障發(fā)生后,觸發(fā)反并聯(lián)晶閘管,投入諧振發(fā)生電路,直流電流諧振并出現(xiàn)過零點(diǎn)。
3)過零關(guān)斷電路
過零關(guān)斷電路由一組反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成。正常運(yùn)行時(shí),晶閘管導(dǎo)通;直流雙極短路故障下,晶閘管在直流電流諧振過零時(shí)自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障隔離。
3.3 直流故障清除暫態(tài)過程分析
3.3.1整流運(yùn)行模式
整流運(yùn)行模式下,直流雙極短路故障清除過程如圖4所示。圖中:t0為故障發(fā)生時(shí)刻,t1為換流站閉鎖時(shí)刻,t2為諧振發(fā)生電路投入時(shí)刻,t3為故障清除時(shí)刻。
圖4 整流模式直流雙極短路故障清除過程Fig.4 Clearing process of DC pole-to-pole fault under rectifying mode
正常運(yùn)行時(shí),限流電路的SFCL處于超導(dǎo)態(tài),諧振電路被旁路,過零關(guān)斷電路正向?qū)?。直流雙極短路故障發(fā)生后,限流電路的SFCL轉(zhuǎn)換為失超態(tài),進(jìn)行限流;待故障暫態(tài)過程進(jìn)入階段3,觸發(fā)諧振發(fā)生電路的兩組反并聯(lián)晶閘管,投入諧振發(fā)生電路;直流電流出現(xiàn)諧振過零點(diǎn),過零關(guān)斷電路的晶閘管自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障自清除。詳細(xì)的直流雙極短路故障自清除過程如下。
1)故障限流(時(shí)刻t1)
uC(t)=K1ep1t+K2ep2t
(10)
式中:
由于直流電容呈過阻尼放電特性,不再滿足uC=0條件。因此,暫態(tài)過程將由階段1直接進(jìn)入階段3,且故障電流得到限制。
2)諧振發(fā)生電路投入(時(shí)刻t2)
暫態(tài)過程進(jìn)入階段3,觸發(fā)諧振發(fā)生電路的兩組反并聯(lián)晶閘管。直流電流產(chǎn)生諧振,電流回路如圖5所示。
圖5 諧振電流回路Fig.5 Resonance current loop
電流回路復(fù)頻域方程為:
Idc(s)=IC(s)+Is(s)
(11)
(12)
式中:Cb和Lb分別為諧振發(fā)生電路的電容和電感;IC(s)和Is(s)分別為直流電容電流和交流側(cè)注入短路電流的復(fù)頻域表達(dá)式;UC0為直流電容初始電壓;Idc0為直流初始電流。
諧振發(fā)生電路投入后,直流電流諧振過零,即idc=0,可由過零關(guān)斷電路將故障清除。
3)直流電流過零關(guān)斷(時(shí)刻t3)
正常運(yùn)行時(shí),過零關(guān)斷電路的晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通;直流雙極短路故障情況下,諧振發(fā)生電路投入后,當(dāng)idc=0時(shí),晶閘管自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障清除。
3.3.2逆變運(yùn)行模式
換流站處于逆變運(yùn)行模式時(shí),在直流雙極短路故障情況下,直流電流反向。反向出現(xiàn)過零點(diǎn)idc=0時(shí),過零關(guān)斷電路的晶閘管自行關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)故障清除。
4 直流故障清除能力驗(yàn)證
4.1 仿真模型
為驗(yàn)證所提輔助拓?fù)涞闹绷鞴收锨宄芰?在PSCAD/EMTDC中對如下3種故障清除方案進(jìn)行了建模。
1)輔助拓?fù)浞桨?兩電平VSC+輔助拓?fù)洹?/p>
2)交流斷路器方案:兩電平VSC+交流斷路器。
3)直流斷路器方案:兩電平VSC+直流斷路器。
上述3個(gè)方案所采用的兩電平VSC參數(shù)與輔助拓?fù)鋮?shù)在附錄A表A1和表A2中給出。交流斷路器方案中交流斷路器跳開時(shí)間取故障發(fā)生后兩個(gè)工頻周期[9-10],即40 ms;直流斷路器方案采用ABB公司所研制的混合型高壓直流斷路器[12],其結(jié)構(gòu)示意圖如附錄A圖A1所示。假設(shè)保護(hù)在故障發(fā)生后1 ms動作[25],該直流斷路器使用快速開關(guān)K與輔助開關(guān),實(shí)現(xiàn)電流全部轉(zhuǎn)移,再由主開關(guān)進(jìn)行分?jǐn)?達(dá)到故障清除的效果。
4.2 仿真分析
本文所提輔助拓?fù)浞桨傅墓收锨宄^程如下:在整流站,t0=4.000 s時(shí)刻發(fā)生故障,t1=4.001 s時(shí)刻閉鎖換流站,直流電流上升,限流電路中SFCL由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為失超態(tài),實(shí)現(xiàn)限流;t2=4.010 s時(shí)刻,投入諧振發(fā)生電路,出現(xiàn)電流過零點(diǎn),由式(8)、式(9)、式(11)、式(12)可求得在t3=17.2 ms出現(xiàn)電流過零點(diǎn);由于晶閘管單向?qū)ㄐ?過零關(guān)斷電路的正向晶閘管在t3=17.2 ms自行關(guān)斷,故障被清除。在逆變站,故障發(fā)生后出現(xiàn)電流反向過零,過零關(guān)斷電路將故障清除。
不同方案仿真波形如附錄B圖B1所示,圖中列出了整流站與逆變站的直流電流idc、直流電壓變化率dudc/dt波形。最大直流電流、故障清除時(shí)間與最大直流電壓變化率在附錄B表B1中給出。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出如下結(jié)論。
1)在故障直流電流上,當(dāng)故障發(fā)生在距整流站0 km時(shí),輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收想娏鬟h(yuǎn)小于交流斷路器方案與直流斷路器方案。故障發(fā)生在距整流站50 km時(shí),輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收想娏髀源笥谥绷鲾嗦菲鞣桨?。原因?yàn)橹C振電路的投入會使故障電流略有上升,但仍遠(yuǎn)小于0 km故障位置時(shí)其他兩個(gè)方案的故障電流。
2)在故障清除時(shí)間上,輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收锨宄俣冉橛谥绷鲾嗦菲髋c交流斷路器方案之間,略小于理論推導(dǎo)的17.2 ms,原因?yàn)橹C振過程中,交流側(cè)注入的故障電流會有一部分流經(jīng)直流電容,導(dǎo)致直流線路上的交流注入分量減少,比理論分析提前出現(xiàn)直流電流過零點(diǎn)。輔助拓?fù)浞桨改孀冋竟收锨宄俣扰c直流斷路器方案近似,原因?yàn)楣收虾竽孀冋局绷麟娏髁⒓捶聪蜻^零,可實(shí)現(xiàn)故障快速清除。
3)在直流電壓變化率上,交流斷路器方案最小,輔助拓?fù)浞桨复沃?直流斷路器方案最大。原因?yàn)榻涣鲾嗦菲鞣桨竿ㄟ^跳開交流線路將故障清除,而另外兩個(gè)方案為阻斷直流通路,直流電壓突變較大。
4.3 性能對比
在故障清除能力方面,所提輔助拓?fù)浞桨刚髡竟收锨宄龝r(shí)間遠(yuǎn)低于交流斷路器,逆變站故障清除時(shí)間與直流斷路器近似;故障電流得到有效的限制,尤其是在換流站近端故障情況;直流電壓變化率較小,對設(shè)備沖擊小。此外,晶閘管在電流諧振過零時(shí)自行關(guān)斷,無需使用快速開關(guān),元件數(shù)量少,控制簡單,可靠性強(qiáng)。但是,所提輔助拓?fù)渲?SFCL是故障清除的核心元件,如何解決SFCL無法正常工作的問題是后續(xù)工作需要考慮的方面。
在經(jīng)濟(jì)性上,ABB所研制的直流斷路器使用了造價(jià)較高的IGBT,總體成本較高。本文所提輔助拓?fù)涫褂媚褪苣芰^強(qiáng)且成本較低的晶閘管,元件數(shù)量較少,控制簡單,通態(tài)損耗較低,成本得到了有效控制。
結(jié)合上述性能對比分析,3種方案的特性對比在附錄B表B2中給出。可以得出,綜合考慮故障清除能力、經(jīng)濟(jì)性等方面因素,輔助拓?fù)浞桨甘歉鼮榭尚械墓收锨宄桨浮?/p>
5 結(jié)語
本文針對兩電平VSC不具備直流故障清除能力的特點(diǎn),基于直流雙極短路故障特性,提出適用于兩電平VSC的直流故障清除輔助拓?fù)?特點(diǎn)如下。
1)具有良好的故障自清除能力,整流站故障清除時(shí)間遠(yuǎn)低于交流斷路器,逆變站故障清除時(shí)間與直流斷路器近似。
2)輔助拓?fù)淇刂撇呗院唵?且不改變兩電平VSC原有控制策略,技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度低。結(jié)構(gòu)簡單,使用晶閘管作為關(guān)斷元件,成本得到了有效的控制。
3)使用電阻型SFCL進(jìn)行限流,并通過電流諧振過零實(shí)現(xiàn)故障清除,故障電流低且直流電壓變化率小,有效降低了對元件的沖擊。
SFCL是輔助拓?fù)涞暮诵脑?后續(xù)工作將考慮SFCL無法正常工作的問題。
附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
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