柔性直流輸電系統(tǒng)孤島運行方式下的故障電流抑制方法

王　慶， 盧　宇, 胡兆慶, 王　柯, 李海英， 劉海彬,3

(1. 武漢大學電氣工程學院， 湖北省武漢市 430072； 2. 南京南瑞繼保電氣有限公司， 江蘇省南京市 211102； 3. 南瑞集團(國網(wǎng)電力科學研究院)有限公司， 江蘇省南京市 211106)

0　引言

柔性直流輸電技術因其靈活的控制調節(jié)能力，近年來受到了國內外學術界和工程界廣泛的關注和研究。截至2016年，中國已經(jīng)建成了上海南匯柔性直流工程、南澳三端柔性直流工程、舟山五端柔性直流工程、廈門對稱雙極柔性直流工程和羅平背靠背柔性直流工程[1-4]。

柔性直流輸電系統(tǒng)無功控制模式包括交流電壓控制和無功功率控制[5-7]，有功控制模式包括有功功率控制、頻率控制及定直流電壓控制[8]。但當柔性直流輸電系統(tǒng)從交直流并列運行轉為孤島或者與較弱系統(tǒng)連接運行時，如果采用上述常規(guī)控制方式，存在控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能差的缺點[9-11]，所以孤島系統(tǒng)的交流側頻率必須依靠柔性直流來維持。柔性直流輸電采用交流電壓和頻率的控制方式，這種控制方式往往是開環(huán)控制方式，在孤島運行方式下發(fā)生交流系統(tǒng)故障時，柔性直流換流站由于過流導致跳閘[12]。可見，有必要研究柔性直流輸電系統(tǒng)在孤島運行方式下的閉環(huán)控制。

目前閉環(huán)控制設計方式分為以下幾種：幅相控制、直接電壓控制、直接電流控制和非線性控制[13]等。幅相控制器是滿足孤島穩(wěn)態(tài)運行的一種控制方式[14]，文獻[15-18]設計了電壓源換流器型高壓直流(VSC-HVDC)向無源網(wǎng)絡供電的直接電壓控制器，但不具備交流故障穿越能力。文獻[19]研究了孤島運行情況下與聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)運行的相互轉換方法，特點是模塊化多電平換流器(MMC)在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)和孤島狀態(tài)間轉換時無需切換控制器，轉換過程中系統(tǒng)的響應特性較為平滑，缺點是MMC聯(lián)網(wǎng)時無法精準控制有功和無功功率，并且由于使用了有功—頻率下垂控制，向無源孤島供電時，網(wǎng)側交流電壓頻率會隨孤島負荷的波動而波動。文獻[20-22]設計了向無源網(wǎng)絡供電的類似有源控制下的雙環(huán)控制器，該控制器設計雖然考慮了較快的電流響應速度及穩(wěn)態(tài)電流控制，適合于穩(wěn)態(tài)運行，但實際存在故障后電壓降低短時間內電流瞬間升高導致過流跳閘的缺點。文獻[23-25]采用在換流站出口處裝配無功補償設備的方法，用于提高故障時交流母線的電壓支撐能力，但缺點是需要增加額外設備。

本文針對無源孤島方式下交流故障導致?lián)Q流器過流跳閘的缺陷，提出一種柔性直流輸電系統(tǒng)在孤島運行方式下的故障電流抑制和啟動控制方法，實現(xiàn)了孤島運行下各類故障的穿越要求及孤島方式下的正常升壓啟動。采用實際舟山工程五端控制保護樣機和RTLAB數(shù)字仿真模型，證實了所述方案的可行性和有效性。

1　柔性直流控制策略

無論是基于兩電平、三電平拓撲結構，還是基于模塊化多電平拓撲結構的柔性直流輸電系統(tǒng)，其基本控制策略都可采用基于直接電流控制的矢量控制方法[26]。矢量控制方法中的內環(huán)電流控制實現(xiàn)了電流的快速控制，能夠保證在聯(lián)網(wǎng)方式下的交流系統(tǒng)故障成功穿越。但當交流電網(wǎng)為無源網(wǎng)絡時,需要直接給定矢量變換的電壓同步相位，由換流器來控制恒定頻率及交流側閥側電壓恒定，在這種控制方式下發(fā)生交流故障易導致過流跳閘[12]。

以舟山五端柔性直流工程為例，舟山群島包含了五個較大的主要海島：舟山島、岱山島、衢山島、嵊礁島、洋山島，其電網(wǎng)是一個典型的海島電網(wǎng)。舟山五端柔性直流輸電工程實現(xiàn)五個海島間交直流輸電互聯(lián)，但洋山島與外界連接薄弱，僅通過110 kV交流線路連接到岱山島，電網(wǎng)結構如附錄A圖A1所示，一旦該線路發(fā)生交流故障，洋山島立即轉為孤島運行[27]。

圖1　交流負荷側變流器L-VSC的相位控制策略Fig.1　Phase control strategy for AC load side converter L-VSC

圖1中的頻率微增量判據(jù)為：

|Δω|>Δ1

(2)

Δω′=f(Δω)

(3)

式中：Δ1和Δ2為微增量判據(jù)門檻值，可據(jù)實際取值；Δω為角頻率變化量；f(Δω)為角速率偏差函數(shù)。

采用以上判據(jù)可以在有源電網(wǎng)運行切換到孤島運行相位突變時，根據(jù)Δω變化大小決定實際輸出。當Δω發(fā)生急劇變化后，該函數(shù)按照一定速率緩降至0，可以保證切換平滑性。圖1中：

ω0=2πf0

(4)

式中：f0為頻率額定值。

在孤島方式下，交流負荷是經(jīng)DC/AC變流器L-VSC并入直流網(wǎng)絡，結構如附錄A圖A2所示。數(shù)學模型的推導過程如下，其在dq坐標系下的電壓方程為[29]：

ucd=ULd-RLiLd+ωLiLq

(5)

ucq=ULq-RLiLq-ωLiLd

(6)

式中：ULd和ULq分別為網(wǎng)側電壓的dq軸分量；ucd和ucq分別為控制輸出電壓的dq軸分量；RL和L分別為等效電阻和電感；iLd和iLq分別為電流實測值的dq軸分量。

2　故障電流抑制策略

圖2　改進控制方案Fig.2　Improved control scheme

(7)

Imax為測量電壓的線性分段組合方程，可以表示為：

(8)

式中：ULd和ULq分別為測量網(wǎng)側交流電壓的dq軸分量；f1和f2為電壓ULd和ULq的線性組合表達式；Uset1和Uset2為根據(jù)實際確定的門檻數(shù)值。

最終控制輸出參考電壓表達式如下[30]：

(9)

(10)

3　閉環(huán)控制仿真驗證

根據(jù)舟山五端柔性直流工程參數(shù)，搭建了基于控制保護樣機的RTLAB實時仿真系統(tǒng)。采用兩臺RTLAB的主機模擬舟山定海、岱山、衢山、洋山、泗礁等五站的交流網(wǎng)絡和直流網(wǎng)絡，包括舟山本島的交流220 kV線路、主要的110 kV線路和直流線路，另外五臺OP7020負責模擬五站的柔性直流換流閥，實現(xiàn)換流閥子模塊微秒級控制。仿真系統(tǒng)如附錄A圖A3所示。

控制保護樣機包括交流站控、直流控制保護、閥控和I/O裝置，其中閥控通過千兆以太網(wǎng)和RTLAB通信，負責下發(fā)子模塊導通個數(shù)和解閉鎖命令，以及換流閥子模塊電壓、故障個數(shù)等信息交互；I/O裝置通過硬接線和RTLAB通信，負責交直流場電壓互感器(TV)、電流互感器(TA)信息采集和開關刀閘的狀態(tài)，以及分合命令等信息交互?？刂票Ｗo閉環(huán)仿真系統(tǒng)如附錄A圖A4所示[6]。利用上述仿真平臺，模擬孤島運行方式下的交流系統(tǒng)故障，對孤島運行方式下采用改進閉環(huán)電流控制環(huán)節(jié)后的控制效果進行仿真驗證。

3.1　孤島閉環(huán)控制下的單相故障

附錄A圖A5中首先給出沒有采用圖2所示改進控制環(huán)節(jié)時的結果。初始條件為：柔性直流側送出有功功率30 MW,發(fā)出無功功率4.5 Mvar，額定容量100 MW。

單相故障下，網(wǎng)側電流A相電流增大，其他兩相 變化不大，電流指令沒有達到限制數(shù)值。由于功率保持正常輸送，直流電壓變化不大，其故障恢復后在直流電壓控制站調節(jié)作用下，有一個直流電壓正常調節(jié)至初始電壓過程，超調最大在0.95%。不采用改進控制環(huán)節(jié)且發(fā)生交流單相故障時，網(wǎng)側電流達到過負荷水平，而采用了改進電流閉環(huán)控制后的故障波形如圖3所示?？梢姡畲箅娏鞅幌拗圃陬~定范圍以內，故障后直流電壓和電流在240 ms后完全恢復初始值，這在工程中能夠接受。

圖3　故障電流抑制控制下的交流單相故障波形Fig.3　Waveforms of AC single phase to earth fault with fault current suppression control

3.2　孤島閉環(huán)控制下的三相故障

在網(wǎng)側觸發(fā)三相金屬性接地短路故障，附錄A圖A6給出了沒有采用圖2所示改進控制環(huán)節(jié)時的結果。采用改進控制環(huán)節(jié)后，同樣故障下的仿真結果如圖4所示。

圖4　改進電流閉環(huán)控制下的交流三相故障波形Fig.4　Waveforms of AC three-phase to earth fault with improved current closed-loop control

對比上述結果，附錄A圖A6在沒有改進電流限制環(huán)節(jié)作用下，網(wǎng)側電流迅速上升至最大值3 497 A，直流電壓升高到450 kV，過流保護動作閉鎖跳閘。圖4同樣條件下，在電流限制控制作用下，孤島運行發(fā)生瞬時故障情況下，網(wǎng)側電流被限制在穩(wěn)態(tài)情況下(0.5(標幺值))，直流側電壓達到最大值407 kV，具備限流故障穿越能力。主要原因在于，采用了基于故障電壓測量的電流限制環(huán)節(jié)，將故障運行下的輸出電流限制到0.5(標幺值)，使得輸出電流被限制在換流器過流保護動作值范圍之內，保證了換流器的持續(xù)運行，等待交流側故障切除后，系統(tǒng)恢復正常運行，從而極大地提高了孤島方式下電網(wǎng)的可靠性。另外直流電壓有所增加屬于正常，這是因為此時功率無法送出，導致直流側電壓上升，但仍在可接受范圍內，不會引起直流過電壓保護動作。

總結圖3、圖4和附錄A圖A5、圖A6結果，將孤島運行下改進故障限流方案后與改進前的運行參數(shù)進行比較。表1所示為相同工況下，采用改進策略前后發(fā)生故障期間關鍵電氣量的對比。

表1　改進前后的關鍵電氣量對比Table 1　Comparison of key electrical values before and after improvement

從以上結果明顯看出，采用改進策略后，提高了換流器孤島運行下的故障穿越能力，減小了穿越期間網(wǎng)側電流及直流側電流，從而減小了沖擊，提高了換流器孤島運行的可靠性。

3.3　孤島閉環(huán)控制下的啟動控制

由圖5可見，啟動時刻雖然加快了上升速率，導致電壓略有超調，但在絕緣允許范圍內，在工程上可以接受，也沒有啟動瞬間高頻引入，啟動過程性能良好。另外，由于換流器在直流側充電期間采用了優(yōu)化的主動充電策略，使得換流閥模塊在正式解鎖之前已經(jīng)充電至額定電壓，因此實際解鎖時的直流電壓波動較小，在0.25%范圍以內，達到較好效果。

4　結語

圖5　改進電流閉環(huán)控制下的啟動波形Fig.5　Starting-up waveforms with improved current closed-loop control

通過分析柔性直流無源孤島控制方式下存在交流故障無法穿越的問題，結合柔性直流換流器輸出電壓控制原理，提出了一種具備故障電流抑制的孤島運行方式下的改進控制方式，以及該方式下的解鎖啟動方案。該方案通過電流閉環(huán)和限制環(huán)節(jié)的引入，以及解鎖啟動過程中不同階段控制策略的調整，彌補了傳統(tǒng)無源孤島運行方式下交流故障導致?lián)Q流器過流跳閘的缺陷，實現(xiàn)起來簡單可靠，并且已在實際工程中得到了應用。

雖然采用該改進限制故障電流的方法可以在孤島運行工況下限制短路電流，但該電流大小與交流系統(tǒng)保護的配合仍有待進一步深入研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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王慶(1980—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：特高壓直流輸電及柔性直流輸電。E-mail： wangke@nrec.com

盧宇(1977—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：特高壓直流輸電及柔性直流輸電。E-mail： Luy@nrec.com

胡兆慶(1976—)，男，通信作者，博士，工程師，主要研究方向：電力電子在電力系統(tǒng)中的應用及柔性直流輸電。E-mail： huzq@nrec.com