特高壓直流輸電系統(tǒng)DCCT現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用的電流標(biāo)準(zhǔn)源研究

王 琨，熊兆平，李 鵬，張 睿，祁霄鵬

特高壓直流輸電系統(tǒng)DCCT現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用的電流標(biāo)準(zhǔn)源研究

王 琨1，熊兆平2，李 鵬1，張 睿1，祁霄鵬3

（1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730070；2. 國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西南昌 330000；3. 蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

大功率高精度電流標(biāo)準(zhǔn)源是HVDC輸電系統(tǒng)中直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用的關(guān)鍵設(shè)備之一，但目前已商業(yè)化的電源設(shè)備無(wú)法同時(shí)滿足現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用的多重要求，如功率大、精度高、便于攜帶以及可滿電流多量程調(diào)節(jié)等。本文考慮現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用電流標(biāo)準(zhǔn)源工作過(guò)程中負(fù)載不變，只存在供電電壓擾動(dòng)及多量程調(diào)節(jié)需要，研究了一種交錯(cuò)并聯(lián)移相全橋倍流整流電路結(jié)構(gòu)，并基此模型設(shè)計(jì)了小慣性電流跟蹤控制器，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電流標(biāo)準(zhǔn)源輸出精度達(dá)到0.002級(jí)，滿足校驗(yàn)0.5級(jí)、0.02級(jí)以及0.01級(jí)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用的電流標(biāo)準(zhǔn)源精度要求。

高壓直流輸電 直流互感器 現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn) 電流源 小慣性電流

0 引言

高壓直流（High voltage direct current, HVDC）輸電能夠?qū)崿F(xiàn)集中大規(guī)模能源跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離輸送，是進(jìn)一步落實(shí)國(guó)家能源戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)國(guó)家電網(wǎng)總體規(guī)劃目標(biāo)，促進(jìn)區(qū)域間資源優(yōu)化配置的一項(xiàng)重要舉措[1-5]。自2007年12月22日我國(guó)第一個(gè)直流自主化示范工程——±500 kV貴州至廣東二回直流工程建成投運(yùn)以來(lái)，我國(guó)已陸續(xù)建成投運(yùn)的HVDC輸電線路已多達(dá)12條，最高電壓等級(jí)達(dá)到±800 kV。另外，昌吉—古泉±1100千伏特高壓直流輸電工程目前已全線貫通，計(jì)劃今年年底投運(yùn)，該線路屬于目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、輸送距離最遠(yuǎn)、技術(shù)水平最先進(jìn)的特高壓輸電工程[6-7]。

特高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流電流互感器（Direct-current current transformers，DCCT）起著電能計(jì)量、電量監(jiān)測(cè)、控制及保護(hù)等重要作用，是直流輸電系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行中必備的設(shè)備，它對(duì)系統(tǒng)控制保護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行提供準(zhǔn)確可靠的測(cè)量信息，其自身運(yùn)行可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確性直接影響到整個(gè)直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在HVDC輸電系統(tǒng)中各種直流互感器設(shè)備均存在一定的問(wèn)題和隱患，部分換流站的直流互感器多次出現(xiàn)故障，有些故障直接導(dǎo)致了直流系統(tǒng)的單極閉鎖，給電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來(lái)極大的威脅和隱患[8-12]。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，一些性能缺陷可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)或周期校準(zhǔn)提早發(fā)現(xiàn)，某些性能缺陷可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)防和校正[13-15]。然而，由于理論方法研究的缺失和缺乏相關(guān)的專業(yè)設(shè)備裝置支撐，目前還不具備對(duì)DCCT進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的條件。

目前DCCT現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一般只在10%額定電流下對(duì)其變比進(jìn)行粗略考察而無(wú)法發(fā)現(xiàn)滿電流下的性能缺陷，滿電流下對(duì)DCCT進(jìn)行有效的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)目前基本是一片空白，制約其發(fā)展的根本原因之一是便攜式大功率高精度直流電流標(biāo)準(zhǔn)源的缺乏。文獻(xiàn)[16]對(duì)額定電流為4000 A的光電流互感器OTC進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)OTC準(zhǔn)確等級(jí)為0.5級(jí)，分別測(cè)試了在10%、20%、40%、90%、110%額定電流下比例特性，所采用的電流源輸出電流和電壓分別為5000 Ａ、12 Ｖ，紋波系數(shù)≤0.1%，電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%，但該文獻(xiàn)沒(méi)有闡述直流電流標(biāo)準(zhǔn)源的電路結(jié)構(gòu)和電流調(diào)節(jié)方法。文獻(xiàn)[17]研究了一種大電流互感器校驗(yàn)用的直流電源，輸出紋波系數(shù)小于0.5%，可滿足0.5級(jí)直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用，但文中沒(méi)有說(shuō)明該直流電源容量，且未考慮在滿電流多量程調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)自身輸出電流精度的影響。因此，本文研究了一種模塊化的大功率高精度直流電流標(biāo)準(zhǔn)源，滿足特高壓直流輸電DCCT現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的需求。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

特高壓直流輸電系統(tǒng)DCCT現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用的電流標(biāo)準(zhǔn)源主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路主要由三相二極管整流單元、交錯(cuò)并聯(lián)移相全橋倍流單元及電容濾波環(huán)節(jié)等組成。移相全橋倍流整流單元當(dāng)高頻逆變占空比D=0.5時(shí)，輸出電流紋波在理論上可以消除，此時(shí)電流波動(dòng)最小，隨著占空比的遞變，電流波動(dòng)會(huì)增大。

圖1 電流標(biāo)準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)圖

直流電流互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)，為測(cè)試不同額定電流占比下的比例特性需要電流標(biāo)準(zhǔn)源輸出多種比例電流，例如10%、20%、40%、90%、110%額定電流值等。若直流電流標(biāo)準(zhǔn)源中間DC/DC環(huán)節(jié)采用單個(gè)移相全橋倍流整流電路，則電路中需使用大功率的開(kāi)關(guān)管，如IGBT，高頻逆變器容量可能滿足不了現(xiàn)場(chǎng)大電流要求，另外當(dāng)輸出電流大幅度調(diào)節(jié)時(shí)，電流紋波系數(shù)會(huì)迅速增大。此處中間DC/DC環(huán)節(jié)采用交錯(cuò)并聯(lián)移相全橋倍流整流電路，模塊化并聯(lián)數(shù)由電流標(biāo)準(zhǔn)源容量確定，各模塊輸電電流保持恒定，以使工作占空比維持在0.5左右，整個(gè)電流源輸出電流多級(jí)調(diào)整可通過(guò)電力電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)模塊投切實(shí)現(xiàn)。移相全橋高頻逆變和倍流整流電路中功率器件分別選用MOFFET和快速電力二極管。

2 數(shù)學(xué)模型及控制器設(shè)計(jì)

交錯(cuò)并聯(lián)移相全橋倍流整流各單元均采用分布式控制，并參考同一輸出電流參考值，所以此處只需建立單個(gè)移相全橋倍流整流電路的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)即可。文獻(xiàn)[18]中詳細(xì)講述了移相全橋倍流整流電路DC/DC變換單元的建模過(guò)程，其等效模型如圖2所示。

圖2 移相全橋倍流整流電路等效模型

根據(jù)圖2可進(jìn)一步得到以下?tīng)顟B(tài)空間方程：

小慣性電流跟蹤控制方法保持了滯環(huán)電流控制響應(yīng)速度快、魯棒性好等特點(diǎn)，實(shí)際電流能在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)跟蹤上指令電流，而且由于控制周期固定，器件的開(kāi)關(guān)頻率固定[19]。在小慣性電流跟蹤控制中，很小的延遲環(huán)節(jié)可用一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)來(lái)代替，寫(xiě)成微分方程形式：

式中T為延遲時(shí)間。

結(jié)合式（1）與式（2）可得，

從式（3）可以看出，控制律中包含了直流鏈電壓V，運(yùn)行過(guò)程中可以抑制電壓V波動(dòng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出的擾動(dòng)影響，同時(shí)控制律中還包括了主電路參數(shù)及電感電流。

3 仿真分析

利用MATLAB/Simulink軟件建立了直流電流標(biāo)準(zhǔn)源的仿真模型，主電路主要參數(shù)如表1所示。仿真系統(tǒng)共采用6個(gè)移相全橋倍流整流單元交錯(cuò)并聯(lián)，各單元輸出電流參考值為1200 A，系統(tǒng)滿電流輸出可達(dá)到7200A，同時(shí)可輸出6000 A、4800 A、3600 A、2400 A、1200 A。交錯(cuò)并聯(lián)各單元輸出電流維持在參考值1200 A可保證移相全橋高頻逆變占空比在0.5左右，以使輸出電流紋波最小。若要各單元輸出其它大小的電流值，僅小范圍調(diào)整占空比即可。

表1 直流電流標(biāo)準(zhǔn)源主電路主要參數(shù)

圖3給出了直流電流標(biāo)準(zhǔn)源滿電流輸出時(shí)的波形，從中可以看出經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的上升過(guò)程后輸出直流電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值7200 A，并保持至仿真結(jié)束。

圖3 直流電流標(biāo)準(zhǔn)源輸出電流

為了分析輸出直流電流的穩(wěn)定程度，圖4給電流源輸出直流電流的局部波形，即幅值在7199 A至7201 A之間的電流曲線，從中可以看出電流在7199.8與7200.2之間波動(dòng)，其精度達(dá)到2.78e-5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足0.5級(jí)HVDC輸電系統(tǒng)直流電流互感現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用的要求，而對(duì)于0.02級(jí)、0.01級(jí)直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)需求也完全滿足。

圖4 直流電流標(biāo)準(zhǔn)源輸出電流局部波形

圖5給出了直流電流標(biāo)準(zhǔn)源中各移相全橋倍流整流單元輸出的直流電流波形，6個(gè)單元移相全橋調(diào)制過(guò)程中各載波依次相差1/2N電角度，使各路輸出直流電流波動(dòng)錯(cuò)位，由此進(jìn)一步保證了直流電流標(biāo)準(zhǔn)源的高精度輸出。

圖5 各移相全橋倍流整流單元輸出直流電流

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用一種交錯(cuò)并聯(lián)移相全橋倍流整流電路結(jié)構(gòu)，并結(jié)合小慣性電流跟蹤控制方法對(duì)各交錯(cuò)并聯(lián)單元輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，在該電路結(jié)構(gòu)和電流調(diào)節(jié)方法下，得到了滿電流輸出為7200 A，精度可以達(dá)到10-5次數(shù)量級(jí)，滿足校驗(yàn)0.5級(jí)、0.02級(jí)以及0.01級(jí)電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用電流標(biāo)準(zhǔn)源精度要求。另外，電流標(biāo)準(zhǔn)源采用交錯(cuò)并聯(lián)模塊化設(shè)計(jì)，可滿足電流標(biāo)準(zhǔn)源多量程輸出的要求。

[1] 周孝信, 魯宗相, 劉應(yīng)梅等. 中國(guó)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 29: 4999-5008.

[2] 李彬彬, 張書(shū)鑫, 程達(dá)等. 新型混合式高壓直流輸電DC/DC變換器[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018, 42(7): 116-121.

[3] 張杰, 胡媛媛, 劉飛. 高壓直流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(9), 3003-3010.

[4] Kimura, Noriyuki. Offshore wind energy with HVDC transmission: Recent development in Japan[J]. IET Seminar Digest, 2015: 388-391.

[5] 張立奎, 張英敏, 苗淼. 多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略[J]. 現(xiàn)代電力, 2016, 33(1): 1-7.

[6] 電力科學(xué)觀察與寫(xiě)作.細(xì)說(shuō)中國(guó)高壓直流輸電技術(shù)的“開(kāi)掛”歷程. 2017, https://www.sohu. com/a/202049079_100051420.

[7] 束洪春, 田鑫萃, 董俊等. ±800 kV云廣直流輸電線路保護(hù)的仿真及分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2011, (31): 179-188.

[8] 賀春, 吳東, 孫廣濤. 特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 電子工程設(shè)計(jì), 2017(17): 50-53.

[9] 周靜, 馬為民, 蔣維勇等. 特高壓直流工程的可靠性[J]. 高電壓技術(shù), 2010(1): 173-179.

[10] 唐毅, 李振華, 江波等. 基于IEC 61850-9 的電子式互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)系統(tǒng)[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(8): 2353-2359.

[11] 費(fèi)燁, 王曉琪, 羅純堅(jiān)等. ±1000 kV特高壓直流電流互感器選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 高壓電器, 2012(1): 7-12.

[12] 馬為民, 吳方劼, 楊一鳴等. 柔性直流輸電技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(8): 2429-2439.

[13] 胡浩亮, 李前, 盧樹(shù)峰等. 電子式互感器誤差的兩種校驗(yàn)方法對(duì)比[J]. 高電壓技術(shù), 2011(12): 3022-3027.

[14] 易斌, 潘峰, 林國(guó)營(yíng). 電子式互感器校驗(yàn)技術(shù)綜述[J]. 廣東電力, 2016(2): 1-8.

[15] 張志. 電子式電流互感器在線校驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)理論研究[D]. 華中科技大學(xué), 2013.

[16] 李前, 李鶴, 周一飛. ±800 kV直流輸電系統(tǒng)換流站直流電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(12): 3053-3058.

[17] 張冰, 劉飛, 邱進(jìn)等. 一種大電流互感器校驗(yàn)用直流電源, 國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究院. 中國(guó), 200820191033. 9(P), 2008. 9.

[18] Li Yucao. Small signal modeling for phase- shifted PWM converters with a current double rectifier[C]. 2007 IEEE power electronics special- lists conference, 2007.

[19] 荊龍, 汪至中, 于冰. 四象限變流器在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2007, 28(5): 550-553.

Research on Current Standard Source for Calibrating DCCT in UHVDC Transmission System

Wang Kun1，Xiong Zhaoping2，Li Peng1，Zhang Rui1，Qi Xiaopeng3

(1. State Grid Gansu Electric Power Company, Electric Power Research Institute, Lanzhou 730070, Gansu, China; 2. State Grid Jiangxi Electric Power Company Limited, Maintenance Branch, Nanchang 330000, Jiangxi, China; 3. Lanzhou university of Technology, College of Electrical Engineering and information Engineering, Lanzhou 730070, Gansu, China)

TM933.11

A

1003-4862（2019）05-0024-04

2018-10-16

國(guó)家電網(wǎng)公司資助項(xiàng)目（52272216002G）

王琨（1988-），男，助理工程師。研究方向：電能計(jì)量。E-mail: 3546470@qq.com