直流斷線故障下海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)特性

黃阮明，遲永寧，汪軍，張夢瑤，郭明星，李琰，姚駿

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，上海市 200120；2. 新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學(xué)研究院有限公司)，北京市 100192；3. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))，重慶市400044)

0 引 言

近年來，海上風電因其資源充沛、節(jié)約土地、可利用率高等優(yōu)勢，已成為風力發(fā)電領(lǐng)域重要的發(fā)展方向之一[1-4]。目前，海上風電場主要采用高壓交流與柔性直流兩種并網(wǎng)方式，受海底電纜電容效應(yīng)的影響，采用交流并網(wǎng)的方式無法滿足遠距離輸電的需要[5-7]，而基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術(shù)具有輸電距離遠、有功無功獨立調(diào)節(jié)以及送受端解耦等特點[8-11]，更適用于大規(guī)模海上風電場遠距離并網(wǎng)。傳統(tǒng)的電壓源型換流器拓撲結(jié)構(gòu)主要分為兩電平和三電平，自從模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)新型拓撲結(jié)構(gòu)被首次提出以來，MMC便因無需同時導(dǎo)通、諧波含量小、開關(guān)頻率低等諸多優(yōu)點[12-14]，迅速成為海上風電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)工程的首選拓撲結(jié)構(gòu)。

海上風電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)送出系統(tǒng)大多采用海底電纜輸送電能的方式，在輸電線路遠距離傳輸電能的過程中，海底電纜不可避免地會發(fā)生各種類型故障。目前直流故障主要分為雙極短路、單極接地以及直流斷線故障[15]。由于海底電纜大多直接敷設(shè)或放置在環(huán)境復(fù)雜多變的海底，海底電纜發(fā)生故障的大部分原因是由各種外力作用破壞導(dǎo)致，其中一類主要是由于機械原因造成，如海上作業(yè)平臺移位、船舶隨意拋錨起錨等；另一種主要是海底電纜受自然環(huán)境的影響，如海水的腐蝕作用、海底海浪的不斷沖擊以及海床的不規(guī)律運動等，上述現(xiàn)象都有可能導(dǎo)致海底電纜斷線情況的發(fā)生[16-17]。同時直流斷線故障作為一種永久類型故障，對直流斷線故障下海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)特性的研究，有助于深入理解故障期間直流線路與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備過壓過流產(chǎn)生機理及其發(fā)展形態(tài)，從而為系統(tǒng)制定相應(yīng)的保護控制方案奠定理論基礎(chǔ)。

針對直流故障下海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特性，文獻[18-19]基于兩端模塊化多電平換流器型高壓直流輸電(modular multilevel converter-high voltage direct current，MMC-HVDC)系統(tǒng)，僅通過仿真研究了直流單極接地、斷線以及雙極短路故障下系統(tǒng)電壓電流的故障響應(yīng)特性，但對其電壓電流特性缺乏必要的數(shù)學(xué)公式解析。文獻[20]研究了直流斷線故障下雙端MMC-HVDC系統(tǒng)短路電流產(chǎn)生機理，并推導(dǎo)了非故障極短路電流表達式，接著進一步分析了短路電流對系統(tǒng)繼電保護的影響。文獻[21]基于四端柔性直流電網(wǎng)，分析了斷線故障下系統(tǒng)直流側(cè)過電壓以及非故障線路過電流產(chǎn)生機理，并提出了一種改進的電流控制器模型，從而抑制線路過電流，加快系統(tǒng)恢復(fù)速率。文獻[22]設(shè)計了基于電壓裕度控制的三端柔性直流輸電系統(tǒng)直流電壓控制策略，當斷線故障造成其中一個換流站功率傳輸中斷后，其余的換流站能自動切換控制目標保證系統(tǒng)正常運行。文獻[23]針對直流斷線故障下海上風電經(jīng)雙極性柔性直流并網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種基于閉鎖換流站與斷開直流開關(guān)相互配合的控制保護策略，可以有效抑制直流母線過電壓，但其未針對故障期間換流站交直流側(cè)電壓的暫態(tài)特性作詳細分析。現(xiàn)有文獻多集中于直流斷線故障下兩端以及多端柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)短路電流特性分析以及采用相應(yīng)的控制策略抑制直流母線暫態(tài)過電壓的問題。然而上述文獻未考慮接地阻抗參數(shù)對斷線故障下系統(tǒng)直流側(cè)短路電流的影響，且對于換流站的暫態(tài)電壓特性，現(xiàn)有文獻均未深入分析故障期間換流站交流閥側(cè)以及直流母線正負極電壓的演變趨勢，因此有必要對此作進一步深入研究。

在此背景下，本文對直流斷線故障下海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)電壓、電流特性進行深入分析。首先，分析直流母線正極斷線故障下非故障極短路電流產(chǎn)生機理，并推導(dǎo)該短路電流計算公式，同時分析接地電阻參數(shù)對其短路電流特性的影響，為換流站接地阻抗的選型提供理論參考。其次，研究故障期間風電場側(cè)與電網(wǎng)側(cè)換流站交流閥側(cè)與直流母線正負極的暫態(tài)電壓演變特性。上述特性分析可為直流斷線故障下系統(tǒng)的保護策略設(shè)計提供理論依據(jù)。最后，基于PSCAD/EMTDC仿真平臺驗證理論分析與參數(shù)選擇的正確性。

1 海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，兩端換流站均采用MMC型換流器，同時海上風電場采用永磁同步發(fā)電機組(permanent magnetic synchronous generator, PMSG)。風電場側(cè)換流站(wind farm side modular multilevel converter, WFMMC)采用定交流電壓控制為風電場集電系統(tǒng)提供幅值與頻率恒定的母線電壓；而電網(wǎng)側(cè)換流站(grid side modular multilevel converter, GSMMC)則采用定直流電壓與定無功功率控制，一方面維持直流母線正負極電壓恒定，另一方面為岸上交流電網(wǎng)提供一定的無功支撐。其中，MMC換流站數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖1 海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of offshore wind power sending system via flexible HVDC transmission system

圖2 MMC換流站的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of an MMC station

換流站具有三相6個橋臂，每相由上下2個橋臂組成，一個橋臂包含N個子模塊，且子模塊均采用半橋型拓撲結(jié)構(gòu)，其由2個具有反并聯(lián)二極管的IGBT和1個并聯(lián)電容組成。通過最近電平調(diào)制(nearest level modulation，NLM)與子模塊電容電壓均壓的方式生成合適的觸發(fā)脈沖作用于各橋臂上的IGBT模塊，從而使MMC交流閥側(cè)輸出合適的參考電壓波形。

圖中：uk(k= a,b,c)為MMC交流側(cè)電網(wǎng)電壓；vk為MMC交流閥側(cè)電壓；ek為MMC內(nèi)部電動勢；uuk、ulk分別為MMC上、下橋臂輸出電壓；iuk、ilk分別為MMC上、下橋臂輸出電流；ik為MMC交流側(cè)電流；Idc為直流側(cè)電流；Udc為直流母線電壓；L為進線電感；Csm為子模塊電容；Larm為橋臂電感；Rarm為橋臂等效電阻；Lg為接地電抗；Rg為接地電阻。

2 直流斷線故障下短路電流產(chǎn)生機理

以直流母線正極發(fā)生斷線故障為例，如圖3所示，故障發(fā)生后系統(tǒng)有功功率傳輸通道被切斷，海上風電場輸出功率Pw將無法被有效送至岸上電網(wǎng)，多余的風電能量將流入WFMMC。由于WFMMC采用定交流電壓控制方式，其上下橋臂子模塊電容將持續(xù)吸收風能使其電壓不斷升高，若不采取有效措施，WFMMC直流側(cè)電壓可能超過最大安全電壓裕度，導(dǎo)致直流母線與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備承受過電壓，嚴重影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。由于進線電感的續(xù)流作用，GSMMC輸出電流從故障前初始值逐漸衰減到0需要一定的時間，此階段過程中因GSMMC無法得到有效的功率補充，其直流側(cè)電壓會出現(xiàn)小幅跌落，待輸出電流降為0后，GSMMC直流側(cè)電壓開始在定直流電壓控制器的作用下逐漸恢復(fù)至正常運行狀態(tài)。由于故障期間WFMMC下橋臂輸出電壓大于GSMMC下橋臂輸出電壓，導(dǎo)致子模塊電容經(jīng)接地極與直流負極線路形成回路放電，系統(tǒng)放電通路如圖3紅色虛線所示。

圖3 直流斷線故障下系統(tǒng)放電通路Fig.3 Discharge path under DC line breakage fault

3 直流斷線故障下系統(tǒng)暫態(tài)電壓電流特性分析

3.1 直流母線非故障極短路電流特性分析

設(shè)直流正極斷線故障發(fā)生時刻為t1，忽略線路阻抗與橋臂等效電阻上的有功損耗，根據(jù)能量守恒定理有：

(1)

式中：usm0為子模塊電容電壓初始值；usm(t)為t時刻子模塊電容電壓；Pw(t)為故障期間風電場輸出有功功率。

由式(1)解得usm(t)為：

(2)

則t時刻WFMMC直流側(cè)電壓為：

(3)

式中：Udc_w為WFMMC直流側(cè)電壓；Udc0為直流母線初始電壓。

由式(3)可知，風電場輸出的有功功率越大，則WFMMC直流側(cè)電壓上升地越快。

故障期間GSMMC直流側(cè)電壓Udc_g在定直流電壓控制器的作用下保持不變，即：

Udc_g=Udc0

(4)

根據(jù)圖3中短路電流放電路徑，由基爾霍夫電壓電流定律可知：

(5)

Ifa+Ifb+Ifc=If

(6)

式中：ulk_w(k= a,b,c)為WFMMC下橋臂輸出電壓；ulk_g為GSMMC下橋臂輸出電壓；Ifk為k相短路電流；If為總的短路電流。

式(5)中WFMMC與GSMMC下橋臂電壓差為：

(7)

同時有：

(8)

式中：ek_w(k=a, b, c)為WFMMC內(nèi)部電動勢；ek_g為GSMMC內(nèi)部電動勢。

將式(5)中的3個等式相加，并結(jié)合式(6)—(8)，簡化得：

(9)

則穩(wěn)態(tài)故障電流Ifs為：

(10)

斷線故障發(fā)生后，直流負極電流從初始值立即跳變?yōu)?，即

If(t1+)=0

(11)

根據(jù)式(9)—(11)求得故障電流If的表達式為：

(12)

(13)

由式(12)可知，故障期間WFMMC直流側(cè)電壓越高，則故障電流越大；且WFMMC直流側(cè)電壓與接地阻抗對于故障電流發(fā)展形態(tài)有著直接影響，通過適當增大Rg，可有效降低故障電流的峰值大小；且增大Lg可有效減緩故障電流上升速率。

考慮接地電阻上的有功損耗，則t時刻WFMMC直流側(cè)電壓可進一步表示為：

(14)

3.2 MMC換流站交直流側(cè)暫態(tài)電壓特性分析

結(jié)合式(10)，根據(jù)圖3可知，WFMMC交流側(cè)接地電阻Rg上的電壓Uo_w為：

(15)

由于換流站上下橋臂以及直流母線正負極電壓對稱，使得WFMMC直流側(cè)正負極電壓均產(chǎn)生了一個大小為Uo_w的正直流偏置分量。

結(jié)合式(15)，則WFMMC直流側(cè)正負極電壓可表示為：

(16)

式中：Udcp_w為WFMMC直流側(cè)正極電壓；Udcn_w為WFMMC直流側(cè)負極電壓。

根據(jù)式(16)，與故障前WFMMC直流正負極初始電壓相比，有：

(17)

由式(17)可知，故障期間WFMMC直流側(cè)正負極電壓絕對值均逐漸增大，且正極電壓比負極電壓增長的更快。

因故障期間直流母線負極處于連接狀態(tài)，故GSMMC直流側(cè)正負極電壓可表示為：

(18)

式中：Udcp_g為GSMMC直流側(cè)正極電壓；Udcn_g為GSMMC直流側(cè)負極電壓。

根據(jù)式(18)，與故障前GSMMC直流正負極初始電壓相比，有：

(19)

由式(19)可知，故障期間GSMMC直流側(cè)正負極電壓增量相同且均為負。且直流側(cè)正極電壓絕對值逐漸減小，而負極電壓絕對值逐漸增大。

由文獻[24]可知，MMC交流閥側(cè)電壓分別為：

(20)

式中：vk_w與vk_g分別為WFMMC與GSMMC交流閥側(cè)電壓；ik_w與ik_g分別為WFMMC與GSMMC交流側(cè)電流。

結(jié)合式(4)、式(16)與式(20)得到故障期間兩端MMC交流閥側(cè)電壓分別為：

(21)

由式(21)可知，WFMMC交流閥側(cè)電壓存在一個逐漸增大的正直流偏置分量，而GSMMC交流閥側(cè)存在一個逐漸增大的負直流偏置分量，且兩直流偏置分量絕對值相等。

4 仿真驗證

為了驗證上文直流斷線故障下?lián)Q流站交直流側(cè)暫態(tài)電壓、電流特性分析的正確性，本文在PSCAD/EMTDC平臺上搭建了海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型，設(shè)t= 2.00 s時直流母線正極發(fā)生斷線故障，針對系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特性僅分為故障前與故障持續(xù)期間兩個階段。階段1：故障前系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行階段，風電場工作在額定運行狀態(tài)，仿真時間為1.85～2.00 s。階段2：直流斷線故障持續(xù)階段，仿真時間為2.00～2.25 s，此時系統(tǒng)直流母線正極發(fā)生斷線故障，故障期間不考慮MMC換流站閉鎖以及避雷器等保護裝置動作。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

表1 海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters of offshore wind power sending system via flexible HVDC transmission system

4.1 直流斷線故障下系統(tǒng)的暫態(tài)電壓電流特性

圖4為直流斷線故障下系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特性曲線。由圖4(a)、(b)可知，t= 2.00 s時直流母線正極發(fā)生斷線故障，直流正極電流Idcp立即驟降到0，線路功率傳輸通道中斷，多余的風能將持續(xù)流入WFMMC使其直流側(cè)電壓Udcw不斷升高，嚴重威脅WFMMC安全穩(wěn)定運行；而GSMMC直流側(cè)電壓Udcg經(jīng)小幅跌落后在定直流電壓控制器的作用下恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。由于故障期間WFMMC與GSMMC下橋臂子模塊電容電壓的不同，從而在直流母線負極上產(chǎn)生了隨Udcw增大而不斷增大的故障電流Idcn，驗證了式(12)的正確性。根據(jù)圖4(c)、(d)可知，故障期間WFMMC直流側(cè)正負極電壓絕對值均不斷增加，且正極電壓比負極電壓增長的更快，進而驗證了式(16)的正確性；同時GSMMC直流側(cè)負極電壓與WFMMC直流側(cè)負極電壓發(fā)展形態(tài)一致，為保持GSMMC直流側(cè)電壓不變，GSMMC直流側(cè)正極電壓絕對值逐漸減小，且GSMMC直流側(cè)正負極電壓絕對值增量一致，因此驗證了式(19)的正確性。

圖4 直流斷線故障下系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特性Fig.4 Transient response characteristics of the system under DC line breakage fault

由圖4(e)—(i)可知，直流斷線故障發(fā)生后，風電場與電網(wǎng)側(cè)交流電壓幾乎不受影響，因此風電場側(cè)輸出有功功率與其交流電流仍保持不變；由于直流線路上有功傳輸通道被切斷，GSMMC向岸上電網(wǎng)輸出的有功功率與其交流側(cè)電流逐漸下降至0。由圖4(j)、(k)可知，WFMMC交流閥側(cè)電壓存在一個逐漸增大的正直流偏置分量，而GSMMC交流閥側(cè)存在一個逐漸增大的負直流偏置分量，且兩直流偏置分量的絕對值相同，進而驗證了式(21)的正確性。

綜上所述，斷線故障發(fā)生后，故障期間WFMMC直流側(cè)電壓因持續(xù)吸收風能而不斷增大，而GSMMC直流側(cè)電壓保持不變；此外，兩端換流站交流閥側(cè)電壓均產(chǎn)生了逐漸增大的直流偏置分量，威脅換流站內(nèi)部電力電子設(shè)備的絕緣性能與穩(wěn)定運行能力。

4.2 不同接地阻抗參數(shù)下短路電流特性

為了進一步驗證不同接地阻抗參數(shù)對直流正極斷線下非故障極短路電流If特性的影響，考慮了3組不同的接地阻抗參數(shù)：1)Rg=2 000 Ω，Lg=4 H；2)Rg=1 000 Ω，Lg=4 H；3)Rg=2 000 Ω，Lg=2 H。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同接地阻抗參數(shù)下短路電流特性Fig.5 Characteristics of short-circuit current under different ground-impedance

由圖5可知，接地電阻Rg決定了短路電流的大小，Rg越大，If越??；而接地電抗Lg主要影響短路電流If的上升速率，Lg越大，則If上升速率越慢，但Lg不會影響If的峰值。仿真結(jié)果驗證了3.1節(jié)中接地阻抗參數(shù)影響短路電流特性分析的正確性，因此采用較大的接地阻抗可有效抑制短路電流發(fā)展，從而降低其對系統(tǒng)穩(wěn)定運行性能的影響。

5 結(jié) 論

本文針對直流斷線故障下海上風電經(jīng)柔性直流送出系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特性展開深入研究，得出如下結(jié)論：

1)直流母線發(fā)生斷線故障后，系統(tǒng)有功功率傳輸中斷，WFMMC因持續(xù)吸收多余的風電能量導(dǎo)致其直流側(cè)電壓不斷上升，而GSMMC直流側(cè)電壓能在定直流電壓控制器的作用下保持恒定。由于故障期間兩端MMC下橋臂輸出電壓的差異性，產(chǎn)生了流經(jīng)直流母線非故障極與接地阻抗的短路電流，通過適當增大接地電阻與電抗可有效抑制短路電流，從而降低其對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行性能的影響。

2)故障期間WFMMC直流側(cè)正負極電壓絕對值均逐漸增大，且正極電壓比負極電壓增長的更快；同時GSMMC直流側(cè)正極電壓絕對值逐漸減小，而GSMMC直流側(cè)負極電壓絕對值逐漸增大。此外，WFMMC交流閥側(cè)電壓存在一個逐漸增大的正直流偏置分量；而GSMMC交流閥側(cè)存在一個逐漸增大的負直流偏置分量，且正負直流偏置分量的絕對值相等。

仿真結(jié)果驗證了上述理論分析的正確性。本文的研究工作可為大規(guī)模海上風電經(jīng)柔性直流系統(tǒng)并網(wǎng)工程的保護方案設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。