斷路器動(dòng)作延時(shí)時(shí)間對(duì)GAMMA-KICK功能影響的仿真分析

方 葦，寧 晗

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司直流運(yùn)檢公司，湖北 宜昌 443000；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司1000千伏荊門特高壓站，湖北 宜昌 443000）

0 引言

通常直流工程功能規(guī)范書要求，投切濾波器或電容器引起的換流母線暫態(tài)電壓波動(dòng)不允許超過1.5%～2%，穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)不超過1%，保證無功設(shè)備投切引起的換相母線電壓變化不能引起換流變分接頭的調(diào)節(jié)動(dòng)作[1-2]。為了抑制交流濾波器投切時(shí)的暫態(tài)電壓波動(dòng)，在直流控制系統(tǒng)中引入快速無功功率控制（GAMMA-KICK），通過與交流濾波器投切實(shí)時(shí)配合，在投入瞬間增大熄弧角，增加換流器無功消耗，即可降低投切時(shí)的暫態(tài)電壓波動(dòng)。

本文依據(jù)GAMMA-KICK原理，分析其對(duì)交流濾波器斷路器配合的要求，并參考實(shí)際系統(tǒng)現(xiàn)行控制策略，基于PSCAD/EMTDC建立典型±500 kV直流輸電系統(tǒng)模型，對(duì)受端換流站所引入的GAM?MA-KICK抑制交流濾波器投切波動(dòng)的效果進(jìn)行仿真研究。

1 GAMMA-KICK原理

當(dāng)換流站無功補(bǔ)償裝置投切時(shí)暫態(tài)電壓變化較大，不能滿足換流母線暫態(tài)電壓變化要求時(shí)，可以采用GAMMA-KICK方法來降低暫態(tài)電壓變化[3-4]。GAMMA-KICK的邏輯如下：

（1）當(dāng)換流站無功控制器檢測(cè)到投入無功補(bǔ)償裝置的要求時(shí)，在發(fā)出投入濾波器合閘信號(hào)后的一定時(shí)間內(nèi)（30～50 ms），將關(guān)斷角γ整定值突然提高，使換流器吸收無功突然增加，以抵消無功補(bǔ)償裝置突然投入的影響。然后在數(shù)秒鐘之內(nèi)，將γ整定值逐漸降低到正常值。

（2）當(dāng)換流站無功控制器檢測(cè)到切除無功補(bǔ)償裝置的要求時(shí)，在數(shù)秒鐘之內(nèi)，將γ逐漸增加，在發(fā)出切除設(shè)備斷路器合閘信號(hào)后一定時(shí)間（30～50 ms）內(nèi)，將γ整定值突然降低到正常值，使換流器吸收無功突然降低，抵消無功補(bǔ)償裝置突然切除的影響[5-7]。

GAMMA-KICK的控制原理示意圖如圖1所示。

2 GAMMA-KICK對(duì)交流濾波器斷路器配合要求

GAMMA-KICK是為了降低換流母線暫態(tài)電壓變化而采取的一種快速改變換流器觸發(fā)角的控制手段，是配合交流濾波器投入與切除的輔助控制手段，只有當(dāng)換流站無功補(bǔ)償裝置的投切，不能滿足換流母線暫態(tài)電壓變化小于2%的要求時(shí)，才會(huì)考慮該無功控制方式[8-10]。

我國(guó)直流工程的交流濾波器通常為500 kV[11]，本文以LW10B-550/4000-63型SF6斷路器為例，分析典型500 kV交流濾波器接入換流母線電壓情況，該斷路器主要參數(shù)如表1所示。該斷路器每極為單柱雙斷口結(jié)構(gòu)，每個(gè)斷口上并聯(lián)均壓電容器，根據(jù)需要可帶合閘電阻或不帶電阻[12]。每臺(tái)斷路器由3個(gè)獨(dú)立的單極組成，單極主要由滅弧組件、支柱、液壓彈簧機(jī)構(gòu)及密度繼電器等組成。其操作機(jī)構(gòu)采用ABB公司生產(chǎn)的HMB-8.3型彈簧貯能液壓操作機(jī)構(gòu)。每極均為獨(dú)立的液壓系統(tǒng)?？煞謽O操作，實(shí)現(xiàn)單極自動(dòng)重合閘，通過電氣聯(lián)動(dòng)也可完成三極聯(lián)動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)三極自動(dòng)重合閘[13]。

表1 LW10B-550/4000-63型SF6斷路器主要參數(shù)

由表1可見，該SF6斷路器的分閘時(shí)間約為20 ms，合閘時(shí)間為62 ms，從而使全開斷時(shí)間小于40 ms。

由圖1可知，一旦直流控制系統(tǒng)發(fā)出濾波器合閘信號(hào)，SF6斷路器將在62 ms后投入換流母線，而GAMMA-KICK通?？稍谛盘?hào)發(fā)出后的30～50 ms就已將觸發(fā)角由正常值突然增大。因此，兩者存在12～32 ms的時(shí)間差，如果時(shí)間配合不合適，換流器吸收的無功功率會(huì)更加高于濾波器的總發(fā)出無功功率，將導(dǎo)致?lián)Q流母線電壓更低。為了避免開關(guān)操作與GAMMA-KICK功能啟動(dòng)配合不好造成濾波器合閘前換流母線電壓短時(shí)過低，GAMMA-KICK宜在濾波器合閘信號(hào)發(fā)出后的60 ms左右再突然增大觸發(fā)角。

同理，一旦直流控制系統(tǒng)發(fā)出濾波器切除信號(hào)，SF6斷路器將在20 ms后分閘，濾波器切出換流母線，而GAMMA-KICK則延遲至信號(hào)發(fā)出后的30～50 ms才會(huì)將過大的觸發(fā)角快速降低到正常值。因此在10～30 ms內(nèi)，換流器吸收的無功功率會(huì)高于濾波器的總發(fā)出無功功率，導(dǎo)致?lián)Q流母線的電壓降低[14-16]。

由此可見，為了避免濾波器切除前換流母線電壓短時(shí)過低，快速無功功率控制宜在濾波器切除信號(hào)發(fā)出后的20 ms左右快速將過大的觸發(fā)角降低到正常值。

3 GAMMA-KICK仿真研究

參考三常直流輸電系統(tǒng)，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上建立典型雙橋12脈動(dòng)HVDC輸電系統(tǒng)，其中以受端換流站為研究對(duì)象，建立GAMMA-KICK模型。

3.1 GAMMA-KICK功能仿真

對(duì)以下4種控制類型進(jìn)行仿真對(duì)比。

（1）無GAMMA-KICK：受端換流站投入1組190 Mvar濾波器，之后切除該組濾波器。整個(gè)濾波器的投切過程均不考慮GAMMA-KICK。

（2）GAMMA-KICK（Δγ=2°）：受端換流站投入1組190 Mvar濾波器，之后切除該組濾波器。GAM?MA-KICK使γ在正常值和增加2°范圍之內(nèi)變化。

（3）GAMMA-KICK（Δγ=5°）：受端換流站投入1組190 Mvar濾波器，之后切除該組濾波器。GAM?MA-KICK使γ在正常值和增加5°范圍之內(nèi)變化。

（4）延時(shí)GAMMA-KICK（Δγ=5°，斷路器動(dòng)作延時(shí)時(shí)間Δt=0.5 s）：受端換流站投入1組190 Mvar濾波器，之后切除該組濾波器。GAMMA-KICK使γ在正常值和增加5°范圍之內(nèi)變化。

上述4種控制方式換流母線電壓的計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 4種控制方式下濾波器投切引起的換流母線電壓變化率

由表2可見：

（1）當(dāng)濾波器投入或切除時(shí)，如果不采取GAMMA-KICK，則換流母線電壓變化率最大，而當(dāng)采取GAMMA-KICK后，均能有效減小換流母線電壓的暫態(tài)變化。

（2）投切濾波器時(shí)，γ改變?cè)酱螅种茡Q流母線電壓暫態(tài)變化的能力越強(qiáng)。

（3）當(dāng)考慮GAMMA-KICK與濾波器投切的斷路器配合之間的延時(shí)作用時(shí)，相對(duì)于不加延時(shí)時(shí)換流母線電壓的暫態(tài)變化率有所增大。

3.2 濾波器斷路器投切時(shí)間影響

交流濾波器及無功補(bǔ)償設(shè)備均通過斷路器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的接入與斷開，由于機(jī)械開關(guān)設(shè)備不可避免地存在投切誤差，因此采用GAMMA-KICK時(shí)，不能不考慮其與斷路器開關(guān)的配合誤差。分別就配合誤差為±10 ms和±20 ms進(jìn)行PSCAD仿真。

（1）不考慮投切時(shí)間差，2.5 s投入濾波器組，同時(shí)γ增加；4.5 s切除該濾波器組，同時(shí)γ恢復(fù)原值時(shí)，仿真曲線如圖2所示。

圖2 GAMMA-KICK仿真波形（不計(jì)投切時(shí)間差）

由圖2可見，換流母線電壓由1.0（p.u.）增加為1.003（p.u.）（即ΔU=0.3%）時(shí)，γ的變化為：19.03°～23.45°～19.03°。相較于無GAMMA-KICK情況下，電壓變化幅度減小0.7%。

（2）2.5 s投入濾波器組，延時(shí)10 ms使γ增加5°；4.5 s切除該濾波器組，延時(shí)10 ms使γ恢復(fù)原值時(shí)，仿真曲線如圖3所示。

由圖3可見，換流母線電壓由1.0（p.u.）增加為1.005（p.u.）（即ΔU=0.5%），在2.5 s時(shí)刻電壓上升到1.005（p.u.），γ的變化為：19.03°～23.45°～19.03°。

（3）2.5 s投入濾波器組，超前10 ms使γ增加5°；4.5 s切除該濾波器組，超前10 ms使γ恢復(fù)原值時(shí)，仿真曲線如圖4所示。

由圖4可見，換流母線電壓由1.0（p.u.）增加為1.003 5（p.u.）（即ΔU=0.35%），γ的變化為：19.03°～23.45°～19.03°。

圖4 GAMMA-KICK仿真波形（延遲時(shí)間-10 ms）

（4）2.5 s投入濾波器組，延時(shí)20 ms使γ增加5°；4.5 s切除該濾波器組，延時(shí)20 ms使γ恢復(fù)原值時(shí)，仿真曲線如圖5所示。

由圖5可見，換流母線電壓由1.0（p.u.）增加為1.006（p.u.）（即ΔU=0.6%），γ的變化為：19.03°～23.45°～19.03°。

（5）2.5 s投入濾波器組，超前20 ms使關(guān)斷角增加5°；4.5 s切除該濾波器組，超前20 ms使關(guān)斷角恢復(fù)原值時(shí)，仿真曲線如圖6所示。

圖5 GAMMA-KICK仿真波形（延遲時(shí)間20 ms）

圖6 GAMMA-KICK仿真波形（延遲時(shí)間-20 ms）

由圖6可見，換流母線電壓由1.0（p.u.）增加為1.004 5（p.u.）（即ΔU=0.45%），在4.5 s時(shí)刻電壓上升到1.004 5（p.u.），γ的變化為：19.03°～23.45°～19.03°。

上述5種情況仿真計(jì)算結(jié)果匯總數(shù)據(jù)見表3。

3.3 結(jié)論

綜合分析圖2—圖6及表3可知，與不計(jì)GAM?MA-KICK比較，考慮了該控制后，換流母線電壓波動(dòng)可減少0.7%，且γ改變?cè)酱?，抑制換流母線電壓暫態(tài)變化的能力越強(qiáng)。采用GAMMA-KICK時(shí)，該控制與斷路器開關(guān)的配合時(shí)間差越大，則換流母線電壓的暫態(tài)變化越大，即采用GAMMA-KICK的效果變差，開關(guān)投切后恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間也越長(zhǎng)?？刂婆c斷路器開關(guān)的配合時(shí)間差越大，則換流母線電壓的暫態(tài)變化越大。

表3 考慮不同延時(shí)時(shí)的GAMMA-KICK仿真結(jié)果

4 結(jié)語

為了抑制交流濾波器投切時(shí)的暫態(tài)電壓波動(dòng)，在直流控制系統(tǒng)中引入GAMMA-KICK是一種比較經(jīng)濟(jì)的方案。本文基于PSCAD/EMTDC對(duì)受端換流站GAMMA-KICK進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明，該功能可以有效降低投切時(shí)的暫態(tài)波動(dòng)，但在考慮交流濾波器開關(guān)配合誤差后，控制的效果會(huì)變差。