基于轉(zhuǎn)移支路逐組導(dǎo)通的混合式直流斷路器軟合閘策略

石巍，曹冬明，陳羽，許元震，王文杰，孫超

(南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102)

0 引言

直流電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)多電源供電和多落點(diǎn)受電，具有所需換流站數(shù)量少、控制靈活、冗余較多、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向之一[1 - 3]。然而由于直流電網(wǎng)的阻尼相對(duì)較低，與交流系統(tǒng)相比，直流電網(wǎng)的故障發(fā)展更快。因此，為快速限制并切斷故障電流，需要配置響應(yīng)速度毫秒級(jí)別的直流斷路器[4 - 6]。直流斷路器的拓?fù)浞桨钢饕譃槿虘B(tài)直流斷路器[7 - 8]、機(jī)械式直流斷路器[9 - 10]以及混合式直流斷路器[11 - 15]?；旌鲜街绷鲾嗦菲骶C合了前兩者的分?jǐn)嗨俣瓤旌屯☉B(tài)損耗低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有無(wú)電流分?jǐn)嗨绤^(qū)、控制靈活、可快速重合閘等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的主要方向。

目前圍繞混合式直流斷路器的研究主要集中于拓?fù)浞桨浮⒎珠l策略、設(shè)備研制和試驗(yàn)等方面，對(duì)其合閘/重合閘策略的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[14]首次提出了混合式直流斷路器利用轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊逐組導(dǎo)通的軟合閘策略，可以降低輸電線路通過(guò)直流斷路器合閘接入直流電網(wǎng)的過(guò)電壓沖擊、還可以實(shí)現(xiàn)換流站無(wú)預(yù)充電回路從直流側(cè)啟動(dòng)，但是文中沒(méi)有對(duì)軟合閘過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)暫態(tài)分析。文獻(xiàn)[15]研究了混合式直流斷路器重合閘策略，通過(guò)分級(jí)重合降低重合閘過(guò)程中的電壓突變帶來(lái)的不利影響，但文中沒(méi)有考慮直流斷路器兩端等效電容對(duì)重合閘暫態(tài)過(guò)程的影響。此外，實(shí)際工程應(yīng)用中，混合式直流斷路器兩側(cè)配置有隔離開(kāi)關(guān)，合閘操作還需兼顧隔離開(kāi)關(guān)的操作。

本文在分析混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和合閘/重合閘原理的基礎(chǔ)上，給出了利用轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊逐組導(dǎo)通的軟合閘策略，并對(duì)不同合閘/重合閘應(yīng)用場(chǎng)合下的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。同時(shí)提出了基于耗能支路電流的軟合閘過(guò)流保護(hù)方法和耗能支路能量均衡方法，這些方法可以優(yōu)化軟合閘策略。在PSCAD/EMTDC中搭建了兩端柔性直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)模型，驗(yàn)證了不同場(chǎng)合下的軟合閘暫態(tài)過(guò)程分析、軟合閘過(guò)流保護(hù)方法和耗能支路能量均衡方法的正確性和有效性。

1 混合式直流斷路器及其工作原理

1.1 混合式直流斷路器基本拓?fù)?/h3>

混合式直流斷路器的基本拓?fù)淙鐖D1所示，由主支路、轉(zhuǎn)移支路和耗能支路并聯(lián)構(gòu)成。

圖1 混合式直流斷路器基本拓?fù)銯ig.1 Basic topology of hybrid DC circuit breaker

從圖1可以看出，混合式直流斷路器具有以下特點(diǎn)。

1)主支路由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)和少量電力電子模塊串聯(lián)構(gòu)成，用于導(dǎo)通正常負(fù)荷電流以及分閘過(guò)程中完成電流的轉(zhuǎn)移；

2)轉(zhuǎn)移支路由多組電力電子模塊串聯(lián)構(gòu)成，用于短時(shí)承受系統(tǒng)電流，并通過(guò)電力電子模塊關(guān)斷電流后對(duì)電力電子模塊RCD吸收電路的電容充電，并建立暫態(tài)分?jǐn)嚯妷海?/p>

3)耗能支路由金屬氧化物電阻(metal oxide varistor, MOV)串并聯(lián)構(gòu)成，用于抑制暫態(tài)分?jǐn)嚯妷汉秃纳⒅绷麟娋W(wǎng)儲(chǔ)存的能量。

由于轉(zhuǎn)移支路和耗能支路等效阻抗不夠大，在電流開(kāi)斷后仍存在一定的漏電流。因此，混合式直流斷路器在直流電網(wǎng)中應(yīng)用時(shí)，需要在直流斷路器兩側(cè)各配置隔離開(kāi)關(guān)D1和隔離開(kāi)關(guān)D2。同時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)還為直流斷路器檢修提供明顯的斷口。

1.2 合閘/重合閘工作原理

混合式直流斷路器的工作原理包括分閘工作原理和合閘/重合閘工作原理。分閘工作原理在大量文獻(xiàn)中已有具體闡述，在此不在贅述，本文重點(diǎn)研究合閘/重合閘工作原理。

1.2.1 外部控制時(shí)序

直流斷路器的合操作包括合閘和重合閘，兩者由于初始狀態(tài)不同，外部控制時(shí)序也有所不同。

在合閘之前，直流斷路器初始狀態(tài)為分閘位置、兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)為分閘位置。因此，合閘操作包括以下2個(gè)步驟。

1)合直流斷路器兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)；

2)合直流斷路器。

在保護(hù)跳閘/重合閘之前，直流斷路器初始狀態(tài)為合閘位置、兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)為合閘位置。因此，保護(hù)跳閘/重合閘操作包括以下2個(gè)步驟。

1)保護(hù)跳直流斷路器；

2)重合直流斷路器。

1.2.2 混合式直流斷路器內(nèi)部控制時(shí)序

混合式直流斷路器的合閘和重合閘的內(nèi)部控制時(shí)序相同，包括以下3個(gè)步驟。

1)導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊；

2)閉合主支路機(jī)械開(kāi)關(guān)和主支路電力電子模塊；

3)分?jǐn)噢D(zhuǎn)移支路電力電子模塊。

1.2.3 合閘/重合閘對(duì)系統(tǒng)性能的提升

直流斷路器合閘可以實(shí)現(xiàn)輸電線路和換流站接入直流電網(wǎng)，重合閘可以實(shí)現(xiàn)故障線路的快速恢復(fù)。圖2為兩端柔性直流輸電系統(tǒng)典型架構(gòu)。其啟動(dòng)過(guò)程為：換流站S1解鎖啟動(dòng)、直流斷路器DB1及其兩側(cè)隔刀合閘接入輸電線路、直流斷路器DB2及其兩側(cè)隔刀合閘從直流側(cè)啟動(dòng)換流站S2、換流站S2解鎖傳送功率；其故障恢復(fù)過(guò)程為：保護(hù)跳DB1/DB2、重合DB1/DB2。

圖2 含直流斷路器的兩端柔直輸電系統(tǒng)Fig.2 Two-terminal flexible DC transmission system with DC circuit breakers

2 軟合閘策略

圖3為混合式直流斷路器軟合閘策略的控制框圖。

圖3 混合式直流斷路器軟合閘策略控制框圖Fig.3 Control diagram of soft-closing control strategy of hybrid DC circuit breakers

混合式直流斷路器自身收到合閘或重合閘控制指令后，根據(jù)內(nèi)部控制時(shí)序第1步中轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的導(dǎo)通方式不同，可分為硬合閘和軟合閘：

1)硬合閘策略為同步導(dǎo)通所有組轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊；

2)軟合閘策略為逐組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊。

硬合閘會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)產(chǎn)生較大的操作過(guò)電壓。軟合閘相比硬合閘，系統(tǒng)電壓平緩上升。

在逐組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程中需要判斷是否發(fā)生軟合閘過(guò)流保護(hù)，即判斷是否合閘于故障。若軟合閘過(guò)流保護(hù)未動(dòng)作，繼續(xù)導(dǎo)通下一組轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊，直至轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊全部導(dǎo)通；若軟合閘過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，則分?jǐn)嗨修D(zhuǎn)移支路電力電子模塊。

2.1 軟合閘暫態(tài)過(guò)程

2.1.1 軟合閘暫態(tài)過(guò)程分類

混合式直流斷路器軟合閘控制時(shí)序如前面所述分為3個(gè)步驟，暫態(tài)過(guò)程簡(jiǎn)述如下。

1)軟合閘充電暫態(tài)過(guò)程：逐組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊，給系統(tǒng)充電至額定電壓。該暫態(tài)過(guò)程相對(duì)較為復(fù)雜且關(guān)鍵，本節(jié)重點(diǎn)分析。

2)斷路器內(nèi)部換流暫態(tài)過(guò)程：閉合主支路機(jī)械開(kāi)關(guān)和主支路電力電子模塊，分?jǐn)噢D(zhuǎn)移支路電力電子模塊。該暫態(tài)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，即電流從轉(zhuǎn)移支路向主支路轉(zhuǎn)移，暫態(tài)過(guò)程直流斷路器處于導(dǎo)通狀態(tài)、對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有影響，因此本文不再詳述。

2.1.2 軟合閘充電暫態(tài)過(guò)程

轉(zhuǎn)移支路模塊、輸電線路和換流站等效電路如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)移支路模塊、輸電線路和換流站等效電路Fig.4 Equivalent circuit of transfer branch module, transmission line and converter station

混合式直流斷路器在逐組導(dǎo)通過(guò)程中，每組轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊可用開(kāi)關(guān)K、電容C和MOV并聯(lián)電路等效，如圖4(a)所示。

輸電線路等效電路可用LRC串聯(lián)電路近似等效，如圖4(b)所示。其中，線路電抗為L(zhǎng)o、線路電阻為Ro、線路對(duì)地電容為Co。換流站從直流側(cè)啟動(dòng)時(shí)可用LRCD串聯(lián)電路近似等效，如圖4(c)所示。橋臂電抗器及平波電抗器的電抗用Lo等效、橋臂電抗器及平波電抗器的內(nèi)阻用Ro等效、各橋臂子模塊電容用Co等效、各子模塊上管半導(dǎo)體器件體二極管用Do等效。

圖4(a)中系統(tǒng)電壓為Us，則有：

Udcb=Us-Uo

(1)

式中：Udcb為直流斷路器兩端電壓；Uo為輸電線路或換流站電壓。

軟合閘充電暫態(tài)過(guò)程分為2類，如圖5所示。

圖5 軟合閘充電暫態(tài)過(guò)程分類Fig.5 Transient process classification of soft-closing charging

1)Ⅰ類充電暫態(tài)：通過(guò)轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊等效電容給輸電線路或換流站充電。

假設(shè)轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊共有n組，未導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊數(shù)量用m表示。Ⅰ類充電暫態(tài)過(guò)程中，未導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的并聯(lián)MOV動(dòng)作電壓大于直流斷路器兩端電壓，即滿足：

m×UMOV>Us-Uo

(2)

式中UMOV為單組MOV的動(dòng)作電壓。

在Ⅰ類充電暫態(tài)過(guò)程中，未導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的并聯(lián)MOV能量沒(méi)有發(fā)生變化。

2)Ⅱ類充電暫態(tài)：通過(guò)耗能支路MOV給輸電線路或換流站充電。

Ⅰ類充電暫態(tài)過(guò)程中，當(dāng)未導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動(dòng)作電壓時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入Ⅱ類充電暫態(tài)過(guò)程。Ⅱ類充電暫態(tài)過(guò)程中，未導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的并聯(lián)MOV動(dòng)作電壓小于等于直流斷路器兩端電壓，即滿足：

m×UMOV≤Us-Uo

(3)

在Ⅱ類充電暫態(tài)過(guò)程中，每組轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊導(dǎo)通后，MOV在充電脈沖電流下兩端電壓近似等于UMOV，每組未導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的并聯(lián)MOV能量增加量為：

(4)

2.2 不同應(yīng)用場(chǎng)合下合閘/重合閘暫態(tài)過(guò)程分析

2.2.1 輸電線路接入直流電網(wǎng)

第1步，合直流斷路器兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)后，系統(tǒng)電壓通過(guò)直流斷路器兩端電容給輸電線路充電。由于當(dāng)兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)閉合后將產(chǎn)生階躍性的輸入電壓，根據(jù)LRC階躍響應(yīng)原理(回路電阻Ro很小)，輸電線路遠(yuǎn)端將產(chǎn)生一定的操作過(guò)電壓。操作過(guò)電壓的大小主要與直流斷路器的等效電容C、輸電線路的等效電容Co有關(guān)，當(dāng)C/Co比值越大時(shí)，操作過(guò)電壓越高。直流斷路器的等效電容C為微法級(jí)，輸電線路的等效電容Co和輸電線路的形式、結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度有關(guān)(相同線路長(zhǎng)度下，電纜線路對(duì)地電容比架空線路對(duì)地電容略大)。當(dāng)輸電線路結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度確定后，宜通過(guò)如下方法來(lái)抑制合兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓：1)降低直流斷路器等效電容；2)增加回路電阻，如直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊采用RC緩沖回路。輸電線路在電暈作用下逐漸放電，在穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)電壓大部施加于直流斷路器兩端。

第2步，直流斷路器軟合閘暫態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊逐一導(dǎo)通，軟合閘過(guò)程首先為Ⅰ類充電暫態(tài)。當(dāng)剩余未導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動(dòng)作電壓時(shí)，進(jìn)入Ⅱ類充電暫態(tài)過(guò)程。該暫態(tài)過(guò)程中，輸電線路電壓階梯式上升。

通過(guò)上述分析，在輸電線路通過(guò)直流斷路器軟合閘接入電網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合中，直流斷路器兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)閉合時(shí)輸電線路會(huì)產(chǎn)生一定的過(guò)電壓，但在直流斷路器軟合閘過(guò)程中輸電線路電壓是階梯式上升過(guò)程。

2.2.2 換流站接入直流電網(wǎng)

換流站從直流側(cè)啟動(dòng)時(shí)，往往需要配置預(yù)充電回路，增加了設(shè)備成本和占地。直流斷路器采用軟合閘策略后可以實(shí)現(xiàn)換流站在無(wú)預(yù)充電回路下從直流側(cè)啟動(dòng)。

第1步，合直流斷路器兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)后，系統(tǒng)電壓通過(guò)直流斷路器兩端電容給換流站子模塊電容充電。由于換流站三相橋臂子模塊的等效電容Co為毫法級(jí)，遠(yuǎn)大于混合式直流斷路器的等效電容C，在穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)電壓基本施加于直流斷路器兩端。

通過(guò)上述分析，在換流站通過(guò)直流斷路器軟合閘從直流側(cè)啟動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合中，直流斷路器兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)閉合時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，且直流斷路器軟合閘可實(shí)現(xiàn)換流站子模塊階梯式充電、不需要額外預(yù)充電回路。

2.2.3 重合閘快速恢復(fù)故障線路

第1步，保護(hù)跳直流斷路器后200～400 ms間收到重合閘指令時(shí)，直流斷路器兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)。忽略等待重合閘指令期間直流斷路器等效電容兩端電壓通過(guò)自身內(nèi)阻的放電(放電常數(shù)秒級(jí))，直流斷路器兩端電壓為系統(tǒng)電壓、輸電線路電壓約為0。

第2步，直流斷路器軟合閘的暫態(tài)過(guò)程中，轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊逐一導(dǎo)通，軟合閘過(guò)程首先為Ⅰ類充電暫態(tài)。當(dāng)剩余未導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動(dòng)作電壓時(shí)，進(jìn)入Ⅱ類充電暫態(tài)過(guò)程。該暫態(tài)過(guò)程中，輸電線路電壓階梯式上升。

通過(guò)上述分析，在直流斷路器重合閘實(shí)現(xiàn)輸電線路故障快速恢復(fù)的應(yīng)用場(chǎng)合中，直流斷路器軟合閘過(guò)程電壓階梯式上升。

2.2.4 合/重合閘于故障

輸電線路和換流站存在故障時(shí)，其等效模型中的電容Co被短路。合閘操作在合兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)后系統(tǒng)電壓全部施加于直流斷路器兩端，與重合閘操作前的狀態(tài)相同。

第三，報(bào)賬人員因?yàn)樽约阂崆昂怂阍计睋?jù)，占用大量時(shí)間來(lái)粘貼原始票據(jù)，對(duì)此多有意見(jiàn)。但同時(shí)又因?yàn)榉N種原因粘貼情況不符規(guī)定，反而增加了財(cái)務(wù)人員的工作量，也造成了報(bào)銷師生與財(cái)務(wù)工作人員的矛盾。

軟合閘直流斷路器的暫態(tài)過(guò)程中轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊逐一導(dǎo)通，軟合閘過(guò)程首先為Ⅰ類充電暫態(tài)。當(dāng)剩余未導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊等效電容兩端電壓充至MOV的動(dòng)作電壓時(shí)，進(jìn)入Ⅱ類充電暫態(tài)過(guò)程，此時(shí)故障電流開(kāi)始加速上升，故障電流流過(guò)直流斷路器的MOV。

2.3 軟合閘策略優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.3.1 軟合閘過(guò)流保護(hù)方法

硬合閘過(guò)流保護(hù)方法中保護(hù)電流測(cè)點(diǎn)往往設(shè)計(jì)于轉(zhuǎn)移支路，其過(guò)流保護(hù)定值門檻需要大于系統(tǒng)額定電流，使得合閘于故障后開(kāi)斷的電流及MOV能量均較大。

通過(guò)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合下合閘/重合閘暫態(tài)過(guò)程分析可以得出：軟合閘過(guò)程合/重合閘于故障暫態(tài)過(guò)程中，耗能支路電流是加速上升的。因此，軟合閘過(guò)流保護(hù)方法可以基于耗能支路電流來(lái)設(shè)計(jì)。合閘和重合閘可以共用同一個(gè)軟合閘過(guò)流保護(hù)定值門檻，也可以獨(dú)立配置，軟合閘過(guò)流保護(hù)定值門檻設(shè)計(jì)原則為：躲過(guò)合/重合閘于正常線路或換流站過(guò)程中的短脈沖充電電流，并留有一定安全裕度。

考慮到重合閘操作之前已經(jīng)完成一次電流開(kāi)斷，MOV吸收的能量已經(jīng)較大，需要盡可能地降低重合閘于故障再次開(kāi)斷的電流，從而降低避雷器設(shè)計(jì)容量和成本。因此，建議重合閘時(shí)軟合閘過(guò)流保護(hù)定值門檻?yīng)毩⑴渲谩?/p>

2.3.2 耗能支路能量均衡方法

轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊采用依次逐組導(dǎo)通的方式，根據(jù)式(4)可以得出每組轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的并聯(lián)MOV能量是不平衡的。最后一組導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的并聯(lián)MOV能量最大。由于輸電線路的等效電容Co較小，MOV能量不平衡可以忽略。然而換流站的等效電容Cc相對(duì)較大，MOV能量不平衡影響較大，需要設(shè)計(jì)耗能支路能量均衡方法。

耗能支路能量均衡方法的設(shè)計(jì)原則為：保證流過(guò)每組MOV的短脈沖充電電流個(gè)數(shù)大致相同。在此原則下MOV能量均衡方法有很多種，其中較為典型的方法為：

1)首先將轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊分為前后各一半；

2)然后按正序方向逐組導(dǎo)通前一半轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊；

3)接著進(jìn)行前后輪換：即將前一半轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊分?jǐn)嗪?，再將后一半轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊導(dǎo)通；

4)最后按逆序方向逐組導(dǎo)通前一半轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證軟合閘策略分析，軟合閘過(guò)流保護(hù)方法和耗能支路能量均衡方法的正確性與有效性，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上搭建了圖2所示的兩端柔性直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)模型，仿真步長(zhǎng)25 μs。其中，換流站S1采用500 kV理想直流源，換流站S2采用實(shí)際換流站模型，其關(guān)鍵參數(shù)如表1所示；直流斷路器DB1和DB2采用如圖1所示的混合式直流斷路器，其關(guān)鍵參數(shù)如表2所示；輸電線路采用真實(shí)輸電線路模型，其關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

表1 換流站S2關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of converter station S2

表2 混合式直流斷路器關(guān)鍵參數(shù)Tab.2 Key parameters of Hybrid DC circuit breakers

表3 輸電線路關(guān)鍵參數(shù)Tab.3 Key parameters of transmission line

3.1 直流斷路器DB1軟合閘過(guò)程-輸電線路充電

圖6為直流斷路器DB1軟合閘給輸電線路充電的仿真結(jié)果。0.3 s時(shí)刻DB1兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)合閘，輸電線路遠(yuǎn)端產(chǎn)生一定的過(guò)電壓，約350 kV；2 s時(shí)刻直流斷路器DB1軟合閘，輸電線路電壓從初始60 kV階梯式上升至500 kV，前2組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅰ類充電過(guò)程、第3組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅰ類充電過(guò)程向Ⅱ類充電過(guò)程過(guò)渡，后面導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅱ類充電過(guò)程。流過(guò)避雷器電流峰值最大約100 A，逐組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程約50 ms(每組間隔5 ms)。最后導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的MOV能量最大，為60 kJ。

圖6 直流斷路器DB1軟合閘過(guò)程仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of DC circuit breaker DB1 soft-closing process

3.2 直流斷路器DB2軟合閘-換流站S2充電

圖7為直流斷路器DB2軟合閘給換流站S2充電的仿真結(jié)果。3.3 s時(shí)刻DB2兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)合閘，換流站穩(wěn)態(tài)電壓很低，可見(jiàn)系統(tǒng)電壓基本施加于直流斷路器兩端；4 s時(shí)刻直流斷路器DB2軟合閘，換流站電壓從初始2 kV階梯式上升至525 kV，第1組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅰ類充電過(guò)程，第2組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅰ類充電過(guò)程向Ⅱ類充電過(guò)程過(guò)渡，后面導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅱ類充電過(guò)程。流過(guò)避雷器電流峰值最大約450 A，逐組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程約1 s(每組間隔100 ms)。最后一組導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的MOV能量最大，為2.5 MJ。

圖7 直流斷路器DB2軟合閘過(guò)程仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of DB2 soft-closing process

3.3 輸電線路故障重合閘-暫時(shí)性故障

輸電線路暫時(shí)性故障重合閘成功的仿真結(jié)果。6 s時(shí)刻線路發(fā)生暫時(shí)性故障，DB1/DB2跳閘隔離故障，6.4 s重合DB1進(jìn)行故障線路恢復(fù)。重合DB1期間，輸電線路電壓從初始60 kV階梯式上升至500 kV，前2組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅰ類充電過(guò)程、第3組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅰ類充電過(guò)程向Ⅱ類充電過(guò)程過(guò)渡、后面導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程為Ⅱ類充電過(guò)程，流過(guò)避雷器電流峰值最大約100 A，逐組導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊過(guò)程約50 ms(每組間隔5 ms)。最后一組導(dǎo)通的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的MOV能量最大，為2.26 MJ(含故障跳閘時(shí)的能量2.2 MJ)。

圖8 輸電線路暫時(shí)性故障重合閘的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of transmission line transient fault reclosing

3.4 輸電線路故障重合閘-永久性故障

圖9為輸電線路永久性故障重合閘失敗的仿真結(jié)果。6 s時(shí)刻線路發(fā)生永久性故障，DB1/DB2跳閘隔離故障，6.4 s重合DB1進(jìn)行故障線路恢復(fù)。重合DB1期間，由于線路故障仍存在，當(dāng)流過(guò)最后一組轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊并聯(lián)的避雷器電流大于軟合閘過(guò)流保護(hù)定值500 A時(shí)(定值設(shè)計(jì)略高于重合閘成功時(shí)的100 A脈沖電流)，分?jǐn)嗨修D(zhuǎn)移支路電力電子模塊后電流從530 A降為0。未導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的避雷器能量從第一次電流開(kāi)斷后的2.2 MJ上升至重合閘于故障再次分?jǐn)嗪蟮?.35 MJ，僅增加0.15 MJ。已導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊的避雷器能量從第一次電流開(kāi)斷后的2.2 MJ上升至重合閘于故障再次分?jǐn)嗪蟮?.225 MJ，僅增加0.025 MJ。

圖9 輸電線路永久性故障重合閘的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of transmission line permanent fault reclosing

3.5 耗能支路能量均衡方法

圖10為直流斷路器DB2軟合閘給換流站S2充電時(shí)，逐組導(dǎo)通方法和耗能支路能量均衡方法的仿真對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，采取耗能支路能量均衡方法后每組MOV能量更加均衡，MOV平均能量為1 017 kJ，最大MOV能量為MOV1的1 365 kJ、最小MOV能量為MOV3的710 kJ。采取耗能支路能量均衡方法后，不平衡度從143%降為34%。

圖10 耗能支路能量均衡方法的仿真對(duì)比結(jié)果Fig.10 Simulation comparison results of energy balance method

4 結(jié)論

本文提出了利用轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊逐組導(dǎo)通的軟合閘策略，并分析了軟合閘策略的2類基本暫態(tài)過(guò)程，得出主要結(jié)論如下。

1)采用軟合閘策略可以降低輸電線路接入和故障重合閘的操作過(guò)電壓。但是在輸電線路接入合兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的過(guò)電壓，需要合理的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)抑制該過(guò)電壓，可以進(jìn)一步詳細(xì)研究。

2)采用軟合閘策略可以實(shí)現(xiàn)換流站從直流側(cè)無(wú)預(yù)充電回路并網(wǎng)啟動(dòng)，但是耗能支路能量不平衡明顯，需要采用耗能支路能量均衡方法。

3)基于耗能支路電流的軟合閘過(guò)流保護(hù)方法,可以降低合/重合閘于故障時(shí)的開(kāi)斷電流，從而降低耗能支路能量和設(shè)備成本。