可控避雷器基本控制策略的仿真研究及動(dòng)模驗(yàn)證

張向龍，閆 鑫，戶永杰，張良儒

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461400)

0 引 言

基于電網(wǎng)換相換流器(Line Commutated Converter，LCC)的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)由于晶閘管的半控特性，導(dǎo)致逆變站存在換相失敗的風(fēng)險(xiǎn)[1-4]。采用全控型電力電子器件的電壓源型換流器(Voltage Source Converter，VSC)作為逆變站，形成LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)，不僅可以徹底解決換相失敗的問題，而且具有獨(dú)立的無功功率、有功功率控制等優(yōu)勢(shì)，成為近年來直流輸電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5-8]。但由于VSC過電壓水平較低，因此，需要引入一定的輔助措施來限制系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生的直流過電壓，保護(hù)VSC不受損壞[9-12]。文獻(xiàn)[13]闡述了混合直流輸電系統(tǒng)中VSC電氣應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，并提出加裝泄能裝置可以有效抑制VSC電氣應(yīng)力；文獻(xiàn)[14]闡述了可控避雷器的工作原理，并通過仿真驗(yàn)證了可控避雷器限制過電壓的效果。上述研究大多基于理論和仿真分析，沒有涉及到可控避雷器動(dòng)作時(shí)的實(shí)際物理過程。

為驗(yàn)證可控避雷器在實(shí)際系統(tǒng)中抑制過電壓的基本控制邏輯和保護(hù)水平，搭建了基于可控避雷器的混合直流輸電動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)，通過模擬受端系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓跌落故障，來驗(yàn)證可控避雷器的控制邏輯和抑制過電壓的物理過程。

1 混合直流輸電動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LCC-VSC混合直流輸電動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)采用單極高低端閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)[15-16]，送端高低端閥組均采用6脈動(dòng)LCC(LCC1/LCC2)；受端高端閥組采用6脈動(dòng)LCC(LCC3)，低端閥組采用3組21電平VSC并聯(lián)(VSC1-3)，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行方式為：送端LCC1/LCC2運(yùn)行在定直流電流模式，LCC3運(yùn)行在定直流電壓模式，VSC1運(yùn)行在定直流電壓模式，VSC2-3運(yùn)行在定功率模式。系統(tǒng)額定直流電壓4 kV，額定直流電流10 A。

2 可控避雷器動(dòng)模試驗(yàn)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

可控避雷器主電路由避雷器可控部分、避雷器固定部分、電力電子開關(guān)K及快速機(jī)械開關(guān)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電力電子開關(guān)K斷開，避雷器固定部分和可控部分共同承受母線電壓；系統(tǒng)故障時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到VSC子模塊電壓大于保護(hù)閾值時(shí)，開關(guān)K閉合，避雷器可控部分被短接，系統(tǒng)母線最高電壓僅為避雷器固定部分的殘壓，可以深度降低系統(tǒng)的過電壓水平，保護(hù)VSC設(shè)備不受損壞。當(dāng)避雷器固定部分吸收的能量達(dá)到其保護(hù)值后，快速機(jī)械開關(guān)閉合，以保證避雷器固定部分不受損壞?？煽乇芾灼鲃?dòng)模試驗(yàn)的具體參數(shù)如表1～2所示。

圖1 LCC-VSC混合直流輸電動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 可控避雷器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 避雷器可控部分參數(shù)

表2 避雷器固定部分參數(shù)

3 可控避雷器控制保護(hù)策略

3.1 可控避雷器動(dòng)模系統(tǒng)控制保護(hù)架構(gòu)

動(dòng)?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)采用許繼HCM3000機(jī)箱，基于分層配置的原則，送端配置極控機(jī)箱1臺(tái)，閥組控制機(jī)箱2臺(tái)，采樣接口機(jī)箱1臺(tái)；受端配置極控機(jī)箱1臺(tái)，閥組控制機(jī)箱4臺(tái)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

圖中，PCP表示極控制機(jī)箱，CCP表示閥組控制機(jī)箱，BCP表示可控避雷器控制機(jī)箱，VCU表示MMC閥控機(jī)箱，VBE表示LCC閥控機(jī)箱，PPR表示極保護(hù)機(jī)箱，CPR表示閥組保護(hù)機(jī)箱。

圖3預(yù)估了不同裝置的處理時(shí)間及裝置之間的通訊延時(shí)。各個(gè)閥組的控制和保護(hù)機(jī)箱是獨(dú)立配置的，因此在某個(gè)VSC發(fā)生故障后，故障VSC會(huì)迅速進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，而非故障VSC則需等待故障VSC閥組保護(hù)機(jī)箱向極控制機(jī)箱發(fā)送故障信息通訊、極控制機(jī)箱邏輯處理、極控制機(jī)箱向非故障VSC下發(fā)保護(hù)動(dòng)作等一些系列延時(shí)后才有效進(jìn)行動(dòng)作。

可控避雷器能量通過積分計(jì)算實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到避雷器固定部分兩端電壓大于2.4 kV時(shí)，開始計(jì)算可控避雷器能量，計(jì)算式如下。

式中：UCA為避雷器固定部分端電壓；ICA為通過避雷器固定部分的電流；WCA為避雷器固定部分吸收的能量。

3.2 可控避雷器動(dòng)模系統(tǒng)保護(hù)策略

可控避雷器動(dòng)模系統(tǒng)保護(hù)策略如圖4所示。

可控避雷器投入判據(jù)為：任一VSC的任一橋臂子模塊平均電壓達(dá)到130 V。其中每個(gè)VSC閥控MVCE計(jì)算6個(gè)橋臂的子模塊電容電壓判據(jù)值，如果某個(gè)橋臂子模塊電容電壓判據(jù)值大于閾值，則向極控上傳子模塊電容電壓越限信號(hào)。極控收集3個(gè)VSC閥控MVCE上送的子模塊電容電壓越限信號(hào)，綜合處理發(fā)出可控避雷器投切信號(hào)?？煽乇芾灼魍度牒?，極控實(shí)時(shí)計(jì)算避雷器固定部分吸收的能量值，若吸收能量值大于越限值，則閉合快速BPS，閉鎖VSC閥組，系統(tǒng)低端閥組退出系統(tǒng)運(yùn)行。

4 仿真及動(dòng)模試驗(yàn)結(jié)果

圖5為VSC網(wǎng)側(cè)電壓跌落期間動(dòng)模試驗(yàn)波形?？梢钥闯觯?dāng)VSC橋臂電壓達(dá)到2 600 V(子模塊電壓130 V)時(shí)，避雷器可控部分切除，避雷器固定部分端電壓瞬間上升至VSC閥組端口電壓，避雷器固定部分導(dǎo)通，吸收盈余能量，VSC閥組端口電壓被限制在一定水平，最高達(dá)到約2 755 V。整個(gè)過程流經(jīng)避雷器固定部分的最大電流約5.36 A，避雷器固定部分吸收能量約1 872 J。圖6為VSC網(wǎng)側(cè)電壓跌落期間PSCAD仿真波形。與動(dòng)模試驗(yàn)波形對(duì)比，二者相關(guān)電氣量波形變化趨勢(shì)一致性較高，有效驗(yàn)證了可控避雷器的控制邏輯和限制過電壓的能力。

圖4 動(dòng)模系統(tǒng)保護(hù)策略

圖5 VSC交流電壓跌落故障時(shí)動(dòng)模試驗(yàn)波形

圖6 VSC交流電壓跌落故障時(shí)PSCAD仿真波形

5 結(jié) 語(yǔ)

可控避雷器能夠有效限制系統(tǒng)故障所產(chǎn)生的過電壓，降低VSC子模塊電容電壓，保證VSC閥子模塊在系統(tǒng)故障時(shí)不受損壞。

可控避雷器的控制保護(hù)邏輯是合理有效的，在檢測(cè)到子模塊電壓達(dá)到閾值后，避雷器可控部分能夠可靠投入；檢測(cè)到子模塊電壓恢復(fù)到正常水平后，避雷器可控部分能夠合理退出。