混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)

陳羽，石巍，楊兵，方太勛，盧宇，謝曄源

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京211102)

0 引言

近年來，風(fēng)能、太陽能等可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，其隨機(jī)性、分散性的特點(diǎn)給輸電系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。基于絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar translator,IGBT)的柔性直流輸電技術(shù)(voltage sourced converter based high voltage direct current transmission,VSC-HVDC)可以靈活控制有功功率與無功功率的傳輸，且傳輸功率反向時(shí)直流電壓的極性不變，能夠滿足新形勢下的新要求[1—4]。然而，柔性直流輸電采用電壓源型換流器，直流系統(tǒng)阻抗低，當(dāng)直流電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流上升快、峰值大；對于無故障清除能力的換流器，需要通過交流側(cè)斷路器跳閘來清除故障，開斷時(shí)間長，故障影響范圍大；對于有故障清除能力的換流器，雖可通過閉鎖換流器以實(shí)現(xiàn)故障的清除，但會(huì)造成直流電網(wǎng)傳輸功率中斷，且對交流系統(tǒng)沖擊較大。因此，需要能在數(shù)毫秒內(nèi)快速開斷故障電流的直流斷路器，切斷直流故障線路，實(shí)現(xiàn)換流站與故障點(diǎn)的隔離[5—7]。

目前我國已在多個(gè)柔性直流輸電工程中安裝直流斷路器。2016年，全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研制的200 kV混合式高壓直流斷路器成功在舟山多端柔性直流輸電示范工程中投運(yùn)，開斷時(shí)間為3 ms，最大開斷電流為15 kA[8—10]。2017年，華中科技大學(xué)與思源電氣聯(lián)合研制的160 kV機(jī)械式高壓直流斷路器在南澳多端柔性直流輸電示范工程中加裝并順利投運(yùn)，開斷時(shí)間為5 ms，最大開斷電流為9 kA[11—14]。2019年底，張北±500 kV柔性直流電網(wǎng)示范工程全線架通，進(jìn)入了帶電調(diào)試階段，該工程安裝配置的500 kV高壓直流斷路器，開斷時(shí)間小于3 ms，最大開斷電流為25 kA[15—17]。

隨著柔性直流輸電工程電壓等級的提高[18]以及直流斷路器電流開斷能力的提升，直流斷路器的組部件，如快速機(jī)械開關(guān)、電力電子器件及避雷器等，串并聯(lián)數(shù)目不斷增加，轉(zhuǎn)移支路甚至有上百級電力電子器件串并聯(lián)，直流斷路器本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也更加復(fù)雜，導(dǎo)致其發(fā)生故障的概率大大增加。本體組部件冗余設(shè)計(jì)可降低故障發(fā)生對直流斷路器正常運(yùn)行的影響，但仍需安全可靠的控制保護(hù)系統(tǒng)及控制保護(hù)策略，對各類故障進(jìn)行合理處理，提高直流斷路器最大穩(wěn)定運(yùn)行能力，同時(shí)降低故障導(dǎo)致直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn)[19—21]。

文中基于混合式高壓直流斷路器，首先介紹了混合式高壓直流斷路器拓?fù)?；然后提出了其控制保護(hù)架構(gòu)，并對其控制保護(hù)策略進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；最后，通過實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital system,RTDS)驗(yàn)證控制保護(hù)系統(tǒng)的有效性和控制保護(hù)策略的正確性。

1 拓?fù)浜突驹?/h2>

混合式高壓直流斷路器的典型拓?fù)淙鐖D1所示，由主支路、轉(zhuǎn)移支路、耗能支路構(gòu)成。其中，主支路包括多斷口串聯(lián)的快速機(jī)械開關(guān)S1和主支路閥組Q1。主支路閥組Q1由少量IGBT正反向串并聯(lián)組成。轉(zhuǎn)移支路采用橋式整流結(jié)構(gòu)，包括橋式換向閥組和單向開斷閥組。橋式換向閥組由4組換向閥組D1—D4構(gòu)成，每個(gè)換向閥組由多個(gè)二極管同向串聯(lián)構(gòu)成。單向開斷閥組包括分?jǐn)嚅y組Q2和避雷器閥組MOV，分?jǐn)嚅y組Q2由多個(gè)IGBT同向串并聯(lián)構(gòu)成[16—17]。

圖1 混合式高壓直流斷路器拓?fù)銯ig.1 Hybrid HVDC circuit breaker topology

圖1中，I0為直流斷路器總電流；I1為主支路電流；I2為轉(zhuǎn)移支路電流；IM1為避雷器閥組總電流；IM2為避雷器閥組支路電流。

2 控制保護(hù)架構(gòu)

混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

2.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，采用“冗余雙重化”設(shè)計(jì)，由控制單元(breaker control unit,BCU)和閥控單元(valve base contrl,VBC)組成。

圖2 混合式高壓直流斷路器控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Hybrid HVDC circuit breaker control system architecture

控制單元主要功能如下：

(1)通信接口功能。與柔直控保系統(tǒng)交叉互連，接收分合閘指令，并上送斷路器狀態(tài)；與直流斷路器保護(hù)系統(tǒng)交叉互連，接收本體保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；與直流斷路器閥控單元互連，接收本體組部件狀態(tài)，并發(fā)送組部件控制信號(hào)。

(2)冗余切換功能。控制系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，A、B雙系統(tǒng)，1套值班運(yùn)行，1套備用運(yùn)行?？刂葡到y(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可在A、B系統(tǒng)間進(jìn)行冗余切換，始終保持狀態(tài)較好的系統(tǒng)為值班狀態(tài)。

(3)整機(jī)控制功能。根據(jù)控制指令，完成整機(jī)分合時(shí)序控制，并能監(jiān)視及處理一次本體、二次系統(tǒng)的各類故障。

閥控單元主要功能如下：

與控制單元通信，將組部件控制指令分配給一次本體組部件，并將組部件狀態(tài)上送給控制單元。

2.2 保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，采用“三取二”配置設(shè)計(jì)，由保護(hù)單元(breaker protect unit,BPR)和三取二單元(breaker 2-out of 3 unit,B2F)構(gòu)成。

圖3 混合式高壓直流斷路器保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Hybrid HVDC circuit breaker protection system architecture

保護(hù)單元完成直流斷路器本體過流保護(hù)功能，通過采集總電流I0、主支路電流I1、轉(zhuǎn)移支路電流I2，進(jìn)行合閘過流、主支路過流、轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)判斷，并將過流動(dòng)作信號(hào)傳給三取二單元。

三取二單元對3臺(tái)保護(hù)單元的過流動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行“三取二”邏輯判斷，交叉互連的方式出口至控制系統(tǒng)的主控單元，進(jìn)行本體過流保護(hù)邏輯。

3 控制保護(hù)策略

3.1 控制策略

3.1.1 合閘控制

混合式高壓直流斷路器合閘控制步驟如下：

(1)初始分位，快速機(jī)械開關(guān)S1打開，主支路閥組Q1、轉(zhuǎn)移支路分?jǐn)嚅y組Q2均為關(guān)斷狀態(tài)。

(2)合閘開始，開通轉(zhuǎn)移支路分?jǐn)嚅y組Q2，電流從轉(zhuǎn)移支路流通，此時(shí)若線路存在預(yù)伏故障，合閘過流保護(hù)動(dòng)作，Q2立即關(guān)斷；如果線路正常，則執(zhí)行下一步，如圖4(a)所示。

(3)快速機(jī)械開關(guān)S1合閘，開通主支路閥組Q1。

(4)當(dāng)快速機(jī)械開關(guān)S1合閘到位后，電流從轉(zhuǎn)移支路換流至主支路，如圖4(b)所示。

圖4 混合式高壓直流斷路器合閘控制步驟Fig.4 Closing sequence of hybrid HVDC circuit breaker

(5)當(dāng)電流完全轉(zhuǎn)移至主支路后，直流斷路器合閘操作完成，直流斷路器處于合位。

3.1.2 分閘控制

混合式高壓直流斷路器分閘控制步驟如下：

(1)初始合位，快速機(jī)械開關(guān)S1閉合，主支路閥組Q1、轉(zhuǎn)移支路分?jǐn)嚅y組Q2均為開通狀態(tài)。

(2)分閘開始，關(guān)斷主支路閥組Q1，電流從主支路換流到轉(zhuǎn)移支路。此時(shí)若故障電流超過斷路器的最大分?jǐn)嗄芰?，轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)動(dòng)作，分?jǐn)嚅y組Q2立即關(guān)斷，保護(hù)直流斷路器。如果故障電流未超過斷路器的最大分?jǐn)嗄芰Γ瑒t執(zhí)行下一步，如圖5(a)所示。

(3)當(dāng)主支路電流完全換流至轉(zhuǎn)移支路，快速機(jī)械開關(guān)S1分閘，進(jìn)行無弧分?jǐn)?，如圖5(b)所示。

圖5 混合式高壓直流斷路器分閘控制步驟Fig.5 Opening sequence of hybrid HVDC circuit breaker

(4)當(dāng)快速機(jī)械開關(guān)S1分閘到位，關(guān)斷轉(zhuǎn)移支路分?jǐn)嚅y組Q2，電流轉(zhuǎn)移至避雷器閥組MOV。

(5)當(dāng)線路電流耗散至0，直流斷路器分閘操作完成，直流斷路器處于分位。

3.2 保護(hù)策略

混合式高壓直流斷路器保護(hù)策略，包括本體過流保護(hù)策略、本體設(shè)備保護(hù)策略、輔助設(shè)備保護(hù)策略等。具體分類及保護(hù)內(nèi)容如表1所示。

表1 混合式高壓直流斷路器保護(hù)分類Table 1 Protect classification of hybrid HVDC circuit breaker

3.2.1 本體過流保護(hù)

混合式高壓直流斷路器本體過流保護(hù)的保護(hù)判據(jù)、保護(hù)目的及保護(hù)動(dòng)作見表2。

表2 混合式高壓直流斷路器本體過流保護(hù)Table 2 Hybrid HVDC circuit breaker overcurrent protection

根據(jù)直流斷路器開斷電流波形，如圖6所示，其中，IN為額定電流，主支路過流保護(hù)定值Iset1，轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)定值Iset2可根據(jù)斷路器最大開斷電流Imax以及直流線路故障電流最大上升率max(di/dt)反推導(dǎo)得到：

圖6 混合式高壓直流斷路器開斷電流波形Fig.6 Waveform of breaking current of hybrid HVDC circuit breaker

Iset1=Imax-max(di/dt)(Topen+Tdelay1)

(1)

Iset2=Imax-max(di/dt)Tdelay2

(2)

式中：Topen為直流斷路器開斷時(shí)間；Tdelay1，Tdelay2為保護(hù)延時(shí)。

另外，合閘過流保護(hù)定值Iset0可參考直流線路保護(hù)定值進(jìn)行選取，一般為k倍斷路器短時(shí)耐受電流INm，k可取1.5。

3.2.2 本體設(shè)備保護(hù)

混合式高壓直流斷路器組部件、控制保護(hù)系統(tǒng)均為冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)組部件、控制保護(hù)系統(tǒng)故障數(shù)小于冗余數(shù)時(shí)，僅上報(bào)告警信息。當(dāng)故障數(shù)超過冗余數(shù)時(shí)，本體設(shè)備保護(hù)動(dòng)作，斷路器禁分禁合。具體保護(hù)判據(jù)及保護(hù)動(dòng)作邏輯如表3所示。

表3 混合式高壓直流斷路器本體設(shè)備保護(hù)Table 3 Hybrid HVDC circuit breaker redundancy protection

另外，通過采集避雷器閥組總電流IM1和避雷器閥組支路電流IM2，對避雷器進(jìn)行監(jiān)視及保護(hù)。具體監(jiān)視的狀態(tài)及判據(jù)如表4所示。當(dāng)避雷器出現(xiàn)擊穿故障后，斷路器禁分禁合。其中，Iset-m1為避雷器兩支路差流定值；Iset-m2為避雷器動(dòng)作定值。

表4 避雷器閥組狀態(tài)監(jiān)視Table 4 Status monitoring of MOV

3.2.3 輔助設(shè)備保護(hù)

混合式高壓直流斷路器輔助系統(tǒng)包括冷卻系統(tǒng)、供能系統(tǒng)等。

(1)冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)為主支路閥組冷卻的輔助設(shè)備，對直流斷路器進(jìn)行有效冷卻，同時(shí)檢測冷卻系統(tǒng)的各種故障，并產(chǎn)生告警或跳閘信號(hào)等。

當(dāng)冷卻系統(tǒng)嚴(yán)重故障，向直流斷路器主控單元發(fā)送“請求旁路主支路IGBT”信號(hào)；當(dāng)直流斷路器主支路IGBT旁路后，允許冷卻系統(tǒng)退出運(yùn)行。

(2)供能系統(tǒng)。供能系統(tǒng)為本體組部件取能的輔助設(shè)備，將低電位的電能通過隔離變壓器耦合至高電位，實(shí)現(xiàn)高電位組部件的取能。

供能系統(tǒng)故障包括供能變壓器故障、主供能六氟化硫(sulfur hexafluoride,SF6)壓力低、不間斷電源(uninterrupted power supply,UPS)電壓輸出異常等，導(dǎo)致直流斷路器取能故障。

當(dāng)冷卻系統(tǒng)、供能系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)斷路器所處狀態(tài)不同，進(jìn)行不同的保護(hù)動(dòng)作邏輯。具體保護(hù)判據(jù)及保護(hù)動(dòng)作邏輯如表5所示。

表5 混合式高壓直流斷路器輔助設(shè)備保護(hù)Table 5 Hybrid HVDC circuit breaker accessory system protection

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)及控制保護(hù)策略，研制了一套500 kV/25 kA混合式高壓直流斷路器的控制保護(hù)系統(tǒng)，并通過RTDS進(jìn)行仿真研究[22]，仿真電路如圖7所示，其中US為直流系統(tǒng)電壓;R為直流負(fù)載;K為接地故障點(diǎn);L為平波電抗。仿真電路參數(shù)見表6。

圖7 混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)仿真電路Fig.7 Simulation circuit of hybrid HVDC circuit breaker control and protection system

表6 混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)仿真電路參數(shù)Table 6 Simulation circuit of hybrid HVDC circuit breaker control and protection system parameters

4.1 控制策略仿真

(1)合閘控制。圖8為混合式高壓直流斷路器合閘仿真波形。

圖8 混合式高壓直流斷路器合閘仿真波形Fig.8 Closing simulation waveforms of hybrid HVDC circuit breaker

1 s時(shí)刻，斷路器收到合閘指令后，轉(zhuǎn)移支路開通，轉(zhuǎn)移支路電流開始上升；線路無預(yù)伏故障，10 ms后快速機(jī)械開關(guān)合閘，同時(shí)主支路閥組開通；機(jī)械開關(guān)合閘后約35 ms開關(guān)合閘到位；1.046 s時(shí)刻，電流從轉(zhuǎn)移支路換流至主支路，合閘操作完成。

(2)分閘控制。圖9為混合式高壓直流斷路器分閘仿真波形。

圖9 混合式高壓直流斷路器分閘仿真波形Fig.9 Opening simulation waveforms of hybrid HVDC circuit breaker

1 s時(shí)刻，斷路器收到分閘指令后，主支路閥組立即關(guān)斷，直流斷路器3 kA的額定電流從主支路換流至轉(zhuǎn)移支路，電流轉(zhuǎn)移時(shí)間約30 μs；換流成功后，快速機(jī)械開關(guān)分閘；分閘到位且建立足夠的絕緣能力后，1.002 9 s時(shí)刻，轉(zhuǎn)移支路關(guān)斷，電流轉(zhuǎn)移至避雷器閥組進(jìn)行耗散。

4.2 保護(hù)策略仿真

選取本體過流保護(hù)仿真參數(shù)如下，系統(tǒng)故障電流最大上升率max(di/dt)取3.55×103kA/s；保護(hù)延時(shí)Tdelay1，Tdelay2設(shè)為350 μs；開斷時(shí)間Topen要求小于3 ms；斷路器最大開斷電流Imax為25 kA；斷路器短時(shí)耐受電流INm為4.5 kA。計(jì)算得3個(gè)過流保護(hù)定值Iset0，Iset1，Iset2分別為6.8 kA，13 kA，23.5 kA。

(1)合閘過流保護(hù)。圖10為合閘過流保護(hù)動(dòng)作仿真波形。

圖10 合閘過流保護(hù)動(dòng)作仿真波形Fig.10 Simulation waveform of closing overcurrent protection

1 s時(shí)刻，斷路器收到合閘指令，立即開通轉(zhuǎn)移支路，電流上升；由于存在接地故障，電流迅速上升，超過合閘過流保護(hù)定值6.8 kA；經(jīng)過保護(hù)延時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)收到合閘過流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，立即閉鎖轉(zhuǎn)移支路，故障電流開始下降，所關(guān)斷的故障電流約為8.0 kA。

(2)主支路過流保護(hù)。圖11為主支路過流保護(hù)動(dòng)作仿真波形。

圖11 主支路過流保護(hù)動(dòng)作仿真波形Fig.11 Simulation waveform of main branch overcurrent protection

斷路器處于合位狀態(tài)，1 s時(shí)刻，線路發(fā)生故障，故障電流上升超過主支路過流保護(hù)定值13 kA；經(jīng)過保護(hù)延時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)檢測到主支路過流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，并立即將斷路器狀態(tài)置為禁分禁合狀態(tài)。由波形可知，再經(jīng)過3 ms(開斷時(shí)間)后，故障電流已經(jīng)上升至24.4 kA，接近斷路器最大開斷能力。

(3)轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)。圖12為轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)動(dòng)作仿真波形。

圖12 轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)動(dòng)作仿真波形Fig.12 Simulation waveforms of transfer branch overcurrent protection

斷路器分閘過程中，電流已換流至轉(zhuǎn)移支路，此時(shí)快速機(jī)械開關(guān)分閘操作過程中，轉(zhuǎn)移支路等待快速機(jī)械開關(guān)分閘到位后關(guān)斷，即完成斷路器分閘操作。但快速機(jī)械開關(guān)分閘到位前，故障電流上升超過轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)定值23.5 kA；經(jīng)過保護(hù)延時(shí)，控制保護(hù)系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)移支路過流保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，立即閉鎖轉(zhuǎn)移支路，故障電流開始下降，關(guān)斷時(shí)故障電流為24.7 kA，小于斷路器的最大關(guān)斷電流25 kA。避免故障電流進(jìn)一步上升，超過轉(zhuǎn)移支路最大關(guān)斷能力。

通過上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了控制保護(hù)系統(tǒng)及其策略的正確性和有效性。

5 結(jié)語

直流斷路器可在柔直電網(wǎng)中迅速開斷故障電流，逐漸成為柔性直流輸電工程中的關(guān)鍵設(shè)備。文中以混合式高壓直流斷路器為對象，研究其控制保護(hù)系統(tǒng)及控制保護(hù)策略。

(1)提出了混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)分為控制與保護(hù)兩部分，其中控制部分采用“冗余雙重化”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保護(hù)部分采用“三取二”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各部分結(jié)構(gòu)清晰，功能完善。

(2)研究了直流斷路器控制保護(hù)策略。控制策略包括混合式高壓直流斷路器的分閘、合閘控制策略；保護(hù)策略包括3種本體保護(hù)，即本體過流保護(hù)、本體設(shè)備保護(hù)、輔助設(shè)備保護(hù)等。

(3)對500 kV混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字仿真，給出斷路器合分閘及本體過流保護(hù)仿真波形，充分證明了文中所提出的控制保護(hù)系統(tǒng)的可行性，及控制保護(hù)策略的正確性。

展望未來，混合式高壓直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)及控制保護(hù)策略，還將根據(jù)實(shí)際工程需求不斷完善提升。