張亮, 李丹棟, 史明明, 葛雪峰 , 袁宇波
(1. 南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院,江蘇 南京 211167;2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103)
隨著分布式電源的高比例廣泛接入,直流配電網(wǎng)因技術(shù)上的優(yōu)勢,成為工程示范探索熱點。然而,直流短路故障具有短路電流幅值大、上升率高以及直流網(wǎng)壓跌落嚴(yán)重等缺點,在直流配電網(wǎng)的推廣中須克服該缺點。直流故障限流器(fault current limiter,F(xiàn)CL)能夠快速抑制故障電流,是目前實際工程中解決直流短路故障較為常用的設(shè)備之一。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對直流FCL進(jìn)行了大量研究[1—2],主要為超導(dǎo)型FCL和電力電子型FCL。其中,超導(dǎo)型FCL[3—4]由于制造工藝和成本問題,尚未得到廣泛應(yīng)用,因此目前重點關(guān)注電力電子型FCL的研究。文獻(xiàn)[5]提出一種橋式FCL,通過電力電子器件通斷實現(xiàn)低頻到高頻的轉(zhuǎn)換,并通過改變占空比實現(xiàn)過流抑制能力的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[6]提出一種混合磁飽和型FCL,結(jié)合磁飽和特性,在保證限流效果的基礎(chǔ)上降低裝置成本和損耗。文獻(xiàn)[7]研究了混合型直流FCL,基于電流轉(zhuǎn)移原理,使用直流斷路器實現(xiàn)故障電路的分?jǐn)?。文獻(xiàn)[8]研究了一種固態(tài)直流FCL,具有器件少、成本低和工作可靠等優(yōu)點。此外,還有一些學(xué)者關(guān)注了復(fù)合功能型FCL的研究。文獻(xiàn)[9]提出一種新型的電阻式直流FCL,可以提高直流故障電流回路的阻尼,有效抑制故障電流,使得斷路器在直流短路發(fā)生時,更安全有效地動作,從而隔離故障。文獻(xiàn)[10]提出一種具有2種工作模式的新型多功能飽和鐵芯FCL,通過模式切換,可實現(xiàn)故障電流限制和潮流控制。文獻(xiàn)[11]提出一種具備串聯(lián)補償能力的FCL,通過適當(dāng)?shù)膮?shù)配合,在滿足故障限流的同時提供串聯(lián)補償功能。文獻(xiàn)[12]提出一種新型多功能電力電子限流器,通過控制絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)和晶閘管支路實現(xiàn)電能質(zhì)量優(yōu)化和故障限流。從FCL研究現(xiàn)狀來看,現(xiàn)有FCL大部分功能有限,無法滿足直流電網(wǎng)不同故障工況下的復(fù)合應(yīng)用需求[13—16]。
鑒于此,文中提出一種多功能模塊化直流FCL新型拓?fù)?,在分析其運行機(jī)理的基礎(chǔ)上,分別針對故障限流、能耗泄放和直流網(wǎng)壓支撐功能,完成控制策略設(shè)計與開發(fā)。并在Matlab/Simulink中構(gòu)建仿真模型,驗證了所提多功能模塊化FCL在交直流混合電網(wǎng)典型故障工況下的應(yīng)用有效性。
文中提出一種多功能模塊化直流FCL電路拓?fù)洌溥B接方式和子模塊拓?fù)淙鐖D1所示。
圖1 多功能模塊化直流FCL電路連接方式及子模塊拓?fù)?/p>
圖中多功能模塊化直流FCL由多個電力電子功率單元子模塊串聯(lián)組成,具有故障限流、短路能量泄放、直流網(wǎng)壓支撐功能。功率單元子模塊中L為限流電感,R為泄能電阻,C為支撐電容,依靠不同支路電力電子器件的通斷,實現(xiàn)上述3種功能。故障限流功能通常在故障發(fā)生后投入,及時抑制故障電流。另外,針對交直流電網(wǎng)實際容量和應(yīng)用需求,F(xiàn)CL依據(jù)配置的電阻是否滿足系統(tǒng)的能量泄放要求,選擇短路能量泄放模式或者直流網(wǎng)壓支撐功能來配合限流模式。
為及時響應(yīng)短路故障,需將多功能直流FCL串聯(lián)于交直流混合電網(wǎng)電力電子變壓器(power electronic transformer,PET)出口與直流電網(wǎng)母線正極之間,具體如圖2所示。
圖2 直流FCL典型配置
其中,Us為交流電網(wǎng)電壓;Is為交流電網(wǎng)輸入電流;Idc為PET直流側(cè)電流;Udc為直流電網(wǎng)電壓。
多功能模塊化直流FCL有4種工作模式,分別為旁路運行模式、故障限流模式、短路能量泄放模式以及直流網(wǎng)壓支撐模式,具體如圖3所示,其中,T1—T4采用IGBT。
圖3 多功能模塊化直流FCL運行模式
旁路運行模式下,功率子模塊中的T1、T4導(dǎo)通,其余IGBT關(guān)斷,子模塊整體旁路。故障限流運行模式下,T3導(dǎo)通,其余IGBT關(guān)斷,子模塊限流電感投入,實現(xiàn)故障限流。短路能量泄放運行模式下,T2導(dǎo)通,其余IGBT關(guān)斷,子模塊泄能電阻投入,實現(xiàn)短路能量泄放,同時在一定程度上穩(wěn)定直流側(cè)電壓。直流網(wǎng)壓支撐運行模式下,T4導(dǎo)通,其余IGBT關(guān)斷,實現(xiàn)直流網(wǎng)壓支撐。
限流模式通常在故障發(fā)生后立即運行,從而快速限制故障激增電流。圖4為限流模式的控制策略框圖,其中Idc_rated為直流側(cè)電流額定值,當(dāng)直流側(cè)電流Idc超過Idc_rated時,判斷為系統(tǒng)發(fā)生故障[17],F(xiàn)CL運行于限流模式。
圖4 限流模式控制策略
假定交直流混合系統(tǒng)直流電網(wǎng)等效負(fù)載為Rload,在泄放模式下,為使得模塊化FCL完全滿足故障能量的泄放需求,理論上須保證投入子模塊的泄放電阻阻值之和大于Rload,并結(jié)合工程要求合理選擇電阻功率。
圖5為短路能量泄放模式控制策略框圖,其中Idc_limit為直流側(cè)故障電流閾值;Vdc_normal,Idc_normal分別為交直流系統(tǒng)正常運行時直流網(wǎng)側(cè)電壓和直流側(cè)電流;Rsum為所有模塊泄放電阻阻值之和。
圖5 短路能量泄放模式控制策略
模塊化FCL通過改變子模塊投入數(shù)量組合出不同阻值的等效阻抗,達(dá)到不同的泄放能力,以應(yīng)對不同限流與能量泄放需求[18]。假設(shè)Ri_load為模塊化FCL前i個子模塊投入后的等效電阻,即Ri_load=R1+R2+…+Ri。當(dāng)剛好滿足Ri_load>Rload時,表示投入i個子模塊電阻即滿足限流與泄放功率所需。
實際工程中FCL子模塊和泄放電阻有體積、功率和成本限制,所配置的電阻Rsum可能并不足以泄放全部故障能量。此時,F(xiàn)CL還可以選擇工作于直流網(wǎng)壓支撐模式,并與系統(tǒng)中其他電力電子設(shè)備協(xié)同工作實現(xiàn)故障穿越。圖6為多功能模塊化直流FCL工作于直流網(wǎng)壓支撐模式時的控制策略框圖。
圖6 直流網(wǎng)壓支撐功能控制策略
綜上所述,故障發(fā)生時,多功能模塊化直流FCL會及時啟動限流功能。當(dāng)故障持續(xù)超出限流能力時,根據(jù)所配置的泄放等效電阻進(jìn)行狀態(tài)綜合判斷,從而切換至短路能量泄放模式或者直流網(wǎng)壓支撐模式[19—20]。
在Matlab/Simulink中搭建配置模塊化FCL的交直流混合電網(wǎng)仿真模型,其中直流側(cè)電網(wǎng)電壓為750 V;交流側(cè)電網(wǎng)電壓為10 kV;模塊化FCL模塊數(shù)為5個;單模塊限流電感根據(jù)工程實際需要選擇。開展模塊化直流FCL與傳統(tǒng)電感型FCL應(yīng)用對比分析,幾種典型工況見表1。模擬的故障類型為直流側(cè)永久性極間短路故障,短路故障發(fā)生于0.15 s。
表1 交直流混合電網(wǎng)典型故障工況
工況1:配置傳統(tǒng)電感型FCL,系統(tǒng)運行情況如圖7所示。
圖7 工況1下系統(tǒng)運行情況
由圖7可知,采用傳統(tǒng)電感型FCL,極間短路故障電流得到一定程度的抑制,故障電流被限制后仍為正常運行時的數(shù)倍。
工況2:故障期間多功能模塊化FCL選擇故障限流結(jié)合短路能量泄放模式,系統(tǒng)運行情況如圖8所示。
圖8 工況2下系統(tǒng)運行情況
由圖8可知,故障發(fā)生后出現(xiàn)短時過流,判斷到超出故障限流能力后,系統(tǒng)選擇能量泄放模式,從而有效抑制故障電流,直流網(wǎng)壓與交流電壓維持穩(wěn)定。
工況3:故障期間多功能模塊化FCL選擇故障限流結(jié)合直流網(wǎng)壓支撐模式,運行情況如圖9所示。
圖9 工況3下系統(tǒng)運行情況
由圖9可知,當(dāng)泄能電阻小于交直流混合電網(wǎng)的等效負(fù)載時,即不滿足承擔(dān)交直流混合電網(wǎng)的功率泄放要求時,選擇直流網(wǎng)壓支撐模式,此時直流電壓能夠穩(wěn)定在額定電壓值,換流器運行在空載狀態(tài)。
對比圖7—圖9,傳統(tǒng)電感型直流FCL在故障發(fā)生瞬間僅起到抑制電流激增功能,故障電流仍數(shù)倍于正常運行值。多功能模塊化FCL不僅可將故障電流控制在安全范圍內(nèi),還可以實現(xiàn)直流網(wǎng)壓在故障期間的穩(wěn)定,更容易滿足故障穿越等高級應(yīng)用需求。
針對傳統(tǒng)直流FCL無法滿足直流電網(wǎng)不同故障工況下的復(fù)合應(yīng)用需求,提出一種多功能模塊化直流FCL拓?fù)?。文中詳?xì)分析了其工作原理,并針對性地開展了不同模式切換的控制策略設(shè)計,構(gòu)建多工況仿真模型,開展仿真驗證研究。結(jié)果表明,文中模塊化多功能FCL拓?fù)浜涂刂品椒軌驖M足交直流混合電網(wǎng)多種故障情況下的故障限流需求。文中研究成果可為后續(xù)交直流混合電網(wǎng)的直流故障限流工程實踐提供理論參考。
本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目(J2019131)資助,謹(jǐn)此致謝!