橋式故障限流器在直流輸電系統(tǒng)故障限流技術(shù)中的應(yīng)用

殷培峰,閆海蘭

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

隨著我國(guó)直流輸電工程的發(fā)展，直流輸電技術(shù)以其遠(yuǎn)距離、大容量、低耗能的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。目前我國(guó)在直流發(fā)電裝機(jī)、發(fā)電量、電壓等級(jí)、電網(wǎng)規(guī)模均居世界前列。但這種交直流混聯(lián)大電網(wǎng)也給電力系統(tǒng)的故障暫態(tài)過(guò)程和繼電保護(hù)帶來(lái)了新的問(wèn)題[1]，由于直流故障阻尼小、危害大，電網(wǎng)中任何一點(diǎn)故障，都可能造成多個(gè)換流器閉鎖而導(dǎo)致大面積停運(yùn)。且直流電網(wǎng)故障發(fā)展速度極快，要求在幾毫秒甚至更短時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)故障線(xiàn)路的快速可靠定位。同時(shí)直流故障無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，使得直流故障隔離存在熄弧困難的問(wèn)題。如采用模塊化多電平換流器的直流電網(wǎng)中，當(dāng)直流線(xiàn)路上發(fā)生故障時(shí)，換流站橋臂電流和直流線(xiàn)路電流迅速上升，導(dǎo)致?lián)Q流站在保護(hù)和斷路器動(dòng)作期間被快速閉鎖，造成直流輸電系統(tǒng)停電[2]。因此，必須采取有效措施限制直流電網(wǎng)故障電流，確保直流輸電系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。

1 直流輸電系統(tǒng)故障類(lèi)型分析

采用模塊化多電平換流器(MMC)的直流輸電系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)主要由整流測(cè)交流系統(tǒng)、換流變壓器、換流器、交流和直流濾波器、平波電抗器、直流輸電線(xiàn)路、逆變側(cè)交流系統(tǒng)等組成[3]。如圖1所示。

圖1 直流輸電系統(tǒng)故障分布圖

直流輸電系統(tǒng)的繼電保護(hù)范圍，可劃分為區(qū)內(nèi)保護(hù)和區(qū)外保護(hù)。區(qū)內(nèi)保護(hù)是指本級(jí)直流輸電線(xiàn)路的全長(zhǎng)。區(qū)外保護(hù)是指對(duì)極線(xiàn)路、線(xiàn)路兩側(cè)的整流和逆變交流系統(tǒng)、平波電抗器、直流濾波器、換流器等。現(xiàn)以正極直流輸電線(xiàn)路上的保護(hù)為例，對(duì)直流輸電系統(tǒng)繼電保護(hù)故障類(lèi)型分析。圖1中與保護(hù)特征量動(dòng)態(tài)分析相關(guān)的故障類(lèi)型分為六種，分別是d1為本極限路上不同位置發(fā)生的接地故障；d2為對(duì)級(jí)線(xiàn)路上不同位置發(fā)生的接地故障；d3為本極線(xiàn)路整流側(cè)平波電抗器閥側(cè)的接地故障；d4為本極線(xiàn)路逆變側(cè)平波電抗器閥側(cè)的接地故障；d5為整流側(cè)交流母線(xiàn)三相短路故障；d6為逆變側(cè)交流母線(xiàn)三相短路故障。無(wú)論發(fā)生閥短路、線(xiàn)路接地、相間短路，都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重過(guò)電流[4]，危害直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 采用橋式故障限流器進(jìn)行限流的機(jī)理分析

如圖2所示，橋式故障限流器由二極管H橋、直流電抗器、偏置電源的串聯(lián)支路構(gòu)成。

圖2 正常運(yùn)行期間電流流通路徑

為正常運(yùn)行期間電流流通路徑，其中二極管H橋由四個(gè)串聯(lián)二極管組D1～D4構(gòu)成。為了降低故障限流器的功率損耗，直流電抗器LB采用超導(dǎo)繞組，直流電抗器LB與偏置電源Vdc支路連接在D1、D3的共陰極點(diǎn)和D2、D4的共陽(yáng)極之間，形成超導(dǎo)直流限流器。

直流偏置電源Vdc提供偏置電流Ib為：Ib=vdc/(Rl+RD) ,公式中，RL為直流電抗器的通態(tài)電阻，當(dāng)采用超導(dǎo)線(xiàn)圈時(shí)，RL可以忽略不計(jì)。RD為每個(gè)串聯(lián)二極管組D1～D4的通態(tài)電阻。在正常運(yùn)行期間，依據(jù)KCL定律，如果D1～D4全部導(dǎo)通，則四個(gè)二極管橋臂的電流可以表示為：iDl=iD4=(Ib+idc/2 ，iD2=iD3=(Ib-Idc)/2 。當(dāng)直流偏置電流Ib大于直流線(xiàn)路電流的絕對(duì)值|idc| 時(shí)，電流必然是正的。因此D1～D4可保持保持導(dǎo)通。同時(shí)流經(jīng)直流電抗器的電流將保持為常數(shù)Ib。此時(shí)，對(duì)于直流線(xiàn)路，直流電抗器相當(dāng)于被旁路，因此不會(huì)對(duì)直流電網(wǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[5]。

當(dāng)直流線(xiàn)路故障發(fā)生后，故障電流快速上升[6]，如圖3所示。在idc大于零的情況下，直流線(xiàn)路的故障電流idc超過(guò)直流偏置電流Ib，iD2=iD3=(Ib-idc)/2 變?yōu)樨?fù)值，使D2和D3自動(dòng)關(guān)斷，直流電抗器LB快速自動(dòng)接入故障電路中，起到故障限流的作用。

圖3 故障限流期間電流流通路徑idc>0

當(dāng)idc小于零時(shí)，|idc| 超過(guò)Ib時(shí)，iD1=iD4=(Ib+idc)/2 變?yōu)樨?fù)值，D1和D4自動(dòng)關(guān)斷，使直流電抗器自動(dòng)接入故障回路中，起到故障限流作用。如圖4所示。

圖4 故障限流期間電流流通路徑idc<0

通過(guò)以上分析 ，橋式故障限流器在直流電網(wǎng)中可以實(shí)現(xiàn)雙向自動(dòng)限流[7]，只要合理地設(shè)置直流偏置電流Ib，直流電抗器在直流線(xiàn)路故障發(fā)生后 ，可以很快的接入到故障回路中，發(fā)揮故障限流作用，從而滿(mǎn)足直流故障限流快速響應(yīng)的要求。

3 使用橋式故障限流器進(jìn)行直流故障限流的優(yōu)勢(shì)

采用橋式故障限流器與直接安裝直流電抗器的方法相比，橋式故障限流器避免了對(duì)直流輸電系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和直流斷路器隔離速度的影響[8]，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一在直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，橋式故障限流器中直流電抗器相對(duì)于直流線(xiàn)路而言，處于旁路狀態(tài)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[9]；第二直流故障發(fā)生后，橋式限流器中的直流電抗器可以自動(dòng)快速的接入故障回路中，起到限流作用；第三采用橋式限流器限流時(shí)，使直流斷路器故障隔離速度大大加快；第四直流斷路器斷開(kāi)后，直流電抗器將再次被自動(dòng)快速地從故障回路中旁路出去[10]。與直接安裝直流電抗器想比，故障電流清除時(shí)間將大大縮短。

4 結(jié)束語(yǔ)

在模塊化多電平換流器的直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)直流線(xiàn)路上發(fā)生故障時(shí)，大量直流電抗器直接安裝在電網(wǎng)中，會(huì)對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和直流斷路器隔離速度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如采用橋式故障限流器進(jìn)行限流，并與直流斷路器協(xié)同配合，使故障電流清除時(shí)間會(huì)大大縮短，提高了直流輸電系統(tǒng)供電的可靠性和安全性。