基于MMC與DCCB協(xié)調(diào)配合的直流電網(wǎng)快速重合閘策略

葉海

（國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部，上海 200001）

模塊化多電平換流器（modular multilevel converter，MMC）憑借低諧波、高拓展等優(yōu)勢(shì)，成為柔性直流輸電技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向，基于MMC的柔性直流電網(wǎng)亦成為了可再生能源外送的重要途徑[1-3]。目前我國(guó)已有如廈門雙端直流工程[4]、南澳三端直流工程[5]、舟山五端直流工程[6]、張北四端直流工程[7]等諸多MMC柔性直流輸電示范性工程。輸電模式由海底電纜向內(nèi)陸架空線轉(zhuǎn)型，但架空線受環(huán)境因素影響較大，較易發(fā)生故障，直流斷路器（DC circuit breakers，DCCB）[8-9]成為其必備的關(guān)鍵設(shè)備。DCCB開斷故障電流后，為保證整個(gè)交直流電網(wǎng)的快速恢復(fù)，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，必須對(duì)快速重合閘策略進(jìn)行深入研究。

文獻(xiàn)[10]基于附加電容的放電特性，提出了一種柔性直流輸電線路的自適應(yīng)重合閘策略，有助于降低重合閘失敗的電氣沖擊，但附加電容的預(yù)充電電源并不容易獲取。文獻(xiàn)[11]提出了一種重合閘電阻的計(jì)算方法，用以限制橋臂電流，進(jìn)而降低重合閘失敗后DCCB的電氣應(yīng)力，但如何快速投入重合閘電阻需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[12]提出了柔性直流電網(wǎng)換流器與DCCB的快速重合閘協(xié)調(diào)控制策略，以實(shí)現(xiàn)功率的快速恢復(fù)。文獻(xiàn)[13]針對(duì)全橋子模塊的MMC換流器，采用注入特征信號(hào)的方式來判別直流故障的性質(zhì)，用以解決HVDC無法選擇性重啟的問題，但其沒有依托直流故障抑制裝備，使用MMC換流器直接切斷故障電流，擴(kuò)大了故障影響范圍。文獻(xiàn)[14]針對(duì)直流電網(wǎng)提出了一種區(qū)分瞬時(shí)故障和永久故障的方法，提高了重合閘的成功率。

目前已有的研究大多僅局限于DCCB單獨(dú)重合閘或MMC單獨(dú)重合閘，本文充分利用直流電網(wǎng)MMC的工作特點(diǎn)和DCCB的運(yùn)行原理，提出一種MMC與DCCB相配合的快速重合閘策略，并搭建了500 kV的3端柔性直流電網(wǎng)以及8開關(guān)組直流斷路器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，使用數(shù)字仿真以及數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)[15]兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證，以證明所提出的方法具有工程適用性。

1 MMC及DCCB工作機(jī)理

模塊化多電平換流器和直流斷路器是構(gòu)建直流電網(wǎng)的兩種關(guān)鍵設(shè)備，MMC負(fù)責(zé)傳遞其兩側(cè)交直流系統(tǒng)的有功功率，DCCB負(fù)責(zé)在故障后6 ms內(nèi)快速切斷故障電流[9，16]，防止MMC閉鎖，擴(kuò)大故障影響面積。

1.1 MMC工作機(jī)理

目前的柔性直流工程大多采用半橋型子模塊（half bridge sub-modle，HBSM）構(gòu)建6橋臂換流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 MMC主電路Fig.1 Main circuit of MMC

圖1中，每個(gè)橋臂包含N個(gè)HBSM以及一個(gè)橋臂電抗器L，通過控制HBSM的IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)HBSM的電容C是否接入電路進(jìn)行控制，進(jìn)而在三相交流端口擬合出正弦交流電壓，即MMC的各橋臂可被視為受控電壓源。

圖1中：x相（x∈{a，b，c}）的電壓和電流分別由usx和ix來表示；x相上、下橋臂電流分別由ipx和inx來表示；x相上、下橋臂電壓分別由upx和unx來表示；直流電壓及電流分別由Udc和Idc來表示；HBSM電容電壓以及電容注入電流分別由uC和iC來表示；HBSM端口電壓以及端口注入電流分別由uSM和iSM來表示。

換流器的控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集的交流數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)橋臂應(yīng)該投入和切除的子模塊個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)功率的傳輸，控制策略對(duì)重合閘的影響將在后文詳述。

1.2 DCCB工作機(jī)理

ABB公司于2012年在世界范圍內(nèi)率先研制并投運(yùn)的混合式直流斷路器是目前直流系統(tǒng)的主要應(yīng)用設(shè)備，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該設(shè)備額定電壓及電流分別為320 kV和2 kA，并且能夠在5 ms時(shí)間段內(nèi)開斷8.5 kA的故障電流，實(shí)現(xiàn)MMC與故障點(diǎn)的物理隔離。該技術(shù)被評(píng)為2012年度科技里程碑[17]。

圖2 ABB混合式直流斷路器Fig.2 Hybrid DC breaker of ABB

通流支路、轉(zhuǎn)移支路以及泄能支路是構(gòu)成上述DCCB的主要能力流通路徑。當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生故障時(shí)，通流支路的超快速機(jī)械開關(guān)處于閉合狀態(tài)，各個(gè)IGBT器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，功率從通流支路流過。一旦系統(tǒng)發(fā)生故障后，控制保護(hù)系統(tǒng)立即命令轉(zhuǎn)移支路的IGBT導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷通流支路的IGBT，待通流支路的電流降低至0后，跳開超快速機(jī)械開關(guān)，待開關(guān)完全斷開后，關(guān)斷轉(zhuǎn)移支路的IGBT，剩余能量通過泄能支路的避雷器組進(jìn)行釋放。

2 直流電網(wǎng)重合閘策略

直流電網(wǎng)的大部分故障均為瞬時(shí)故障，快速重合閘能夠保證整個(gè)電網(wǎng)的快速恢復(fù)。為充分提升重合閘的速度，需要對(duì)操作時(shí)長(zhǎng)和恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)這兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

2.1 DCCB重合閘操作

DCCB完成能量泄放后100～200 ms，直流線路需完成去游離，控制保護(hù)裝置向DCCB下發(fā)重合閘指令。若直流電流呈可控態(tài)勢(shì)平穩(wěn)上升，則表明故障為瞬時(shí)故障，重合閘成功；若直流電流快速上升超過額定值，則表明故障為永久故障，重合閘失敗。由于DCCB的支路較多，重合閘時(shí)具體采用哪條支路還需進(jìn)一步分析。

在DCCB開斷故障電流后，為保證與故障點(diǎn)的物理隔離，超快速機(jī)械開關(guān)需要始終處于開斷狀態(tài)，所以若使用圖2通流支路進(jìn)行重合閘，還需等待2 ms左右的機(jī)械開關(guān)閉合時(shí)間，且如果重合閘失敗，仍要重復(fù)進(jìn)行故障電流轉(zhuǎn)移及開斷。故為保證重合閘時(shí)間，采用轉(zhuǎn)移支路進(jìn)行重合閘更為合理，即控制保護(hù)系統(tǒng)下發(fā)重合閘指令后，故障線路兩側(cè)的DCCB迅速導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路，若重合閘成功，則在功率逐步上升的同時(shí)，閉合超快速機(jī)械開關(guān)，然后導(dǎo)通通流支路的IGBT，最后斷開轉(zhuǎn)移支路的IGBT，將工作電流換流至通流支路。若重合閘失敗，則直接開斷轉(zhuǎn)移支路，切斷故障電流。

該過程的優(yōu)勢(shì)在于，轉(zhuǎn)移支路向通流支路換流的過程不會(huì)降低功率上升的速率，能夠提高重合閘速度，并且一旦重合閘失敗，僅需要斷開轉(zhuǎn)移支路，操作流程簡(jiǎn)單，速度快，需開斷的故障電流較低，轉(zhuǎn)移支路受到的沖擊電壓較小。

但配置DCCB的目的就是保證MMC在故障時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)行，防止故障影響面積擴(kuò)大，即故障后至重合閘階段直流電網(wǎng)的各個(gè)MMC仍為受控狀態(tài)，若控制器仍沿用系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的控制策略，可能導(dǎo)致故障點(diǎn)兩側(cè)的電壓不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致重合閘時(shí)刻出現(xiàn)沖擊電流，這種沖擊電流有可能會(huì)使控制保護(hù)系統(tǒng)誤認(rèn)為故障是永久故障，致使重合閘失敗。

2.2 MMC重合閘控制策略

為保證直流電壓與有功功率的平衡，直流電網(wǎng)的MMC通常采用下垂控制策略，當(dāng)直流電壓下降時(shí)，整流站增加d軸電流分量參考值，逆變站降低d軸電流分量參考值，以功率的形式維持直流電壓，反之亦然。經(jīng)典的下垂控制功率—電壓關(guān)系如圖3所示。

圖3 下垂控制功率—電壓關(guān)系Fig.3 Droop control power—voltage relationship

圖3中Pac和Udc分別是實(shí)際測(cè)量的交流有功功率和換流器直流端口電壓，Pref和Udcref分別是有功功率和直流電壓的參考值。

當(dāng)直流線路被DCCB開斷后，短時(shí)間內(nèi)整流站將出現(xiàn)功率盈余，下垂控制策略將這部分盈余能量以電壓的形式儲(chǔ)存于子模塊電容中，故障線路整流側(cè)端口呈現(xiàn)過電壓狀態(tài)；反之，故障線路逆變側(cè)端口呈現(xiàn)過電壓狀態(tài)。若在此時(shí)進(jìn)行DCCB重合閘操作，必定會(huì)有較大的電流沖擊，可能導(dǎo)致重合閘失敗。故本文將直流電網(wǎng)故障開斷后MMC外環(huán)控制策略改變?yōu)槎ㄖ绷麟妷嚎刂?，以保證重合閘時(shí)刻故障點(diǎn)兩側(cè)的電壓均衡，控制流程如圖4所示。

圖4 外環(huán)控制器下垂控制策略Fig.4 Droop control strategy of outer loop controller

圖4中，UdcN為直流電壓的額定值；idref為外環(huán)控制器輸出的d軸電流參考值，為防止過調(diào)制現(xiàn)象出現(xiàn)，idref需要經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)才能輸入值內(nèi)環(huán)電流控制器，idref_max和idref_min分別為其限幅的上限和下限。

2.3 DCCB和MMC配合重合閘邏輯

為保證直流電網(wǎng)快速恢復(fù)，所以含DCCB的直流電網(wǎng)重合閘過程應(yīng)分兩步走。第一步：在DCCB第一次切斷故障電流后，將故障線路兩側(cè)的MMC控制策略迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ绷麟妷嚎刂?，維持線路電壓恒定。第二步：故障線路兩側(cè)的DCCB接收到重合閘指令后，迅速導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路的IGBT開關(guān)，依據(jù)前文所述判斷是否重合閘成功，并進(jìn)行換路或再次開斷等操作。

自故障隔離至重合閘結(jié)束這段時(shí)間的具體操作流程如圖5所示。

圖5 重合閘流程圖Fig.5 Reclosing flow chart

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 軟件仿真

為驗(yàn)證所提出的DCCB與MMC的協(xié)調(diào)快速重合閘策略，在Matlab仿真軟件中搭建了3端500 kV柔性直流電網(wǎng)，各個(gè)換流站的中性線經(jīng)接地金屬回線相連接，直流電網(wǎng)架構(gòu)及DCCB配置情況如圖6所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖6 三端直流系統(tǒng)正極接線Fig.6 Three terminal DC system positive connection

表1 四端直流系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of four terminal DC system

如圖6所示，故障為換流站1與換流站2之間的正極直流電路與中性線發(fā)生短路，故障后至故障隔離階段的直流電流及DCCB轉(zhuǎn)移支路沖擊電壓如圖7所示。

圖7 故障電流及沖擊電壓Fig.7 Fault current and impulse voltage

可以看出，系統(tǒng)于穩(wěn)定運(yùn)行2 ms后發(fā)生故障，故障電流峰值約為8.5 kA，DCCB開斷故障電流所受的沖擊電壓約為960 kV，故障后6 ms直流斷路器完成開斷動(dòng)作，故障后15 ms左右泄能支路將剩余能量釋放完畢，故障電流徹底被切斷，實(shí)現(xiàn)故障隔離。

故障隔離后，直流線路需要100～200 ms的去游離時(shí)間，待控制保護(hù)系統(tǒng)下發(fā)重合閘命令后，故障線路兩側(cè)的DCCB立即導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路，重合閘前后的直流電壓及電流如圖8所示。

圖8 重合閘前后直流電壓及電流Fig.8 DC voltage and current before and after reclosing

由圖8可知，系統(tǒng)于2 s時(shí)刻發(fā)生故障，DCCB在2.006 s時(shí)刻完成動(dòng)作，2.2 s時(shí)刻進(jìn)行重合閘，直流電流平穩(wěn)上升至額定值，電流上升階段，直流電壓略有降低，隨即恢復(fù)額定值，整個(gè)系統(tǒng)處于可控狀態(tài)，重合閘成功。所提出的協(xié)調(diào)快速重合閘策略通過了仿真驗(yàn)證，具有一定的合理性，可應(yīng)用于柔性直流電網(wǎng)。

3.2 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的協(xié)調(diào)快速重合閘策略的工程適用性，構(gòu)建了一套轉(zhuǎn)移支路有8開關(guān)組、通流支路有2開關(guān)組的低壓直流斷路器樣機(jī)，樣機(jī)架構(gòu)及實(shí)驗(yàn)接線如圖9所示，由于實(shí)驗(yàn)過程中的電壓、電流較低，以及樣機(jī)構(gòu)建成本限制，樣機(jī)使用IRF530A作為電力電子開關(guān)來代替工程中的IGBT，IRF530A能夠承受100 V的電壓以及14 A的電流。直流電網(wǎng)仍采用3.1節(jié)給出的參數(shù)在Matlab軟件中構(gòu)建，直流電網(wǎng)模型運(yùn)行于RTLAB實(shí)時(shí)仿真器中，通過功率放大器與DCCB樣機(jī)相連接，進(jìn)行數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)。

圖9 直流斷路器樣機(jī)Fig.9 DC circuit breaker prototype

實(shí)驗(yàn)過程中的直流電流波形如圖10所示，直流電網(wǎng)正常運(yùn)行電流通過功率放大器等比例降低后，在直流斷路器樣機(jī)流過3 A實(shí)際電流，發(fā)生故障后，直流電流激增至9 A左右，該電流能夠被DCCB迅速開斷，重合閘后，直流電流呈現(xiàn)可控態(tài)勢(shì)上升，最終穩(wěn)定于3 A，重合閘成功。所提出的協(xié)調(diào)快速重合閘策略通過了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)，具有一定的工程適用性。

圖10 直流電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveform of DC current

4 結(jié)論

本文首先分析了MMC以及DCCB的工作機(jī)理，其次對(duì)DCCB重合閘時(shí)各個(gè)支路導(dǎo)通順序進(jìn)行研究，確定了使用轉(zhuǎn)移支路進(jìn)行重合閘的基本流程。為保證直流電網(wǎng)順利重合閘，對(duì)直流線路去游離階段的MMC控制策略進(jìn)行變換，實(shí)現(xiàn)了重合閘時(shí)刻故障線路兩側(cè)的電壓均衡，并設(shè)計(jì)了MMC與DCCB協(xié)調(diào)快速重合閘策略整體邏輯框架。最終通過3端500 kV柔性直流電網(wǎng)仿真以及8開關(guān)組DCCB數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)，證明了本文所提的重合閘策略具有一定的可行性與工程適用性。