具备无闭锁穿越直流故障能力的直流自耦变压器

李梦柏, 向 往, 左文平, 姚良忠, 林卫星,3, 文劲宇

(1. 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学), 湖北省武汉市 430074;2. 新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司), 北京市 100192;3. 特变电工新疆新能源股份有限公司, 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830011)

0 引言

随着化石能源的逐渐枯竭和人们环境保护意识的逐渐提高,可再生清洁能源的研究与开发已迫在眉睫[1-2]。在可再生能源大规模远距离传输中,高压直流输电(HVDC)技术有着输电效率高、线缆造价低、功率调节快、可靠等优点,逐步成为较优选择[3-4]。而随着柔性直流输电(VSC-HVDC)技术和模块化多电平换流器(MMC)的发展,多端直流输电(MTDC)及直流电网的概念被逐步提出[5-7]。直流电网具备将可再生能源与传统能源广域互联的能力,可充分实现多种能源形式、多时间尺度、大空间跨度的互补[3-11]。

目前直流电网仍有几个关键问题亟待解决。一是直流线路故障的快速检测和隔离技术;二是要研制适用于直流系统的直流断路器;三是要研发合适的直流变压器[10]。中国提出利用VSC-HVDC技术将西南地区、三北地区和东部沿海地区的新能源连接成多个区域直流电网,再进一步利用电流源型直流输电(LCC-HVDC)技术将直流电网输出的大规模电力送往东部负荷中心[12-13]。直流变压器是解决以上互联问题的关键设备之一。

目前国内外专家学者已提出多种适用于不同场景的高压大功率直流变压器拓扑[14-20]。从能量转换角度来看,以上直流变压器全部传输功率均需经过两级直流/交流变换,造成换流器容量大,运行损耗高等缺点。为解决以上问题,文献[21]提出一种直流自耦变压器(DC autotransformer,DC AUTO)技术,通过3个MMC级联,可显著降低变压器所需容量。在中低电压变比场合,直流自耦变压器技术可以减少换流阀建造成本及传输损耗。

从经济角度来看,在未来远距离大规模柔性直流输电工程及直流电网更宜采用成本较低的直流架空线。但直流架空线故障率较高,能快速限制并切断故障电流的直流断路器工程造价昂贵且可靠性仍待验证[22-24]。基于换流器自清除的柔性直流隔离方法则具有无需机械开关动作、系统恢复速度快的特点[9],文献[25]在文献[21]的基础上提出了一种具备故障隔离能力的直流自耦变压器,但该换流器从闭锁到重启之前无法传输功率,且在清除直流故障之后系统重启时间较长,无法应对未来直流输电可靠传输的需求。

文献[26]提出一种混合子模块型MMC,通过适当混合半桥子模块(half bridge submodule,HBSM)及全桥子模块(full bridge submodule,FBSM),使得MMC可以实现低直流电压甚至零直流电压下的稳定运行,为直流变压器实现外部直流线路故障穿越提供了先决条件。

因此,本文在文献[25,27]的基础上提出了具备无闭锁穿越直流故障能力的直流自耦变压器。在保留直流自耦技术的优点同时,使得该变压器具备故障穿越能力,可以在外部直流线路发生故障时换流器不闭锁,大大减短系统重启时间。

1 无闭锁直流自耦变压器拓扑及基本原理

1.1 无闭锁直流自耦变压器拓扑

图1为无闭锁直流自耦变压器拓扑。由图可知,该变压器主要用于连接两个直流系统,即低压直流系统电源E1和高压直流系统电源E2。无闭锁直流自耦变压器主要由3个MMC级联组成。其中,E1直接与MMC2直流侧相连,E2与MMC1的正极和MMC3的负极相连。3个MMC的交流侧各自经过交流变压器后接于公共交流母线B1上。Ldc1和Ldc2分别为低压侧和高压侧限流电抗。

图1 无闭锁直流自耦变压器拓扑Fig.1 Topology of uninterrupted DC AUTO

与文献[25]提出的直流自耦变压器不同的是,本文变压器中的MMC1至MMC3均为文献[27]中所述的混合型MMC。由图2可知,该混合型MMC由HBSM和FBSM组成,通过调整HBSM和FBSM个数,在拥有与全桥型MMC同样的故障隔离能力的同时,降低了成本。因此,混合型MMC具备在零电压甚至负电压下工作的能力,这为直流自耦变压器实现无闭锁穿越直流故障提供了基础。

1.2 直流自耦变压器数学方程及其基本特性

令直流自耦变压器的升压变比为k,即k=E2/E1。忽略功率传输损耗,电流方向均如图1所示,图1中直流自耦变压器传输功率PT=E1idc1=E2idc2,idc1和idc2分别为E1输出的直流电流和注入E2的直流电流。则3个MMC的功率为:

(1)

由此可得,当直流自耦变压器传输额定功率PN时,直流自耦变压器所需的总容量Ptot为:

图2 单相混合型MMC拓扑Fig.2 Topology of a single-phase hybrid-MMC

Ptot=|PDCMMC1|+|PDCMMC2|+|PDCMMC3|=

(2)

在传统直流变压器中,所有能量均需经过两级交流/直流变换,所以换流器总容量为实际所需传输直流功率的两倍。由式(2)可知,在直流自耦变压器技术中,换流器所需总容量为传统直流变压器的1-1/k。因此采用直流自耦技术可以降低直流变压器换流阀的建造容量,从而可以一定程度地降低换流阀的建造费用。且由于交流/直流变换的有功功率减少,也降低了变压器的传输损耗。

从式(2)中可以进一步看出，当k越接近1时,采用直流自耦变压器技术的直流变压器容量就越小,例如当直流电压变比k=2时,采用直流自耦变压器技术的变压器容量仅为采用传统直流变压器技术容量的50%。而当k逐渐升高时,直流自耦变压器技术的优势不再明显。因此,直流自耦变压器在中低电压变比场合具有较好应用。

2 无闭锁直流自耦变压器的设计

2.1 MMC直流工作电压要求

无闭锁直流自耦变压器的设计本质上是MMC1至MMC3的设计,文献[28]在文献[27]的基础上优化了混合子模块型MMC的设计，即

(3)

(4)

式中:Vmin,pu为混合型MMC稳定运行最低电压的标幺值;NFB为混合型MMC中的FBSM个数;NHB为HBSM个数;Vdcn为直流侧正极对负极的额定电压;Vcn为子模块电容额定电压。本节将主要确定无闭锁直流自耦变压器中3个MMC的稳定运行电压范围。

无闭锁直流自耦变压器最终要的设计目标是能够在不闭锁任何MMC的情况下穿越变压器任意一侧的直流故障。因此,本文只研究直流线路中最严重的双极短路故障。

当低压侧发生极对极短路故障时,MMC1至MMC3的工作电压如附录A图A1所示；在低压侧发生双极短路时,MMC2应具备在零直流电压下工作的能力,而MMC1和MMC3的工作电压由(E2-E1)/2提高到E2/2。

同样的,当高压侧直流线路发生极对极短路时,MMC1至MMC3的工作电压如附录A图 A2所示。MMC2将保持故障之前的工作电压E1以维持公共交流母线电压稳定。但MMC1和MMC3应当具备稳定工作运行在-E2/2直流电压的能力,即具备负电压输出能力。

因此,由上述总结可得无闭锁直流自耦变压器中MMC1至MMC3为实现穿越两侧直流线路故障,必须满足附录A表A1中的要求。

2.2 MMC设计方法

由附录A表A1可知,在穿越两侧直流故障的需求中,MMC2的Vmin,pu=0,因此可以按照式(3)和式(4)设计。而MMC1和MMC3的工作电压最大值需达到E2/2,高于正常时工作电压(E2-E1)/2,工作电压最小值达到-E1/2。因此其子模块数目需重新设计。

为使HBSM正常均压,桥臂电流值需有正有负,由文献[27-28]可知,|Vmin,pu|≥0.5,即|E1/(E2-E1)|≥1/2。

计算可知,当k≤3时,桥臂电流值可以满足有正有负的条件。由文献[27-28]可知,此时子模块的数目仅需由桥臂工作电压范围决定。则可以得出在不同工况下MMC1和MMC3桥臂输出电压需求如附录A图A3所示。由此可得MMC1和MMC3桥臂的最大/最小输出电压为:

(5)

因此,MMC1和MMC3中单个桥臂的FBSM,HBSM的个数为:

(6)

同理,当k>3时,为使得HBSM成功均压,额外投入的子模块需全为FBSM。从而,可得MMC1和MMC3中单个桥臂的FBSM,HBSM个数为:

(7)

综合式(6)和式(7),可得无闭锁直流自耦变压器中MMC1和MMC3的设计公式为:

(8)

(9)

2.3 无闭锁直流自耦变压器设计步骤

综合2.1节和2.2节可得无闭锁直流自耦变压器的整体设计步骤如下。

1)给定参数为两端直流电压E1和E2,额定传输功率PN,子模块个数N。

2)根据子模块个数N及文献[29]中所述方法计算子模块电容额定电压Vcn。

3)根据式(3)和式(4)设计MMC2中的FBSM和HBSM的数目。

4)根据电压变比k及式(8)和式(9)确定MMC1和MMC3中的FBSM和HBSM的数目。

3 无闭锁直流自耦变压器的控制

为保证无闭锁直流自耦变压器在稳态和故障状态下的正常运行,本节主要提出一种上层控制器及3个MMC相应的独立控制器,控制器框图如图3所示。图中:Pref为无闭锁直流自耦变压器的功率指令参考值;V1和V2为变压器两侧直流电压;I1和I2为变压器两侧直流电压。图中左侧为无闭锁直流自耦变压器的上层控制器(只有在低压侧双极故障时需要),右侧为3个MMC相应的独立控制器。在文献[27-28]中均已阐明混合子模块型MMC含有两个控制参数即交流调制比mabc和直流调制比mdc,其中交流调制比mabc用于控制桥臂电容电压稳定,直流调制比mdc则用于控制直流功率/电压等参考量。

图3 无闭锁直流自耦变压器控制器Fig.3 Controller for uninterrupted DC AUTO

无论在稳定运行还是在故障状态下,MMC2的主要控制目标均为维持交流母线电压稳定。在稳定运行时,上层控制器根据功率指令值计算出MMC1和MMC3的电流参考值,用于控制有功功率的传输；在检测到故障时,上层控制器会将MMC1和MMC3的电流参考值设定为0来穿越直流故障。

在3个MMC的独立控制器中,交流控制回路用于控制交流母线电压,直流控制回路用于控制桥臂电容电压。相应的,MMC1和MMC3的交流控制回路用于维持各自桥臂电容电压稳定,直流控制回路通过控制直流侧电流来控制传输的有功功率。

值得注意的是,在低压侧双极直流故障时,MMC2需继续维持交流母线电压稳定,但是在此时MMC2的直流侧电压已经很低,无法继续维持桥臂电容电压的稳定。因此,在这种情况下,MMC2桥臂电容电压控制器的输出值会添加至MMC1和MMC3的直流电流控制器上,通过控制MMC1和MMC3的直流侧功率来控制MMC2的交流侧功率,从而可以补偿MMC2的桥臂电容电压不足,实现MMC2的稳定控制。

综上所述,无论在正常运行时还是在故障状态下,本为提出的控制器均能保证无闭锁直流自耦变压器的稳定运行。

4 仿真验证

4.1 测试系统参数

为了验证本文所提出无闭锁直流自耦变压器的技术可行性及控制策略的有效性,本文在PSCAD/EMTDC平台下搭建了1 000 MW,±320 kV/±640 kV的测试仿真系统,其中主接线图如附录B图B1所示。从图中可以看出，无闭锁直流自耦变压器主要用于互联±320 kV和±640 kV两个直流系统。其中直流系统采用直流电压源模拟。A，B，C和D均为模拟故障发生点。Ldc1和Ldc2分别为低压侧和高压侧限流电抗,R1和R2分别为低压侧和高压侧线路电阻,其中具体参数见附录B表B1。i1和i2分别为低压侧和高压侧电流,下标p和n分别代表正极和负极。虚线框内所标示为本文提出的无闭锁直流自耦变压器,主要由MMC1, MMC2, MMC3, 公共交流母线B1及3个交流变压器所组成。其中MMC的FBSM和HBSM个数如附录B表B2所示,其个数均根据第2节所提出方法计算确定。

4.2 低压侧直流故障验证

图4为无闭锁直流自耦变压器低压侧直流故障测试仿真波形图。系统运行工况为:0 s时系统运行在零功率状态; 0～0.2 s时,系统启动; 从0.2 s到1 s时,系统功率缓慢从0上升到额定功率, 即1 000 MW; 1.2 s时,低压侧C点处发生单极对地短路,并在1.7 s时清除故障; 2 s时,低压侧C点和D点发生双极短路故障,并在2.5 s时清除故障。

图4 无闭锁直流自耦变压器低压侧直流故障响应Fig.4 Response of uninterrupted DC AUTO to the DC fault on the low voltage side

图4(a)为无闭锁直流自耦变压器低压侧和高压侧直流电压,从图中可见,在低压侧发生直流故障时,高压侧电压保持稳定,并未受其影响,证明无闭锁直流自耦变压器具备隔离直流故障能力。

图4(b)为直流功率的指令值与低压侧和高压侧直流功率实测值。可见,无论在故障期间还是在稳态运行时,直流功率跟踪情况良好。单极对地故障后,直流功率变为原来的1/3,并在故障清除后恢复额定功率运行;双极对地故障时,直流功率将快速降为0,并在2.5 s故障清除后恢复额定功率运行。

图4(c)和(d)分别为低压侧和高压侧电流波形,由图可见无论在故障期间还是在稳态运行时,直流电流的跟踪情况良好。并且在故障期间电流始终属于可控状态,并未有过电流情况出现; 在单极对地故障时,低压侧正极负极电流保持相等,消除了对地电流。而在双极短路故障时,低压侧和高压侧的正负极电流均被控制为0。

图4(e)则为无闭锁直流自耦变压器公共交流母线电压的d,q轴分量,由图可见,在故障发生瞬间交流电压会有小幅度暂态波动,但在控制器响应之后将会保持稳定,这为无闭锁直流自耦变压器在故障期间的稳定运行提供了先决条件。

4.3 高压侧直流故障验证

图5为无闭锁直流自耦变压器高压侧直流故障测试仿真波形图。系统运行工况为:0 s时系统运行在零功率状态; 0～0.2 s时,系统开始启动; 系统功率在0.2 s至1 s时缓慢从0上升到额定功率, 即1 000 MW; 1.2 s时,高压侧A点发生单极对地短路,并在1.7 s时清除故障; 2 s时,高压侧A点和B点发生双极短路故障,并在2.5 s时清除故障。图5(a)为无闭锁直流自耦变压器两侧直流电压,从图中可以看出在高压侧发生单极对地故障及双极短路故障时,低压侧电压不受影响,证明无闭锁直流自耦变压器具备隔离故障能力。

图5(b)为直流功率的指令值与低压侧和高压侧直流功率实测值。可以看出，无论是在故障期间还是在稳定运行时,直流功率的跟踪性能良好。在单极对地故障后,无闭锁直流自耦变压器将传输一半的功率值,并在故障清除后恢复额定功率运行；在双极对地故障时,直流功率将快速降为0,并在2.5 s故障清除后恢复额定功率运行。由图5(b)可见,无闭锁直流自耦变压器无需在直流故障时闭锁变压器,可在故障清除后快速重启,不存在启动及延时过程。

图5 无闭锁直流自耦变压器高压侧直流故障仿真Fig.5 Response of uninterrupted DC AUTO to the DC fault on the high voltage side

图5(c)和(d)分别为低压侧和高压侧电流波形,由图可见在故障期间电流始终属于可控状态,且并未有过电流情况出现。在单极对地故障期间,正极和负极电流保持平衡以消除接地点电流,而在双极短路期间,正负极电流将会被快速控制为零以消除故障点电弧。同时,在故障切除之后,直流电流能快速恢复至额定值。

图5(e)为无闭锁直流自耦变压器公共交流母线电压的d，q轴分量,由图可见,与低压侧故障相似,在故障瞬间交流电压有短时暂态波动,但在控制器响应后电容电压可保持稳定,这为无闭锁直流自耦变压器在故障期间的稳定运行提供了先决条件。

5 结语

本文提出了一种具备无闭锁穿越直流故障能力的直流自耦变压器。通过对直流自耦变压器中MMC子模块的重新设计及控制策略的修改,使得该换流器在保留直流自耦变压器低建造成本、低传输损耗的优点基础上,具备无闭锁穿越低压侧和高压侧直流故障的能力。本文主要针对所提直流变压器本身展开研究,后续将继续针对本变压器应用于互联中低电压变比的LCC-HVDC和VSC-HVDC直流系统展开深入研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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