适用于两电平电压源型换流器的直流故障清除辅助拓扑

蓝童琨, 李银红, 段献忠, 罗　强, 陈朝晖

(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. 电力安全与高效湖北省重点实验室(华中科技大学)， 湖北省武汉市 430074；3. 华中科技大学电气与电子工程学院, 湖北省武汉市 430074;4. 中国南方电网电力调度控制中心, 广东省广州市 510623)

0　引言

两电平电压源型换流器(voltage source converter,VSC)是应用时间最长、技术最成熟的一类VSC[1-2],具有拓扑结构简单、控制难度低、制造成本低等优点。相比于其他类型VSC,其在35 kV及以下输电场合具有更高的成本效率比[3-4],被广泛应用于风电并网等领域[5-7]。

与其他类型VSC一样,两电平VSC同样不具备直流双极短路故障自清除能力。双极短路故障情况下,控制系统迅速闭锁换流站,交流侧仍可通过桥臂反并联二极管向故障点注入短路电流[8],故障持续存在。目前,实际工程中通常采用跳开交流断路器的方法将双极短路故障清除。但是,交流断路器开断速度较慢,最快也需2至3个工频周期[9-10],给电网设备安全带来了不可忽视的影响。

直流断路器可在数毫秒内将双极短路故障清除,是一种有效的解决方案。文献[11]提出了一种混合型直流断路器,其通过分断快速开关使电流转移至主开关,从而实现故障清除,但快速开关的分断存在较大电弧,分断能力受限。文献[12]使用基于全控型电力电子器件的辅助开关配合快速开关进行分断,提升了分断能力,但成本较高。文献[13]提出了基于晶闸管的无弧直流断路器,通过辅助电源的反向电流作用,实现了快速开关无弧分断,进一步提升了分断能力,并降低了成本。

改进VSC拓扑使其具备直流故障清除能力是另外一种有效的解决方案,也受到了学术界与工程界的广泛关注。目前,相关研究主要集中在模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的改进[14-16],很少有关于两电平VSC改进的研究。

本文提出了适用于两电平VSC的直流故障清除辅助拓扑。采用所提辅助拓扑的直流故障清除方案,具有清除速度快、故障电流小、电压变化率低等优点。最后,所提辅助拓扑的正确性与有效性在PSCAD/EMTDC中得到了验证。

1　两电平VSC典型拓扑及直流侧典型故障

两电平VSC拓扑如图1所示,由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、反并联二极管D、直流电容C、平波电抗器Ls构成。接地方式为直流侧分裂电容中点高阻Z接地,是一种常用的接地方式[17-18]。该种接地方式的两电平VSC在不同类型直流故障下的故障清除方式存在明显差异。

在单极接地故障F1下,零电位点由接地点转移到故障点,直流输电系统产生0.5Udc的直流偏置,换流站耐压能力有限,控制保护系统闭锁换流站。换流站闭锁后,交流侧无法与直流侧故障点形成放电回路,故障被清除[19]。

在双极短路故障F2下,直流电压大幅下跌,桥臂电流增大。IGBT过电流耐受能力有限,控制保护系统在数毫秒内闭锁换流站。换流站闭锁后,交流侧仍可通过桥臂反并联二极管向故障点注入短路电流,需要借助外部断路器才能将故障清除[8]。

综上所述,该种接地方式的两电平VSC无法实现直流双极短路故障清除,本文将基于此展开拓扑改进研究。

图1　两电平VSC拓扑Fig.1　Topology of two-level VSC

2　直流双极短路故障暂态特性分析

直流双极短路故障发生后,直流电压大幅下跌,桥臂电流与直流电容电流上升,为了保护换流站,控制保护系统在数毫秒内闭锁。闭锁前故障电流在换流站耐受范围之内,远小于闭锁后的故障电流,因此,下文将忽略闭锁前过程,对闭锁后的故障暂态特性展开分析。

换流站闭锁后可等效为三相不控整流桥,如图2所示。其中,Rl和Ll分别为直流线路等值电阻与电感。线路对地电容远小于直流电容C,在此忽略不计。

直流电容是影响故障暂态过程的关键因素,基于此,根据直流电容的放电、充电特性,将故障暂态过程分为如下3个阶段:直流电容放充电阶段、二极管同时导通与电感续流阶段、稳态不控整流阶段[20]。

2.1　阶段1:直流电容放充电阶段

该阶段中,暂态特性体现在:直流电容放电、充电;交流侧通过不控整流向故障点注入短路电流。电流回路如图2(a)所示,其中iC为直流电容电流,is为交流侧注入电流。电流回路的复频域方程为:

(1)

(2)

图2　各阶段电流回路Fig.2　Current loop of each stage

式中:L=2Ls+2Ll;R=2Rl;UC(s)和IC(s)分别为直流电容电压和电流的复频域表达式;U0为直流电容初始电压;I0为线路电感初始电流。

联立式(1)和式(2)可得:

(3)

(4)

式中:

由于直流电容呈欠阻尼放电特性,当uC=0时,交流侧不再由不控整流向故障点注入短路电流,阶段1过程结束。

2.2　阶段2:二极管同时导通与电感续流阶段

阶段1中直流电容呈欠阻尼放电特性,当uC=0时,进入阶段2。阶段2中,平波电抗器Ls、线路电感Ll的正向电动势使桥臂二极管D1至D6全部导通,直流电容C被旁路。电流回路如图2(b)所示,交流侧相当于三相短路,不再由不控整流向故障点注入短路电流;直流电流idc流经各相桥臂,不再流经直流电容。相应的电流表达式为:

(5)

(6)

式中:iac为交流电流;E为交流电源电压;Lt为换流变压器等效电感;idc为直流线路电流;Idc0为阶段2直流初始电流。

桥臂电流由交流侧注入电流iac与直流电流idc构成,表达式如式(7)所示(二极管导通方向为正方向)。

(7)

式中:iup和idown分别为上、下桥臂电流。

由式(6)可知,idc随时间衰减,式(7)将出现iup或idown为零的情况,则二极管D1至D6同时导通的条件不再成立,暂态过程返回阶段1。阶段1直流电容继续充放电,当满足uC=0时又进入阶段2。综上所述,阶段1与阶段2将在相当一段时间内反复交替。

2.3　阶段3:稳态不控整流阶段

经过阶段1与阶段2的反复交替后,直流电容电压uC维持稳定,进入阶段3。阶段3中,交流系统通过三相不控整流桥向故障点持续注入短路电流,电流回路如图2(c)所示。稳态直流电容电压UC与稳态直流线路电流Idc表达式如下[21]:

(8)

(9)

3　适用于两电平VSC的直流故障清除辅助拓扑设计方案

3.1　设计思路

由故障暂态特性分析可知,两电平VSC直流双极短路故障存在如下问题:阶段1与阶段2反复交替,暂态过程长且短路电流大;阶段3中交流侧经桥臂反并联二极管向故障点持续注入短路电流,故障无法清除。结合上述问题,得出设计思路如下。

1)限制短路电流,缩短故障暂态过程

2)实现直流双极短路故障清除

增大短路电阻,达到了限制短路电流的效果。但是,直流电流依然维持在一定水平,不存在过零点,故障难以清除。使用电流谐振的方法,可在直流电流过零时将故障清除。

3.2　拓扑结构

根据上述设计思路,提出了适用于两电平VSC的直流故障清除辅助拓扑,如图3所示。所提辅助拓扑连接于两电平VSC直流母线,分为3个部分:限流电路、谐振发生电路和过零关断电路。

图3　直流故障清除辅助拓扑Fig.3　Assistant topology with DC fault clearing capability

1)限流电路

限流电路由超导故障电流限制器(superconducting fault current limiter,SFCL)构成。电阻型SFCL具有超导态呈零阻性、失超态呈高阻性的特点,在电力领域中已有应用,具有广阔的应用前景[22-24]。正常运行时,SFCL处于超导态;直流双极短路故障情况下,短路电流超过SFCL的临界值,SFCL由超导态转为失超态。

限流电路的作用为在故障情况下可起到限流、缩短暂态过程的效果,且不影响正常运行性能。

2)谐振发生电路

谐振发生电路由两组反并联晶闸管、电容、电感构成。正常运行时,谐振发生电路被旁路;直流双极短路故障发生后,触发反并联晶闸管,投入谐振发生电路,直流电流谐振并出现过零点。

3)过零关断电路

过零关断电路由一组反并联晶闸管构成。正常运行时,晶闸管导通;直流双极短路故障下,晶闸管在直流电流谐振过零时自行关断,实现故障隔离。

3.3　直流故障清除暂态过程分析

3.3.1整流运行模式

整流运行模式下,直流双极短路故障清除过程如图4所示。图中:t0为故障发生时刻,t1为换流站闭锁时刻,t2为谐振发生电路投入时刻,t3为故障清除时刻。

图4　整流模式直流双极短路故障清除过程Fig.4　Clearing process of DC pole-to-pole fault under rectifying mode

正常运行时,限流电路的SFCL处于超导态,谐振电路被旁路,过零关断电路正向导通。直流双极短路故障发生后,限流电路的SFCL转换为失超态,进行限流;待故障暂态过程进入阶段3,触发谐振发生电路的两组反并联晶闸管,投入谐振发生电路;直流电流出现谐振过零点,过零关断电路的晶闸管自行关断,实现故障自清除。详细的直流双极短路故障自清除过程如下。

1)故障限流(时刻t1)

uC(t)=K1ep1t+K2ep2t

(10)

式中:

由于直流电容呈过阻尼放电特性,不再满足uC=0条件。因此,暂态过程将由阶段1直接进入阶段3,且故障电流得到限制。

2)谐振发生电路投入(时刻t2)

暂态过程进入阶段3,触发谐振发生电路的两组反并联晶闸管。直流电流产生谐振,电流回路如图5所示。

图5　谐振电流回路Fig.5　Resonance current loop

电流回路复频域方程为:

Idc(s)=IC(s)+Is(s)

(11)

(12)

式中:Cb和Lb分别为谐振发生电路的电容和电感;IC(s)和Is(s)分别为直流电容电流和交流侧注入短路电流的复频域表达式;UC0为直流电容初始电压;Idc0为直流初始电流。

谐振发生电路投入后,直流电流谐振过零,即idc=0,可由过零关断电路将故障清除。

3)直流电流过零关断(时刻t3)

正常运行时,过零关断电路的晶闸管被触发导通;直流双极短路故障情况下,谐振发生电路投入后,当idc=0时,晶闸管自行关断,实现故障清除。

3.3.2逆变运行模式

换流站处于逆变运行模式时,在直流双极短路故障情况下,直流电流反向。反向出现过零点idc=0时,过零关断电路的晶闸管自行关断,实现故障清除。

4　直流故障清除能力验证

4.1　仿真模型

为验证所提辅助拓扑的直流故障清除能力,在PSCAD/EMTDC中对如下3种故障清除方案进行了建模。

1)辅助拓扑方案:两电平VSC+辅助拓扑。

2)交流断路器方案:两电平VSC+交流断路器。

3)直流断路器方案:两电平VSC+直流断路器。

上述3个方案所采用的两电平VSC参数与辅助拓扑参数在附录A表A1和表A2中给出。交流断路器方案中交流断路器跳开时间取故障发生后两个工频周期[9-10],即40 ms;直流断路器方案采用ABB公司所研制的混合型高压直流断路器[12],其结构示意图如附录A图A1所示。假设保护在故障发生后1 ms动作[25],该直流断路器使用快速开关K与辅助开关,实现电流全部转移,再由主开关进行分断,达到故障清除的效果。

4.2　仿真分析

本文所提辅助拓扑方案的故障清除过程如下:在整流站,t0=4.000 s时刻发生故障,t1=4.001 s时刻闭锁换流站,直流电流上升,限流电路中SFCL由超导态转为失超态,实现限流;t2=4.010 s时刻,投入谐振发生电路,出现电流过零点,由式(8)、式(9)、式(11)、式(12)可求得在t3=17.2 ms出现电流过零点;由于晶闸管单向导通性,过零关断电路的正向晶闸管在t3=17.2 ms自行关断,故障被清除。在逆变站,故障发生后出现电流反向过零,过零关断电路将故障清除。

不同方案仿真波形如附录B图B1所示,图中列出了整流站与逆变站的直流电流idc、直流电压变化率dudc/dt波形。最大直流电流、故障清除时间与最大直流电压变化率在附录B表B1中给出。根据仿真结果可以得出如下结论。

1)在故障直流电流上,当故障发生在距整流站0 km时,辅助拓扑方案整流站故障电流远小于交流断路器方案与直流断路器方案。故障发生在距整流站50 km时,辅助拓扑方案整流站故障电流略大于直流断路器方案。原因为谐振电路的投入会使故障电流略有上升,但仍远小于0 km故障位置时其他两个方案的故障电流。

2)在故障清除时间上,辅助拓扑方案整流站故障清除速度介于直流断路器与交流断路器方案之间,略小于理论推导的17.2 ms,原因为谐振过程中,交流侧注入的故障电流会有一部分流经直流电容,导致直流线路上的交流注入分量减少,比理论分析提前出现直流电流过零点。辅助拓扑方案逆变站故障清除速度与直流断路器方案近似,原因为故障后逆变站直流电流立即反向过零,可实现故障快速清除。

3)在直流电压变化率上,交流断路器方案最小,辅助拓扑方案次之,直流断路器方案最大。原因为交流断路器方案通过跳开交流线路将故障清除,而另外两个方案为阻断直流通路,直流电压突变较大。

4.3　性能对比

在故障清除能力方面,所提辅助拓扑方案整流站故障清除时间远低于交流断路器,逆变站故障清除时间与直流断路器近似;故障电流得到有效的限制,尤其是在换流站近端故障情况;直流电压变化率较小,对设备冲击小。此外,晶闸管在电流谐振过零时自行关断,无需使用快速开关,元件数量少,控制简单,可靠性强。但是,所提辅助拓扑中,SFCL是故障清除的核心元件,如何解决SFCL无法正常工作的问题是后续工作需要考虑的方面。

在经济性上,ABB所研制的直流断路器使用了造价较高的IGBT,总体成本较高。本文所提辅助拓扑使用耐受能力较强且成本较低的晶闸管,元件数量较少,控制简单,通态损耗较低,成本得到了有效控制。

结合上述性能对比分析,3种方案的特性对比在附录B表B2中给出。可以得出,综合考虑故障清除能力、经济性等方面因素,辅助拓扑方案是更为可行的故障清除方案。

5　结语

本文针对两电平VSC不具备直流故障清除能力的特点,基于直流双极短路故障特性,提出适用于两电平VSC的直流故障清除辅助拓扑,特点如下。

1)具有良好的故障自清除能力,整流站故障清除时间远低于交流断路器,逆变站故障清除时间与直流断路器近似。

2)辅助拓扑控制策略简单,且不改变两电平VSC原有控制策略,技术实现难度低。结构简单,使用晶闸管作为关断元件,成本得到了有效的控制。

3)使用电阻型SFCL进行限流,并通过电流谐振过零实现故障清除,故障电流低且直流电压变化率小,有效降低了对元件的冲击。

SFCL是辅助拓扑的核心元件,后续工作将考虑SFCL无法正常工作的问题。

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

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蓝童琨(1991—),男,硕士研究生,主要研究方向:柔性直流输电系统保护与控制。E-mail： lantongkun@foxmail.com

李银红(1976—),女,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:电力系统继电保护整定与校核计算、直流输电保护与控制。E-mail: liyinhong@hust.edu.cn

段献忠(1966—),男,教授,博士生导师,主要研究方向:电压稳定、柔性交流输电系统技术和计算与信息技术在电力系统中的应用。