可隔离直流故障的直流电网用DC/DC变换器拓扑

朱思丞, 赵成勇, 李　帅, 李承昱, 许建中

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学), 北京市 102206)

0　引言

近年来,柔性直流输电技术及其在直流电网中的应用受到广泛关注[1-5]。高压大容量DC/DC变换器是直流电网中的关键设备,可以连接各个电压等级的直流线路,提高直流电网功率的可控性[6-7]。因此,研究适用于直流电网的DC/DC变换器拓扑及其控制策略,具有重要的理论价值和工程意义。

柔性直流系统的“低惯量”和“弱阻尼”特性,导致直流电网耐受严重直流短路故障的能力极差,因此直流电网的故障隔离和清除策略已成为相关领域的研究热点,DC/DC变换器可以在直流故障期间发挥故障区域隔离和辅助非故障区域功率快速恢复,国内外学者提出了一系列具备工程可行性的技术方案[8-19]。

截至目前,具备处理直流故障能力的DC/DC变换器主要包括两类:一是半桥式模块化多电平换流器(MMC)组成的DC/DC变换器通过闭锁MMC触发信号实现故障隔离[2];二是直流自耦变压器[8-12]和半桥全桥混合MMC组成的DC/DC变换器[13-15]。

文献[8-9]提出了直流自耦变压器结构,其故障隔离能力取决于自耦变压器变比,且相同功率等级下运行效率更高。

文献[10-12]研究DC/DC自耦变压器在基于自阻型MMC和直流断路器(DCCB)的直流自耦变保护,该技术在中、低变比领域相比于常规DC/AC/DC技术具有明显技术优势,且损耗较小。

文献[13]介绍了一种类似于自耦变压器的 DC/DC变换器,其消除了内部交流环节,成本较低,但当电压变比过大时,内部没有电气隔离,无法阻止故障电流的传播,不适用于大功率场合。

文献[14]提出了一种应用于直流电网互联的半桥全桥混合型DC/DC变换器,相较于基于MMC的DC/DC,其正常部分在故障期间仍可以继续运行而不用闭锁全部DC/DC变换器[15]。

文献[16]提出了一种基于子模块混合型的MMC高压大功率DC/DC变换器,该拓扑由半桥子模块和T形全桥子模块构成,仅闭锁一侧端口即可实现直流故障隔离。

考虑现有DC/DC变换器技术的特点,即模块化结构可拓展性强,可靠性较高,本文采用基于半桥模块化结构的DC/DC方案。

对于半桥式DC/DC变换器(HB-DC/DC),当一侧发生直流故障时,同时闭锁两侧端口可以阻止非故障侧故障电流的馈入,从而实现了直流故障自清除。但若出口侧连接有多个换流站,发生直流故障时,其他换流站会向故障点馈流,仅闭锁DC/DC变换器两侧端口无法起到故障隔离的作用,依赖直流断路器切断故障电流。

本文提出了一种新型的具备直流故障隔离能力的直流电网用DC/DC变换器拓扑,设计了其故障隔离策略,在PSCAD/EMTDC仿真平台上,基于直流电网模型进行了相关的仿真验证,并与HB-DC/DC进行了对比。本文提出的方案就换流器而言,成本略高于HB-DC/DC方案;但是相比HB-DC/DC,可以大幅降低对直流断路器切断容量和切断时间的需求。

1　可隔离直流故障的DC/DC变换器及其在直流电网中的应用

本文提出的新型可隔离直流故障的高压大功率直流电网用DC/DC变换器(DCFI-DC/DC)拓扑如图1所示。

图1　DCFI-DC/DC拓扑结构及其断路单元结构Fig.1　Topology and structure of circuit breaker unit for DCFI-DC/DC

图1(a)为主电路拓扑图,其基于MMC的HB-DC/DC[2],端口1和2分别连接两个直流系统,两个端口结构基本相同。以端口1为例,基本单元为半桥子模块,不同于基于MMC的HB-DC/DC,同一相的桥臂电抗上都并联有反向串联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)(故障转移支路),这种改进增加的成本较低,同时具备隔离直流故障的能力。该DC/DC变换器拓扑有2种工作模式:正常工作模式和故障隔离模式。

如图1(b)所示,DC/DC出口侧配置的断路单元是由快速机械开关、负荷转换开关(由反向串联IGBT组成)、金属氧化物避雷器(MOA)和能量吸收回路(由反向并联晶闸管组成)组成,其中负荷转换开关数量上较混合式直流断路器的主断路器部分大大减少,极大地减少了断路器的成本[20]。

正常工作模式:稳态时,图1(a)所示新型DC/DC拓扑中半桥子模块正常开通、关断,闭锁故障转移支路,相当于HB-DC/DC。

故障隔离模式:图1(a)所示新型DC/DC拓扑中任何一侧发生直流故障时,首先旁路故障侧桥臂上全部半桥子模块(触发导通半桥子模块的T2开关管,闭锁T1开关管),同时触发导通故障转移支路的所有IGBT,即T3和T4。此时DC/DC变换器故障侧直流出口侧直流电压下降为零,配合能量吸收回路和负荷转换开关,使快速机械开关得以关断。当快速机械开关成功关断后,故障直流线路已被切除。恢复故障侧DC/DC变换器正常的触发信号,故障得以隔离清除。

故障隔离模式动作前,非故障侧直流经换流站逆变为交流,通过联结变压器,相当于交流电网向故障点馈入短路电流。此时桥臂电流是交流短路电流和子模块电容器放电电流的叠加,由于桥臂电抗器的存在,电流上升率较小,交流短路电流相较于子模块电容放电电流而言可以忽略不计。故障电流的计算可以将直流电网等效地看做是RLC模型[21]。

各个时期的等效电路图如附录A图A1所示。图A1(a)为故障隔离前的等效电路,将其他换流站向故障点的馈流等效成一个直流电源Udc,Rs和Ls分别为电路等效电阻、电抗;R和Larm分别为直流线路电阻和平波电抗,同时DC/DC变换器故障侧电容向故障点放电可以等效为一个不断衰减的直流电源Uc。图A1(b)为故障隔离模式动作后的等效电路,触发导通能量吸收回路,相当于在电路中构造A和B两个近似为零的电位点,电容停止向故障点放电。图A1(c)为负荷转换开关断开后的等效电路,此时流经快速机械开关的电流很小。图A1(d)为故障线路切除后的等效电路,断开快速机械开关,故障线路被切断,故障电流在故障点、能量吸收回路、线路电阻和平波电抗组成的回路中衰减为零。其中S=0和S=1分别表示快速机械开关断开和闭合。

本文所提出的DC/DC变换器用于基于MMC的直流电网中的场景之一,如图2所示。DC/DC变换器将直流电网分为上、下两层,上层C1至C4构成一个四端、环状和辐射混合接线的直流电网结构;下层C5是电压不同的一个单端柔性直流线路,可以为风电并网系统,通过DC/DC并入上层直流电网。DC/DC变换器端口1连接直流母线,端口2连接MMC换流站,以实现两个不同直流电压等级的互联。

图2　直流电网拓扑Fig.2　Topology of DC grid

此方案的优点是成本低,新增器件比较少,将传统的HB-DC/DC拓扑附加一些电路即可改造成所提出的DC/DC变换器拓扑,正常运行时不影响其作为DC/DC变换器的功能,桥臂电抗处并联的故障转移支路中的反向串联IGBT可由晶闸管替代,以进一步降低成本。在DC/DC直流侧连接有多个换流站时,DC/DC变换器出口侧均可配置低成本的断路单元,断路成本降低,此方案经济性更加突出。

由于直流系统中有平波电抗,减小了故障电流的上升率。所提出的DCFI-DC/DC拓扑还具备以下优点:①IGBT可承受短时间过电流;②可以选用更大电流的IGBT。

2　新型DC/DC变换器的故障隔离控制

MMC直流侧故障从发生到清除一般需要故障检测、故障清除以及系统恢复几个阶段。当直流侧短路故障发生且检测系统未给出故障信号时,MMC直流侧电流将以较高的上升率上升。若是永久性故障,直流断路器不重合,等待该故障线路检修,直流电网其余线路继续运行;若是瞬时性故障,待故障线路去游离[22]后,重合闸后恢复正常运行状态。

直流线路双极短路故障是直流侧最为严重的故障,双极短路故障一般为永久性故障[23-24]。故障期间,DC/DC变换器故障侧桥臂子模块电容会通过短路路径快速放电,因此直流两极电压会迅速降为零,桥臂电流和故障点直流电流在短时间内迅速增大,从而对直流电网系统产生严重的危害[25]。非故障侧由于联结变压器的隔离作用,电容几乎不会放电。

由于DC/DC变换器连接直流—直流,直流线路发生故障会对DC/DC变换器产生很大的冲击。在检测到直流故障发生后,故障隔离模式动作,子模块电容停止放电,触发导通故障转移支路后,交流侧仍有短路电流通过半桥子模块D2向短路点馈流。在故障线路完全断开前,DC/DC变换器故障侧桥臂上的子模块中的T2和故障转移支路中的IGBT会暂时承受过电流,但是由于故障时间在2.5 ms以内,且IBGT可以短时间内承受一定的过电流,因此IGBT不会由于过流而烧毁。

直流电网对于故障保护的要求很高,所提出的DCFI-DC/DC拓扑在故障发生后需要保护控制配合。以图2所示的直流电网为例,该拓扑结构在发生直流线路双极短路故障时的故障隔离时序如下所示,流程图如附录A图A2所示。

1)直流故障发生在t0时刻,此时直流电压迅速降为零,短路电流迅速上升,同时伴随有交流侧馈入,故障侧子模块电容向故障点放电。

2)经过Δt1检测到故障,考虑到直流电网对保护的时间要求很高,Δt1通常为1～2 ms[26]。

3)经Δt2延时,t2时刻触发故障隔离模式保护动作。对于故障侧DC/DC变换器,旁路半桥子模块,触发导通所有故障转移支路中的IGBT,同时触发导通DC/DC故障侧出口的能量吸收回路。非故障侧不采取控制措施。

4)考虑Δt3的通信延时,在t3时刻闭锁断路单元的负荷转换开关,延迟Δt4给快速机械开关分闸动作指令。

5)经过Δt5的分闸时间,由于快速机械开关断开需要一定的时间,Δt5一般取2 ms[26],在t5时刻隔离开关完全打开,此时故障直流线路被完全切除。

6)切除故障直流线路后,经Δt6的延时,t6时刻恢复故障侧DC/DC变换器桥臂子模块正常触发脉冲并闭锁故障转移支路,DC/DC变换器恢复正常运行,直流电网系统恢复稳态运行。

3　DCFI-DC/DC和HB-DC/DC技术性对比

在直流电网中,当DC/DC变换器直流侧连接了2个及2个以上的换流站时,相较于HB-DC/DC,该拓扑结构在经济性和故障隔离方面更具优势。应用于图2所示的直流电网结构,附录A图A3表明了HB-DC/DC在直流线路发生双极短路故障后换流站向故障点的馈流和直流断路器的配置情况。直流线路发生故障时,HB-DC/DC直流侧所连的3个换流站C1,C2,C3会向故障点馈入电流,直流断路器以ABB公司提出的混合式高压直流断路器为例[27-28]。

混合式高压直流断路器见附录A图A3(b),其工作原理为:在正常运行过程中,电流将只流过由负荷转换开关与超快速机械式隔离开关组成的支路1,主断路器中的电流为零。当高压直流侧发生故障时,负荷转换开关打开,将电流转换到主断路器中,同时将超快速机械开关打开,待快速机械开关完全打开,控制主断路器断开故障电流。成功分断后,较小的剩余电流由隔离开关断开从而完成整个开断过程,并将故障线路隔离,以避免避雷器组的热超载。已经证实其峰值关断电流为9 kA[29],且可以在5 ms内隔离直流故障。

如附录A图A3(a)所示,对于HB-DC/DC而言,假设双极短路故障发生在直流线路B61上,故障点在端口1出口侧,闭锁DC/DC变换器两侧桥臂子模块,虽然阻止了端口2的故障电流的馈入,但是由于DC/DC变换器出口侧连接多个换流站,发生直流线路故障时,其余换流站也会向故障点馈流,需要故障线路两侧装设的直流断路器配合动作断开故障线路。

对于本文提出的DCFI-DC/DC,可以降低DC/DC变换器故障隔离对于直流断路器的依赖。如附录A图A4所示,在同样的故障位置,在检测到直流短路故障发生后,只对端口1的子模块动作。故障隔离模式动作后,由于DC/DC变换器端口1处直流电压降为零,其他换流站的馈入电流会被引入DC/DC变换器中。负荷转换开关两端有两个近似零电位点,切断故障电流产生的过电压大大减小,端口1出口侧故障线路上的直流断路器可以用图1(b)中所示的断路单元替代。DCFI-DC/DC出口侧的直流断路器均可以用断路单元替代。在切断故障线路后,故障侧DC/DC变换器的子模块恢复正常触发信号,其余的换流站可以恢复正常运行。

根据图2所示的直流电网,以伪双极系统为例,DC/DC变换器出口侧连接有4个换流站(C1,C2,C3,C5),直流线路始末端都需要装设断路器,则每条直流线路需要装设2×2(正负极)个断路器。DCFI-DC/DC需要额外故障转移支路。DCFI-DC/DC和HB-DC/DC技术特性对比如表1所示。

4　仿真验证

4.1　仿真模型

在PSCAD/EMTDC环境下搭建了如图2所示的四端直流电网系统模型,系统详细参数如附录A表A1所示。

表1　DCFI-DC/DC和HB-DC/DC技术特性对比Table 1　Comparison of technical characteristics between DCFI-DC/DC and HB-DC/DC

将DCFI-DC/DC方案与HB-DC/DC方案进行对比,故障设置在DC/DC变换器出口侧,位于直流线路B61上,如附录A图A4所示,故障类型为永久性直流线路双极短路故障。

1)对于DCFI-DC/DC方案,待系统运行进入稳态后,5 s时刻故障发生,采用基于单端电气量的故障检测方法,利用线路边界特性,通过小波变换提取区、内外故障的暂态特性差异[30]。经Δt1=1 ms检测到故障;经Δt2=200 μs延迟,触发故障隔离保护动作;经Δt3=300 μs延迟,给断路单元的负荷转换开关闭锁指令;经Δt4=50 μs延迟,给快速机械开关分闸指令;经Δt5=2 ms后快速机械开关完全打开;经Δt6=100 μs后,恢复故障侧DC/DC变换器正常的触发信号,DC/DC变换器恢复运行。

2)对于HB-DC/DC方案,待系统运行进入稳态后,5 s时刻故障发生。经Δt1=1 ms检测到故障;经Δt2=200 μs延迟,闭锁DC/DC变换器两侧子模块;经Δt3=300 μs延迟,给直流断路器断路信号;经Δt4=50 μs延迟,给直流断路器的快速机械开关分闸指令;经Δt5=2 ms后快速机械开关完全打开,待故障线路电流降为零后DC/DC变换器恢复运行。

4.2　DCFI-DC/DC和HB-DC/DC在直流电网中的仿真对比

DCFI-DC/DC和HB-DC/DC两侧端口直流电压见附录A图A5,图3为DCFI-DC/DC和HB-DC/DC的故障仿真波形。下标1表示DCFI-DC/DC相关量;下标2表示HB-DC/DC相关量。

由附录A图A5(a)可知,对于DCFI-DC/DC,端口2的电压在故障隔离模式下不采取任何措施,其仍维持稳定,端口1的电压在故障隔离模式下降为零;由附录A图A5(b)可知,对于HB-DC/DC,端口1和2都在故障后闭锁,端口1的电压降为零,端口2由于电容充电而电压升高,从而阻止了故障电流的馈入,这两种方案系统在故障清除后均很快恢复稳态运行。

图3　DCFI-DC/DC和HB-DC/DC故障仿真波形Fig.3　Fault simulation waveforms of DCFI-DC/DC and HB-DC/DC

对比图3(a)至(d)可得,t=5 s时DC/DC变换器出口侧发生直流线路双极短路故障,由于DC/DC变换器出口侧还连接有C2和C3换流站,直流电压并不会降到零,此时DC/DC变换器故障侧电容迅速向故障点放电,非故障侧换流站C5向短路点馈流,同时DC/DC变换器出口侧其他换流站C2和C3也向故障点馈流,此时故障线路上的电流迅速上升。在t=5.001 s时检测到故障。

对于DCFI-DC/DC,在t=5.001 2 s时故障隔离模式动作,DC/DC变换器出口侧直流电压降为零,故障侧DC/DC变换器上下桥臂电流和直流电流开始反向增大,且故障侧DC/DC变换器无明显的桥臂过电流和直流过电流(不超过6 kA,持续时间约为3.5 ms,且最大故障电流上升率约为1.77 kA/ms<3.2 kA/ms,符合实际工程的要求),子模块中的IGBT不会由于过流而烧毁,可见该拓扑适应直流双极短路故障特征。对于HB-DC/DC,在t=5.001 2 s时闭锁两侧DC/DC变换器子模块,此时DC/DC变换器出口侧直流电压降为零,故障侧DC/DC变换器上下桥臂电流和直流电流开始反向增大。

对比图3(e)和(f)可得,对于DCFI-DC/DC,t=5.001 5 s时刻断路单元的负荷转换开关闭锁,故障线路电流迅速减小至接近于零,待t=5.003 55 s时刻快速机械开关断开后,故障电流减小为零,故障线路被切除。由于故障隔离模式的作用,在切除故障电流时,断路单元两端的电压小于10 kV。对于HB-DC/DC,t=5.001 5 s时刻直流断路器动作,到t=5.003 55 s时刻快速机械开关完全断开后,故障电流切换至主断路器通路中,t=5.006 5 s左右故障电流减小为零,故障线路被切除。直流断路器在切除故障电流时,断路器需要承受约为1.5倍额定电压的过电压,额外需要约为3 ms的能量耗散时间。两种DC/DC变换器方案相比较而言,DCFI-DC/DC 断路单元所需的IGBT数量较直流断路器所需IGBT数量大大减少,从而在断路器成本上大大减少。

对于DCFI-DC/DC,故障隔离期间故障转移支路会承受一定的过电流和过电压。在故障转移支路两端并联避雷器,以防止故障清除后闭锁故障转移支路导致的过电压。如附录A图A6(a)和(b)所示,故障隔离期间故障转移支路的IGBT会承受峰值约为3 kA的过电流和峰值约为100 kV的电压。

如附录A图A7所示,对于直流电网中DC/DC变换器出口侧其他直流线路B62和B63上的双极短路故障,DCFI-DC/DC也能很好地起到故障隔离的作用。

5　应用到多个直流电压等级情况

考虑到直流电网需要将多个直流电压等级实现互联,需要通过多个DC/DC变换器实现DC/AC/DC变换。将图2所示的直流电网拓扑改成如附录A图A8所示的多个直流电压等级的直流电网拓扑,其中直流母线B4和B8电压等级为±200 kV。

如附录A图A9至图A11所示,设置和附录A图A4相同的故障,DC/DC A站和B站故障期间不会发生过流而导致IGBT烧毁,并且由于直流电网中DC/DC A站端口1和B站端口1故障隔离模式同时作用,故障线路两侧断开故障电流产生的过电压大大减小,故障线路B61始末端的直流断路器均可以用断路单元替代,又更进一步降低了断路器的成本。

6　经济性分析

比较DCFI-DC/DC和HB-DC/DC的经济性,其主要差别在DCFI-DC/DC的附加电路——故障转移支路和两者断路器配置上。

假定本文模型这些配置采用ABB公司的5SNA 3000K452300型的IGBT元件,其额定电压额定电流为4.5 kV/3 kA。正常情况下考虑电压安全裕度,其安全承压为2.25 kV,且该型号可以在1 ms内承受6 kA的过电流。

由表1可知,对于DCFI-DC/DC方案,需要配置8个断路单元和16个直流断路器。根据图3(f)和附录A图A11(b)可知,断开故障时断路单元产生的过电压最大值约为30 kV,考虑一定的裕度,取50 kV,单个断路单元需要23个IGBT,则每一单极直流线路上的断路单元需要23×2=46个IGBT;由于该IGBT峰值电流为6 kA,根据图3(e)、附录A图A7(b)和附录A图A11(a)可知,故障隔离期间故障电流峰值不超过6 kA,但由附录A图A7(b)可知,稳态时电流小于3 kA,不需要增加并联支路,一共需要46×8=368个IGBT。

对于HB-DC/DC方案,需要配置24个直流断路器。由图3(f)可知,HB-DC/DC方案在切断故障电流时会产生相当于1.5倍额定电压的过电压,主断路器是该直流断路器主要的设备,其需要承受最大的过电压。由图3(e)可知,故障隔离期间故障电流峰值不超过6 kA,且稳态时电流小于3 kA,不需要增加并联支路,考虑到直流断路器设计为可以双向切断电流,一共需要334×2=668个IGBT。直流断路器的负荷转换开关所需的IGBT个数相对主断路器较少,忽略不计。则断路器方面DCFI-DC/DC需要668×16=10 688个IGBT,HB-DC/DC需要668×24=16 032个IGBT。

根据附录A图A6(a)和(b),对于DCFI-DC/DC故障转移支路,考虑一定安全电压裕度,取保护电压值为150 kV,则需要67个IGBT,由于故障转移支路是反向串联IGBT结构,则每一相需要134个IGBT,由于电流峰值没有超过6 kA,不需要并联支路。则DCFI-DC/DC的故障转移支路需要134×3×2=804个IGBT。

由于IGBT造价较高,由表2可知,仅考虑故障转移支路和断路器配置时,DCFI-DC/DC额外所需的IBGT个数几乎是HB-DC/DC的3/4,DCFI-DC/DC应用于直流电网时,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,其经济性有优势,且具有优良的故障隔离的能力。

表2　DCFI-DC/DC和HB-DC/DC经济性对比Table 2　Economic comparison between DCFI-DC/DC and HB-DC/DC

根据第5节的结果,当直流电网模型中配置有2个DCFI-DC/DC时,DC/DC变换器出口侧直流线路均只需要配置断路单元即可,进一步减少了直流电网中直流断路器个数所占断路器的比例。由于断路单元的成本较直流断路器大幅降低,从而断路器成本进一步降低。

7　结论

针对基于半桥MMC-HVDC的直流电网系统,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,HB-DC/DC无法通过闭锁来清除直流故障电流,本文提出了应用于直流电网的一种具备直流故障隔离能力的DC/DC变换器,并提出了其故障隔离控制策略。在直流电网发生直流双极短路故障情况下,对比HB-DC/DC,所提出的DC/DC变换器具有以下特点。

1)正常工作时,和HB-DC/DC工作特性相同,可以实现不同直流电压等级系统的互联。

2)具备隔离直流故障的能力,而且减少对于直流断路器的依赖,大幅降低了直流故障清除的成本,当DC/DC变换器出口侧连接有多个换流站时,其在断路器的经济性上具备更大的优势。

3)新型DC/DC拓扑的缺点是在故障隔离模式下,半桥子模块中的IGBT会承受故障电流。考虑到DC/DC变换器内部三相分流作用,各相直流过电流得以降低;交流侧电感较大,电流上升率较小,且故障隔离模式时间较短,一般为2 ms左右,所以各桥臂电流在安全范围内,不会引起IGBT过流而烧毁。

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

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朱思丞(1994—),男,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:高压柔性直流输电。E-mail: zzzss@ncepu.edu.cn

赵成勇(1964—),男,教授,博士生导师,主要研究方向:高压直流输电与柔性直流输电技术。E-mail: chengyongzhao@ncepu.edu.cn

李帅(1986—),男,博士研究生,主要研究方向:高压直流输电。E-mail: lishuaiwork@foxmail.com