一种高压配电网故障自愈技术的仿真研究∗

2018-08-28夏实秋许智峰

舰船电子工程 2018年8期

夏实秋许智峰

（1.河海大学能源与电气学院南京 211100）（2.扬州市建筑设计研究院有限公司扬州 225000）

1 引言

由于独特的技术和经济方面的优势，高压直流输电（HVDC）技术在远距离、大容量的区域配电网传输中得到了非常广泛的应用［1～3］。然而，在实际应用中不可避免地会出现各种问题。例如，当它接入AC/DC系统之间时，通常会因为收到较大扰动而导致系统发生动态状态的突变，并导致许多问题［4～6］，如瞬态过载电压、谐波和电压不稳定等问题［7］。近年来，随着电力电子学技术的快速发展，尤其是开发研制出各种高精度的控制电子器件，如门极可关断晶闸管（Gate Turn off Thyristor，GTO）［8］和绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）［9］已经在实践中得到了广泛的应用，由此突破性的出现了电压源型换流器高压直流输电技术（VSC-HVDC）［10］，与传统常规直流输电相比，它采用电压源型逆变器取代电流源型逆变器。

目前，VSC-HVDC已经利用数学模型研究了控制策略、保护方法等。文献［11］建立了稳态VSC-HVDC系统的数学模型，在此基础上，提出了VSC-HVDC系统的控制策略，采用逆稳态模型控制器跟踪工作点，利用两个解耦控制回路消除稳态偏差。文献［12］设计了一个基于dqo轴的稳态控制器，对这种VSC-HVDC的性能进行了分析，最后通过仿真结果验证了其可行性和优越性。在此基础上，对柔性直流输电的研究有了较大发展。但是，尤其是在故障情况下的VSC-HVDC的运行特点没有关注的情况下在高压直流系统是常见的。在此基础上，对在高压直流系统中的VSC-HVDC的研究已经有了较大发展。但对VSC-HVDC在故障情况下的运行特性并没有引起足够的重视。

在本文中，首先用电力系统仿真分析软件PSCAD/EMTDC建立了VSC-HVDC系统模型。基于此，在VSC-HVDC系统的AC侧对几种常见故障进行模拟，并对VSC-HVDC系统的几个不同的无功补偿装置固定电容器（FC）、静止无功补偿器（SVC）和静止同步补偿器（STATCOM）进行了动态自愈性能研究。采取适当的措施，减少故障造成的影响和危害，为进一步的研究提供一定的参考。

2 TSC的基本结构和工作原理

TSC型无功补偿是无功补偿中最常用的补偿装置。它由固定电容器（FC）演变而来，属于并联补偿装置，也是静止无功补偿器（SVC）的一个分支［13］。

单相TSC由电容器、双向晶闸管和阻抗值较低的限流电抗器组成，如图1所示，TSC是一种利用晶闸管作为非接触开关的无功补偿装置，它能够根据晶闸管准确触发特性，快速、平稳地进入或切断补偿电容器［14］。TSC可以跟踪冲击载荷的变化，并且将闭环反馈迅速提供给最佳的功率因数。它可以实现动态无功补偿和降低电压波动，从而达到节能降耗的目的。

3 VSC-HVDC的工作原理

图2给出了双端VSC-HVDC输电系统的主电路结构［15］。电压源型换流器的主要部件有：全桥式整流器、DC电容器、AC滤波器、换流电抗器和交流滤波器。全桥式整流器采用三相双级拓扑结构，每个桥臂由多个IGBT组成，DC电容器用于提供电压支持和缓冲桥臂断开时的脉冲电流，同时，可以减少DC侧换流变压器的谐波，AC侧的换流变压器或转换堆是VSC与AC系统之间能量交换的纽带，也具有滤波效果。AC滤波器用于滤除DC侧的谐波。双端电压源型逆变器由DC输电线路连接，一端运行在整流器状态，另一端运行在逆变器状态，从而实现两端之间的有功功率交换。

图2 双端VSC-HVDC传输系统

VSC-HVDC是由电压源型变换器技术和全控设备（如IGBT）发展而来的。图3显示了由高频开关器件IGBT组成的电压源转换器单相电路。其工作原理是：触发信号Ui产生对比的工作频率正弦信号Uc与三角载波信号Utri，如图4所示。

图3 由IGBT构成的单相电压源换流器

图4 VSC的工作原理

从图3和图4可以看出，当2+被触发时，输出电压为U0=Ud/2，当2-被触发时，输出电压为U0=Ud/2。并且2+与2-不可能同时触发。AC母线中的正弦电压uc由转换堆和滤波器获得，消除uo的高谐波分量与uc具有相同的波形。用utri决定了开关的动作频率检测，uc对输出电压uo的相位和幅值进行检测。当uc的相位改变时，它将改变有功功率的大小和方向。当uc的振幅发生变化时，它将改变无功功率的大小和极性（电感或电容性）。因此，电压源型换流器可以单独调节有功功率和无功功率［16］。

4 VSC-HVDC系统故障仿真

4.1 仿真系统模型

首先，利用PSCAD/EMTDC仿真工具建立VSC-HVDC的数学模型。如图5所示。主要的电路参数为：AC系统的参考电压为115kV；变压器的额定容量为S=100MVA，比率为115 kV/62.5 kV，DC电容为500uF。模拟试验系统采用背靠背运行方式，整流器采用固定有功功率和恒无功功率的对冲方式，逆变器采用恒定直流电压和恒定无功功率控制方式。在此基础上，分别采用SVC和STAT⁃COM代替AC系统中的FC研究不同系统故障的动态自愈特性。

图5 VSC-HVDC模型

4.2 三相接地故障自愈

三单相接地故障属于典型的对称故障。故障发生在1s时刻，在1.05s时刻配电网自愈。故障点设置在逆变器的AC系统侧。

图6 三相接地故障下DC功率的动态自愈特性

图6和图7给出了三相接地故障下DC功率和电压的动态自愈特性。可以看出，当SVC用于补偿时，DC功率和电压的自愈是最慢的。由于TSC在故障过程中反复切换，系统在自愈过程中会出现振荡现象。当采用STATCOM时，配电网系统恢复最快。这是因为STATCOM通过改变VSC的电压和电流波形来发射和吸收无功功率，而且不需要电容组和并联电抗器，SVC补偿运行时没有缺点，其主要的优点是：当系统释放电容性无功电流时，STATCOM不依赖于系统电压，且特别适用于系统在故障期间和故障后支持电压的场合［17］。