特高压直流输电系统DCCT现场校验用的电流标准源研究

王 琨，熊兆平，李 鹏，张 睿，祁霄鹏

特高压直流输电系统DCCT现场校验用的电流标准源研究

王 琨1，熊兆平2，李 鹏1，张 睿1，祁霄鹏3

（1. 国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730070；2. 国网江西省电力有限公司检修分公司，江西南昌 330000；3. 兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730070）

大功率高精度电流标准源是HVDC输电系统中直流电流互感器现场校验用的关键设备之一，但目前已商业化的电源设备无法同时满足现场校验用的多重要求，如功率大、精度高、便于携带以及可满电流多量程调节等。本文考虑现场校验用电流标准源工作过程中负载不变，只存在供电电压扰动及多量程调节需要，研究了一种交错并联移相全桥倍流整流电路结构，并基此模型设计了小惯性电流跟踪控制器，通过仿真实验验证了该电流标准源输出精度达到0.002级，满足校验0.5级、0.02级以及0.01级电流互感器现场校验用的电流标准源精度要求。

高压直流输电 直流互感器 现场校验 电流源 小惯性电流

0 引言

高压直流（High voltage direct current, HVDC）输电能够实现集中大规模能源跨区域、远距离输送，是进一步落实国家能源战略，实现国家电网总体规划目标，促进区域间资源优化配置的一项重要举措[1-5]。自2007年12月22日我国第一个直流自主化示范工程——±500 kV贵州至广东二回直流工程建成投运以来，我国已陆续建成投运的HVDC输电线路已多达12条，最高电压等级达到±800 kV。另外，昌吉—古泉±1100千伏特高压直流输电工程目前已全线贯通，计划今年年底投运，该线路属于目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程[6-7]。

特高压直流输电系统中，直流电流互感器（Direct-current current transformers，DCCT）起着电能计量、电量监测、控制及保护等重要作用，是直流输电系统建设和运行中必备的设备，它对系统控制保护和稳定运行提供准确可靠的测量信息，其自身运行可靠性和测量准确性直接影响到整个直流输电系统的安全稳定运行。在HVDC输电系统中各种直流互感器设备均存在一定的问题和隐患，部分换流站的直流互感器多次出现故障，有些故障直接导致了直流系统的单极闭锁，给电网的稳定可靠和经济运行带来极大的威胁和隐患[8-12]。相关试验结果表明，一些性能缺陷可以通过现场校准或周期校准提早发现，某些性能缺陷可以通过现场试验进行预防和校正[13-15]。然而，由于理论方法研究的缺失和缺乏相关的专业设备装置支撑，目前还不具备对DCCT进行现场校准的条件。

目前DCCT现场试验一般只在10%额定电流下对其变比进行粗略考察而无法发现满电流下的性能缺陷，满电流下对DCCT进行有效的现场校准目前基本是一片空白，制约其发展的根本原因之一是便携式大功率高精度直流电流标准源的缺乏。文献[16]对额定电流为4000 A的光电流互感器OTC进行了现场校准试验，现场OTC准确等级为0.5级，分别测试了在10%、20%、40%、90%、110%额定电流下比例特性，所采用的电流源输出电流和电压分别为5000 Ａ、12 Ｖ，纹波系数≤0.1%，电流稳定度优于0.05%，但该文献没有阐述直流电流标准源的电路结构和电流调节方法。文献[17]研究了一种大电流互感器校验用的直流电源，输出纹波系数小于0.5%，可满足0.5级直流互感器现场校验用，但文中没有说明该直流电源容量，且未考虑在满电流多量程调节时对自身输出电流精度的影响。因此，本文研究了一种模块化的大功率高精度直流电流标准源，满足特高压直流输电DCCT现场校验的需求。

1 系统拓扑结构

特高压直流输电系统DCCT现场校验用的电流标准源主电路结构如图1所示。主电路主要由三相二极管整流单元、交错并联移相全桥倍流单元及电容滤波环节等组成。移相全桥倍流整流单元当高频逆变占空比D=0.5时，输出电流纹波在理论上可以消除，此时电流波动最小，随着占空比的递变，电流波动会增大。

图1 电流标准源电路结构图

直流电流互感器进行现场校验时，为测试不同额定电流占比下的比例特性需要电流标准源输出多种比例电流，例如10%、20%、40%、90%、110%额定电流值等。若直流电流标准源中间DC/DC环节采用单个移相全桥倍流整流电路，则电路中需使用大功率的开关管，如IGBT，高频逆变器容量可能满足不了现场大电流要求，另外当输出电流大幅度调节时，电流纹波系数会迅速增大。此处中间DC/DC环节采用交错并联移相全桥倍流整流电路，模块化并联数由电流标准源容量确定，各模块输电电流保持恒定，以使工作占空比维持在0.5左右，整个电流源输出电流多级调整可通过电力电子开关并联模块投切实现。移相全桥高频逆变和倍流整流电路中功率器件分别选用MOFFET和快速电力二极管。

2 数学模型及控制器设计

交错并联移相全桥倍流整流各单元均采用分布式控制，并参考同一输出电流参考值，所以此处只需建立单个移相全桥倍流整流电路的数学模型并进行控制器设计即可。文献[18]中详细讲述了移相全桥倍流整流电路DC/DC变换单元的建模过程，其等效模型如图2所示。

图2 移相全桥倍流整流电路等效模型

根据图2可进一步得到以下状态空间方程：

小惯性电流跟踪控制方法保持了滞环电流控制响应速度快、鲁棒性好等特点，实际电流能在一个开关周期内跟踪上指令电流，而且由于控制周期固定，器件的开关频率固定[19]。在小惯性电流跟踪控制中，很小的延迟环节可用一个小惯性环节来代替，写成微分方程形式：

式中T为延迟时间。

结合式（1）与式（2）可得，

从式（3）可以看出，控制律中包含了直流链电压V，运行过程中可以抑制电压V波动对标准电流源输出的扰动影响，同时控制律中还包括了主电路参数及电感电流。

3 仿真分析

利用MATLAB/Simulink软件建立了直流电流标准源的仿真模型，主电路主要参数如表1所示。仿真系统共采用6个移相全桥倍流整流单元交错并联，各单元输出电流参考值为1200 A，系统满电流输出可达到7200A，同时可输出6000 A、4800 A、3600 A、2400 A、1200 A。交错并联各单元输出电流维持在参考值1200 A可保证移相全桥高频逆变占空比在0.5左右，以使输出电流纹波最小。若要各单元输出其它大小的电流值，仅小范围调整占空比即可。

表1 直流电流标准源主电路主要参数

图3给出了直流电流标准源满电流输出时的波形，从中可以看出经过一个短暂的上升过程后输出直流电流达到稳态值7200 A，并保持至仿真结束。

图3 直流电流标准源输出电流

为了分析输出直流电流的稳定程度，图4给电流源输出直流电流的局部波形，即幅值在7199 A至7201 A之间的电流曲线，从中可以看出电流在7199.8与7200.2之间波动，其精度达到2.78e-5，远远满足0.5级HVDC输电系统直流电流互感现场校验用的要求，而对于0.02级、0.01级直流互感器现场校验需求也完全满足。

图4 直流电流标准源输出电流局部波形

图5给出了直流电流标准源中各移相全桥倍流整流单元输出的直流电流波形，6个单元移相全桥调制过程中各载波依次相差1/2N电角度，使各路输出直流电流波动错位，由此进一步保证了直流电流标准源的高精度输出。

图5 各移相全桥倍流整流单元输出直流电流

4 结束语

本文采用一种交错并联移相全桥倍流整流电路结构，并结合小惯性电流跟踪控制方法对各交错并联单元输出电流进行调节，在该电路结构和电流调节方法下，得到了满电流输出为7200 A，精度可以达到10-5次数量级，满足校验0.5级、0.02级以及0.01级电流互感器现场校验用电流标准源精度要求。另外，电流标准源采用交错并联模块化设计，可满足电流标准源多量程输出的要求。

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Research on Current Standard Source for Calibrating DCCT in UHVDC Transmission System

Wang Kun1，Xiong Zhaoping2，Li Peng1，Zhang Rui1，Qi Xiaopeng3

(1. State Grid Gansu Electric Power Company, Electric Power Research Institute, Lanzhou 730070, Gansu, China; 2. State Grid Jiangxi Electric Power Company Limited, Maintenance Branch, Nanchang 330000, Jiangxi, China; 3. Lanzhou university of Technology, College of Electrical Engineering and information Engineering, Lanzhou 730070, Gansu, China)

TM933.11

A

1003-4862（2019）05-0024-04

2018-10-16

国家电网公司资助项目（52272216002G）

王琨（1988-），男，助理工程师。研究方向：电能计量。E-mail: 3546470@qq.com