劉耀，謝晨曦，李新年，王晶芳，王華偉

(1.中國電力科學(xué)研究院，北京市100192;2.北京市電力公司海淀供電局，北京市100086)

0 引言

電容換相換流器(capacitor commutation converter，CCC)的結(jié)構(gòu)是將固定電容器，串聯(lián)接入傳統(tǒng)基于晶閘管換流器直流系統(tǒng)的換流變壓器和換流器之間，通過串聯(lián)電容器來補(bǔ)償換流器的無功消耗。CCC使系統(tǒng)在換流器的觸發(fā)角(整流)、關(guān)斷(逆變)角接近于0°甚至為負(fù)時，仍能穩(wěn)定運(yùn)行，從而在無功消耗減小的同時避免了換相失敗的發(fā)生，尤其是CCC逆變器的正阻抗特性使該技術(shù)在長電纜、弱交流系統(tǒng)中的應(yīng)用具有很大優(yōu)勢［1］。但是，串聯(lián)電容的引入也使得CCC直流系統(tǒng)在逆變側(cè)近區(qū)發(fā)生嚴(yán)重故障后，由于串聯(lián)電容不對稱充電而容易引發(fā)后續(xù)連續(xù)故障，導(dǎo)致直流系統(tǒng)恢復(fù)緩慢，甚至無法恢復(fù)正常運(yùn)行，不利于功率的傳輸和系統(tǒng)穩(wěn)定［2-13］。本文在文獻(xiàn)［1］的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行詳細(xì)仿真研究，借鑒交流系統(tǒng)高壓線路串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)的思想，首次運(yùn)用“可控旁通開關(guān)”策略，在CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)近區(qū)發(fā)生嚴(yán)重故障后快速旁通、切除串聯(lián)電容，故障消失后快速投入串聯(lián)電容，成功解決CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)嚴(yán)重故障后恢復(fù)困難的缺陷，在保證直流系統(tǒng)快速恢復(fù)的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮CCC直流系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1 CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)交流單相瞬時故障仿真及分析

1.1 仿真模型介紹

研究工具為PSCAD/EMTDC仿真軟件。模型兩側(cè)交流系統(tǒng)均為500kV，由于著重研究逆變側(cè)故障問題，整流側(cè)不作考慮，交流為無窮大系統(tǒng)，逆變側(cè)為偏弱交流系統(tǒng)，系統(tǒng)短路比 SCR=2;直流電壓500kV，額定直流電流3 000 A，整流側(cè)直流系統(tǒng)控制電流，逆變側(cè)定關(guān)斷角(gamma=17°)通過調(diào)節(jié)換流變壓器分接頭控制直流電壓，包含最大觸發(fā)角控制功能、低壓限流功能及換相失敗預(yù)測與保護(hù)等核心功能;串聯(lián)電容值選取原則為使得閥兩側(cè)電壓不超過額定電壓1.1倍，對應(yīng)電容即為模型中串聯(lián)電容的最小限值［14］。

1.2 逆變側(cè)交流單相瞬時故障仿真分析

首先，基于上述仿真模型，分別在傳統(tǒng)電網(wǎng)換相換流器(line commutation converter，LCC)直流系統(tǒng)模型和CCC直流系統(tǒng)模型逆變側(cè)進(jìn)行了逆變側(cè)出口近區(qū)單相瞬時短路試驗。其中，對于CCC直流系統(tǒng)，選取不同的串聯(lián)電容值進(jìn)行了多次試驗，選取3個典型不同電容值(均在最小限值以上)對應(yīng)的典型波形予以對比分析，單相故障仿真結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 傳統(tǒng)直流逆變側(cè)交流出口單相瞬時短路故障波形Fig.1 Single phase short circuit fault waveform at AC outlet of conventional HVDC inverter side

由圖1可知，傳統(tǒng)LCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)交流單相瞬時短路后發(fā)生換相失敗故障，一段時間后待交流恢復(fù)，直流可恢復(fù)運(yùn)行。對于CCC直流系統(tǒng)，由圖2(a)可知，當(dāng)串聯(lián)電容較大時，電容作用不明顯，故障后恢復(fù)過程相對于傳統(tǒng)直流擾動略大些，但未發(fā)生新的后續(xù)故障。由圖2(b)、(c)可知，隨著電容逐漸減小，電容作用越來越明顯，但故障后的恢復(fù)過程擾動也越來越大，恢復(fù)時間越來越長。這是因為故障后串聯(lián)電容的不對稱充電效應(yīng)，使得后續(xù)應(yīng)當(dāng)導(dǎo)通的閥可能承受反向電壓而無法觸發(fā)導(dǎo)通，導(dǎo)致后續(xù)又發(fā)生了新的換相失敗故障，暴露了CCC故障后恢復(fù)能力較差的缺陷。本文針對CCC直流系統(tǒng)這一缺陷進(jìn)行了進(jìn)一步的對策研究分析。

圖2 不同串聯(lián)電容值條件下CCC直流逆變側(cè)交流出口單相瞬時短路故障波形Fig.2 Single phase short circuit fault waveform at AC outlet of CCC HVDC inverter side with different capacitors

2 故障恢復(fù)策略原理及動作時序

2.1 原理介紹

在交流輸電系統(tǒng)中，為提高線路輸送能力，常常采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)，即通過在輸電線路中串入電容以抵消線路的感抗，減小系統(tǒng)間的電氣距離，從而提高線路輸送功率極限。為保證串聯(lián)補(bǔ)償裝置能夠正常工作，需要對其在某些極端情況下進(jìn)行保護(hù)。例如線路發(fā)生短路故障，為了避免設(shè)備損壞，通常采用“MOV+并聯(lián)間隙組合”的保護(hù)策略實現(xiàn)在極端情況下快速旁通串聯(lián)補(bǔ)償裝置，保護(hù)設(shè)備安全，當(dāng)故障消失后再次投入串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備?；谶@一思想，針對CCC直流系統(tǒng)故障后恢復(fù)困難的缺陷，對CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)進(jìn)行類似改造。

電容換相換流器結(jié)構(gòu)如圖3所示。電源側(cè)三相電壓分別為 Ea、Eb、Ec，三相電容兩側(cè)電壓分別為Eaa'、Ebb'、Ecc'，電容閥側(cè)即實際換相電壓分別為 Ea'、Eb'、Ec'。本文的“可控旁通開關(guān)”思想即在每相串聯(lián)電容回路中串聯(lián)1個“串聯(lián)斷路器”，實現(xiàn)對串聯(lián)電容的切除和投入，兩側(cè)并聯(lián)1個“可控旁通開關(guān)”，由“可觸發(fā)間隙”和“旁通斷路器”組成，實現(xiàn)對電容的快速旁通功能。以單相電容回路為例，改造后結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 CCC換流器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 CCC Structure

圖4 串聯(lián)電容旁通示意圖Fig.4 Bypass of series capacitor

圖4 中，限壓器為CCC直流系統(tǒng)中保護(hù)串聯(lián)電容過電壓的設(shè)備，為保護(hù)電容一般均需配備?！翱捎|發(fā)間隙”為一可控制開通、不可控制關(guān)斷的“開關(guān)”，兩側(cè)在承受一定電壓的前提下，收到觸發(fā)信號后可以在極短時間內(nèi)擊穿導(dǎo)通(可視為瞬間完成)，但是其關(guān)斷必須依靠通道中電流下降到一定值才可以實現(xiàn)，且通道阻抗較大，一般不宜長期處于導(dǎo)通狀態(tài)?！芭酝〝嗦菲鳌笨梢詫崿F(xiàn)帶電分、合控制，其功能主要有2個:一是在收到觸發(fā)導(dǎo)通信號后迅速合上，由于其導(dǎo)通回路阻抗遠(yuǎn)小于觸發(fā)間隙回路，兩側(cè)電壓很小，故“可觸發(fā)間隙”中電流會迅速轉(zhuǎn)移至“旁通斷路器”回路，從而實現(xiàn)“可觸發(fā)間隙”自動關(guān)斷;二是長期維持導(dǎo)通狀態(tài)，實現(xiàn)對串聯(lián)電容的持久旁通功能，并且可以隨時退出。

1.2 旁通開關(guān)控制策略及動作時序

當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生出口單相短路故障時，故障相交流電壓跌落，通常逆變側(cè)會發(fā)生換相失敗故障，實際直流控制系統(tǒng)會收到一個換相失敗(commutation failure，CF)的數(shù)字回報信號，本文就將此信號作為控制同時觸發(fā)三相電容旁通開關(guān)的觸發(fā)信號。故障消失后，交流電壓恢復(fù)，以交流電壓恢復(fù)至額定值的80%(或根據(jù)系統(tǒng)實際情況確定)為控制信號，控制旁通斷路器斷開、串聯(lián)斷路器合上。

具體動作時序如下:

(1)故障前，串聯(lián)斷路器為“合”狀態(tài)，“可觸發(fā)間隙”和“旁通斷路器”均為“分”狀態(tài)。

(2)故障發(fā)生后，當(dāng)直流控制系統(tǒng)收到換相失敗信號后，CF信號作為觸發(fā)信號同時觸發(fā)三相串聯(lián)電容對應(yīng)的“可觸發(fā)間隙”和“旁通斷路器”，“可觸發(fā)間隙”先導(dǎo)通，迅速實現(xiàn)旁通串聯(lián)電容，隨后“旁通斷路器”導(dǎo)通，電流轉(zhuǎn)移至“旁通斷路器”回路并維持持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)，“可觸發(fā)間隙”則在電流下降至一定值時自行關(guān)斷。

(3)當(dāng)“旁通斷路器”合上后，迅速發(fā)出拉開“串聯(lián)斷路器”命令，實現(xiàn)完全切除串聯(lián)電容，至此，便完成了串聯(lián)電容的快速旁通和切除環(huán)節(jié)。

(4)當(dāng)故障消失后，交流電壓恢復(fù)至額定值的80%時，合“串聯(lián)斷路器”，隨后拉開“旁通斷路器”，從而實現(xiàn)了串聯(lián)電容的再次投入。

以上便完成了一次完整的故障后恢復(fù)策略動作時序，既避免了故障后串聯(lián)電容不平衡充電對系統(tǒng)恢復(fù)的影響，同時也可在故障消失后迅速恢復(fù)電路結(jié)構(gòu)，繼續(xù)充分發(fā)揮CCC直流輸電系統(tǒng)的優(yōu)勢。

2 CCC直流系統(tǒng)故障恢復(fù)策略仿真校驗

基于上述“可控旁通開關(guān)”故障恢復(fù)策略及其動作時序，對此恢復(fù)策略及原理進(jìn)行仿真驗證?；谠抡婺Ｐ?，無功配置為CCC直流系統(tǒng)額定運(yùn)行狀態(tài)下交換無功平衡，且本文根據(jù)是否再次投入串聯(lián)電容(100 μF)，仿真校驗分2種情況進(jìn)行，研究不同策略下直流系統(tǒng)的響應(yīng)，并將結(jié)果與傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)相同故障后的恢復(fù)特性進(jìn)行對比。仿真模型中，直流系統(tǒng)均為額定功率運(yùn)行，2 s時逆變側(cè)發(fā)生單相瞬時故障，持續(xù)時間50 ms之后交流電壓逐漸恢復(fù)。

2.1 故障后不重新投入串聯(lián)電容

CCC直流系統(tǒng)在故障后只快速旁通、切除串聯(lián)電容器，而不再次投入電容繼續(xù)運(yùn)行，研究此時系統(tǒng)的恢復(fù)特性及后續(xù)運(yùn)行特性，仿真波形(逆變側(cè))如圖5所示。

圖5 CCC直流逆變側(cè)交流出口單相短路故障及恢復(fù)波形(不投電容)Fig.5 Single phase short circuit fault and restoring wave at AC outlet of CCC HVDC inverter side(without capacitor)

由圖5可知，采取快速旁通、切除串聯(lián)電容策略后，CCC直流系統(tǒng)故障后并沒有發(fā)生后續(xù)換相失敗故障，故障恢復(fù)過程及時間和傳統(tǒng)直流輸電系統(tǒng)比較接近，但是又不完全一樣。可以看到系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行后交、直流電壓均有所下降，直流輸送功率極限降低，這是由于仿真模型中無功配置為CCC直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的補(bǔ)償量，相比較傳統(tǒng)直流要少得多，切除串聯(lián)電容后直流系統(tǒng)無功配置不足，導(dǎo)致系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行后交、直流電壓均有所下降，從而導(dǎo)致直流輸送功率極限下降。由此可見，僅僅采取快速旁通、切除串聯(lián)電容策略，雖然可以避免串聯(lián)電容的不平衡充電導(dǎo)致后續(xù)連續(xù)故障的發(fā)生，但可能無法使系統(tǒng)輸送功率恢復(fù)至故障前水平，有一定的局限性。

2.2 故障后重新投入串聯(lián)電容

為避免串聯(lián)電容對后續(xù)系統(tǒng)恢復(fù)的影響，同時又能使系統(tǒng)在故障后恢復(fù)至故障前運(yùn)行水平，提出在故障后適當(dāng)時機(jī)再次投入串聯(lián)電容，恢復(fù)至CCC直流系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，仿真波形(逆變側(cè))如圖6所示。

圖6 電容換相換流器(CCC)直流逆變側(cè)交流出口單相短路故障及恢復(fù)波形(投電容)Fig.6 Single phase short circuit fault and restoring wave at AC outlet of CCC HVDC inverter side(with capacitor)

由圖6可知，故障后直到重新投入串聯(lián)電容前，故障特性及恢復(fù)特性和圖5基本一致;重新投入串聯(lián)電容后，交、直流電壓及直流功率逐漸恢復(fù)至故障前水平，恢復(fù)時間也和傳統(tǒng)直流基本一致。從而，解決了CCC直流系統(tǒng)故障后難以恢復(fù)的缺陷，同時充分發(fā)揮了CCC直流系統(tǒng)的優(yōu)勢，驗證了采用“可控旁通開關(guān)”策略的可行性和有效性。

3 結(jié)論

本文基于相關(guān)理論和仿真模型，研究了電容換相換流器(CCC)直流系統(tǒng)逆變側(cè)故障后的恢復(fù)特性;首次提出采用“可控旁通開關(guān)”解決CCC直流系統(tǒng)的故障恢復(fù)缺陷，并且根據(jù)是否重新投入電容分別進(jìn)行了仿真;通過與傳統(tǒng)直流及CCC直流系統(tǒng)在相同故障情況下的恢復(fù)特性進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論:

(1)CCC直流系統(tǒng)逆變側(cè)近區(qū)發(fā)生嚴(yán)重交流單相瞬時短路故障后，直流系統(tǒng)恢復(fù)較慢，甚至?xí)l(fā)生多次后續(xù)換相失敗故障。

(2)采用換相失敗故障后快速旁通、切除串聯(lián)電容后，可以成功避免串聯(lián)電容對后續(xù)系統(tǒng)恢復(fù)的影響;在故障消失后，及時重新投入串聯(lián)電容，可以使交、直流系統(tǒng)恢復(fù)至故障前的運(yùn)行水平，從而解決了CCC直流系統(tǒng)的故障恢復(fù)缺陷。這一研究成果對于提高CCC直流系統(tǒng)的動態(tài)特性、進(jìn)一步發(fā)展和推廣具有重要意義，對于解決CCC直流系統(tǒng)其他技術(shù)問題也有一定借鑒意義。

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