王冰倩,趙文強(qiáng),侍喬明,田杰,常昊添
(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102)
隨著直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展,基于電網(wǎng)換相換流器的高壓直流輸電(line commutated converter based high voltage direct current,LCC-HVDC)技術(shù)日趨成熟,常規(guī)高壓直流輸電系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離、大容量、低成本等優(yōu)點(diǎn)[1—4]。但逆變側(cè)交流電壓受到擾動(dòng)時(shí),電網(wǎng)換相換流器容易發(fā)生換相失敗,給交直流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響[5—6]?;陔妷涸磽Q流器的高壓直流輸電(voltage source converter based high voltage direct current,VSC-HVDC)技術(shù)具有無(wú)換相失敗、無(wú)需無(wú)功補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)[7]?;贚CC-VSC的混合直流輸電技術(shù)結(jié)合常規(guī)直流輸電和柔性直流輸電的優(yōu)點(diǎn),可提供更靈活的輸電方式,但其復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和靈活的運(yùn)行方式,給直流系統(tǒng)的控制策略、交直流故障穿越策略等帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)?;旌现绷鬏旊娤到y(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性及控制策略等成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[8—10]。
文中以整流站采用LCC,逆變站采用LCC和多個(gè)VSC級(jí)聯(lián)的受端混聯(lián)型LCC-VSC直流輸電系統(tǒng)為研究對(duì)象,該混聯(lián)型結(jié)構(gòu)具有可以改善逆變側(cè)交流電壓穩(wěn)定性、降低換相失敗發(fā)生概率等優(yōu)點(diǎn)。該拓?fù)淇衫肔CC的單向?qū)щ娞匦宰钄嘀绷骶€(xiàn)路故障時(shí)VSC的反向饋入電流,同時(shí)結(jié)合VSC功率指令控制可實(shí)現(xiàn)直流故障快速穿越和恢復(fù)[11],但VSC所連交流系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí),輸電系統(tǒng)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障穿越。
針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)的交直流故障穿越問(wèn)題已有較多研究,例如在風(fēng)電場(chǎng)直流側(cè)安裝耗能裝置[12—14],從整流側(cè)、逆變側(cè)分別調(diào)整控制策略[15—21]。文獻(xiàn)[15]通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)直流側(cè)安裝耗散電阻和斬波電阻來(lái)耗散過(guò)剩功率,實(shí)現(xiàn)交直流故障穿越,但該方案對(duì)特高壓工程而言成本過(guò)高。文獻(xiàn)[17]提出在受端VSC發(fā)生交流故障時(shí),VSC投入交流低壓限流環(huán)節(jié)、正負(fù)序電流控制環(huán)節(jié)等控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)故障穿越,但該方法需站間通信,控制策略較為復(fù)雜。目前,針對(duì)受端混聯(lián)型LCC-VSC直流輸電系統(tǒng)的交流故障穿越策略研究較少,已有的混合直流系統(tǒng)交流故障穿越方法并不完全適用。
文中介紹了受端混聯(lián)型LCC-VSC直流輸電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略,分析了VSC換流器交流故障導(dǎo)致子模塊電容過(guò)壓機(jī)制,為實(shí)現(xiàn)受端VSC交流故障穿越,提出在受端VSC直流側(cè)安裝耗能設(shè)備以抑制VSC子模塊過(guò)壓。對(duì)VSC直流側(cè)分別安裝直流斬波耗能電阻(DC Chopper)、泄流晶閘管、可控避雷器(controllable metal oxide surge arrester,CMOA)的子模塊電容過(guò)壓抑制原理及效果進(jìn)行研究和對(duì)比,從兼顧拓?fù)湫阅苄枨蠛徒?jīng)濟(jì)效益方面指出了各方案的優(yōu)缺點(diǎn),并搭建了PSCAD/EMTDC仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
受端混聯(lián)型LCC-VSC直流輸電系統(tǒng)受端采用LCC與多個(gè)VSC級(jí)聯(lián)的方式,其單極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,送端高、低壓閥組及受端高壓閥組均采用LCC換流器,受端低壓閥組采用3個(gè)VSC換流器并聯(lián),其中BPS為旁通開(kāi)關(guān)。該拓?fù)渚哂徐`活多變的運(yùn)行方式,例如全壓LCC-(LCC+1VSC)、LCC-(LCC+2VSC)、LCC-(LCC+3VSC),半壓LCC-LCC、LCC-1VSC、LCC-2VSC、LCC-3VSC等。正常全壓運(yùn)行條件下,逆變側(cè)高、低壓閥組平分直流功率,VSC極母線(xiàn)電壓為400 kV,低端VSC通過(guò)協(xié)調(diào)控制平均分配直流電流,高、低端之間能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度的功率轉(zhuǎn)帶。
圖1 受端混聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of hybrid cascade HVDC transmission system
整流站LCC控制策略與常規(guī)特高壓直流輸電系統(tǒng)基本相同,通過(guò)控制觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)定直流功率/直流電流控制,通過(guò)低壓限流、交流暫態(tài)控制等環(huán)節(jié)來(lái)改善交直流動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。逆變站高端LCC采用定直流電壓控制,低端3個(gè)VSC中1個(gè)控制直流電壓,另2個(gè)控制功率,若控制直流電壓的VSC因故退出,則控制功率的VSC按照預(yù)先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)接管直流電壓控制。
逆變站VSC采用矢量控制,即基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的解耦控制,分為外環(huán)功率控制和內(nèi)環(huán)電流控制[1,21—24]。其中外環(huán)控制包含直流電壓控制、有功功率控制、無(wú)功功率控制、交流電壓控制等,根據(jù)系統(tǒng)直流電壓、直流電流等參數(shù)及系統(tǒng)電壓、電流、功率等控制目標(biāo)產(chǎn)生參考電流輸送給內(nèi)環(huán)控制。內(nèi)環(huán)控制通過(guò)矢量控制生成三相電壓參考值,最終計(jì)算得到上、下橋臂子模塊的開(kāi)通個(gè)數(shù)。VSC控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中Udc,Idc分別為MMC直流側(cè)電壓和電流;Us,abc,Is,abc分別為換流器交流側(cè)相電壓和相電流;θ為Usa相位;Usd,Usq分別為交流側(cè)相電壓的d軸和q軸分量;Isd,Isq分別為交流側(cè)相電流的d軸和q軸分量;Pref,Qref分別為有功功率和無(wú)功功率參考值;Udcref,Usref分別為直流電壓和交流側(cè)電壓參考值;idref,iqref分別為d軸和q軸電流參考值;Ucdref,Ucqref分別為d軸和q軸電壓參考值。
圖2 VSC控制策略結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of VSC control strategy
VSC子模塊電容電壓與交、直流側(cè)的關(guān)系可簡(jiǎn)化如下[25]:
(1)
式中:Pdc為換流器直流側(cè)功率;Pac為換流器交流側(cè)功率;C為換流器投入子模塊總電容;Udc為直流電壓。
當(dāng)VSC直流側(cè)輸入功率與交流側(cè)輸出功率不平衡時(shí),會(huì)引起VSC子模塊電容電壓的變化[26—28]。例如逆變側(cè)低端VSC交流系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障,一方面高端LCC與低端VSC所連交流系統(tǒng)的強(qiáng)耦合作用可能導(dǎo)致LCC發(fā)生換相失敗,相當(dāng)于LCC旁通后對(duì)低閥VSC充電,另一方面交流電壓嚴(yán)重跌落,交流低壓限流環(huán)節(jié)作用降低輸出電流,導(dǎo)致?lián)Q流器交流系統(tǒng)功率輸出通道嚴(yán)重受阻[21]。而整流側(cè)依舊按照穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的功率設(shè)定參考值輸送直流功率,導(dǎo)致VSC交流功率Pac遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于直流功率Pdc,過(guò)剩的功率轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存至VSC子模塊電容上,最終導(dǎo)致子模塊電壓嚴(yán)重升高,引起直流閉鎖,甚至威脅設(shè)備安全。
由VSC交流故障過(guò)壓機(jī)制分析可知,實(shí)現(xiàn)VSC交流故障穿越的本質(zhì)是消耗交流電壓跌落后直流側(cè)過(guò)剩的功率,減輕VSC子模塊電容的儲(chǔ)能負(fù)擔(dān),維持VSC交、直流側(cè)功率平衡。因此考慮在VSC直流側(cè)安裝耗能設(shè)備,用以消耗交流故障期間直流側(cè)過(guò)剩功率,限制子模塊電壓在安全范圍內(nèi),保證系統(tǒng)可靠穿越交流故障。目前,耗能設(shè)備主要有DC Chopper、泄流晶閘管和CMOA,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,性能對(duì)比如表1所示。
表1 3種耗能設(shè)備性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of three energy-consuming equipments
DC Chopper由耗能電阻和控制開(kāi)關(guān)組成[13],其中電阻實(shí)現(xiàn)盈余功率轉(zhuǎn)移耗散,電阻值RChopper由式(2)決定,Pdc一般選擇額定容量[15],控制開(kāi)關(guān)一般采用高速全控型開(kāi)關(guān)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),以實(shí)現(xiàn)精確投入和退出。當(dāng)VSC子模塊電容電壓越限后開(kāi)通開(kāi)關(guān)器件來(lái)限制VSC端口電壓,當(dāng)故障消失后,斷開(kāi)Chopper回路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復(fù),其不足是IGBT技術(shù)成本及造價(jià)較高。
(2)
泄流晶閘管技術(shù)類(lèi)似常規(guī)直流的投旁通對(duì),故障時(shí)給VSC直流側(cè)盈余的功率提供一個(gè)直流通路,以避免直流側(cè)盈余的功率儲(chǔ)存在VSC換流器的子模塊電容上而引起過(guò)壓。為防止晶閘管不能及時(shí)自動(dòng)關(guān)斷,考慮串聯(lián)直流開(kāi)關(guān)來(lái)保證其可靠關(guān)斷。其缺點(diǎn)是晶閘管的關(guān)斷需要整流側(cè)移相,通過(guò)一次重啟實(shí)現(xiàn),會(huì)造成故障穿越過(guò)程中功率中斷,且在實(shí)際工程應(yīng)用中存在泄流晶閘管巡檢及性能監(jiān)控技術(shù)難度大等不足[29]。
CMOA由固定元件、受控元件、控制開(kāi)關(guān)組成[30]。固定部分一般位于高位端,受控部分與控制開(kāi)關(guān)并聯(lián),通常位于低位端。主要是利用避雷器防止過(guò)壓的特性,將VSC換流器的端口電壓限制在安全范圍內(nèi),從而避免VSC換流器過(guò)電壓,其工作原理類(lèi)似于DC Chopper,但其具有經(jīng)濟(jì)成本低、制造技術(shù)較成熟等優(yōu)勢(shì)。
設(shè)定投入耗能設(shè)備的子模塊電容電壓閾值,當(dāng)交流故障導(dǎo)致VSC子模塊電容電壓大于閾值時(shí),VSC控制系統(tǒng)將發(fā)出投入耗能設(shè)備指令,從而避免子模塊電容電壓進(jìn)一步升高。子模塊電容電壓閾值需保證:在最嚴(yán)苛的故障情況下,耗能設(shè)備導(dǎo)通后子模塊電容電壓被限制在安全范圍內(nèi),同時(shí)對(duì)耗能設(shè)備的儲(chǔ)能要求盡可能低,以便在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于圖1所示的受端混聯(lián)型LCC-VSC直流輸電系統(tǒng),VSC運(yùn)行個(gè)數(shù)不同,VSC發(fā)生交流系統(tǒng)故障期間,采用的協(xié)調(diào)控制策略不同。
當(dāng)受端低閥3個(gè)VSC均運(yùn)行時(shí),其中1個(gè)VSC交流系統(tǒng)發(fā)生故障,一方面可以利用非故障VSC轉(zhuǎn)帶故障VSC 的部分功率,另一方面當(dāng)子模塊電容電壓超過(guò)閾值后導(dǎo)通耗能設(shè)備,將盈余功率轉(zhuǎn)移至耗能設(shè)備,減輕子模塊電容儲(chǔ)能負(fù)擔(dān),從而抑制子模塊電容電壓升高。當(dāng)故障清除后,子模塊電容電壓下降至閾值以下,退出耗能設(shè)備,實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)故障穿越。
當(dāng)受端低閥只有2個(gè)VSC運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)輸送功率可以設(shè)定為額定值,當(dāng)其中1個(gè)VSC所連交流系統(tǒng)發(fā)生故障,非故障VSC功率轉(zhuǎn)帶能力有限,此時(shí)對(duì)耗能設(shè)備容量的要求較高,可以采取整流側(cè)配合移相以減少直流側(cè)流入耗能設(shè)備的功率,從而減小耗能設(shè)備容量需求。
當(dāng)受端低閥只有1個(gè)VSC運(yùn)行時(shí),唯一的VSC發(fā)生故障后沒(méi)有非故障VSC接管定電壓控制及功率轉(zhuǎn)帶,故障后VSC承受電壓應(yīng)力大,為防止對(duì)設(shè)備造成損害,系統(tǒng)將降低輸送功率,利用耗能設(shè)備可靠穿越VSC交流故障。
DC Chopper安裝在圖1所示VSC直流側(cè)耗能設(shè)備處,當(dāng)交流故障導(dǎo)致子模塊電容電壓大于閾值時(shí),投入DC Chopper開(kāi)關(guān)形成泄能回路,故障清除后,關(guān)斷開(kāi)關(guān),退出DC Chopper?;旌现绷飨到y(tǒng)VSC交流故障后的控制策略如圖4所示,其中紅框部分為DC Chopper動(dòng)作策略。
VSC直流側(cè)安裝有泄流晶閘管的結(jié)構(gòu)如圖5所示,晶閘管動(dòng)作策略如圖4中綠框部分所示。為保證晶閘管能夠可靠關(guān)斷,在晶閘管處串聯(lián)直流開(kāi)關(guān),VSC直流出口處需要安裝阻斷二極管以防止VSC電流反向流進(jìn)晶閘管形成短路回路。當(dāng)故障導(dǎo)致VSC子模塊電壓越限后,觸發(fā)導(dǎo)通泄流晶閘管,從而與高端LCC形成泄流回路,故障清除后,整流側(cè)進(jìn)行移相,晶閘管關(guān)斷,系統(tǒng)進(jìn)行一次重啟,實(shí)現(xiàn)故障穿越。
圖5 配置泄流晶閘管的受端混聯(lián)直流輸電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.5 Topology of hybrid cascade HVDC transmission system with thyristor
CMOA安裝位置與DC Chopper一致,動(dòng)作策略如圖4中藍(lán)框部分所示。當(dāng)逆變側(cè)VSC交流系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致子模塊電容電壓升高并超過(guò)閾值時(shí),控制開(kāi)關(guān)K閉合,受控元件被旁路,降低CMOA殘壓,固定元件將高端LCC流入VSC的直流電流大量轉(zhuǎn)移至CMOA,同時(shí)讓VSC釋放一部分能量,從而限制子模塊電容過(guò)壓。故障消失后,VSC正常輸出功率,VSC直流電壓降低,子模塊電容電壓降低至閾值后,打開(kāi)CMOA開(kāi)關(guān)K。
基于PSCAD平臺(tái)搭建受端混聯(lián)LCC-VSC特高壓直流輸電仿真系統(tǒng),其中,主回路結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D1設(shè)計(jì)。送端高、低端配置LCC+BPS;受端高端配置LCC+BPS;受端低端配置3VSC+BPS+耗能設(shè)備;額定功率為8 000 MW;額定直流電壓為±800 kV;額定直流為5 000 A;VSC子模塊個(gè)數(shù)為200個(gè);投入耗能設(shè)備的子模塊電容電壓閾值為2 600 V。
受端LCC+3VSC全壓運(yùn)行模式時(shí),單極輸送功率4 000 MW,高端LCC輸送2 000 MW,低端單個(gè)VSC輸送667 MW;LCC+2VSC全壓運(yùn)行模式時(shí),單極輸送功率4 000 MW,高端LCC輸送2 000 MW,低端單個(gè)VSC需要輸送1 000 MW;LCC+VSC全壓運(yùn)行模式時(shí),因?yàn)榈投藛蝹€(gè)VSC輸送功率受限,系統(tǒng)降功率運(yùn)行,單極輸送功率為1 600 MW,高端LCC輸送800 MW,低端單個(gè)VSC需要輸送800 MW。系統(tǒng)全壓LCC+2VSC運(yùn)行方式下單個(gè)VSC換流器承受的功率更大,交流故障導(dǎo)致閥過(guò)壓情況更嚴(yán)苛,因此文中研究全壓LCC-(LCC+2VSC)運(yùn)行方式下的三相交流故障穿越,其中VSC3為定電壓控制,VSC2為定功率控制。
3.2.1 無(wú)耗能設(shè)備仿真結(jié)果
VSC直流側(cè)不安裝耗能設(shè)備時(shí),如果VSC3所連交流系統(tǒng)發(fā)生三相金屬性接地故障,仿真結(jié)果如圖6所示,故障發(fā)生于9.1 s,持續(xù)時(shí)間100 ms,子模塊電容電壓最大值持續(xù)上升,最后峰值達(dá)到3.46 kV,VSC直流側(cè)端口電壓達(dá)到1 228 kV,嚴(yán)重過(guò)壓,VSC換流器閉鎖,最后極閉鎖,無(wú)法實(shí)現(xiàn)交流故障穿越。
圖6 無(wú)耗能設(shè)備時(shí)VSC3三相交流接地故障仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 without energy-consuming equipments
為了對(duì)比DC Chopper、泄流晶閘管、CMOA設(shè)備抑制子模塊過(guò)壓的性能,在VSC直流側(cè)分別安裝3種耗能設(shè)備,并進(jìn)行VSC3交流系統(tǒng)三相金屬性接地故障試驗(yàn)。
3.2.2 基于DC Chopper的技術(shù)方案
仿真波形如圖7所示,結(jié)果顯示VSC3三相接地故障時(shí)VSC子模塊電容電壓最大值降到2.73 kV,VSC直流側(cè)端口電壓最大值降為523 kV,故障消失后,系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。同時(shí)可以看出DC Chopper轉(zhuǎn)移效果快,也反映出對(duì)Chopper電阻的要求高,考慮到DC Chopper的經(jīng)濟(jì)成本較高,對(duì)于柔性直流輸電系統(tǒng)可適當(dāng)引入使用,對(duì)于特高壓直流大容量傳輸系統(tǒng)而言,電阻要求大,其經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高。
圖7 配置DC Chopper時(shí)VSC3三相接地故障仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with DC Chopper
3.2.3 基于泄流晶閘管的技術(shù)方案
仿真波形如圖8所示,結(jié)果顯示VSC3三相接地故障后,VSC子模塊的電容電壓最大值降到2.74 kV,VSC直流側(cè)的端口電壓最大值降為521 kV,整流側(cè)移相后直流線(xiàn)路電流和晶閘管電流降為零,實(shí)現(xiàn)晶閘管關(guān)斷,系統(tǒng)通過(guò)一次重啟實(shí)現(xiàn)交流故障穿越。
圖8 配置泄流晶閘管時(shí)VSC3三相接地故障仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with thyristor
3.2.4 基于CMOA的技術(shù)方案
仿真波形如圖9所示,結(jié)果顯示子模塊電容電壓最大值降低至2.88 kV,VSC直流側(cè)端口電壓最大值降為543 kV,故障消失后可以快速恢復(fù)運(yùn)行,可靠穿越交流三相短路故障,CMOA固定元件的能量達(dá)到了165 MJ,該能量可作為CMOA設(shè)計(jì)依據(jù)。
圖9 配置CMOA時(shí)VSC3三相接地故障仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of three-phase AC fault in VSC3 with CMOA
3種耗能設(shè)備的仿真結(jié)果如表2所示,結(jié)果表明3種方案均可實(shí)現(xiàn)VSC交流故障穿越。結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用,綜合考慮耗能設(shè)備對(duì)子模塊電容過(guò)壓抑制效果、工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)成本及工程實(shí)現(xiàn)難度,CMOA不僅能滿(mǎn)足功率耗散性能要求,而且經(jīng)濟(jì)成本較其他方案低,工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度也較低,更適用于受端混聯(lián)LCC-VSC特高壓直流輸電系統(tǒng)。
表2 3種耗能設(shè)備仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of three energy-consuming equipments
文中提出利用DC Chopper、泄流晶閘管、CMOA來(lái)抑制VSC子模塊電容電壓的受端混聯(lián)LCC-VSC直流輸電系統(tǒng)交流故障穿越方法,搭建PSCAD模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,3種耗能設(shè)備均可有效降低交流故障穿越過(guò)程中的子模塊電容電壓。從工程應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā),泄流晶閘管會(huì)導(dǎo)致故障穿越過(guò)程中功率中斷且工程中性能檢測(cè)及巡檢難度大,DC Chopper在大容量輸電系統(tǒng)工程背景下經(jīng)濟(jì)成本高,CMOA方案能夠兼顧經(jīng)濟(jì)效益和性能需求,更適用于受端混聯(lián)LCC-VSC特高壓直流輸電系統(tǒng)的工程應(yīng)用。
本文得到國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司科技項(xiàng)目“±800 kV混合級(jí)聯(lián)多端直流輸電系統(tǒng)控制保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究”(JS1900544)資助,謹(jǐn)此致謝!