PDF《柔性直流输电系统新型故障重启方法》

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a e p s G i n f o . c o m 柔性直流输电系统新型故障重启方法 李斌1 ,何佳伟1 ,李晔1 ,洪潮2 ,张野2 ,杨健2 ( 1. 智能电网教育部重点实验室( 天津大学) ,天津市

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7 2;

2. 南方电网科学研究院有限责任公司,广东省广州市

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6 3 ) 摘要:换流器自清除技术的逐渐成熟使得基于架空线路输电成为柔性直流输电的发展趋势.架空 线路输电时瞬时性故障概率较大, 因此需配置有效的重启方法确定是否应该恢复系统的正常运行. 传统的柔性直流输电系统重启方法因重启于永久性故障时会对系统造成二次过流、 过压危害, 不利 于系统的安全可靠运行.提出了一种具有低电流、 低电压危害的新型重启方法, 在故障性质判断期 间将换流器运行于不控整流方式, 通过判断电流的有无, 实现故障性质的判断.这种方法在重启于 永久性故障时能够有效避免对系统的二次过流冲击, 也不会产生二次过电压.最后, 在PSCAD/EMT D C仿真平台上搭建了两端模块化多电平换流器型直流系统, 通过仿真测试验证了所设计重 启方法的可行性和优越性. 关键词:柔性直流输电;

架空线路;

重启策略;

故障性质判断 收稿日期:

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修回日期:

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0 7. 上网日期:

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1 2. 国家自然科学基金资助项目(

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2 6 ) ;

中国南方电网有限 责任公司重点科技项目( C S G T R C G K

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0 1 ) .

0 引言 柔性直流输电技术与传统交流输电相比, 更加 有利于新能源发电的大规模集中接入[

1 ] , 能够有效 降低输电损耗, 减少供电走廊[ 2] , 且具备更高的供电 可靠性[ 3] ;

而与传统直流输电技术相比, 其在可靠换 相、 灵活控制、 电能质量等方面优势明显[

4 ] .因此, 在电力系统领域具有极大的应用前景, 尤其是基于 模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC) 的直流输电技术, 更是由于在开关 损耗、 器件性能需求、 谐波含量等方面的突出优势而 成为近年来电力系统电力电子化进程中 的一大研 究、 应用主题[

5 G 6] . 目前, 高压大容量直流断路器工程应用尚不成 熟[

7 G 9] , 且传统基于半桥子模块(halfGbridges u b G m o d u l e , H B S M) 的MMC 在直流故障以后 无法实现故障电流的自清除, 因此柔性直流输电工程中一 般采用直流电缆代替架空线路作为输电线路以降低 故障率[

1 0] .但是, 由于全桥子模块( f u l l G b r i d g es u b G m o d u l e , F B S M) 、 钳位双子模块( c l a m pd o u b l es u b G m o d u l e , C D S M) 、 增强自阻型子模块( s e l f G b l o c k i n g s u b G m o d u l e , S B S M) 等具有故障自清除能力的换流 器子模块技术不断成熟[

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1 5] , 故障难以快速清除的 技术壁垒得以解决, 考虑到投资成本、 输送容量等方 面的优势, 基于架空线路输电已成为下一代柔性直 流输电技术的发展方向[

1 6] . 架空线路发生瞬时性故障概率较大, 因此需配 置有效的重启方法, 可靠判断故障性质, 确定系统是 否应该恢复正常运行.目前传统的架空线路型柔性 直流输电系统故障重启方法一般是: 在闭锁换流器 清除故障电流并经历一段时间的去游离过程以后, 重新解锁换流器, 通过判断能否建立直流电压实现 对故障性质的判断[

1 0,

1 7] .若能够建立直流电压, 表 明故障已经消失, 为瞬时性故障, 可以恢复系统的正 常运行;

若直流电压无法建立, 则为永久性故障, 应 立即重新闭锁换流站[

1 0 ] .这种重启方法能够可靠 判断故障性质, 但是重启于永久性故障时会对系统 造成二次危害, 不利于系统的安全、 可靠运行. 以目前较为常见的伪双极直流输电系统为例, 当上述重启方法重启于永久性两极短路故障时, 在 重启判断期间, 由于子模块电容的再次投入放电, 会 产生对系统的二次过流冲击;

当重启于永久性单极 接地故障时, 伪双极直流输电系统中一般不会出现 明显的过电流[

1 8] , 但是却会由于定电压控制策略导 致的电压偏置而产生二次过电压危害, 同样不利于 系统的安全运行[

1 8] .针对上述问题, 采取使换流站 按逐步升压方式重启能够在一定程度上减小二次冲 击.但由文献[

1 9 ] 可知, 这种方式在重启判断时由 于并不能完全避免子模块电容的投入, 因此在永久 性故障时仍会产生一定的二次过电流.而且, 逐步

7 7 第4 1卷第1 2期2017年6月2 5日Vol.41N o .

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3 升压方式下通过电压建立与否判定故障性质时的判 据定值整定仍有待研究.文献[

2 0 ] 通过在重启判断 期间调整反极性投入的电容电压值, 实现了一种低 电流危害的重启策略, 具有很好的借鉴意义, 也为如 何避免重启期间的二次冲击提供了一个可行的研究 思路. 本文针对具有故障自清除能力的换流器子模块 拓扑结构特点, 定义了子模块的类半桥闭锁状态, 并 由此构造换流站不控整流运行方式.在故障性质判 断期间, 利用换流站不控整流运行方式在故障点存 在和消失两种情况下体现出的线路电流特征差异, 设计了一种具有低电流、 低电压危害的新型重启方 法.并通过大量的仿真算例验证了所设计方法的可 行性和优越性.

1 新型故障重启方法 在基于架空线路输电时, 利用 F B S M 和CDSM等具有直流故障自清除能力的子模块构造换流器是 较为理想的选择[

1 0 ] .考虑到 F B S M 技术相对较为 成熟[

2 1] , 本文以基于 F B S M 的MMC( F B S M G b a s e d MMC, F G MMC) 为背景, 设计提出一种具有低电流、 低电压危害的故障重启方法, 该方法同样适用于其 他具有自清除能力的 MMC. 1.

1 F G MMC的不控整流运行方式 一般情况下, F B S M 有三种运行状态: 投入、 切 除和闭锁[

1 0 ] .投入、 切除状态主要用于实现正常运 行控制期间交流输出电压的阶梯波调制, 而闭锁状 态则主要出现在系统启动预充电期间和直流故障后 的故障电流清除期间. 为防止重启过程对换流器、 直流线路以及交流 系统的二次危害, 本文提出一种 F G MMC 的新型运 行方式― ― ―F G MMC 不控整流运行方式.首先, 定 义一种子模块新型运行状态, 针对 F B S M, 该运行状 态有 两种具体实现方式. 如图1( a) 所示, 导通FBSM中的 T 1, 而T2, T 3, T

4 保持闭锁状态, 此时 电流只可能经续流二极管 D

3 及T1流通, 其物理特 性与闭锁状态下的 H B S M 相同, 因此命名为类半桥 闭锁状态.同理, 如图1( b ) 中所示, 导通 F B S M 中的T4, 而T1, T 2, T

3 保持闭锁状态, 此时电流只可 能经续流二极管 D

2 及T4流通, 物理特性亦与闭锁 状态下的 H B S M 相同, 是FBSM类半桥闭锁状态 的另一种实现方式.如图1( c ) 所示, 将所有 F B S M 运行于类半桥闭锁状态, 即可实现 F G MMC 的不控 整流运行.图中: T

1 至T4为绝缘栅双极型晶体管 ( I G B T) . 图1 F B S M 类半桥闭锁状态及 F G MMC不控整流运行方式 F i g .

1 H a l f G b r i d g e G l i k eb l o c k i n gm o d eo fF B S Ma n d u n c o n t r o l l e dr e c t i f i e ro p e r a t i o no fF G MMC 1.

2 F G MMC不控整流运行方式下的线路电流特征 直流故障发生以后, 闭锁 F G MMC 可实现对故 障电流的快速清除, 经过一段时间的去游离过程以 后( 确保瞬时性故障情况下绝缘的可靠恢复) , 将换 流站运行于不控整流方式.在不同故障性质下将出 现不同的线路电流特征. 针对两极短路故障, 将FGMMC 运行于全波不 控整流方式( 即换流器内上、 下6个桥臂所有 F B S M 均处于类半桥闭锁状态) .如图2( a ) 所示, 如果此 时故障点仍存在, 则交流侧电源将经过换流器以全 波不控整流形式向故障点重新馈入电流. 相反, 若此时故障点已经消失, 则根据图2( c ) 所示的 潜在馈流通路可知(经对端换流站形成通路) , 只要满足式( 1) 即可保证线路上不会再出现二 次馈流.

2 NUc >uL G L

1 -uL G L

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1 2 ) ?含大规模电力电子装备的电力系统保护与控制? h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 图2 F G MMC不控整流运行方式下线路电流特征 F i g .

2 L i n ec u r r e n t c h a r a c t e r i s t i cu n d e ru n c o n t r o l l e dr e c t i f i e ro p e r a t i o nm o d eo fF G MMC 式中: N 为MMC 每个桥臂内子模块数量;

Uc为子 模块电容电压;

uL G L 1和uL G L 2分别为两侧交流系统线 电压. 考虑最严重情况, 即两侧交流系统相位相反情 况下, 子模块电容电压需满足:

2 NUc >

3 2 Ud c NM1 +

3 2 Ud c NM2 (

2 ) 即Uc >

3 4 ( M1 +M2) Uc N (

3 ) 式中: Ud c N 为额定直流电压;

Uc N 为额定子模块电容 电压;

M1 和M2 分别为换流站1和换流站2的调制 比, 定义为Um / 0.

5 Ud c N, 其中Um 为交流相电压幅值. 直流故障发生以后, F G MMC 内的子 模块电容 将经历快速放电和反向充电两个过程, 但由于故障 前桥臂电抗存储的能量、 故障后子模块电容释放能 量和交流系统馈能中除了一小部分被故障回路电阻 消耗以外, 剩余部分均将在换流器闭锁期间回馈到 子模块电容.因此, 可认为在清除故障电流以后的 不控整流运行期间, 子模块电容电压Uc能够恢复到 额定电 压Uc N, 甚至略高[

2 2 ] , 即Uc≥Uc N.又由于0