天津市河道管理处 天津 300141
摘要：现如今，人们对于用电的需求在不断的加大，基于架空线路的柔性直流电网多发瞬时性故障，重合闸是提高系统供电可靠性的必要手段，但容易造成系统二次过流和过压危害，严重影响系统安全运行。文中首先提出了一种简单、有效的重合闸限流电阻计算方法，通过估计桥臂最大电流来建立限流电阻和桥臂电流之间的约束关系，从而将桥臂电流限制在一定过流水平，减少重合闸期间换流站的闭锁时间。然后，分析了换流站端口过电压的产生原因，并提出了一种由晶闸管和吸能电阻构成的限压电路。该电路并联在桥臂电抗两端，能够在直流断路器动作时刻为桥臂电抗提供额外的电流通路，有效抑制系统的暂态过电压。最后，基于ＰＳＣＡＤ软件搭建一个三端环形测试系统，大量仿真结果证明了所提方法的有效性。
关键词：柔性直流电网；架空线路；重合闸；限流电阻；限压电路
引言
基于架空线路的柔性直流输电技术是解决中国可再生能源并网的重要技术手段 ，由于架空线多发瞬时性故障，系统需要配备快速、有效的重合闸方案来提高供电可靠性。然而，由于柔性直流电网直流阻尼较小，以及直流断路器熄弧能力强等原因，当系统重合直流侧永久性短路故障时，容易导致严重的二次过流和过电压等问题。目前，高压柔性直流工程主要采用半桥型模块化多电平换流器（ＭＭＣ），由于该拓扑无故障清除能力，其重合闸主要依赖直流断路器，并通过能否建立直流电压或是否存在过电流来实现故障性质的判断。对柔性直流电网的基本重合闸方案做了详尽的分析，结果表明：采用直流断路器能够实现故障线路的快速隔离和重启，且对系统的扰动较小，但过电流仍可能导致换流站多次闭锁。配置较大的限流电感能够避免换流站的频繁闭锁，但大电感会降低系统响应速度，并带来稳定性等问题。
1双极短路暂态过程
直流侧双极短路是ＭＭＣ－ＨＶＤＣ最为严重的故障类型，因此本文以双极故障为例分析柔性直流电网的故障暂态过程。其过程一般可以分为以下三个阶段：子模块（ＳＭ）电容放电、二极管续流和不控整流阶段。换流站闭锁前，处于投入状态的ＳＭ向故障点产生急剧的放电现象，其中红色点划线表示故障电流的直流分量，由ＳＭ放电电流提供，而蓝线表示交流电网馈入电流，称为交流分量。由于排序均压作用，所有ＳＭ将交替进行放电，直流分量在三相桥臂中平均分布。在这个阶段，每一相的交流分量在其上、下桥臂中平均分布，因此交流分量不会流入直流侧。当桥臂电流达到其过流保护阈值，换流站将立即闭锁，ＳＭ电容放电停止，故障暂态变为二极管续流阶段。在该过程中，故障电流的直流成分将由桥臂电抗来维持，并通过ＳＭ的Ｄ２单向导通。由于此时６个桥臂仍处于导通状态，因此交流分量仍不会流入到直流侧。随着桥臂电抗续流作用的不断减弱，当桥臂电流衰减至零以后不再反向增加，不控整流阶段，此时交流侧电流开始馈入直流侧。由于目前高压柔性直流输电系统的保护动作时间要求小于５ｍｓ，因此系统一般在ＳＭ放电或二极管续流阶段就能够实现故障线路隔离。
2MMC型直流系统故障特征
随着直流电网电压等级、系统容量的逐渐提高，基于子模块级联的模块化多电平换流器（MMC）在器件均压、谐波抑制、故障电流限制等方面的技术优势开始凸显。故障发生以后，处于投入状态的子模块电容经换流器桥臂向故障点放电，因此直流电流和桥臂电流快速上升，直流电压快速下降。过流、欠压判据检测到故障发生以后立即闭锁换流站（t2以后），子模块电容被旁路。换流站闭锁后初期阶段，直流电流主要由桥臂电抗续流提供，逐渐衰减。此时，在桥臂电抗续电流作用下，续流二极管对交流电源不体现单向导通性。因此，对交流侧电源而言，换流器是一个三相对称支路，相当于在换流器处发生三相短路，交流侧出现过电流。桥臂电流则是电抗器续电流和交流三相短路电流之和。最后，与两电平VSC型直流系统类似，故障稳态过程将进入不控整流运行状态。MMC型直流系统发生故障后，直流故障过电流峰值大小主要由换流器闭锁时刻决定，因此故障后换流器的快速闭锁能够有利于降低故障过电流水平，并减小故障隔离的难度。目前，实际工程中能够做到直流故障以后1～2ms甚至几百微秒级的快速故障检测、闭锁，有效避免了子模块电容的大幅度放电，有利于系统快速恢复，同时有效限制了直流线路故障电流。但是，闭锁以后系统仍将承受不控整流形式的过电流危害，因此需要后续保护快速切除故障。
3限流电阻计算
限流电阻应将桥臂过电流限制在一定的水平，减小换流站内电力电子元件的过电流应力，并保证重合闸期间系统的连续运行。因此，约束条件可以表示为：式中：Ｉ ｍａｘ 为重合闸期间换流站内桥臂电流最大值；Ｉ ｔｈ 为 ＳＭ 的过流保护阈值；ｋ 为小于等于 １ 的比例系数，表示需要限制的过流水平。由于重合闸期间换流站不再闭锁，但此时桥臂电流中除了电容放电电流，还包括交流系统馈入电流和少量的环流，因此难以用数学表达式准 确描 述 桥 臂 电 流和限流 电 阻 之 间 的 函 数关系。为了解决这个问题，本文通过估计桥臂最大电流的方法来建立桥臂电流和限流电阻之间的约束关系。由于放电回路中串联了限流电感和限流电阻，ＳＭ 电容放电速度得到了有效的减缓，因此在故障后的几毫秒内，可近似认为交流电网仍然处于可控状态，即交流输出量没有发生明显改变。若忽略较小的环流影响，重合闸期间可能出现的最大桥臂电流约为：式中：ｉ ａｃ 为换流站交流侧相电流峰值；ｉ ｄｃ 为换流站出口电流；Δ ｔ ｃ 为直流断路器重合至再次跳开的时间间隔，即保护动作时间。将式代入上式中便可以得到限流电阻的约束条件： 将满足式等号条件的电阻值定义为临界电阻 Ｒ ０，为了保证可靠性，还需要乘以一个大于１的系数 ｋ Ｒ。ｋ Ｒ 取值越大，重合闸故障电流幅值越小，但可能使保护动作时间过长，并导致限流电阻吸收过多热量，不利于冷却系统设计，因此本文以 ｋ Ｒ ＝１． ０５为例进行分析。约束条件中的重要环节是准确计算换流站出口电流 ｉ ｄｃ，这需要建立系统重合闸等效电路。以图1所示的测试系统为例，当线路 Ｌ １２ 端口发生双极短路故障Ｆ １ 时，其中 Ｌｉ，Ｒ ｉ 和 Ｃ ｉ 分别表示换流站 ｉ 的等效电路，ｒｉｊ和 ｌｉｊ分别表示线路 Ｌｉｊ的等效电阻和电感，Ｌｉｊ为线路末端的限流电感，Ｒｉｊ表示投入的限流电阻。
图1 测试系统
4多端柔性直流电网线路保护的研究展望
多端柔性直流电网“一点对多点”的结构特点使得线路保护难度大大增加。因此，结合工程实际，可以考虑通过一次设备装设方式的调整来构造线路边界。例如，提出在每条线路两端安装直流电抗器，利用电抗器构成的边界，基于单端量实现区内外故障的快速可靠区分。事实上，在线路两端安装直流电抗器将有利于降低故障过电流危害、加强系统的故障生存能力，是一种可行的研究思路，但是电抗器数量的增加对系统控制响应速度和稳定性的影响也必须加以考虑。此外，针对常规高压直流输电系统，提出的基于无功功率的方向纵联保护思想无需依赖线路边界，而且也无需数据同步，对硬件要求较低。尽管其动作速度无法满足柔性直流电网的要求，但是为多端柔性直流电网线路保护提供了一个研究方向：可以通过构造快速的方向判据，利用方向纵联实现故障的可靠识别。这一思想的关键在于寻求一种满足直流电网动作速度要求的快速故障方向判断方法。虽然其仍然受限于通道延时，但此类方法无需数据同步，不失为一种理想的后备保护方案。
结语
有效的重合闸方案是提高架空线型柔性直流电网供电可靠性的必要手段。本文研究了半桥ＳＭ型ＭＭＣ－ＨＶＤＣ重合闸过程中的过电流和过电压问题，并提出了有效的解决方案。１）提出一种重合闸限流电阻的计算方法，能够有效将桥臂过电流限制在一定水平，从而减小电力电子元件的过电流应力，并保证重合闸期间系统的连续运行。２）所提限压电路能够有效地减小重合闸期间换流站端口的暂态过电压。该电路在直流断路器动作前快速导通，并在触发信号停止后的约１个交流周期内自动关断，不会影响系统的正常运行。３）本文所提限压方案主要针对柔性直流电网故障后的分闸过电压，其他故障条件下的操作过电压机理以及本文所提方法的适用性是下一步的研究内容。
参考文献：
［1］吴亚楠，吕铮，贺之渊，等．基于架空线的直流电网保护方案研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１６，３６（１４）：３７２６－３７３３．
［2］孙栩，王华伟，雷霄，等．架空线柔性直流电网的直流短路电流限制研究［Ｊ］．电力自动化设备，２０１７，３７（２）：２１９－２２３．
论文作者:王蓉
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/3
标签：电流论文; 故障论文; 流电论文; 电网论文; 过电压论文; 柔性论文; 系统论文; 《防护工程》2019年12期论文;