適用于MMC直流電網(wǎng)的源網(wǎng)配合式電容型直流斷路器

　　摘要：為了充分發(fā)揮模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverters，MMC)的控制能力，解決直流斷路器(directcurrentcircuitbreaker，DCCB)開(kāi)斷電流和開(kāi)斷速度要求高、造價(jià)昂貴等問(wèn)題，本文提出了一種適用于MMC直流電網(wǎng)的源網(wǎng)配合式電容型DCCB。預(yù)充電電容是該DCCB最主要的部分，安裝于每條直流出線上。所提DCCB利用MMC主動(dòng)調(diào)壓控制策略，在故障期間自適應(yīng)調(diào)節(jié)子模塊投入數(shù)量，使換流器直流出口電壓與預(yù)充電電容電壓相等，從而為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)提供低電壓、零電流分?jǐn)鄺l件。本文詳細(xì)介紹了所提DCCB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、MMC主動(dòng)調(diào)壓控制原理、所提DCCB工作原理及其控制時(shí)序，并給出了所提DCCB元件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，最后在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流電網(wǎng)模型，通過(guò)仿真及對(duì)比驗(yàn)證了該方案的有效性。

　　關(guān)鍵詞：源網(wǎng)配合;模塊化多電平換流器;直流斷路器;預(yù)充電電容

　　0引言

　　近年來(lái)，以柔性直流為代表的新一代輸電技術(shù)在遠(yuǎn)距離大容量輸電場(chǎng)合呈現(xiàn)出較大的發(fā)展?jié)摿�[1-4]。模塊化多電平換流器(modularmultilevelconverters，MMC)的出現(xiàn)使柔性直流輸電不斷向高電壓、大容量方向發(fā)展[5-6]，并且MMC已經(jīng)成為遠(yuǎn)距離大容量柔性直流輸電系統(tǒng)的首選換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在柔性直流輸電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[7-9]。作為世界上首個(gè)特高壓柔性直流工程，我國(guó)昆柳龍直流工程將柔性直流的最高電壓等級(jí)升到前所未有的±800kV，該工程于2020年12月27日正式啟動(dòng)投產(chǎn)送電，標(biāo)志著世界特高壓輸電技術(shù)從此邁進(jìn)柔性直流時(shí)代。 在適合遠(yuǎn)距離大容量場(chǎng)合的柔性直流輸電系統(tǒng)中，直流輸電線路通常采用架空線路[10-12]。架空線路要穿越眾多復(fù)雜的地理和氣候環(huán)境，遭遇外界環(huán)境沖擊突然短路的概率較高[13-14]。

　　電力工程論文范例： 基于接地電流高壓電纜交叉互聯(lián)故障分析

　　為了應(yīng)對(duì)架空線路發(fā)生故障概率高的問(wèn)題，目前工程上一般使用高速大容量直流斷路器(directcurrentcircuitbreaker，DCCB)被動(dòng)隔離短路故障[15]。由于直流電網(wǎng)的低阻性、低慣量特性[16-17]，短路電流通�？稍诠收虾髱讉�(gè)毫秒之內(nèi)上升到額定值的數(shù)十倍[18-20]，造成高速大開(kāi)斷容量DCCB的研制難度大、制造成本高。以我國(guó)張北±500kV柔性直流工程為例，該工程對(duì)DCCB開(kāi)斷電流指標(biāo)要求為25kA，所需DCCB總成本接近于換流閥總成本的三分之二[21]。由此可見(jiàn)，DCCB嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)以及較高的經(jīng)濟(jì)成本制約了直流電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展。

　　近年來(lái)，如何提升DCCB故障電流的抑制效果和降低DCCB的制造成本是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一[22-23]。文獻(xiàn)[24]提出一種基于晶閘管的電壓鉗位型混合DCCB，通過(guò)可變鉗位電壓迫使線路電流下降過(guò)零，實(shí)現(xiàn)故障快速清除，該DCCB不使用全控型器件，能有效控制成本。

　　文獻(xiàn)[25]提出一種共轉(zhuǎn)移支路式混合DCCB，直流母線的多條出線采用一條轉(zhuǎn)移支路，減少了絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，IGBT)使用數(shù)量，有助于降低DCCB的成本。文獻(xiàn)[26]提出一種電容換流型DCCB，用電容和二極管閥組串聯(lián)的結(jié)構(gòu)組成故障電流轉(zhuǎn)移支路，取代了常規(guī)DCCB大量IGBT串聯(lián)的方案，較大程度地降低了DCCB的成本。

　　然而，故障時(shí)該DCCB的電容電壓上升較快，導(dǎo)致快速隔離開(kāi)關(guān)支路的承壓上升，不利于無(wú)弧關(guān)斷。文獻(xiàn)[27]提出一種組合式高壓DCCB，對(duì)于換流站多回直流出線的復(fù)雜直流電網(wǎng)，該方案與ABB公司所提混合式DCCB方案具有相同的故障清除速度，且投資成本大幅降低。但是，在切除故障過(guò)程中該DCCB在直流母線處引入接地故障，會(huì)引起站端電壓波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流站閉鎖。文獻(xiàn)[28]提出一種基于半橋子模塊級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的T型雙向混合DCCB，該方案工程實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度低，在開(kāi)斷速度以及成本方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　文獻(xiàn)[29]提出一種組合電容型混合DCCB，該DCCB能實(shí)現(xiàn)故障線路的有效切除，但沒(méi)有考慮非故障線路預(yù)充電電容放電對(duì)故障清除的影響。文獻(xiàn)[30-31]通過(guò)閥控制器自適應(yīng)調(diào)節(jié)故障期間MMC子模塊的投入數(shù)量，從而抑制故障電流，降低對(duì)DCCB開(kāi)斷容量及吸收能量的需求，但是子模塊投入數(shù)量的大幅減少將導(dǎo)致MMC交流側(cè)電壓大幅度降低，影響交流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。文獻(xiàn)[32]提出一種故障后旁路所有子模塊的限流策略，通過(guò)抑制故障電流降低對(duì)DCCB開(kāi)斷容量和開(kāi)斷速度的要求，但在高阻故障時(shí)，故障點(diǎn)直流電壓仍然保持在較高水平，無(wú)需旁路所有子模塊，可以使換流器仍然具備傳輸部分功率的能力。

　　除了通過(guò)對(duì)DCCB拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)來(lái)提升故障電流抑制效果和降低DCCB成本，由文獻(xiàn)[30-32]可知，還可以通過(guò)MMC與DCCB的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)DCCB的成本控制以及柔性直流電網(wǎng)故障的快速隔離與清除。為了充分發(fā)揮MMC的控制能力，進(jìn)一步降低DCCB制造成本和開(kāi)斷指標(biāo)要求，本文提出一種適用于MMC直流電網(wǎng)的源網(wǎng)配合式電容型DCCB。

　　該DCCB利用MMC主動(dòng)調(diào)壓控制策略，使MMC直流出口電壓與預(yù)充電電容電壓相等，為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)提供低電壓、零電流分?jǐn)鄺l件。所提DCCB不僅能實(shí)現(xiàn)故障的有效清除，其預(yù)充電電容的存在還降低了故障電流對(duì)換流站的影響。各線路預(yù)充電電容電壓的相互支撐有利于直流母線電壓的穩(wěn)定，避免了直流母線電壓的大幅波動(dòng)，保證了非故障線路的正常運(yùn)行。文中對(duì)所提DCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、控制時(shí)序、參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并在PSCAD/EMTDC中搭建四端MMC柔性直流電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

　　1源網(wǎng)配合式電容型DCCB1.1DCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　本文提出的源網(wǎng)配合式電容型DCCB拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，安裝在換流站的每回直流出線上。以線路1為例，該DCCB包括一個(gè)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)S1、一個(gè)反向串聯(lián)的IGBT開(kāi)關(guān)管組Q1、一個(gè)預(yù)充電電容器組1、一個(gè)二極管閥組D1、一個(gè)晶閘管閥組T1、一個(gè)耗能電阻器1和一個(gè)限流電感1。

　　其中，開(kāi)關(guān)組Q1中并聯(lián)了避雷器，以保護(hù)IGBT器件。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，每個(gè)閥組中的元器件可進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇�并�?lián)連接以匹配系統(tǒng)需求。正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)S1和開(kāi)關(guān)管組Q1所組成的通流支路傳輸功率，同時(shí)給預(yù)充電電容進(jìn)行預(yù)充電;系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)各線路預(yù)充電電容電壓均為系統(tǒng)電壓等級(jí)。一旦直流電網(wǎng)發(fā)生短路故障，可以通過(guò)MMC主動(dòng)調(diào)壓控制自適應(yīng)減小子模塊的投入數(shù)量，使換流器直流出口電壓與故障線路預(yù)充電電容電壓相等，瞬間鉗住通流支路兩端電壓，為其提供有利的關(guān)斷條件。

　　1.2MMC主動(dòng)調(diào)壓控制原理

　　直流故障期間，在最近電平逼近調(diào)制(nearestlevelmodulation，NLM)過(guò)程中將各相子模塊投入總數(shù)降為kNref(為調(diào)壓系數(shù)，表示子模塊投入比例，≤1)，以實(shí)現(xiàn)MMC主動(dòng)調(diào)壓。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到故障時(shí)，切換至主動(dòng)調(diào)壓控制，即將子模塊投入個(gè)數(shù)參考值由ref變?yōu)閗Nref，從而減少同一時(shí)刻處于放電狀態(tài)的電容個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)換流器直流側(cè)出口電壓的調(diào)節(jié)。

　　1.3所提DCCB控制時(shí)序

　　1)0時(shí)刻之前直流電網(wǎng)正常運(yùn)行，同時(shí)預(yù)充電電容1通過(guò)直流系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)充電。2)在0時(shí)刻，直流電網(wǎng)發(fā)生故障，故障線路電流快速上升。3)經(jīng)過(guò)Δ0的延時(shí)，在1時(shí)刻，保護(hù)檢測(cè)到故障，換流器投入主動(dòng)調(diào)壓控制，同時(shí)持續(xù)觸發(fā)非故障線路晶閘管T(=2，3，…，)導(dǎo)通，為切斷故障線路電流后的潮流轉(zhuǎn)移做準(zhǔn)備。通常情況下，延時(shí)Δ0為2~3ms。4)經(jīng)過(guò)Δ1的延時(shí)，在2時(shí)刻，關(guān)斷通流支路上開(kāi)關(guān)管閥組Q1，切斷故障線路電流，為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)提供低電壓、零電流分?jǐn)鄺l件。Δ1通常取100μs。

　　5)經(jīng)過(guò)Δ2的延時(shí)，等待通流支路電流被完全切斷，在3時(shí)刻，開(kāi)始分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)S1。由于IGBT開(kāi)關(guān)管動(dòng)作非常迅速，Δ2通常取100μs。6)經(jīng)過(guò)Δ3的快速機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作延時(shí)之后，在4時(shí)刻，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)S1完全分?jǐn)啵�此時(shí)MMC退出主動(dòng)調(diào)壓控制，恢復(fù)子模塊數(shù)量正常投切狀態(tài)，故障線路剩余能量最終通過(guò)耗能電阻消耗。

　　同時(shí)，非故障線路的預(yù)充電電容將會(huì)被換流器重新充電至直流額定電壓，為保證其電壓恢復(fù)速度，待電壓穩(wěn)定后再撤去晶閘管T1的觸發(fā)信號(hào)。據(jù)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)的發(fā)展水平，Δ3可取2ms。隨著直流電網(wǎng)保護(hù)方案的不斷優(yōu)化、系統(tǒng)中通信設(shè)備的更新升級(jí)以及硬件(例如快速機(jī)械開(kāi)關(guān))研制水平的不斷提高，可以進(jìn)一步減小DCCB各工作階段的動(dòng)作延時(shí)，整體工作時(shí)長(zhǎng)將相應(yīng)縮短，性能也將得到相應(yīng)提升。

　　2參數(shù)設(shè)計(jì)

　　2.1限流電感的設(shè)計(jì)

　　由式(5)可知，限流電感1可有效減小故障切除過(guò)程中故障電流的上升速度。在現(xiàn)有的直流工程中，為降低故障電流上升速率，都會(huì)在各個(gè)線路的首端安裝平波電抗器[33]。如廈門(mén)柔直工程直流輸電線路兩端配備了50mH的電感;張北柔直工程在各個(gè)直流線路兩端配置150mH的電感，并在金屬中線兩端配置300mH的電感。隨著柔性直流工程傳輸容量提升，平波電抗器電感值也會(huì)隨之增加，但大電感不易制造，而且在正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)大大降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度[34]。參考張北柔直工程，本文在仿真驗(yàn)證中將限流電感設(shè)置為150mH。

　　2.2預(yù)充電電容的設(shè)計(jì)

　　預(yù)充電電容為高壓電容，在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間充電后具有直流額定電壓，其目的在于故障期間與MMC主動(dòng)調(diào)壓控制策略配合，使換流器直流出口電壓自適應(yīng)等于預(yù)充電電容電壓，為通流支路的切斷提供有利條件。 故障期間，MMC投入子模塊數(shù)量的減少將導(dǎo)致其交流出口電壓降低。

　　為實(shí)現(xiàn)MMC在直流側(cè)調(diào)壓的同時(shí)降低其對(duì)交流系統(tǒng)的影響，應(yīng)根據(jù)換流站所連接交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱對(duì)故障期間的調(diào)壓系數(shù)flt限定一個(gè)最小值，該最小值可通過(guò)預(yù)充電電容值的選取來(lái)滿足。由式(3)可知，換流器等效電感和等效電阻為既定值，所以只能調(diào)節(jié)預(yù)充電電容電壓滿足調(diào)壓系數(shù)最小值的要求，而預(yù)充電電容電壓的下降速度與電容值的大小相關(guān)，故可通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)充電電容值的大小來(lái)滿足調(diào)壓系數(shù)的最小值。

　　3仿真驗(yàn)證

　　3.1所提DCCB仿真驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證上述源網(wǎng)配合式電容型DCCB的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC搭建了MMC四端環(huán)形直流電網(wǎng)仿真模型。其中，換流站MMC1、MMC2和MMC4采用定功率控制，換流站MMC3采用定電壓控制，直流電壓等級(jí)為500kV。

　　直流電網(wǎng)中每條架空輸電線路長(zhǎng)度為200km，單位長(zhǎng)度等效直流電阻為0.0065Ω/km。對(duì)于所提DCCB，其參數(shù)為：限流電感為150mH，預(yù)充電電容為500μF，耗能電阻為100Ω，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)S1達(dá)到安全開(kāi)距的時(shí)間為2ms，開(kāi)關(guān)閥組Q1的額定電壓為20kV，晶閘管閥組T1額定電壓為750kV，二極管閥組D1的反向耐壓為750kV。各換流器采用如圖4所示的主動(dòng)調(diào)壓控制策略，并設(shè)故障電流檢測(cè)時(shí)間為3ms�；�于該MMC四端環(huán)形直流電網(wǎng)，以線路34首端發(fā)生永久性單極接地故障為例，主要從本文所提DCCB的故障切除過(guò)程進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

　　4與其他方案的對(duì)比分析

　　本節(jié)將本文所提DCCB方案與其它現(xiàn)有DCCB方案進(jìn)行比較，方案1為ABB所提基于IGBT的混合式DCCB，方案2為文獻(xiàn)[28]提出的基于子模塊級(jí)聯(lián)技術(shù)的混合DCCB，方案3為文獻(xiàn)[29]提出的組合電容型混合DCCB，方案4為本文所提源網(wǎng)配合式電容型DCCB方案。開(kāi)斷時(shí)間方面，方案1的開(kāi)斷時(shí)間達(dá)到3ms，方案2的開(kāi)斷時(shí)間由電容值和預(yù)充電電壓決定，一般為3~4ms，方案3和方案4的開(kāi)斷時(shí)間最快可達(dá)到2ms。

　　成本方面，方案1轉(zhuǎn)移支路需要大量的IGBT串聯(lián)，所以成本很高;方案2中預(yù)充電電容兩端并聯(lián)的IGBT承受著系統(tǒng)直流額定電壓，因此需要大量開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，成本也相對(duì)較高;而方案3由于主要使用半控器件晶閘管和一些高壓電容，只需要在通流支路串聯(lián)較少的IGBT，因此成本較低;方案4利用MMC主動(dòng)調(diào)壓控制策略代替了方案3中DCCB站端部分的作用，總體成本最低。

　　設(shè)備體積方面，由于方案1主要使用IGBT器件作為轉(zhuǎn)移支路，所以體積很小;而方案2轉(zhuǎn)移支路由子模塊級(jí)聯(lián)組成，包含了大量IGBT和高壓電容，體積較大;方案3主要采用高壓電容，體積也相對(duì)較大;方案4采用MMC主動(dòng)調(diào)壓控制策略代替了方案3中DCCB的站端部分，體積相比方案3有所減小。

　　另外，對(duì)于本文所提方案4，當(dāng)直流母線出線較多時(shí)，可適當(dāng)減小預(yù)充電電容值，從而進(jìn)一步降低DCCB的設(shè)備成本和體積。技術(shù)難度方面，方案1需要解決大量IGBT串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓、同步關(guān)斷等問(wèn)題，在高壓場(chǎng)合中，其工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度較大。方案2采用了子模塊級(jí)聯(lián)方案，由于子模塊內(nèi)電容的緩沖作用，避免了大數(shù)量級(jí)IGBT串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，因此與方案1的IGBT串聯(lián)型方案相比工程實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易;方案3和方案4主要使用半控器件晶閘管和一些高壓電容，不必考慮全控器件的動(dòng)態(tài)均壓、同步關(guān)斷等問(wèn)題，工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度較低。

　　5結(jié)論

　　本文提出了一種源網(wǎng)配合式電容型DCCB，具體結(jié)論如下：

　　1)利用MMC主動(dòng)調(diào)壓控制策略，為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)的分?jǐn)嗵峁┑碗妷�、零電流分�(jǐn)鄺l件，實(shí)現(xiàn)了故障線路的快速、可靠切除。

　　2)預(yù)充電電容可以有效限制故障電流對(duì)換流站的影響，避免直流母線電壓的劇烈波動(dòng)，保證非故障線路的正常運(yùn)行。同時(shí)，預(yù)充電電容可減小MMC子模塊電容能量釋放速度，防止MMC因深度放電而無(wú)法在故障清除后快速恢復(fù)直流電壓，增強(qiáng)了直流電網(wǎng)的故障穿越能力。

　　3)直流線路不同位置經(jīng)不同過(guò)渡電阻故障時(shí)，預(yù)充電電容能量釋放速度不同，主動(dòng)調(diào)壓控制使得MMC能夠根據(jù)預(yù)充電電容電壓自適應(yīng)調(diào)節(jié)子模塊投入數(shù)量，可以同時(shí)應(yīng)對(duì)金屬性短路故障和高阻短路故障。

　　4)所提DCCB方案工程實(shí)現(xiàn)難度低，并具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。預(yù)充電電容并聯(lián)于直流母線，在未來(lái)日益復(fù)雜的多端直流電網(wǎng)中，預(yù)充電電容的相互支撐可進(jìn)一步降低直流電網(wǎng)的DCCB成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

　　5)為了獲得更優(yōu)的性能，可以在所提DCCB方案中增加全控半導(dǎo)體器件來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)充電電容能量的保留，從而避免能量全部在耗能電阻消耗。同時(shí)，對(duì)電容的剩余能量進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)諸如故障類型識(shí)別或故障測(cè)距等功能。在不顯著增加成本的情況下，使DCCB集成更多的功能，有待進(jìn)一步研究。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]徐政，薛英林，張哲任.大容量架空線柔性直流輸電關(guān)鍵技術(shù)及前景展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(29)：5051-5062.XUZheng，XUEYinglin，ZHANGZheren.VSC-HVDCtechnologysuitableforbulkpoweroverheadlinetransmission[J].ProceedingsoftheCSEE，2014，34(29)：5051-5062(inChinese).

　　[2]許建中，武董一，俞永杰，等.電流換相H橋型混合式直流故障限流器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39(S1)：235-242.XUJianzhong，WUDongyi，YUYongjie，etal.Acurrent-commutation-basedH-bridgetypehybridfaultcurrentlimiter[J].ProceedingsoftheCSEE，2019，39(S1)：235-242(inChinese).

　　[3]韓乃崢，樊強(qiáng)，賈秀芳，等.一種具備限流能力的多端口直流斷路器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39(17)：5172-5181.

　　作者：陳曉龍*，韓小文，李永麗，李斌，李博通

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