李旭，陳樹(shù)勇，唐曉駿，張?chǎng)危晷褫x，呂思卓

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市132012；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

電阻型超導(dǎo)故障電流限制器應(yīng)用于
VSC-HVDC系統(tǒng)的位置優(yōu)選研究

李旭1，陳樹(shù)勇2，唐曉駿2，張?chǎng)?，申旭輝2，呂思卓2

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林省吉林市132012；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京市 100192)

由于能獨(dú)立控制有功、無(wú)功功率，無(wú)換相失敗等優(yōu)點(diǎn)，基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng) (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)系統(tǒng)被認(rèn)為是未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向。但是，直流故障與交流故障快速有效隔離，成為影響VSC-HVDC系統(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)難題之一。為了解決VSC-HVDC系統(tǒng)故障隔離問(wèn)題和限制故障線(xiàn)路過(guò)大的短路電流，應(yīng)用超導(dǎo)故障限流器逐漸被人們重視。提出基于電阻型超導(dǎo)限流器的故障限流方法，并用所設(shè)計(jì)的兩端雙極性VSC-HVDC系統(tǒng)，分別在直流線(xiàn)間短路、直流線(xiàn)路接地短路和三相交流短路情況下，比較電阻型超導(dǎo)限流器可行的安裝位置并證明所提限流方法的有效性。最后，利用PSCAD/EMTDC仿真提出在VSC-HVDC系統(tǒng)中電阻型超導(dǎo)限流器的最優(yōu)安裝位置。

基于電壓源換流器的高壓直流輸電 (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)系統(tǒng);故障隔離;故障限流;電阻型超導(dǎo)限流器

0 引 言

隨著一次能源短缺和環(huán)境惡化問(wèn)題的不斷加劇，世界各國(guó)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到能源的利用與開(kāi)發(fā)必須從傳統(tǒng)能源向綠色可再生能源等清潔能源過(guò)渡[1]?；陔妷涸磽Q流器的高壓直流輸電系統(tǒng) (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)具有有功無(wú)功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)、無(wú)源供電能力以及易于構(gòu)建直流電網(wǎng)等特點(diǎn)，并且克服了傳統(tǒng)高壓直流輸電的本質(zhì)缺陷，因此被認(rèn)為是清潔能源并網(wǎng)的有效手段[2-4]，而VSC-HVDC系統(tǒng)的故障處理和保護(hù)技術(shù)是限制其發(fā)展的主要因素之一[5]。

為了解決VSC-HVDC系統(tǒng)故障處理和保護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)，提高系統(tǒng)供電可靠性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[6]提出了適合于VSC-HVDC系統(tǒng)的控制保護(hù)功能配置原則以及控制保護(hù)與換流閥設(shè)備的接口方案。文獻(xiàn)[7]提出通過(guò)在交流側(cè)增加雙向晶閘管來(lái)轉(zhuǎn)移交流側(cè)饋入電流的保護(hù)方案。但是當(dāng)VSC-HVDC直流線(xiàn)路故障時(shí)，該方案無(wú)法抑制電容放電產(chǎn)生的電流，而且在三相短路故障時(shí)流過(guò)晶閘管的故障電流也較大，對(duì)晶閘管的過(guò)流能力要求較高。文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)在直流線(xiàn)路兩端增加電感的方案來(lái)限制短路電流，同時(shí)利用電感兩端正常運(yùn)行時(shí)電壓降低、故障期間很大的特點(diǎn)提出了單端電壓差保護(hù)，但該方法提高了投資成本，并使得保護(hù)策略復(fù)雜化。文獻(xiàn)[9]對(duì)于雙極VSC-HVDC系統(tǒng)，從交流系統(tǒng)故障、直流系統(tǒng)故障及換流器故障3個(gè)方面分析其無(wú)保護(hù)故障特征，為保護(hù)方案的設(shè)計(jì)和故障恢復(fù)提供了理論依據(jù)。

VSC-HVDC系統(tǒng)的故障不僅僅只從直流側(cè)分析，其保護(hù)方法和隔離技術(shù)應(yīng)綜合分析直流故障以及交流故障對(duì)交流側(cè)電網(wǎng)及直流系統(tǒng)的影響。本文使用電阻型超導(dǎo)限流器并分析電阻型超導(dǎo)限流器對(duì)VSC-HVDC系統(tǒng)的影響，為分析應(yīng)用電阻型超導(dǎo)限流器后的故障特征，仿真直流線(xiàn)間短路、直流線(xiàn)路接地和三相交流短路3種類(lèi)型的故障，并對(duì)應(yīng)用電阻型超導(dǎo)限流器后的交流和直流系統(tǒng)進(jìn)行分析，最后提出電阻型超導(dǎo)限流器安裝的最優(yōu)位置。

1 電阻型超導(dǎo)限流器

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸增大，近年來(lái)我國(guó)很多電網(wǎng)短路電流水平也快速上升。短路電流超過(guò)一定水平后會(huì)給電力系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行帶來(lái)一系列的問(wèn)題[10]。為了解決短路電流超標(biāo)問(wèn)題，超導(dǎo)限流器成為研究熱點(diǎn)。超導(dǎo)故障限流器(superconducting fault current limiter，SFCL)集檢測(cè)、觸發(fā)、限流于一身，響應(yīng)時(shí)間快，可自動(dòng)恢復(fù)，具備了其他限流裝置沒(méi)有的優(yōu)越性，成為目前最理想的限流裝置之一[11]。

臨界電流Ic、臨界磁場(chǎng)Hc和臨界溫度Tc是超導(dǎo)體的3個(gè)臨界參量。這3個(gè)物理量中任何一個(gè)超過(guò)了其臨界值，超導(dǎo)體就會(huì)立即進(jìn)入失超狀態(tài)，即超導(dǎo)體只有在圖1(a)所示的曲面內(nèi)才是超導(dǎo)態(tài)，曲面外則為正常態(tài)。電阻型超導(dǎo)限流器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)R-SFCL)正是利用超導(dǎo)體內(nèi)電流超過(guò)臨界值時(shí)會(huì)失超變成常態(tài)(高阻)的特性而構(gòu)建的新型電力設(shè)備[12]。R-SFCL增大了故障回路電阻值使得直流保護(hù)方案隔離故障線(xiàn)路的動(dòng)作時(shí)間可以大大延后，降低了系統(tǒng)對(duì)直流斷路器隔離故障的動(dòng)作速度和開(kāi)斷容量要求，也降低了直流故障保護(hù)方案的設(shè)計(jì)難度[13]。

圖1 電阻型超導(dǎo)限流器原理Fig.1 Principle of resistive-type superconducting current limiter

R-SFCL中，令RSFCL為超導(dǎo)限流器的電阻，在失超后短時(shí)間內(nèi)，可模擬為時(shí)間的指數(shù)函數(shù)[14]，即

RSFCL(t)=Rm(1-e-t/TSC)

(1)

式中：Rm為超導(dǎo)限流器失超后最終限流電阻；Tsc為超導(dǎo)態(tài)過(guò)渡到正常態(tài)的時(shí)間。R-SFCL由超導(dǎo)態(tài)過(guò)渡到正常態(tài)的超導(dǎo)特性，如圖1(b)所示。

目前實(shí)際工程應(yīng)用中，利用交流側(cè)斷路器隔離直流故障是較為常見(jiàn)的應(yīng)對(duì)措施，但是該方案存在動(dòng)作速度慢、停電范圍大、降低系統(tǒng)供電安全性和可靠性等弊端[15]。理論上要求直流保護(hù)能夠在幾ms之內(nèi)完成全套動(dòng)作(包括故障檢測(cè)、斷路器跳閘)，但是交流斷路器的跳閘動(dòng)作時(shí)間一般在2～3個(gè)周波，因此即使不考慮故障檢測(cè)所需花費(fèi)的時(shí)間，基于交流斷路器跳閘的直流故障隔離方法也是無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)作時(shí)間要求的[16]。就目前的超導(dǎo)技術(shù)而言，R-SFCL的常阻態(tài)電阻值已經(jīng)可以達(dá)到幾十，并且過(guò)渡過(guò)程所需的時(shí)間僅需2～3 ms。動(dòng)作時(shí)間比繼電保護(hù)措施快很多，在故障清除前已經(jīng)變?yōu)檎B(tài)，可以對(duì)短路電流起到較好的抑制效果。

2 系統(tǒng)建模與故障電流特征

2.1 系統(tǒng)建模

VSC-HVDC系統(tǒng)仿真模型的額定電壓為±110 kV，額定功率為75 MW。在本項(xiàng)研究中只評(píng)估R-SFCL的作用，不考慮斷路器和其他故障保護(hù)設(shè)備。直流線(xiàn)路接地故障和線(xiàn)間短路發(fā)生在高壓直流輸電電纜的中點(diǎn)處。此外，三相交流故障發(fā)生在VSC-HVDC系統(tǒng)的逆變側(cè)，如圖2所示。搭建交流和直流R-SFCL模型，為了給AC和DC電網(wǎng)提供足夠的電流限制效果，設(shè)其電阻為10 Ω，過(guò)渡時(shí)間Tsc為2 ms。發(fā)電廠(chǎng)R-SFCL的安裝位置標(biāo)記為AC，逆變側(cè)交流的R-SFCL也要考慮并標(biāo)記為INV。此外，設(shè)直流輸電線(xiàn)路上R-SFCL安裝位置為DC。為了對(duì)比發(fā)現(xiàn)在各種類(lèi)型故障下R-SFCL的效果，需要分別測(cè)量直流輸電線(xiàn)路電流和交流發(fā)電廠(chǎng)輸出電流。

圖2 柔性直流系統(tǒng)故障發(fā)生處和R-SFCL安裝處Fig.2 Fault position and locations of R-SFCLs inVSC-HVDCsystem

2.2 VSC-HVDC系統(tǒng)的故障電流特征

由于IGBT 具有可靠的自保護(hù)功能，VSC-HVDC變流控制器會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到故障電流并立即關(guān)閉IGBT。然而，與IGBT并聯(lián)的反向二極管和線(xiàn)路構(gòu)成一個(gè)不可控橋式整流電路。因此，即使關(guān)掉IGBT，換向過(guò)程仍在繼續(xù)。由文獻(xiàn)[13]研究得出直流故障時(shí)依次進(jìn)入直流電容放電階段，二極管自然換相導(dǎo)通階段和二極管同時(shí)導(dǎo)通階段。最后，二極管的自然換相導(dǎo)通階段和同時(shí)全導(dǎo)通階段將保持一個(gè)不斷交替的狀態(tài)。所以故障發(fā)生時(shí)，交流側(cè)和直流側(cè)將同時(shí)向故障點(diǎn)饋入故障電流。圖3(a)和(b)代表了VSC-HVDC換流站2種直流故障類(lèi)型的電流流向。直流輸電線(xiàn)路線(xiàn)間短路時(shí)電流流向，如圖3(a)所示。此外，如果發(fā)生三相交流故障，將形成一個(gè)不可控橋式整流電路使得故障電流從整流側(cè)進(jìn)入逆變側(cè)，如圖3(c)所示。因此，故障電流始終經(jīng)過(guò)VSC-HVDC系統(tǒng)到交流故障位置處。

3 仿真結(jié)果與討論

在設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)中，在2 s時(shí)分別發(fā)生3種故障的情況下對(duì)不同R-SFCL安裝位置進(jìn)行分析。首先，我們假定一個(gè)R-SFCL是位于INV；第二，一個(gè)R-SFCL位于AC；最后，2個(gè)R-SFCL位于DC。圖4(a)—(c)顯示了發(fā)電廠(chǎng)輸出交流電流，圖5(a)—(c)代表了直流輸電線(xiàn)路電流。

3.1 無(wú)R-SFCL

如圖4所示，如果發(fā)生直流線(xiàn)間短路和直流線(xiàn)路接地故障，逆變側(cè)發(fā)電廠(chǎng)輸出電流會(huì)迅速增加，并且發(fā)電廠(chǎng)交流輸出電流通過(guò)逆變站直接流向故障發(fā)生點(diǎn)。若逆變側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生三相故障，則發(fā)電廠(chǎng)交流電流突然增加。如圖5所示，在這3個(gè)故障發(fā)生的情況下直流線(xiàn)路電流都增加。

圖3 VSC-HVDC換流站故障電流流通路徑Fig.3 Fault current directions in VSC-HVDC converter station

3.2 R-SFCL設(shè)在逆變側(cè)換流站(INV)

設(shè)R-SFCL在INV，如圖4(a)和(b)所示，如果發(fā)生直流線(xiàn)間短路和直流線(xiàn)路接地故障，R-SFCL對(duì)逆變側(cè)發(fā)電廠(chǎng)交流電流有限制作用。這是因?yàn)橛捎诎l(fā)電廠(chǎng)交流輸出電流流通路徑中有R-SFCL，抑制了發(fā)電廠(chǎng)交流電流流向直流故障點(diǎn)。如果發(fā)生三相交流短路，R-SFCL將阻止來(lái)自VSC-HVDC系統(tǒng)的電流流過(guò)。然而，如圖4(c)所示，發(fā)電廠(chǎng)交流輸出電流并沒(méi)有受到限制，這是因?yàn)镽-SFCL沒(méi)有位于從發(fā)電廠(chǎng)到三相交流故障點(diǎn)的電流流通路徑中。如圖5(a)和(b)所示，當(dāng)發(fā)生直流線(xiàn)間短路和直流線(xiàn)路接地故障時(shí)R-SFCL沒(méi)有改變直流線(xiàn)路電流。但是如圖5(c)所示，對(duì)于三相交流短路，VSC-HVDC直流線(xiàn)路電流通過(guò)R-SFCL得到限制。

所以當(dāng)R-SFCL位于INV時(shí)，只保護(hù)直流線(xiàn)路故障時(shí)的交流線(xiàn)路和抑制三相交流短路時(shí)直流線(xiàn)路的電流。然而，它不能保護(hù)發(fā)電廠(chǎng)免受三相交流短路侵害以及直流系統(tǒng)免受直流線(xiàn)路故障的侵害。

圖4 發(fā)電廠(chǎng)輸出電流Fig.4 Output current of power plant

圖5 直流輸電線(xiàn)路電流Fig.5 HVDC transmission line current

3.3 R-SFCL設(shè)在直流線(xiàn)路(DC)

設(shè)R-SFCL位于DC，如圖4可知輸出發(fā)電廠(chǎng)交流電流在3種故障情況下均沒(méi)有被限制，因?yàn)榘l(fā)電廠(chǎng)到直流故障點(diǎn)和交流故障點(diǎn)的電流流通路徑中不存在R-SFCL。如圖5所示直流輸電線(xiàn)路存在R-SFCL，直流電流得到有效的限制。對(duì)于三相交流短路，直流系統(tǒng)向交流故障點(diǎn)饋入電流，但是所饋入的電流并不能大到足以迫使直流R-SFCL進(jìn)入失超態(tài)狀態(tài)。

R-SFCL在DC只能保護(hù)直流系統(tǒng)免受直流線(xiàn)路故障的侵害。它不能保護(hù)發(fā)電廠(chǎng)免受直流線(xiàn)短路和三相交流短路的侵害。由于高額定功率的直流R-SFCL，它也無(wú)法抑制直流故障電流饋入三相交流側(cè)。

3.4 R-SFCL設(shè)在交流負(fù)荷線(xiàn)路(AC)

設(shè)R-SFCL位于AC，如圖4所示直流電流線(xiàn)間短路和線(xiàn)路接地故障時(shí)，觀察到發(fā)電廠(chǎng)交流輸出電流沒(méi)有減小，因?yàn)镽-SFCL沒(méi)有出現(xiàn)在從發(fā)電廠(chǎng)到直流故障點(diǎn)的電流路徑中。如果發(fā)生三相交流短路，R-SFCL在故障電流的直接路徑上，發(fā)電廠(chǎng)交流電流受到明顯抑制。如圖5所示觀察到對(duì)于直流線(xiàn)間短路電流和直流線(xiàn)路接地故障電流沒(méi)有限制作用。如果發(fā)生三相交流短路，R-SFCL在故障電流的直接路徑上，使得直流電流成功被抑制。

R-SFCL在AC時(shí)，如果發(fā)生三相短路，能保護(hù)交流線(xiàn)路和直流線(xiàn)路，然而如果發(fā)生直流線(xiàn)路故障，它既不能保護(hù)發(fā)電廠(chǎng)交流電網(wǎng)也不能保護(hù)直流系統(tǒng)。仿真結(jié)果總結(jié)在表1中，表中清晰展示了故障類(lèi)型、測(cè)量位置和是否降低故障電流。

表1 安裝R-SFCL后對(duì)測(cè)量電流的影響
Table 1 Influence on measuring currentafter R-SFCLinstalled

4 結(jié) 論

本文對(duì)安裝R-SFCL后VSC-HVDC系統(tǒng)進(jìn)行了分析，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了VSC-HVDC系統(tǒng)模型，并評(píng)估了R-SFCL在直流故障和三相交流短路時(shí)不同安裝位置的限流效果。結(jié)果表明，當(dāng)R-SFCL位于直流系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)，可以成功限制直流故障電流。R-SFCL位于INV處時(shí)，可以阻礙直流線(xiàn)路與逆變側(cè)交流間的電流流通。R-SFCL在AC負(fù)荷側(cè)時(shí)，效果雖然顯著，但是多負(fù)荷交流電網(wǎng)的安裝位置多、占地面積大、不夠經(jīng)濟(jì)而且裝置利用率不高。為了全面保護(hù)VSC-HVDC系統(tǒng)，結(jié)合直流線(xiàn)路和逆變站交流側(cè)安裝R-SFCL，是兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用和保護(hù)VSC-HVDC系統(tǒng)免受直流系統(tǒng)故障和交流系統(tǒng)故障侵害的最佳解決方案。

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呂思卓( 1989) ，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定與控制。

(編輯 劉文瑩)

Optimal Location Selection of Resistive-Type Superconducting Fault Current Limiter in VSC-HVDC System

LI Xu1，CHEN Shuyong2，TANG Xiaojun2，ZHANG Xin2，SHEN Xuhui2，LYU Sizhuo2

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Due to the independent control of active and reactive power and no commutation failure, etc., voltage source converter based high-voltage direct current (VSC-HVDC) system is considered to be the development direction of the future power grid.However, the problem which quickly and efficiently isolates DC fault or AC fault becomes one of the important technical problems of VSC-HVDC system.In order to solve the problem of fault isolation and limit short-circuit current in VSC-HVDC system, the application of superconducting fault current limiter is considered seriously by people gradually. This paper proposes fault current limiting technique based on the resistive-type superconducting fault current limiter (R-SFCL). Then, with utilizing the designed bipolar VSC-HVDC systems, this paper compares the feasible locations of R-SFCLs, when DC line-to-line, DC line-to-ground and three-phase AC faults are occurred, and proves the effectiveness of the proposed current limiting method. Finally, based on the simulation tests in PSCAD/EMTDC, this paper suggests the optimum locations of SFCLs in VSC-HVDC transmission systems.

voltage source converter based high-voltage direct current (VSC-HVDC); fault isolation; fault limitation; resistive-type superconducting fault current limiter

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(XT71-15-048)

TM 75

A

1000-7229(2016)07-0078-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.011

2016-03-01

李旭(1990)，男，碩士研究生，通信作者，本文主要研究方向?yàn)槿嵝灾绷鬏旊姡?/p>

陳樹(shù)勇(1960)，男，博士，教授，研究方向?yàn)楹履茉吹碾娏ο到y(tǒng)分析與規(guī)劃；

唐曉駿(1979)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析；

張?chǎng)?1981)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃與可靠性、電力系統(tǒng)分析與控制等；

申旭輝(1979)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷飨到y(tǒng)的仿真與分析；