和敬涵 ,黃威博 ,李海英 ,羅國(guó)敏 ,王光江 ,許 寅
(1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,北京 100044;2.南瑞繼保有限公司,江蘇 南京 211102)
模塊化多電平換流器(MMC)是電壓源換流器(VSC)的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),具有諸多優(yōu)點(diǎn):模塊化設(shè)計(jì)、可拓展性好、單個(gè)器件開關(guān)頻率低、諧波性能好等[1-3]。其是目前電壓源換流站拓?fù)涞闹饕夹g(shù)方案。
隨著柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展,模塊化多電平換流器型直流輸電(MMC-HVDC)技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前實(shí)際MMC工程中基本上都是采用半橋型模塊化多電平換流器(HBMMC)。在直流側(cè)發(fā)生短路故障時(shí),交流電源將通過(guò)子模塊中的續(xù)流二極管向短路點(diǎn)饋入電流,換流器無(wú)法通過(guò)閉鎖來(lái)切斷故障電流,故使系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重危害[4-5]。一方面,由于高壓大功率的直流斷路器仍然處于研究開發(fā)階段,其工程應(yīng)用還不成熟[6],所以采用直流斷路器的方法暫時(shí)還無(wú)法解決直流側(cè)故障電流問(wèn)題;另一方面,實(shí)際工程中通過(guò)斷開交流斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障的隔離和清除,但該方法動(dòng)作速度慢,系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)[7],面對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的故障,尤其是瞬時(shí)故障,清除故障的代價(jià)比較大。然而,隨著交直流混聯(lián)電網(wǎng)的高速發(fā)展和應(yīng)用需求越來(lái)越多,直流系統(tǒng)故障的快速清除就變得非常必要。因此,結(jié)合交流斷路器實(shí)現(xiàn)故障清除的HBMMC限制了MMC在遠(yuǎn)距離輸電和多端直流領(lǐng)域的發(fā)展[8-9]。
直流故障保護(hù)策略對(duì)MMC的可靠運(yùn)行有重要作用,研究具有直流故障穿越能力的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[10]提出了一種采用雙向晶閘管旁路式子模塊的瞬時(shí)性故障保護(hù)方法,其成本低、無(wú)額外損耗,但需與交流斷路器保護(hù)配合,具有局限性。而在快速切除故障電流方面,全橋型模塊化多電平換流器(FBMMC)[11]具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì),這種拓?fù)渫ㄟ^(guò)將子模塊電容引入橋臂,利用電容電壓來(lái)關(guān)斷續(xù)流二極管。由于電力電子器件的開關(guān)速度非??欤瑥亩軌蛟跇O短時(shí)間內(nèi)切除故障電流,無(wú)需斷開交流斷路器。由于其具有直流故障閉鎖能力,能夠在發(fā)生瞬時(shí)性故障后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速重啟,恢復(fù)供電,因此其在故障率相對(duì)較高的遠(yuǎn)距離架空線輸電場(chǎng)合具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值,經(jīng)濟(jì)效益好。文獻(xiàn)[12]提出了適用于全橋型模塊化多電平換流器型多端柔性直流輸電(FBMMC-MTDC)的直流故障選線“握手原則”及衡量直流故障穿越能力指標(biāo),但缺乏對(duì)FBMMC直流故障機(jī)理的分析和理論推導(dǎo)。文獻(xiàn)[13]針對(duì)實(shí)際工程中功率模塊具有恒功率負(fù)載特性,換流站閉鎖期間功率模塊電容電壓會(huì)逐漸發(fā)散并最終導(dǎo)致交流斷路器跳閘的問(wèn)題,提出一種全橋型模塊化多電平換流器型直流輸電(FBMMC-HVDC)的故障穿越控制保護(hù)策略,但未細(xì)化直流故障閉鎖保護(hù)原理。
FBMMC在直流側(cè)故障時(shí)能夠有效控制交直流兩側(cè)的能量交換,具有較好的故障電流阻斷能力。為了深入分析其直流故障閉鎖保護(hù)原理,細(xì)化直流故障穿越機(jī)理,研究故障清除及恢復(fù)策略。本文首先從全橋子模塊(FBSM)導(dǎo)通模式角度出發(fā),介紹了FBMMC的充電機(jī)理,然后重點(diǎn)分析了FBMMC的故障機(jī)理和閉鎖前后的故障等效電路,最后總結(jié)并驗(yàn)證了本文所提故障清除控制策略的有效性。
圖1為典型的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):換流器共有6個(gè)橋臂,每個(gè)橋臂由1個(gè)電抗器L0和N個(gè)子模塊(SM)串聯(lián)組成,每相上、下橋臂合在一起為一個(gè)相單元,MMC由3個(gè)完全相同的相單元構(gòu)成。圖中,O點(diǎn)為零電位參考點(diǎn);Udc為直流側(cè)電壓;idcp、idcn為直流側(cè)電流;ua、ub、uc和 ia、ib、ic分別為外部交流系統(tǒng)三相交流電壓和電流;ipa、ipb、ipc和 ina、inb、inc分別為上、下橋臂三相電流;upa、upb、upc和 una、unb、unc分別為上、下橋臂除橋臂電抗器之外的三相電壓。
圖1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of MMC
當(dāng)MMC正常運(yùn)行時(shí),每個(gè)相單元中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)在任意時(shí)刻都相等且保持投入子模塊總數(shù)不變,可通過(guò)對(duì)每相上、下橋臂中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)進(jìn)行分配來(lái)實(shí)現(xiàn)換流器交流側(cè)輸出多電平電壓波形的目的。橋臂電抗器L0不但能抑制相間環(huán)流,降低橋臂電流諧波畸變率,還能在發(fā)生故障時(shí)抑制故障電流,保護(hù)設(shè)備。
目前工程中MMC通常都采用半橋子模塊(HBSM),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示:由2個(gè)IGBT、2個(gè)反并聯(lián)二極管以及1個(gè)直流電容器組成。正常工作時(shí)VT1、VT2交替導(dǎo)通。根據(jù)子模塊內(nèi)VT1、VT2的開關(guān)狀態(tài)和電流流通方向,可將子模塊分為全電壓、零電壓和閉鎖3種運(yùn)行狀態(tài)。
圖2 HBSM結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of HBSM
FBMMC與HBMMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同,唯一不同之處在于子模塊的結(jié)構(gòu)。FBMMC具有穿越直流故障的能力,在直流故障隔離方面具有HBMMC不具備的突出優(yōu)點(diǎn)。FBSM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示:由4個(gè)IGBT和4個(gè)反并聯(lián)二極管組成。圖中,C0為子模塊電容;UC為電容電壓值;USM為FBSM輸出電壓值。
圖3 FBSM結(jié)構(gòu)及其輸出電壓Fig.3 Structure of FBSM and its output voltage
定義FBMMC的橋臂電流正方向?yàn)榱魅胱幽K正端口的方向,反之則為負(fù)方向。VT1、VT4導(dǎo)通時(shí),USM=UC;VT2、VT3導(dǎo)通時(shí),USM=-UC;VT1、VT3或 VT2、VT4導(dǎo)通時(shí),USM=0。
與HBSM相同,F(xiàn)BSM的運(yùn)行狀態(tài)也可分為閉鎖、投入和切除3種狀態(tài)。根據(jù)以上運(yùn)行機(jī)理,將FBSM的3種工作狀態(tài)分為2種工作模式,并以此作為 IGBT的輪換導(dǎo)通方法[11]:PLUS模式,子模塊交替輸出UC和0;MINUS模式,子模塊交替輸出-UC和0。在PLUS模式下,子模塊的3種狀態(tài)分別如下。
a.閉鎖狀態(tài):VT1—VT4全部關(guān)斷,電流經(jīng) VD1、VD4給電容充電,或者電容經(jīng)VD2、VD3反極性接入電路。
b.投入狀態(tài):VT1、VT4導(dǎo)通,VT2、VT3關(guān)斷,電流經(jīng)VD1、VD4給電容充電,或者經(jīng) VT1、VT4放電。
c.切除狀態(tài):VT1、VT3導(dǎo)通,VT2、VT4關(guān)斷,電流經(jīng)VD1、VT3或 VD3、VT1將子模塊旁路。
穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),子模塊工作在投入或切除狀態(tài);而在MMC不控啟動(dòng)充電階段和系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下,子模塊則工作在閉鎖狀態(tài)。2種情況下電流通路分別如圖4和圖5所示。
圖4 穩(wěn)態(tài)時(shí)電流通路Fig.4 Current path under steady-state operation
圖5 閉鎖時(shí)電流通路Fig.5 Current path when blocking
FBMMC可以方便地繼承和移植HBMMC已經(jīng)相對(duì)成熟的控制或調(diào)制策略。當(dāng)全橋子模塊只輸出2 種電平(1、0)或(-1、0),開關(guān)動(dòng)作時(shí),子模塊電平變化的方向是唯一的,與半橋子模塊類似。此時(shí),全橋子模塊投入和切除的控制策略與半橋相同,僅IGBT選通信號(hào)不同。圖6為FBMMC工作在調(diào)制比小于1情況下的運(yùn)行特性。圖中,K1為a相上橋臂第一個(gè)子模塊輸出狀態(tài);Ksp為a相上橋臂所有子模塊輸出狀態(tài)之和;Ksn為a相下橋臂所有子模塊輸出狀態(tài)之和。可見(jiàn),當(dāng)變壓器閥側(cè)交流電壓峰值小于直流電壓的一半時(shí),子模塊只輸出2種電平(1、0),不會(huì)出現(xiàn)負(fù)投入的情況。
圖6 FBMMC直流電壓及子模塊個(gè)數(shù)(調(diào)制比小于1)Fig.6 FBMMC DC voltage and number of submodule(modulation ratio less than 1)
由于FBSM與HBSM相比,多了負(fù)電平輸出功能,故可以通過(guò)調(diào)制作用在保證其直流電壓恒定的前提下,輸出交流相電壓峰值略高于單極直流電壓,可有效降低輸入換流器的電流,進(jìn)而降低換流器的運(yùn)行損耗。此時(shí),F(xiàn)BSM可輸出3種電平(1、0、-1),采用的投入和切除的控制策略與半橋不同。圖7為FBMMC工作在調(diào)制比大于1情況下的運(yùn)行特性??梢?jiàn),當(dāng)變壓器閥側(cè)交流電壓峰值大于直流電壓的一半時(shí),子模塊輸出 3 種電平(1、0、-1),存在負(fù)投入的情況。
圖7 FBMMC直流電壓及子模塊個(gè)數(shù)(調(diào)制比大于1)Fig.7 FBMMC DC voltage and number of submodule(modulation ratio more than 1)
與交流輸電系統(tǒng)相比,直流輸電系統(tǒng)的阻尼往往比較低,響應(yīng)時(shí)間常數(shù)也比較小,因此故障發(fā)展會(huì)更快,故障的切除難度更大[14-15]。直流故障是直流輸電系統(tǒng)中最嚴(yán)重的故障之一,不僅會(huì)對(duì)直流系統(tǒng)造成影響,還會(huì)影響交流系統(tǒng),嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[16-17]。在直流系統(tǒng)故障中,主要有單極接地故障和雙極短路故障。當(dāng)發(fā)生單極接地故障時(shí),理論上只是改變了直流系統(tǒng)電位參考點(diǎn)的位置,非故障極電壓幅值上升一倍,正負(fù)極直流電壓保持不變,兩端系統(tǒng)可正常輸送功率。相比于單極接地故障,雙極短路故障則嚴(yán)重得多,因此本文以雙極短路故障為例進(jìn)行故障機(jī)理分析。
與HBSM相比,F(xiàn)BSM在直流故障清除方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),需要迅速閉鎖所有子模塊的IGBT,而此時(shí)電流在子模塊中的流通路徑是衡量MMC直流故障清除能力的關(guān)鍵。FBSM在閉鎖時(shí)的電流通路如圖5所示。
在故障初期,子模塊還來(lái)不及閉鎖,該階段內(nèi)故障電流主要由子模塊電容放電和交流電源饋流組成,其中子模塊電容放電占主導(dǎo)。故障初期子模塊按照正常調(diào)制模式進(jìn)行投切,任一時(shí)刻上下2個(gè)橋臂總共投入N個(gè)子模塊。根據(jù)子模塊電容電壓平衡控制策略可知,其間所有子模塊均會(huì)投入或切除,因此每相所有子模塊可近似等分為并聯(lián)的2個(gè)小組,每組N個(gè)子模塊依次交替放電。綜上,極間短路故障可以等效成如圖8所示的一個(gè)RLC二階振蕩放電回路。
圖8 FBMMC閉鎖前等效電路Fig.8 Equivalent circuit of FBMMC before locking
在t0時(shí)刻發(fā)生短路故障,等值電容電壓uC0滿足微分方程:
其初始狀態(tài)滿足:。其中 If0為電容放電電流初始電流值。
FBMMC直流短路故障放電電流if0和電容電壓uC0的解析式如下:
其中,τ0=4L/(2R+Rf)為放電回路等效電路的時(shí)間常數(shù);為放電回路的諧振角頻率;θ0=為電流初始相角。
故障初期子模塊電容電壓快速下降,直流線路故障電流快速上升,由此也對(duì)子模塊的快速閉鎖提出了更高要求。當(dāng)直流保護(hù)檢測(cè)到直流故障的發(fā)生后,為了保護(hù)換流器,系統(tǒng)立即發(fā)出閉鎖信號(hào),關(guān)斷所有IGBT觸發(fā)信號(hào),閉鎖換流器內(nèi)所有子模塊,進(jìn)入子模塊閉鎖后階段。
閉鎖后,每個(gè)橋臂可等效為二極管和級(jí)聯(lián)帶電電容串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。若忽略阻抗,此時(shí)故障等效電路如圖9所示,簡(jiǎn)化電路如圖10所示。
圖9 FBMMC閉鎖后等效電路Fig.9 Equivalent circuit of FBMMC after locking
圖10 FBMMC閉鎖后簡(jiǎn)化電路Fig.10 Simplified circuit of FBMMC after locking
可以看出,在閉鎖后,交流系統(tǒng)向直流側(cè)短路點(diǎn)饋流的潛在通路主要是由經(jīng)換流器兩相上下橋臂和直流故障弧道構(gòu)成的回路。在通路中,橋臂級(jí)聯(lián)電容電壓將會(huì)提供一個(gè)反電勢(shì),利用二極管的反向阻斷能力,迫使故障電流迅速下降到0或者一個(gè)極小值。而要實(shí)現(xiàn)換流器的完全閉鎖,還應(yīng)保證回路中級(jí)聯(lián)電容電壓提供的反電勢(shì)大于交流線電壓幅值,從而利用二極管的反向阻斷能力實(shí)現(xiàn)完全閉鎖,即:
在不考慮子模塊冗余的情況下,一般有橋臂級(jí)聯(lián)電容額定電壓之和等于直流電壓,即:
一般地,電壓調(diào)制比k的取值在0.8~0.9之間,且:
由式(8)、(9)可得:
由此可見(jiàn),式(7)恒成立,完全可以保證換流器實(shí)現(xiàn)完全閉鎖。
當(dāng)直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),F(xiàn)BMMC能發(fā)揮其自身的直流故障電流閉鎖能力,無(wú)需跳開交流斷路器就可以有效處理直流側(cè)故障,并實(shí)現(xiàn)換流器的快速重啟。故障后換流器控制策略如圖11所示。圖中,IDC為直流電流;Imax為直流電流限值;UDC為直流電壓;Uref為直流電壓目標(biāo)值;ε為直流電壓波動(dòng)限值;Nul為子模塊IGBT解鎖次數(shù);λ為解鎖次數(shù)限值。
圖11 直流故障時(shí)的控制策略Fig.11 Control strategy for DC fault
由圖11的故障控制策略可以看出,直流故障下系統(tǒng)的動(dòng)作響應(yīng)特性大致可分為以下5個(gè)狀態(tài)。
a.正常運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)未檢測(cè)到直流故障,保護(hù)邏輯單元不動(dòng)作,換流器仍保持原有狀態(tài)運(yùn)行,系統(tǒng)正常傳輸功率。
b.閉鎖過(guò)程。系統(tǒng)未檢測(cè)到直流故障,保護(hù)邏輯單元?jiǎng)幼?,向換流器發(fā)出閉鎖指令,控制器迅速關(guān)斷所有IGBT的觸發(fā)脈沖。故障電流僅通過(guò)二極管向儲(chǔ)能電容充電并迅速減小,加快直流網(wǎng)絡(luò)能量的釋放。交流電源由于交流線電壓幅值小于電容電壓反電勢(shì)不能饋流。當(dāng)故障電流降低到0后,由于電容電壓和二極管反向阻斷能力使得換流器進(jìn)入完全閉鎖狀態(tài)。
c.線路去游離。換流器進(jìn)入閉鎖狀態(tài)后,保持此狀態(tài)運(yùn)行一段時(shí)間(通常為200~500 ms),使得故障線路完全去能和充分去游離,確保閃絡(luò)弧道消失,使絕緣性能恢復(fù)到原有水平。
d.解鎖與系統(tǒng)恢復(fù)。線路充分去游離后,判斷解鎖次數(shù) Nul,若Nul<λ,則解鎖子模塊 IGBT,嘗試建立系統(tǒng)直流電壓;若Nul≥λ,則判定故障為永久性故障,進(jìn)入過(guò)程e。在解鎖后,若直流電壓能夠恢復(fù),則故障為暫時(shí)性故障且已被切除,線路已具備重新輸電的條件,重新逐漸恢復(fù)功率傳輸,進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài);若無(wú)法恢復(fù)直流電壓,則意味著故障弧道可能仍然存在,IGBT解鎖失敗,此時(shí)將重復(fù)過(guò)程b—e。
e.隔離與重啟。通過(guò)解鎖IGBT進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)失敗的情況,認(rèn)為發(fā)生永久性故障,此時(shí)系統(tǒng)停機(jī)。根據(jù)故障定位信息,斷開故障線路兩端的隔離開關(guān),經(jīng)過(guò)檢修后重啟。
由此可見(jiàn),F(xiàn)BMMC能夠通過(guò)自身子模塊的閉鎖能力,實(shí)現(xiàn)直流側(cè)故障的快速隔離和自清除而不需要交流斷路器的動(dòng)作,保證系統(tǒng)的快速恢復(fù)。
為驗(yàn)證FBMMC抑制直流故障電流、實(shí)現(xiàn)故障自清除的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建雙端21電平FBMMC模型,如圖12所示。整流側(cè)采用定有功功率和定無(wú)功功率控制,逆變側(cè)采用定直流電壓和定無(wú)功功率控制[18-19]。系統(tǒng)控制策略采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙閉環(huán)矢量電流控制,調(diào)制策略采用最近電平逼近調(diào)制。仿真參數(shù)如下:額定功率為1000MW,交流系統(tǒng)電壓為220kV,變壓器變比為220kV/391kV,直流母線電壓為±320 kV,橋臂子模塊個(gè)數(shù)為20,子模塊電容為1300 μF,橋臂電感為60 mH,采樣頻率為10 kHz,直流電纜長(zhǎng)度為10.7 km。
圖12 仿真模型Fig.12 Simulation model
1.2 s前,系統(tǒng)處于子模塊充電階段,子模塊電壓波形如圖13所示。系統(tǒng)穩(wěn)定后,設(shè)定在1.8 s時(shí)FBMMC系統(tǒng)發(fā)生雙極短路故障,考慮故障識(shí)別等因素,設(shè)定換流器閉鎖時(shí)間為故障后0.5 ms,即換流器在1.8005 s時(shí)閉鎖。對(duì)比FBMMC無(wú)閉鎖和有閉鎖2種情況,直流故障仿真結(jié)果如圖14所示。
圖13 子模塊電容電壓Fig.13 Capacitor voltage of submodule
圖14 雙端FBMMC-HVDC系統(tǒng)直流故障仿真結(jié)果Fig.14 DC fault simulative results of double-terminal FBMMC-HVDC system
圖14(a)、(c)、(e)、(g)表明,F(xiàn)BMMC-HVDC 系統(tǒng)發(fā)生直流故障后,如果不采取任何保護(hù)措施,子模塊電容將會(huì)放電,各子模塊電容電壓(UC)迅速降為0,交流電流(is)、直流電流(idc)、橋臂電流(ip、in)將迅速增加,將直接危害電力電子器件安全并影響故障清除后的系統(tǒng)恢復(fù)。而圖14(b)、(d)、(f)、(h)則表明,故障后迅速閉鎖換流器,由于電容電壓給二極管一個(gè)反向電壓,在二極管反向阻斷能力作用下三相交流電流以及直流側(cè)電流、橋臂電流迅速降為0,交流系統(tǒng)不再向直流故障點(diǎn)饋入電流,同時(shí)子模塊電容電壓得以保持,便于故障清除后系統(tǒng)的快速恢復(fù)。
假設(shè)故障持續(xù)時(shí)間為0.2 s,2 s時(shí)故障消失,換流器解鎖,系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行。仿真結(jié)果如圖15、16所示。可以看出,在控制系統(tǒng)的作用下,系統(tǒng)起初正常運(yùn)行,隨著故障的發(fā)生,直流電壓開始下降,換流器閉鎖后,直流電壓降為0,有功傳輸終止。圖14(d)也表明,只要閉鎖及時(shí),子模塊電容電壓略有降落,隨后將維持在額定電壓附近,保持不變。隨著故障消失,換流器解鎖,子模塊電容經(jīng)過(guò)短暫充電后電壓基本維持穩(wěn)定,直流母線和有功功率迅速增大,經(jīng)短時(shí)振蕩后恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),重新恢復(fù)直流定壓和有功傳輸,系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。
圖15 整流側(cè)直流母線電壓Fig.15 DC bus voltage of rectifier-side
圖16 逆變側(cè)有功功率Fig.16 Active power of inverter-side
由仿真結(jié)果可知,F(xiàn)BSM在直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后,能夠通過(guò)閉鎖換流器來(lái)切斷故障電流,具有較好的直流故障穿越能力。
本文針對(duì)常規(guī)HBMMC子模塊無(wú)直流故障閉鎖能力的問(wèn)題,選取了具有直流故障穿越能力的FBSM。首先分析了其導(dǎo)通充電機(jī)理,然后對(duì)其清除直流故障電流的機(jī)理和控制策略進(jìn)行了分析,最后在直流側(cè)雙極短路故障下,對(duì)其切斷直流故障電流的能力進(jìn)行了建模仿真分析。結(jié)果表明FBMMC具有閉鎖直流故障的能力,在無(wú)需交流斷路器動(dòng)作的情況下能快速切斷故障電流,具有HBSM所不具備的突出優(yōu)勢(shì),非常適用于采用架空線遠(yuǎn)距離的柔性直流輸電場(chǎng)合。
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