趙 越

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東廣州510600）

0 引言

以傳統(tǒng)化石能源為主的能源構(gòu)架將加劇環(huán)境污染及氣溫升高等問(wèn)題，發(fā)展可再生能源勢(shì)在必行，其中，風(fēng)能與太陽(yáng)能近年來(lái)得到了大力開(kāi)發(fā)。在我國(guó)，適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能資源和風(fēng)電資源多集中于距負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的地區(qū)，如何將其進(jìn)行并網(wǎng)與消納一直是研究熱點(diǎn)。相比交流輸電技術(shù)與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，在可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域備受青睞[1-2]。

隨著應(yīng)用場(chǎng)合的日益復(fù)雜，柔性直流輸電系統(tǒng)不再僅包含單一類型的電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC），直流變換器及直流變電站等設(shè)備近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注，這些設(shè)備的接入使系統(tǒng)運(yùn)行更加靈活，但同時(shí)也為系統(tǒng)的控制與保護(hù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。柔性直流輸電系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)面臨各種故障，針對(duì)不同故障下相應(yīng)故障特性及保護(hù)策略的研究十分重要。目前，針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)中直流側(cè)故障保護(hù)的文獻(xiàn)較多，相關(guān)技術(shù)也比較成熟；針對(duì)系統(tǒng)中交流側(cè)故障保護(hù)的相關(guān)文獻(xiàn)也很多，但多集中于三相不對(duì)稱故障下單個(gè)VSC或兩端系統(tǒng)的故障保護(hù)研究；相對(duì)而言，針對(duì)交流側(cè)故障對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)影響的研究則比較少，因此，有必要進(jìn)行更加深入的研究。

本文以一個(gè)含三端口直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)為例，研究了交流電網(wǎng)側(cè)嚴(yán)重三相短路故障對(duì)系統(tǒng)的影響，探討了故障可能引發(fā)的嚴(yán)重后果，并設(shè)計(jì)了考慮直流變電站結(jié)構(gòu)特征和控制特性的故障保護(hù)策略。

1 含直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)

包含直流變換器及直流變電站等設(shè)備的柔性直流輸電系統(tǒng)是未來(lái)直流電網(wǎng)的雛形。本文研究所使用的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，用來(lái)模擬以下場(chǎng)景：一個(gè)直流型海上風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)三端口直流變電站將其發(fā)出的電能輸送至陸上兩個(gè)落點(diǎn)。其中，與端口3相連的海上風(fēng)電場(chǎng)用直流電流源代替（調(diào)節(jié)范圍：0～3 kA）；其發(fā)出的電能一部分通過(guò)端口1輸送至陸上換流站，最終輸入交流電網(wǎng)；其余電能則通過(guò)端口2輸送至陸上直流電網(wǎng)（用直流電壓源來(lái)代替）。

1.1 陸上換流站

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖1 所示系統(tǒng)中，雙極性陸上換流站是實(shí)現(xiàn)交直流系統(tǒng)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備，由兩個(gè)VSC通過(guò)直流側(cè)串聯(lián)、交流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成。VSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括兩電平式與多電平式。三相兩電平式VSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制原理較為簡(jiǎn)單，在早期柔性直流輸電工程中應(yīng)用較多，隨著技術(shù)的進(jìn)步，仍然具有極大的發(fā)展?jié)摿?。模塊化多電平換流器（Modular Multi-level Converter，MMC）則是多電平式VSC的代表，可以很方便地實(shí)現(xiàn)較高電壓等級(jí)，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

各類VSC的控制原理類似，常使用比較成熟的雙閉環(huán)直接電流控制器，通過(guò)選擇不同的外環(huán)控制器，VSC可以工作于不同控制模式：定直流電壓、定交流電壓或者定有功功率控制模式。圖1中，陸上換流站的兩個(gè)VSC工作于定直流電壓控制模式，為端口1提供穩(wěn)定的直流電壓支撐。

1.2 直流變電站

直流變電站可以將多條不同電壓等級(jí)的直流線路互聯(lián)，其接入使直流電網(wǎng)的運(yùn)行方式更加靈活[3-4]。直流變電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多種多樣，其中，基于VSC的電氣隔離型直流變電站比較適用于高壓大功率場(chǎng)合，在目前直流輸電相關(guān)研究中備受青睞[3-4]。圖1中的直流變電站即使用了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其示意圖如圖2所示。

圖2 三端口直流變電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

圖2 所示的直流變電站由多個(gè)VSC組合而成，故可通過(guò)多個(gè)VSC控制模式的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)其所需的控制模式。圖1中，端口1中VSC工作于定交流電壓控制模式以使直流變電站內(nèi)部公共交流母線電壓穩(wěn)定，保證直流變電站正常運(yùn)行；端口2中VSC工作于定有功功率控制模式，可以靈活控制輸出的有功功率；端口3中VSC工作于定直流電壓控制模式，為海上風(fēng)電場(chǎng)提供穩(wěn)定的電壓支撐。

2 三相短路故障時(shí)系統(tǒng)的故障特性

為研究三相短路故障對(duì)系統(tǒng)的影響，在PSCAD環(huán)境下搭建了圖1所示系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)其在圖1所示故障點(diǎn)發(fā)生永久性三相短路故障時(shí)的故障特性進(jìn)行了研究，圖3給出了相關(guān)仿真波形。

圖3 故障情況下系統(tǒng)關(guān)鍵位置相關(guān)波形

0～3 s為系統(tǒng)啟動(dòng)階段，故障發(fā)生于3.5 s。圖3（a）給出了系統(tǒng)關(guān)鍵位置的電壓波形，包括端口1的正極性側(cè)電壓U1p、端口3的正極性側(cè)電壓U3p，直流變電站正極性側(cè)內(nèi)部公共交流母線電壓的d軸和q軸分量uacd和uacq?？梢钥吹?，U3p、U1p、uacd和uacq平滑快速地上升至其額定值；3.5 s，故障發(fā)生，U1p迅速升高，而系統(tǒng)其他位置的電壓則保持穩(wěn)定。負(fù)極性側(cè)相關(guān)波形與之類似，不單獨(dú)給出。

圖3（b）給出了相關(guān)有功功率波形，包括直流變電站各端口傳輸?shù)目傆泄β剩≒1、P2、P3）以及各端口正極性側(cè)傳輸?shù)挠泄β剩≒1p、P2p、P3p），由于正、負(fù)極性側(cè)對(duì)稱，故P1、P2和P3分別是P1p、P2p和P3p的2倍。3.5 s，故障發(fā)生，P2和P3可以保持穩(wěn)定，說(shuō)明故障沒(méi)有影響端口2和端口3的正常運(yùn)行；P1則從36 MW下降至約16 MW，主要是因?yàn)楣收习l(fā)生后各VSC都沒(méi)有閉鎖，部分有功功率將通過(guò)陸上換流站向故障點(diǎn)饋電，剩余功率則將造成端口1直流側(cè)電壓的持續(xù)升高。

從以上仿真結(jié)果可以看出，在不考慮任何保護(hù)措施時(shí)，故障將會(huì)造成海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出的電能不能完全輸送至陸上，并且直流變電站靠近故障點(diǎn)端口直流側(cè)電壓將持續(xù)升高。

3 考慮VSC自身保護(hù)時(shí)系統(tǒng)的故障特性

實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)VSC中出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)流或過(guò)壓現(xiàn)象時(shí)，其自身保護(hù)會(huì)動(dòng)作，將VSC閉鎖。在考慮VSC自身保護(hù)時(shí)，由上一節(jié)分析可知，故障發(fā)生后，部分有功功率通過(guò)陸上換流站向故障點(diǎn)饋電，陸上換流站將因嚴(yán)重過(guò)流現(xiàn)象而閉鎖；與此同時(shí)，端口1的VSC將因過(guò)壓現(xiàn)象而閉鎖。

仿真從一穩(wěn)態(tài)開(kāi)始，0.5 s，故障發(fā)生；0.505 s，陸上換流站因交流側(cè)電流達(dá)到1.2 p.u.而閉鎖；0.51 s，端口1的VSC因直流側(cè)電壓超過(guò)額定值5%而閉鎖。圖4給出了相關(guān)仿真波形。

圖4 考慮VSC自身保護(hù)時(shí)故障情況下系統(tǒng)關(guān)鍵位置相關(guān)波形

從圖4（a）可以看到，0.51 s，端口1中的VSC閉鎖，原本通過(guò)端口1傳輸至陸上的有功功率無(wú)法繼續(xù)輸出，U1p將維持在31.5 kV；與之同時(shí)，該部分功率將造成uacd和uacq的不斷升高，進(jìn)一步造成端口3中VSC控制效果的不穩(wěn)定，U3p也會(huì)呈現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。由于uacd和uacq無(wú)法保持穩(wěn)定，直流變電站各端口無(wú)法保持穩(wěn)定運(yùn)行，從圖4（b）可以看到，其傳輸?shù)挠泄β室矡o(wú)法保持穩(wěn)定。

整體來(lái)看，考慮VSC自身保護(hù)時(shí)，故障發(fā)生后，由于部分VSC閉鎖，系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制被破壞，故障將會(huì)使直流變電站中距離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)的端口也無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，若持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，很可能引發(fā)非故障區(qū)域更加嚴(yán)重的故障。

4 考慮直流變電站特性的故障保護(hù)策略

從以上分析可知，故障造成直流變電站端口1閉鎖，使其內(nèi)部公共交流母線電壓失控，最終導(dǎo)致其他端口無(wú)法正常運(yùn)行，因此，故障保護(hù)策略的要點(diǎn)是在端口1閉鎖之后采取合適的方法使直流變電站內(nèi)部公共交流母線電壓保持穩(wěn)定。

直流變電站的多個(gè)端口處于同一平臺(tái)，可以通過(guò)站內(nèi)通信線路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，因此，各端口間可以采取“主從控制”方式進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。相應(yīng)保護(hù)策略設(shè)置如下：當(dāng)端口1的VSC因故障閉鎖時(shí)，與直流電壓源相連的端口2的VSC自動(dòng)切換其控制模式至定交流電壓控制模式，繼續(xù)維持直流變電站內(nèi)部公共交流母線電壓的穩(wěn)定，保證其余非故障端口的正常運(yùn)行。

圖5（a）給出了使用以上故障保護(hù)策略時(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵位置的電壓波形。0.5 s，故障發(fā)生；0.505 s，陸上換流站因過(guò)流而閉鎖；0.51 s，端口1中的VSC因過(guò)壓而閉鎖，同時(shí)端口2中的VSC控制模式立即切換。可以看到，0.51 s之后，U1p保持在31.5 kV，由于uacd和uacq轉(zhuǎn)由端口2控制，因此uacd和uacq經(jīng)過(guò)微小振蕩后依然保持穩(wěn)定，U3p也因此可以保持在額定值。

圖5（b）給出了相關(guān)功率波形。0.51 s，端口1閉鎖，P1p迅速下降為0；與此同時(shí)，端口2的控制模式轉(zhuǎn)換，因此端口3依然保持故障前的運(yùn)行狀態(tài)，P3p基本不受影響；從端口3輸入的功率將全部通過(guò)端口2輸出，P2p會(huì)隨之發(fā)生改變。

從以上仿真結(jié)果可以看到，系統(tǒng)遭遇嚴(yán)重交流故障時(shí)，本文提出的故障保護(hù)策略充分利用了直流變電站各端口之間容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信并可以靈活控制的特點(diǎn)，有效阻止了故障向非故障區(qū)域蔓延。

5 結(jié)語(yǔ)

含直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)是未來(lái)直流電網(wǎng)的雛形，十分適用于可再生能源并網(wǎng)與消納。為研究嚴(yán)重交流側(cè)故障對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)的影響，文章以一個(gè)含三端口直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)為例，通過(guò)研究三相短路故障后不考慮任何保護(hù)措施時(shí)系統(tǒng)的故障特性，說(shuō)明故障會(huì)使部分設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)壓、過(guò)流現(xiàn)象；實(shí)際運(yùn)行中，各設(shè)備都配備有自身保護(hù)，通過(guò)研究考慮VSC自身保護(hù)時(shí)系統(tǒng)的故障特性，說(shuō)明VSC自身保護(hù)雖可抑制各設(shè)備中的過(guò)壓、過(guò)流現(xiàn)象，但同時(shí)會(huì)使故障蔓延至系統(tǒng)中非故障區(qū)域；結(jié)合直流變電站的結(jié)構(gòu)特征及控制特性，提出一種基于主從控制方式的故障保護(hù)策略，可以有效阻止故障進(jìn)一步蔓延。對(duì)于規(guī)模更大的柔直系統(tǒng)同樣可以考慮使用文章提出的保護(hù)策略。

圖5 采用保護(hù)策略時(shí)系統(tǒng)關(guān)鍵位置相關(guān)波形