葉 晗, 陳 武, 薛晨煬, 朱 旭, 梅 軍

(1. 東南大學(xué)先進(jìn)電能變換技術(shù)與裝備研究所, 江蘇省南京市 210096; 2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電公司, 江蘇省南京市 210008)

0 引言

多端直流輸電和直流電網(wǎng)技術(shù)是解決可再生能源并網(wǎng)的有效措施,是電力系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的重要方向之一[1-3]。隨著直流電網(wǎng)范圍擴(kuò)大、直流節(jié)點(diǎn)數(shù)增加以及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化,直流系統(tǒng)的潮流控制和短路問(wèn)題將更加突出。當(dāng)潮流控制自由度不夠時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致某些線路過(guò)負(fù)荷,甚至影響整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行[4]。另外,由于直流電網(wǎng)的低阻性,短路電流上升非?？?、峰值很大;當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí),直流側(cè)并聯(lián)電容向故障點(diǎn)快速放電,短時(shí)間內(nèi)較大短路電流將注入故障點(diǎn),可以在幾毫秒之內(nèi)達(dá)到額定電流的幾十倍甚至上百倍[5-6]。此外,直流線路一旦發(fā)生故障,不僅可能損壞換流站器件,而且故障可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散至整個(gè)系統(tǒng),使系統(tǒng)的潮流迅速崩潰,危及整個(gè)直流電網(wǎng)安全。考慮到目前的故障定位和直流斷路器的技術(shù)水平,亟須對(duì)短路電流進(jìn)行有效抑制,并及時(shí)切除故障線路[7]。

直流電網(wǎng)潮流僅與線路電壓和電阻有關(guān),調(diào)節(jié)線路電阻和電壓可以有效調(diào)節(jié)電網(wǎng)潮流。文獻(xiàn)[8-9]提出了可變電阻器方案,可變電阻型潮流控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制靈活,但通態(tài)損耗大。文獻(xiàn)[10-11]提出了直流變壓器調(diào)節(jié)方案,通過(guò)控制開關(guān)管占空比來(lái)改變變壓器兩端壓差,該方案可以有效地調(diào)節(jié)系統(tǒng)潮流,并具有一定的故障隔離能力。此外,由于裝置串聯(lián)在直流系統(tǒng)中,所以該潮流控制器承受系統(tǒng)級(jí)功率和電壓,因此高壓場(chǎng)合可以采用文獻(xiàn)[12-13]的模塊化多電平換流器(MMC)技術(shù),減少器件所受應(yīng)力。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于晶閘管的可調(diào)電壓源電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)潮流調(diào)節(jié)。該方法的調(diào)節(jié)范圍大,但是所需的器件多,且可能給交流系統(tǒng)注入諧波[15-16]。線間潮流控制器無(wú)需外部電源,只利用線路之間的功率交換即可等效給線路串入電壓源,從而實(shí)現(xiàn)潮流的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[17-19]提出了一種線間潮流控制方案,該方案不需要承受系統(tǒng)級(jí)的高電壓,且不需要外部電源與之交互,成本低,損耗低,但會(huì)引入電壓紋波。

由于直流電網(wǎng)短路故障電流的上升速度快、峰值大、不存在自然過(guò)零點(diǎn)等問(wèn)題,使得直流故障斷路器成為直流電網(wǎng)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。目前直流斷路器主要分為三類:機(jī)械型、固態(tài)型和混合型斷路器。機(jī)械型直流斷路器一般基于傳統(tǒng)交流斷路器,增加振蕩回路,使得短路電流切除過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)零點(diǎn)。固態(tài)型斷路器是主要采用大功率電力電子器件,具有開關(guān)速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[20],但是通態(tài)損耗較大?；旌闲椭绷鲾嗦菲魇蔷C合了機(jī)械斷路器和固態(tài)型斷路器的優(yōu)點(diǎn),將兩者并聯(lián)且進(jìn)行了一定的改進(jìn),使之具備損耗小、開斷快、無(wú)關(guān)斷死區(qū)等優(yōu)點(diǎn)[21-24]。文獻(xiàn)[21]最早提出了一種混合型直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并驗(yàn)證了其可行性。

由上可知,目前已有方案[8-27]可分別采用增加直流電網(wǎng)潮流控制裝置和短路故障處理裝置來(lái)單獨(dú)解決直流潮流控制和故障電流抑制的問(wèn)題。但是由于直流潮流控制相對(duì)頻繁,而故障電流的抑制及切除僅發(fā)生在故障瞬間,其次數(shù)并不頻繁,已有的兩種方案不能同時(shí)兼顧直流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)優(yōu)化潮流和故障暫態(tài)下的抑制故障電流。立足于直流電網(wǎng)潮流控制技術(shù)和直流斷路器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,本文提出一種直流電網(wǎng)用的具有限流功能的直流潮流控制和短路控制的復(fù)合裝置及其控制策略。相比于獨(dú)立運(yùn)行的潮流控制器和直流斷路器裝置,該方案可以有效減少器件數(shù)量和裝置體積,減小損耗,降低成本。

1 復(fù)合裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于線間潮流控制和直流電網(wǎng)混合型斷路器的特點(diǎn),本文提出了直流電網(wǎng)用的直流潮流控制與短路控制的復(fù)合裝置(power flow controlling circuit breaker,PFCCB),如圖1所示。主要由一對(duì)耦合電感(L1和L2)、兩個(gè)電容(C1和C2)、四個(gè)通態(tài)運(yùn)行絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)開關(guān)管(Q1～Q4)及其反并聯(lián)二極管(D1～D4)、四個(gè)二極管(Db1～Db4)、兩個(gè)快速機(jī)械開關(guān)(UFD1和UFD2)和三個(gè)故障轉(zhuǎn)移開關(guān)管(MB1～MB3)及與其并聯(lián)的避雷器(SA1～SA3)組成。該復(fù)合裝置主要的功能為直流電網(wǎng)線路的潮流調(diào)節(jié)、短路電流抑制和直流故障線路切除。

圖1 PFCCB拓?fù)銯ig.1 Topology of PFCCB

正常工作狀態(tài):穩(wěn)態(tài)情況下,C1,C2,L1,L2和Q1～Q4所在支路參與系統(tǒng)的潮流調(diào)節(jié),UFD1和UFD2處于閉合狀態(tài),MB1～MB3處于關(guān)斷狀態(tài)。

故障隔離狀態(tài):當(dāng)該復(fù)合裝置連接的直流線路上發(fā)生故障,立即使潮流控制的Q1～Q4導(dǎo)通,作為短路控制的換流開關(guān)管,同時(shí)閉鎖直流潮流控制環(huán)節(jié)。耦合電感的存在抑制短路電流的快速上升。通過(guò)MB1～MB3將故障電流轉(zhuǎn)移其所在支路上,從而關(guān)斷故障所在支路上的快速機(jī)械開關(guān),實(shí)現(xiàn)故障支路的切除。在故障支路切除之后,切斷MB1～MB3,使得非故障支路恢復(fù)運(yùn)行。

1.2 工作原理

為實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)潮流的有效調(diào)節(jié)和短路故障的控制,只需將該復(fù)合裝置如圖1所示串入線路中,復(fù)合裝置的1端與換流站相連,2端、3端分別串入被控線路1和線路2中。下面以兩種典型工況為例,對(duì)該直流電網(wǎng)用的具備直流潮流控制與短路控制的復(fù)合裝置控制特性進(jìn)行分析(以圖1中的標(biāo)示方向作為各電氣量的參考正方向)。

1.2.1I1及I2相同方向

1)潮流控制

短路故障未發(fā)生的情況下,系統(tǒng)的短路控制部分閉鎖,即MB1～MB3斷開,潮流控制部分投入工作。由于裝置的對(duì)稱性,選取I1和I2均為正方向的情況進(jìn)行說(shuō)明。根據(jù)系統(tǒng)的對(duì)稱性,以減小I1、增大I2為例進(jìn)行潮流調(diào)節(jié),即等效線路1引入一個(gè)正電阻,線路2引入一個(gè)負(fù)電阻,此時(shí)電容的電壓方向與圖1參考方向一致。當(dāng)開關(guān)管Q1～Q4均關(guān)斷時(shí),電容C1電壓值VC1不斷增大、電容C2電壓值VC2不斷減小;為了維持一個(gè)周期內(nèi)的電壓平衡,C1中的能量需轉(zhuǎn)移到C2中。

根據(jù)電容電壓極性及能量轉(zhuǎn)移路徑,首先開通Q1,則Q1,Db1,C1和L1形成電流回路,電容C1向L1儲(chǔ)能,電感電流上升;然后關(guān)斷Q1,開通Q3,此時(shí)L1,Q3,Db3和C2形成回路,電感L1向電容C2傳遞能量,電感電流下降,這樣形成一個(gè)開關(guān)周期,將能量從電容C1向C2的傳遞,從而實(shí)現(xiàn)減小I1、增大I2。具體開關(guān)模態(tài)見附錄A圖A1。

2)短路控制

由于I1和I2方向相同,根據(jù)對(duì)稱性,以線路1的出口處短路為例。

線路1發(fā)生故障時(shí),立即開通開關(guān)管Q1與Q3,關(guān)斷開關(guān)管Q2與Q4,此時(shí)開關(guān)管Q1與Q3所在支路則為故障換流支路。延時(shí)一段時(shí)間,開通開關(guān)管MB1～MB3,此時(shí)故障電流部分轉(zhuǎn)移到MB1～MB3開關(guān)管所在支路。再延時(shí)一段時(shí)間,關(guān)閉故障支路上的開關(guān)管Q1,然后在零電流狀態(tài)下關(guān)斷高壓快速機(jī)械開關(guān)UFD1,切斷故障支路。待機(jī)械開關(guān)完全關(guān)斷之后,關(guān)斷開關(guān)管MB1,MB2和MB3,使得剩余故障電流通過(guò)避雷器SA1和開關(guān)管MB2的反并聯(lián)二極管進(jìn)行導(dǎo)通和消耗。具體開關(guān)模態(tài)如附錄A圖A2所示。此時(shí),故障支路已從系統(tǒng)中切除,非故障支路恢復(fù)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)故障處理之后,可進(jìn)行重合閘操作。先開通轉(zhuǎn)移支路開關(guān)管,然后閉合載流支路,可靠導(dǎo)通之后,關(guān)斷轉(zhuǎn)移支路開關(guān)管。此時(shí)復(fù)合裝置將恢復(fù)潮流控制和短路控制功能。

1.2.2I1和I2不同方向

1)潮流控制

由于對(duì)稱性,以I1正向、I2反向,且增大I1、減小I2為例進(jìn)行潮流調(diào)節(jié),即等效線路1引入一個(gè)負(fù)電阻,線路2引入一個(gè)正電阻,此時(shí)C1的電壓極性與圖1相反,C2的電壓極性與圖1相同。當(dāng)開關(guān)管Q1～Q4均關(guān)斷時(shí),VC1不斷減小、VC2不斷增大,因此C2的能量需轉(zhuǎn)移到C1中。根據(jù)能量轉(zhuǎn)移路徑,首先開通Q4,此時(shí)C2,Db4,Q4和L2形成回路,電容C2向電感L2儲(chǔ)能;然后關(guān)斷Q4,開通Q1,耦合電感的作用下,L1,Q1,Db1和C1形成回路,能量從電感L1向電容C1傳遞,在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量從電容C2傳遞到電容C1中,從而實(shí)現(xiàn)增大I1、減小I2。具體開關(guān)模態(tài)見附錄A圖A3所示。

2)短路控制

以I1正向、I2反向且線路1出口處短路為例。當(dāng)線路1發(fā)生故障時(shí),立即開通開關(guān)管Q1和Q4,關(guān)斷開關(guān)管Q2和Q3,此時(shí)開關(guān)管Q1和Q4所在支路則為故障換流支路。延時(shí)一段時(shí)間,開通開關(guān)管MB1～MB3,此時(shí)故障電流大部分轉(zhuǎn)移到MB開關(guān)管所在支路。再延時(shí)一段時(shí)間,關(guān)閉故障支路上的開關(guān)管Q1,然后關(guān)斷高壓快速機(jī)械開關(guān)UFD1,切斷故障支路。繼續(xù)延時(shí)一段時(shí)間,之后關(guān)斷開關(guān)管MB1～MB3,使得剩余故障電流通過(guò)SA1和開關(guān)管MB2的反并聯(lián)二極管進(jìn)行流通和消耗。具體開關(guān)模態(tài)如附錄A圖A4所示。此時(shí),故障支路已從系統(tǒng)中切除,非故障支路恢復(fù)運(yùn)行。

1.3 特性分析

以某三端直流環(huán)網(wǎng)為例,對(duì)所提直流電網(wǎng)潮流控制與短路控制的復(fù)合裝置特性進(jìn)行分析。加裝了PFCCB的三端電網(wǎng)如圖2所示,各線路上未加裝PFCCB一側(cè)需要配置直流斷路器使用。其中換流站1和換流站2采取的是定功率控制,功率分別為P1和P2,換流站3采取的是定電壓控制,電壓為V3。

圖2 三端環(huán)網(wǎng)直流輸電結(jié)構(gòu)Fig.2 DC transmission structure of three-terminal ring network

加裝該復(fù)合裝置后,該直流系統(tǒng)的潮流方程為

(1)

(2)

由于直流電網(wǎng)阻抗較小,結(jié)合式(1)和式(2)可知,在VC1和VC2較小的變化范圍內(nèi),即可實(shí)現(xiàn)直流電網(wǎng)潮流較大的調(diào)節(jié)范圍,裝置具有較好的潮流控制能力。

由于復(fù)合裝置中存在著電感和電容,正常工作情況下會(huì)發(fā)生諧振問(wèn)題。以附錄A圖A1(a)中工況為例,其諧振回路為C1-L1-Q1-Db1,iL1(t)和VC1(t)的表達(dá)式為：

(3)

式中:R為L(zhǎng)1和C1諧振回路中的等效電阻;A1和A2為根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中iL1(0)和VC1(0)來(lái)求定的待定系數(shù);α為衰減系數(shù);ωd為衰減諧振角頻率。

為滿足電容電壓紋波及直流系統(tǒng)限流問(wèn)題,復(fù)合裝置的電容C1,C2和耦合電感L1,L2需滿足以下條件:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

min(L1,L2,Leq1,Leq2)≥Ls，ref

(9)

式中:fs為復(fù)合裝置的工作頻率;ΔVref為電容電壓紋波最大允許值;IC1和IC2分別為流過(guò)電容C1和C2的平均值;Leq1和Leq2分別為耦合作用下兩個(gè)電感的等效感值;Ls，ref為直流電網(wǎng)中限流電感的最小值;M為耦合部分感值;k為耦合系數(shù)。

由式(3)至式(9)可以看出,要減小正常工作下諧振電流的峰值大小,降低對(duì)系統(tǒng)的損害,可適當(dāng)增大電感L1,但太大的電感不利于系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí),由于復(fù)合裝置中Db1～Db4的存在,可有效避免諧振過(guò)程的重復(fù)進(jìn)行,減少對(duì)開關(guān)器件的破壞。

2 PFCCB的控制策略

根據(jù)以上分析,PFCCB復(fù)合裝置的控制分為正常情況下的潮流控制與短路故障情況下的故障線路控制。

潮流控制:正常工作情況下,由PFCCB復(fù)合裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及上述分析的9種工況的對(duì)稱性,依據(jù)線間潮流控制器的基本控制思想[28-29],附錄A中表A1給出各種工況下開關(guān)管的通斷特性以及被控器件。

短路控制:當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),PFCCB復(fù)合裝置控制流程如圖3所示。

圖3 PFCCB短路故障切除工況的操作時(shí)序Fig.3 Operation timing of PFCCB at shortcut

1)短路故障發(fā)生在某時(shí)刻,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,在t0時(shí)刻檢測(cè)到故障,開始觸發(fā)PFCCB復(fù)合裝置的短路故障控制模式。

2)經(jīng)過(guò)t0延時(shí),在t1時(shí)刻立即導(dǎo)通Q1～Q4,閉鎖潮流控制環(huán)節(jié)。

3)經(jīng)過(guò)Δt1延時(shí),在t2時(shí)刻導(dǎo)通轉(zhuǎn)移支路的開關(guān)管MB1～MB3,將故障電流轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移支路上,以便于故障支路的有效關(guān)斷。

4)經(jīng)過(guò)Δt2的通信延時(shí),在t3時(shí)刻關(guān)斷故障支路上的換流開關(guān)管,切斷故障支路上轉(zhuǎn)移之后剩余的小電流。

5)經(jīng)過(guò)Δt3延時(shí),在t4時(shí)刻關(guān)斷故障支路上的快速機(jī)械開關(guān)UFD,將故障支路從直流系統(tǒng)中切除出去。

6)經(jīng)過(guò)Δt4的分?jǐn)鄷r(shí)間,在t5時(shí)刻將轉(zhuǎn)移支路上的開關(guān)管MB1～MB3關(guān)斷,使得故障電流消耗在避雷器組成的吸收回路中;此時(shí)故障支路已從直流系統(tǒng)中切除出去,非故障支路恢復(fù)正常運(yùn)行。

隨著直流電網(wǎng)保護(hù)方案的優(yōu)化,通信設(shè)備的改進(jìn)以及高速機(jī)械開關(guān)的研制水平不斷上升,每個(gè)階段的動(dòng)作延時(shí)可進(jìn)一步縮小,斷路器的整體工作時(shí)長(zhǎng)將隨著縮短。

3 仿真驗(yàn)證

圖2所示的三端直流電網(wǎng)線路參數(shù)如表1所示。換流站VSC1和VSC2為定功率模式運(yùn)行,分別向系統(tǒng)注入的功率為P1=300 MW,P2=120 MW;換流站VSC3以定電壓模式運(yùn)行,控制其直流電壓為U3=200 kV。PFCCB復(fù)合裝置接入在VSC3換流站的出口側(cè),連接著線路2和線路3,即電容C1串入在線路3中,電容C2串入在線路2中。PFCCB的參數(shù)為:C1=1 600 μF,C2=4 000 μF,電感L1和L2的取值均為80 mH,耦合系數(shù)k為0.8。

表1 直流電網(wǎng)輸電線路參數(shù)Table 1 Line parameters of the DC grid

以下主要從正常情況下的潮流控制、故障情況下的限流特性、短路切除以及故障后的潮流控制四個(gè)方面進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1)正常潮流控制

設(shè)PFCCB復(fù)合裝置正常工作情況下,需要控制線路電流I23=0.25 kA。

根據(jù)式(1)和式(2)的直流系統(tǒng)潮流方程,結(jié)合三個(gè)換流站的功率和電壓,可以算得:I12=-0.33 kA,I13=1.80 kA,I23=0.25 kA,V1=204.76 kV,V2=205.26 kV,VC1=4.63 kV,VC2=0.64 kV。直流系統(tǒng)潮流控制模塊在4 s時(shí)開始工作,控制線路電流I23=0.25 kA,仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4(a)至(c)可以看出,仿真結(jié)果與理論分析基本一致,電流I23在較短的時(shí)間內(nèi)被控制到預(yù)設(shè)目標(biāo)0.25 kA,且暫態(tài)過(guò)程較為平滑。換流站均工作在正常的電壓等級(jí)下,潮流控制的效果較好。

圖4 正常潮流控制的波形Fig.4 Waveforms in normal power flow control

2)短路故障下的故障線路切除

初始時(shí)刻,系統(tǒng)處于正常工作情況,在8 s前,PFCCB復(fù)合裝置的潮流控制部分投入系統(tǒng)工作,控制線路電流I23=0.5 kA,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

在8 s時(shí),線路2發(fā)生短路故障,PFCCB的短路控制部分投入系統(tǒng)工作,及時(shí)將故障線路從系統(tǒng)中切除,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 直流故障情況下短路控制的波形Fig.5 Waveforms in DC fault short cut control

直流系統(tǒng)的低阻性、低慣量,使得短路點(diǎn)電流Ishort迅速增大,故障線路電容VC迅速充電。從圖5中可以看出,線路2發(fā)生短路故障之后,線路電流I13迅速增加,t1時(shí)刻檢測(cè)到故障,立即閉鎖潮流控制部分同時(shí)使得故障電流進(jìn)入故障換流支路,換流支路電流IPFCCB上升;t2時(shí)刻PFCCB復(fù)合裝置打開轉(zhuǎn)移支路開關(guān)MB1～MB3,此時(shí)故障電流進(jìn)入轉(zhuǎn)移支路,故障線路的電容電壓VC開始下降,避免過(guò)壓;t3時(shí)刻關(guān)斷換流支路的換流開關(guān)管,切斷故障線路的剩余電流IPFCCB;t4時(shí)刻,在零電流的狀態(tài)下切斷故障線路的機(jī)械開關(guān)UFD;t5時(shí)刻關(guān)斷轉(zhuǎn)移支路開關(guān),使得故障支路完全從系統(tǒng)中切除。從VMB1的波形可以看出,故障轉(zhuǎn)移支路開關(guān)管在切除過(guò)程中承受短時(shí)間的系統(tǒng)級(jí)電壓。PFCCB復(fù)合裝置在10 ms之內(nèi)將故障支路切除出去,非故障支路在短路切除后恢復(fù)運(yùn)行。由圖中的V1波形可以看出,系統(tǒng)在短路切除之后,換流站迅速將電壓控制到200 kV,避免直流系統(tǒng)的崩潰;同時(shí)由于故障切除過(guò)程中換流支路通過(guò)電流較小,不會(huì)出現(xiàn)電感的磁飽和問(wèn)題。

3)短路故障下的限流

短路故障發(fā)生時(shí),當(dāng)系統(tǒng)導(dǎo)通開關(guān)管Q1～Q4,作為故障換流支路時(shí),此時(shí)耦合電感起到了限流的作用。在短路故障的情況下,為了研究限流效果,對(duì)系統(tǒng)中是否存在電感的情況分別進(jìn)行仿真,結(jié)果如附錄A圖A5所示。從圖中可以看出,耦合電感的存在,明顯減緩了故障電流的上升速率。與單獨(dú)的電感不同,耦合電感由于存在其他繞組正常工作電流的影響,起初會(huì)迅速上升到一個(gè)比最終峰值低很多的電流水平,然后平緩上升。從附錄A圖A5(b)中短路發(fā)生之后的瞬間來(lái)看,在故障切除過(guò)程的數(shù)個(gè)毫秒之內(nèi),短路電流的峰值因?yàn)轳詈想姼械拇嬖诒淮蠓档汀?/p>

為進(jìn)一步研究PFCCB復(fù)合裝置中耦合電感的限流特性及其電感值的選取,針對(duì)不同的耦合電感值進(jìn)行仿真研究,電感值分別取值為80 mH,400 mH和1 600 mH時(shí)的仿真結(jié)果如附錄A圖A6所示。從圖A6(a)中可以看出,隨著耦合電感的增大,短路電流的上升速度減緩,電感值越大,抑制短路電流的效果越好;但從圖A6(b)中可知,在短路故障發(fā)生后PFCCB裝置切除故障的幾毫秒內(nèi),不同電感值下的短路電流上升速率和峰值較為接近。同時(shí),PFCCB中耦合電感值的太大會(huì)導(dǎo)致直流電網(wǎng)潮流控制的動(dòng)態(tài)性能變差、裝置的體積增大等問(wèn)題,因此在滿足限流條件的情況下盡可能選取相對(duì)較小的電感值有利于PFCCB裝置性能的提升。

4 與其他方案的對(duì)比分析

當(dāng)前的直流電網(wǎng)中,潮流控制與短路切除裝置處于單獨(dú)運(yùn)行的狀態(tài),要實(shí)現(xiàn)潮流控制和短路切除的功能,需兩個(gè)裝置分別投入電網(wǎng)。已有的線間直流潮流控制裝置是Alstom公司的六開關(guān)方案[17-18],工程上較為成熟的直流斷路器是ABB公司的混合型直流斷路器方案[21]。以六開關(guān)潮流控制和ABB混合斷路器組合(以下稱方案A)與本文的PFCCB裝置,在如圖2所示的典型應(yīng)用場(chǎng)景下(涉及一個(gè)換流站及兩條直流支路),進(jìn)行對(duì)比分析。假定直流系統(tǒng)的硬件配置采用ABB公司的5SNA 3000K452300型的IGBT元件,其額定電壓、額定電流分別為4.5 kV和1.5 kA。正常情況下,其安全承壓為2.25 kV,該器件可承受6 kA過(guò)電流約1 ms。

對(duì)于方案A來(lái)說(shuō),潮流控制器和混合斷路器是獨(dú)立地運(yùn)行于直流電網(wǎng)中。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí),沒(méi)有潮流控制的保護(hù)環(huán)節(jié),開關(guān)管需要承受短路期間可能存在的過(guò)流和過(guò)壓。已知斷路器斷開故障時(shí),斷路器兩端產(chǎn)生的過(guò)壓是系統(tǒng)級(jí)電壓,為200 kV,考慮一倍的裕度,取400 kV,則需要[400/2.25]=178開關(guān)管串接([·]為取整運(yùn)算),且考慮線路的雙向?qū)芰?則混合斷路器的轉(zhuǎn)移支路上,需要開關(guān)管178×2=356個(gè);又因?yàn)樯婕皟蓷l線路,開關(guān)管數(shù)量為356×2=712個(gè),換流支路上需要切斷換流開關(guān)管2個(gè),潮流控制部分需要開關(guān)管6個(gè);故障情況下,短路電流峰值約10 kA,[10/6]=2,需要增加1條并聯(lián)支路,所以IGBT開關(guān)管的所需數(shù)量為(712+2+6)×2=1 440個(gè)。

對(duì)于本文提出的PFCCB來(lái)說(shuō),直流潮流控制部分與短路控制部分統(tǒng)一的控制。短路故障發(fā)生時(shí),潮流控制環(huán)節(jié)閉鎖,考慮直流短路切除環(huán)節(jié)的過(guò)壓?jiǎn)栴},有[400/2.25]=178。由于復(fù)合裝置拓?fù)滢D(zhuǎn)移支路自身形成的反串聯(lián)結(jié)構(gòu),可保證雙向?qū)щ?所以轉(zhuǎn)移支路上需178×3=534個(gè)開關(guān)管,潮流控制和換流支路需4個(gè)開關(guān)管;考慮過(guò)流問(wèn)題時(shí),同樣需要IGBT并聯(lián)支路,則需要的IGBT數(shù)量為(534+4)×2=1 076個(gè)。結(jié)果對(duì)比如表2所示,由表可知,與潮流控制器和混合直流斷路器單獨(dú)運(yùn)行情況相比,本文所提出的PFCCB所需的IGBT開關(guān)管數(shù)量減少近30%,較大幅度地降低了裝置的成本,且系統(tǒng)潮流調(diào)節(jié)過(guò)程中引起的紋波很小,動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越,技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性較好。

表2 PFCCB與方案A的對(duì)比Table 2 Comparison between PFCCB and scheme A

由于本文所提方案增加使用了耦合電感,在系統(tǒng)中起到能量傳輸和故障限流作用,可能需要考慮過(guò)電壓?jiǎn)栴}和磁飽和問(wèn)題;另一方面,復(fù)合裝置中的潮流控制為線間潮流調(diào)節(jié),若其中一條線路被切除,則潮流控制功能消失。實(shí)際應(yīng)用中,上述缺陷均可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)元器件參數(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)配置來(lái)克服。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種直流電網(wǎng)用的潮流控制與短路控制的復(fù)合裝置,它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)直流電網(wǎng)中潮流的有效調(diào)節(jié),而且可以在直流電網(wǎng)發(fā)生短路時(shí),對(duì)短路電流的上升速率和峰值進(jìn)行有效抑制,并及時(shí)切除短路故障。由于故障時(shí)承受大電流、高電壓器件為非復(fù)用部分,因此該復(fù)合裝置不會(huì)因?yàn)閮?nèi)部故障的頻繁檢修影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。與傳統(tǒng)的直流潮流控制和直流斷路器單獨(dú)運(yùn)行相比,該裝置有效地減少了電力電子器件的使用,降低了系統(tǒng)成本。特別地,潮流與短路復(fù)合控制裝置有助于未來(lái)直流電網(wǎng)設(shè)備的多功能化,減小設(shè)備的體積,有利于進(jìn)一步優(yōu)化直流電網(wǎng)的架構(gòu)。最后,通過(guò)在PLECS軟件中搭建一個(gè)環(huán)網(wǎng)三端直流模型,驗(yàn)證了本文裝置的可行性和有效性。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。