張向龍，閆 鑫，戶永杰，張良儒

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461400)

0 引 言

基于電網(wǎng)換相換流器(Line Commutated Converter，LCC)的常規(guī)直流輸電系統(tǒng)由于晶閘管的半控特性，導(dǎo)致逆變站存在換相失敗的風(fēng)險[1-4]。采用全控型電力電子器件的電壓源型換流器(Voltage Source Converter，VSC)作為逆變站，形成LCC-VSC混合直流輸電系統(tǒng)，不僅可以徹底解決換相失敗的問題，而且具有獨立的無功功率、有功功率控制等優(yōu)勢，成為近年來直流輸電領(lǐng)域的研究熱點[5-8]。但由于VSC過電壓水平較低，因此，需要引入一定的輔助措施來限制系統(tǒng)故障時產(chǎn)生的直流過電壓，保護VSC不受損壞[9-12]。文獻[13]闡述了混合直流輸電系統(tǒng)中VSC電氣應(yīng)力的產(chǎn)生機理，并提出加裝泄能裝置可以有效抑制VSC電氣應(yīng)力；文獻[14]闡述了可控避雷器的工作原理，并通過仿真驗證了可控避雷器限制過電壓的效果。上述研究大多基于理論和仿真分析，沒有涉及到可控避雷器動作時的實際物理過程。

為驗證可控避雷器在實際系統(tǒng)中抑制過電壓的基本控制邏輯和保護水平，搭建了基于可控避雷器的混合直流輸電動模試驗系統(tǒng)，通過模擬受端系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓跌落故障，來驗證可控避雷器的控制邏輯和抑制過電壓的物理過程。

1 混合直流輸電動模試驗系統(tǒng)設(shè)計

LCC-VSC混合直流輸電動模試驗系統(tǒng)采用單極高低端閥組串聯(lián)結(jié)構(gòu)[15-16]，送端高低端閥組均采用6脈動LCC(LCC1/LCC2)；受端高端閥組采用6脈動LCC(LCC3)，低端閥組采用3組21電平VSC并聯(lián)(VSC1-3)，系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)運行方式為：送端LCC1/LCC2運行在定直流電流模式，LCC3運行在定直流電壓模式，VSC1運行在定直流電壓模式，VSC2-3運行在定功率模式。系統(tǒng)額定直流電壓4 kV，額定直流電流10 A。

2 可控避雷器動模試驗拓撲設(shè)計

可控避雷器主電路由避雷器可控部分、避雷器固定部分、電力電子開關(guān)K及快速機械開關(guān)組成，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)正常運行時，電力電子開關(guān)K斷開，避雷器固定部分和可控部分共同承受母線電壓；系統(tǒng)故障時，當(dāng)檢測到VSC子模塊電壓大于保護閾值時，開關(guān)K閉合，避雷器可控部分被短接，系統(tǒng)母線最高電壓僅為避雷器固定部分的殘壓，可以深度降低系統(tǒng)的過電壓水平，保護VSC設(shè)備不受損壞。當(dāng)避雷器固定部分吸收的能量達到其保護值后，快速機械開關(guān)閉合，以保證避雷器固定部分不受損壞?？煽乇芾灼鲃幽Ｔ囼灥木唧w參數(shù)如表1～2所示。

圖1 LCC-VSC混合直流輸電動模試驗系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 可控避雷器拓撲結(jié)構(gòu)

表1 避雷器可控部分參數(shù)

表2 避雷器固定部分參數(shù)

3 可控避雷器控制保護策略

3.1 可控避雷器動模系統(tǒng)控制保護架構(gòu)

動?？刂票Ｗo系統(tǒng)采用許繼HCM3000機箱，基于分層配置的原則，送端配置極控機箱1臺，閥組控制機箱2臺，采樣接口機箱1臺；受端配置極控機箱1臺，閥組控制機箱4臺。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制保護系統(tǒng)架構(gòu)

圖中，PCP表示極控制機箱，CCP表示閥組控制機箱，BCP表示可控避雷器控制機箱，VCU表示MMC閥控機箱，VBE表示LCC閥控機箱，PPR表示極保護機箱，CPR表示閥組保護機箱。

圖3預(yù)估了不同裝置的處理時間及裝置之間的通訊延時。各個閥組的控制和保護機箱是獨立配置的，因此在某個VSC發(fā)生故障后，故障VSC會迅速進行保護動作，而非故障VSC則需等待故障VSC閥組保護機箱向極控制機箱發(fā)送故障信息通訊、極控制機箱邏輯處理、極控制機箱向非故障VSC下發(fā)保護動作等一些系列延時后才有效進行動作。

可控避雷器能量通過積分計算實現(xiàn)，當(dāng)檢測到避雷器固定部分兩端電壓大于2.4 kV時，開始計算可控避雷器能量，計算式如下。

式中：UCA為避雷器固定部分端電壓；ICA為通過避雷器固定部分的電流；WCA為避雷器固定部分吸收的能量。

3.2 可控避雷器動模系統(tǒng)保護策略

可控避雷器動模系統(tǒng)保護策略如圖4所示。

可控避雷器投入判據(jù)為：任一VSC的任一橋臂子模塊平均電壓達到130 V。其中每個VSC閥控MVCE計算6個橋臂的子模塊電容電壓判據(jù)值，如果某個橋臂子模塊電容電壓判據(jù)值大于閾值，則向極控上傳子模塊電容電壓越限信號。極控收集3個VSC閥控MVCE上送的子模塊電容電壓越限信號，綜合處理發(fā)出可控避雷器投切信號?？煽乇芾灼魍度牒?，極控實時計算避雷器固定部分吸收的能量值，若吸收能量值大于越限值，則閉合快速BPS，閉鎖VSC閥組，系統(tǒng)低端閥組退出系統(tǒng)運行。

4 仿真及動模試驗結(jié)果

圖5為VSC網(wǎng)側(cè)電壓跌落期間動模試驗波形?？梢钥闯觯?dāng)VSC橋臂電壓達到2 600 V(子模塊電壓130 V)時，避雷器可控部分切除，避雷器固定部分端電壓瞬間上升至VSC閥組端口電壓，避雷器固定部分導(dǎo)通，吸收盈余能量，VSC閥組端口電壓被限制在一定水平，最高達到約2 755 V。整個過程流經(jīng)避雷器固定部分的最大電流約5.36 A，避雷器固定部分吸收能量約1 872 J。圖6為VSC網(wǎng)側(cè)電壓跌落期間PSCAD仿真波形。與動模試驗波形對比，二者相關(guān)電氣量波形變化趨勢一致性較高，有效驗證了可控避雷器的控制邏輯和限制過電壓的能力。

圖4 動模系統(tǒng)保護策略

圖5 VSC交流電壓跌落故障時動模試驗波形

圖6 VSC交流電壓跌落故障時PSCAD仿真波形

5 結(jié) 語

可控避雷器能夠有效限制系統(tǒng)故障所產(chǎn)生的過電壓，降低VSC子模塊電容電壓，保證VSC閥子模塊在系統(tǒng)故障時不受損壞。

可控避雷器的控制保護邏輯是合理有效的，在檢測到子模塊電壓達到閾值后，避雷器可控部分能夠可靠投入；檢測到子模塊電壓恢復(fù)到正常水平后，避雷器可控部分能夠合理退出。