王威儒，宋禎子

（1. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點實驗室(東北電力大學(xué))，吉林省 吉林市 132012；2. 西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西省 西安市 710049）

0 引言

基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流輸電技術(shù)憑借其低諧波、高拓展的優(yōu)點成為電力系統(tǒng)發(fā)展的重點方向[1-3]。隨著我國可再生能源的占比不斷提升，多端直流電網(wǎng)的建設(shè)熱潮開始逐步興起，如舟山直流工程[4]、張北直流工程[5]、白鶴灘直流工程[6]、昆柳龍直流工程[7]等。直流輸電技術(shù)的弊端在于其故障電流激增速率快、峰值高[8]，且直流電網(wǎng)的故障影響范圍大，這使得直流斷路器(DC circuit breakers，DCCB)[4,9-10]及直流故障限流器(fault current limiter，F(xiàn)CL)[11-12]等故障電流抑制裝置成為構(gòu)建直流電網(wǎng)所必需的保護(hù)設(shè)備。近年來，為提升設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，兼?zhèn)涔收舷蘖骷伴_斷功能的直流電網(wǎng)集成化關(guān)鍵設(shè)備成為研究的熱點[13]，但在已有拓?fù)涞幕A(chǔ)上繼續(xù)研究重合閘策略的文獻(xiàn)相對較少。

針對全橋子模塊的MMC換流器，文獻(xiàn)[14]采用注入特征信號的方式來判別直流故障的性質(zhì)，用以解決HVDC無法選擇性重啟的問題，但其沒有依托直流故障抑制裝備，使用MMC換流器直接切斷故障電流，擴(kuò)大了故障影響范圍；文獻(xiàn)[15]提出了一種重合閘電阻的計算方法，用以限制橋臂電流，降低重合閘失敗后DCCB的電氣應(yīng)力，但如何快速投入重合閘電阻需要進(jìn)一步設(shè)計；文獻(xiàn)[16]基于附加電容的放電特性，提出了一種柔性直流輸電線路的自適應(yīng)重合閘策略，有助于降低重合閘失敗的電氣沖擊，但附加電容的預(yù)充電電壓較難獲??；文獻(xiàn)[17]針對直流電網(wǎng)提出了一種區(qū)分瞬時故障和永久故障的方法，提高了重合閘的交流成功率；文獻(xiàn)[18]提出了柔性直流電網(wǎng)換流器與DCCB的快速重合閘協(xié)調(diào)控制策略，以實現(xiàn)功率的快速恢復(fù)。

目前已有的直流系統(tǒng)重合閘研究大多都是利用換流器與DCCB的配合，而隨著直流系統(tǒng)電壓等級和容量的提升，未來直流電網(wǎng)必定會采用兼?zhèn)涔收舷蘖骷伴_斷功能的開關(guān)設(shè)備。文獻(xiàn)[19]、文獻(xiàn)[20]相繼提出了單端口及多端口的電感耦合型高壓直流限流斷路器。本文在多端口[20]拓?fù)涞幕A(chǔ)上，繼續(xù)對其重合閘控制策略展開研究，重點研究與弱交流系統(tǒng)相連接的換流站同限流斷路器的協(xié)同重合閘策略，并在四端雙極柔性直流電網(wǎng)仿真系統(tǒng)中對其進(jìn)行驗證。

1 多端口電感耦合型高壓直流限流斷路器

本文使用的多端口直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示?？傮w由引流支路、故障隔離限流器、初級限流器構(gòu)成。引流支路采用主動接地模式，包括T1電力電子開關(guān)群組以及超快速機(jī)械開關(guān)S。初級限流器使用LL、L0兩個異名端相連接的耦合電感進(jìn)行限流，T2、T3兩個開關(guān)群組負(fù)責(zé)控制耦合電感的連接狀態(tài)。故障隔離限流器使用L1、L2兩個異名端相連接的耦合電感抑制換流器向故障點的注入電流，便于超快速機(jī)械開關(guān)S2斷開，T4、T5、T63個開關(guān)群組負(fù)責(zé)控制故障點注入電流的流通路徑。該設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于n條直流引出線的直流母線。

該設(shè)備的工作流程、經(jīng)濟(jì)性分析、相關(guān)耦合電感的取值在文獻(xiàn)[20]中已經(jīng)詳細(xì)說明，本文僅作簡要描述：

1）限流斷路器初始狀態(tài)為T1、T5、T6關(guān)斷，T2、T3、T4導(dǎo)通。

2）系統(tǒng)檢測到故障電流激增后，迅速關(guān)斷全部線路的T2、T3將耦合電感L0串聯(lián)接入電路，抑制故障電流上升率，同時閉合S1。

3）系統(tǒng)確定故障線路后，導(dǎo)通故障線路的T3以及引流支路的T1，構(gòu)建主動短路點，吸引故障電流。同時關(guān)斷故障線路的T4，并交替導(dǎo)通T5、T6，使異名端相連的耦合電感L1和L2交替接入，使故障點為高阻抗點，進(jìn)而迫使全部故障電流流入主動短路點。即可實現(xiàn)S2的零流開斷，與故障點實現(xiàn)物理隔離。

4）最后，同時關(guān)斷T1和T3，切斷引流支路的故障電流，沖擊電壓由T1和T3共同承受。

2 換流器控制策略對重合閘的影響

直流電網(wǎng)中增加DCCB等故障電流抑制設(shè)備的目的就是防止直流故障導(dǎo)致?lián)Q流器閉鎖，擴(kuò)大故障影響范圍。即故障隔離后，換流器的控制系統(tǒng)仍在正常執(zhí)行控制命令，這將對后續(xù)的重合閘過程產(chǎn)生一定的影響。以四端柔性直流電網(wǎng)為例，對故障隔離后的直流電壓展開研究。多端口電感耦合型高壓直流限流斷路器在四端柔性直流輸電系統(tǒng)正極線路中的配置情況如圖2所示。

由于主從控制策略完全依賴通信系統(tǒng)，所以一般情況下直流電網(wǎng)的各個換流站采用下垂控制策略，實時監(jiān)測端口直流電壓與功率的關(guān)系，防止各站之間通信不暢帶來的延時。各個換流器下垂控制流程如圖3所示。

圖3中：Pref、Udcref是有功功率和直流電壓的參考值；Pac、Udc是實際的交流有功功率和換流器直流端口電壓；PN、UdcN是有功功率和直流電壓的額定值；Kd是下垂系數(shù)；idref是外環(huán)控制器輸出的d軸電流參考值，輸入至內(nèi)環(huán)電流控制器。

當(dāng)換流器穩(wěn)定運行時，輸入PI控制器的誤差值應(yīng)近乎為0，以此保證idref為恒定值，有功功率和直流電壓滿足關(guān)系式：

采用下垂控制策略的換流器Udc-Pac的特性曲線如圖4所示。

當(dāng)直流電網(wǎng)實現(xiàn)故障隔離后，故障線路被切斷，無法繼續(xù)傳輸功率，由于下垂控制策略的作用，換流器的端口電壓必然發(fā)生變化：

1）對于整流站，端口電壓將呈現(xiàn)上升趨勢，在重合閘前100～200 ms時間段內(nèi)，可能導(dǎo)致端口過電壓。

2）對于逆變站，端口電壓將呈現(xiàn)下降趨勢，在重合閘前100～200 ms時間段內(nèi)，可能導(dǎo)致端口欠電壓。

3 直流電網(wǎng)重合閘策略

由于絕大多數(shù)故障為瞬時故障，重合閘的時長決定了電能的恢復(fù)速度。重合閘時長包括操作時長和恢復(fù)時長，要實現(xiàn)快速重合閘，必須從這兩個方面同時著手。

故障隔離后，故障線路兩側(cè)的電感耦合型多端口直流限流斷路器的超快速機(jī)械開關(guān)S1處于閉合狀態(tài)，S2均處于打開狀態(tài)，兩個限流斷路器的動作時序，決定了重合閘的時間。

3.1 多端口直流限流斷路器直接重合閘

限流斷路器避雷器完成能量泄放后100～200 ms時間段內(nèi)直流線路完成去游離，控制保護(hù)系統(tǒng)向限流斷路器下發(fā)重合閘指令。重合閘動作后，直流線路電流迅速上升，表明該故障為永久故障，重合閘失敗，重新進(jìn)入文獻(xiàn)[20]的開斷流程。直流電流可控地恢復(fù)，表明是瞬時故障，重合閘成功。

幾種重合閘的時序分析。

時序1：控制保護(hù)系統(tǒng)命令故障線路某一側(cè)的限流斷路器閉合超快速機(jī)械開關(guān)S2，然后導(dǎo)通T2、T3、T43個電力電子開關(guān)群組，待初級限流器與故障隔離限流器實現(xiàn)完全導(dǎo)通后，對故障線路另一側(cè)的限流斷路器下發(fā)相同時序的指令，隨后故障線路進(jìn)入功率恢復(fù)階段。

時序2：控制保護(hù)系統(tǒng)同時向故障線路兩側(cè)的限流斷路器下發(fā)重合閘指令，待超快速機(jī)械開關(guān)S2閉合后，導(dǎo)通T2、T3、T43個電力電子開關(guān)群組，故障線路隨即進(jìn)入功率恢復(fù)階段。

時序3：控制保護(hù)系統(tǒng)同時向故障線路兩側(cè)的限流斷路器下發(fā)重合閘指令，待超快速機(jī)械開關(guān)S2閉合后，僅導(dǎo)通T4電力電子開關(guān)群組，仍使用L0和LL兩個耦合電感限流，防止永久故障導(dǎo)致重合閘電流激增，待確定線路為瞬時故障后，導(dǎo)通兩側(cè)限流斷路器的T2、T3開關(guān)群組。

綜合分析3種重合閘動作時序，第1種動作時序最為保守，故障線路兩側(cè)的限流斷路器先后動作，能夠最大程度地降低永久故障對重合閘的不利影響，但重合閘時間過長；第2種動作時序重合閘時間最短，若為瞬時故障，故障線路能夠快速恢復(fù)功率傳輸，但若為永久故障，限流斷路器需要再次進(jìn)行限流并開斷故障電流，故障電流抑制時間較長，且限流斷路器承受的電氣應(yīng)力較大；第3種動作時序能夠有效抑制重合閘失敗后的故障電流上升速率，在故障電流開斷的過程中節(jié)省了限流時間，同時降低了設(shè)備的電氣應(yīng)力，若為瞬時故障，僅需要導(dǎo)通T2、T3開關(guān)群組即可將L0旁路，電力電子設(shè)備的導(dǎo)通速度極快，對功率恢復(fù)時長影響較小。綜上所述，擬采用第3種動作時序作為多端口直流限流斷路器的重合閘策略。

但由于發(fā)生故障到重合閘這一段時間內(nèi)，各個換流器并未閉鎖，仍受到外環(huán)控制器的下垂控制，有可能導(dǎo)致故障線路兩側(cè)的換流站直流端口電壓嚴(yán)重不平衡，若在這種狀態(tài)下進(jìn)行重合閘，必定會在故障線路上產(chǎn)生一定的沖擊電流，這種沖擊電流有可能會使控制保護(hù)系統(tǒng)誤認(rèn)為故障是永久故障，致使重合閘失敗。

3.2 換流器與限流斷路器配合重合閘

3.2.1 交流系統(tǒng)及輸電模式對控制策略的影響

由于換流器的下垂控制會對重合閘造成不利影響，所以當(dāng)限流斷路器開斷故障電流，故障線路兩側(cè)的換流站需要改變控制策略，為快速重合閘提供相對平衡的電壓環(huán)境。

對換流器控制系統(tǒng)與重合閘的配合方向，四川大學(xué)進(jìn)行了較為深入的研究，并提出了一種改進(jìn)型的混合式DCCB快速重合閘策略[18]，能夠有效降低重合閘時的沖擊電流。但該策略以及所搭建的模型，僅適用于與強(qiáng)交流電網(wǎng)相連接的換流站，即直流故障被隔離后，交流電網(wǎng)能夠瞬間恢復(fù)額定電壓與頻率，以此來維持換流站控制系統(tǒng)的定直流電壓控制策略。

但通常柔性直流輸電系統(tǒng)需要與諸如風(fēng)電等可再生能源相連接，可再生能源發(fā)電廠側(cè)的換流站所連接的交流系統(tǒng)相對較弱，即直流故障被隔離后，交流電壓不會立即恢復(fù)，對于孤島風(fēng)電場等系統(tǒng)，甚至無法自恢復(fù)，所以需要換流器的進(jìn)一步控制，才能維持交流系統(tǒng)的穩(wěn)定。

近年來，我國所建設(shè)及規(guī)劃的柔性直流系統(tǒng)，均為雙極輸電模式，相比于對稱單極模式，雙極模式傳輸容量更大，且能夠?qū)崿F(xiàn)功率轉(zhuǎn)帶。其最大的特點為每個換流站含有兩個換流器，兩換流器可以采用不同的控制策略以實現(xiàn)對快速重合閘的支持。在直流電網(wǎng)中與風(fēng)電場相連接的雙極柔性直流換流站接線結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2.2 換流器控制策略及重合閘邏輯

雙極直流系統(tǒng)發(fā)生單極接地短路故障后，在交流側(cè)呈現(xiàn)三相短路特性，故障極線路被切除后，非故障極仍能夠繼續(xù)傳輸一半的有功功率[21]。

依據(jù)上述特性，當(dāng)風(fēng)電場等弱交流系統(tǒng)的盈余功率仍可從非故障極進(jìn)行傳輸，所以快速重合閘邏輯可以分為以下兩個步驟。

步驟1：控制算法轉(zhuǎn)換。當(dāng)限流斷路器完成故障隔離后，將與故障極相連接的換流器的外環(huán)控制器d軸分量轉(zhuǎn)換為直流電壓控制，q軸分量轉(zhuǎn)換為交流電壓控制，即STATCOM運行狀態(tài)，如圖6(a)所示，其目的是維持直流電壓及交流電壓有效值恒定。與非故障極相連接的換流器的外環(huán)控制器采用交流頻率控制及交流電壓d、q軸分量控制，即定VF運行狀態(tài)，如圖6(b)所示，其目的是維持交流電壓頻率及相位恒定。兩個換流器的控制策略相結(jié)合，為弱交流系統(tǒng)提供一個相對穩(wěn)定的交流電壓，便于故障極換流器控制直流電壓。

圖中：ua、ub、uc分別為實際測量的三相交流電壓；URMS和URMS_ref分別為交流相電壓有效值及參考值；UacN為交流相電壓額定值；θ為同步相位；ud和uq分別為交流電壓d軸和q軸分量；Udref和Uqref分別為交流電壓d軸和q軸分量參考值；iqref為外環(huán)控制器輸出的q軸電流參考值；vdref和vqref分別為內(nèi)環(huán)電流控制器輸出的d軸和q軸電壓參考值；ua、ub、uc分別為注入閥基控制器的三相電壓參考值。最終由閥基控制器輸出觸發(fā)脈沖，作用于換流器子模塊的IGBT開關(guān)器件。

步驟2：快速重合閘。采用第3種動作時序后，若監(jiān)測到故障電流迅速上升超過額定值，則認(rèn)定為永久故障，導(dǎo)通T1進(jìn)行引流，同時交替導(dǎo)通T5和T6限制注入故障點的電流，待S2完全拉開后，斷開T1開關(guān)組，切斷故障電流。若無電流激增現(xiàn)象，則導(dǎo)通T2和T3，各個換流器恢復(fù)正常控制策略，使idref從0開始上升至設(shè)定參考值，直流網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

自故障隔離至重合閘結(jié)束這段時間的具體操作流程如圖7所示。

4 仿真驗證

為校驗所提出的多端口直流限流斷路器快速重合閘策略，在PSCAD/EMTDC中搭建了四端雙極MMC-HVDC輸電系統(tǒng)，各換流站間的正、負(fù)極連接方式以及多端口限流斷路器在正、負(fù)極的配置方式均與圖2相同。此外，4個換流站的直流中性點通過接地的金屬回線相連接。各個換流站的相關(guān)參數(shù)如表1所示，其中換流站1與風(fēng)電場連接。

表1 四端直流系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of four terminal DC system

4.1 多端口直流限流斷路器故障隔離測試

在四端柔性直流輸電系統(tǒng)穩(wěn)定運行后2 ms，在換流站1-換流站2輸電線路正極發(fā)生短路故障[20]，故障電流迅速上升，初級限流器耦合電感投入后，對故障電流抑制效果顯著，引流支路基本能夠吸引全部故障電流，限流斷路器達(dá)到了在6 ms內(nèi)實現(xiàn)故障隔離的基本要求。在該過程中故障電流峰值不足6.5 kA，T1開關(guān)群組承受最大沖擊電壓，約為550 kV，略高于額定電壓500 kV，T4、T5、T63個開關(guān)群組承受沖擊電壓不足50 kV，基本可以忽略，相關(guān)電壓、電流波形如圖8所示。所以該多端口電感耦合型直流限流斷路器具備良好的故障電流開斷能力，可以進(jìn)行下一步的重合閘校驗。

4.2 多端口直流限流斷路器直接重合閘測試

故障隔離后，直流線路需要100～200 ms的去游離時間，這段時間內(nèi)若換流站1故障極換流器仍采用下垂控制策略，其交流側(cè)三相電壓標(biāo)幺值如圖9(a)所示，直流正、負(fù)極電壓標(biāo)幺值如圖9(b)所示，非故障極換流器交流有功功率Pac及無功功率Qac標(biāo)幺值如圖9(c)所示。系統(tǒng)于t=2 s時發(fā)生正極接地故障。

由圖9可知，直流故障后，即使限流斷路器完成故障隔離，換流站交流側(cè)仍無法恢復(fù)正常交流電壓，因此非故障極換流器也無法正常消納風(fēng)電場功率，交流功率振蕩嚴(yán)重。由于換流器的控制，直流電壓相對穩(wěn)定，正極電壓呈現(xiàn)上升趨勢，與前文分析一致。該狀態(tài)下，若在t=2.2 s時進(jìn)行重合閘，則直流側(cè)電流如圖10所示。

由圖10可知，由于故障極兩側(cè)的直流電壓不均衡，限流斷路器重合閘后直流線路電流峰值仍可達(dá)到1.7 pu，且呈現(xiàn)振蕩趨勢，t=2.35 s時刻以后，直流電流逐漸呈現(xiàn)可控趨勢。根據(jù)表1計算得出，換流站1直流額定電流為3 kA，即重合閘所導(dǎo)致的沖擊電流峰值約5.1 kA，該電流必定使限流斷路器再次開斷，導(dǎo)致重合閘失敗。

4.3 換流器與限流斷路器配合重合閘測試

故障隔離后，換流站1的2臺換流器分別切換為圖6所示的控制策略，在維持風(fēng)電場交流電壓的同時保證直流電壓為額定電壓。此外，由于換流站2連接電網(wǎng)，只需要在故障隔離后切換至直流電壓控制即可，總目標(biāo)是保證重合閘時刻故障線路兩側(cè)的電壓為平衡狀態(tài)。

系統(tǒng)于t=2 s時發(fā)生正極接地故障，換流站1交流側(cè)三相電壓標(biāo)幺值如圖11(a)所示，直流正、負(fù)極電壓標(biāo)幺值如圖11(b)所示，非故障極換流器交流有功功率Pac及無功功率Qac標(biāo)幺值如圖11(c)所示。

由圖11可知，直流故障后，換流器交流側(cè)三相電壓以及直流正極電壓在故障階段略有下降，限流斷路器于t=2.006 s時刻完成故障隔離，交直流兩側(cè)的電壓均能夠恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。由于風(fēng)電場相當(dāng)于交流電流源，所以采用VF控制的非故障極換流器能夠正常消納風(fēng)場的功率。該狀態(tài)下，若在t=2.2 s時進(jìn)行重合閘，則直流側(cè)電流如圖12所示。

由圖12可知，由于故障極兩側(cè)的直流電壓幾乎相同，若為瞬時故障，限流斷路器重合閘后直流線路電流無激增現(xiàn)象，于t=2.21 s時將換流站1及換流站2的各個換流器切換至原始控制策略，開始傳輸功率，進(jìn)入故障恢復(fù)階段，正極（故障極）電流平穩(wěn)上升。由于接地金屬中性線電抗器對正極電流的阻礙作用，所以在功率上升階段部分正極電流被迫流入負(fù)極線路，導(dǎo)致負(fù)極出現(xiàn)短時間過電流現(xiàn)象。大約在t=2.3 s時刻柔性直流輸電系統(tǒng)完全恢復(fù)正常輸電。

5 結(jié)論

1）本文分析了故障隔離后，直流電網(wǎng)下垂控制策略對換流站直流端口的電壓影響，得到了重合閘時刻故障線路兩側(cè)存在較大電壓差的結(jié)論，這將導(dǎo)致直流線路出現(xiàn)較大的沖擊電流，致使重合閘失敗。

2）本文設(shè)計了不同動作時序的多端口限流斷路器重合閘策略，通過對比分析，得出動作時序3既能夠滿足重合閘的速度要求，也能夠有效防止電流激增，降低再次開斷的電氣應(yīng)力。

3）針對與風(fēng)電場等弱交流系統(tǒng)相連接的換流站，本文設(shè)計了故障隔離后換流器控制策略的切換方式以及與限流斷路器的配合方法，形成了快速重合閘流程。

4）在PSCAD/EMTDC中搭建了四端雙極MMC-HVDC輸電系統(tǒng)以驗證所提出的重合閘策略，通過與限流斷路器直接重合閘的對比仿真，得出了所提出了快速重合閘方案適用于與弱交流系統(tǒng)相連接的柔性直流電網(wǎng)，并且具有較短的故障恢復(fù)時間。