崔玉書(shū)，王旭，屈諦

(1. 山東管理學(xué)院智能工程學(xué)院，濟(jì)南 250357；2. 山東泰開(kāi)電力電子有限公司，山東 泰安271000)

0 引言

近年來(lái)，高壓直流輸電和柔性直流輸電成為國(guó)際電力領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[1 - 4]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和電網(wǎng)的建設(shè)，多端直流輸電以其多電源供電和多落點(diǎn)受電，較高的供電可靠性等優(yōu)點(diǎn)逐步成為直流輸電發(fā)展的趨勢(shì)，因此在兩端直流輸電系統(tǒng)上發(fā)展而來(lái)的多端直流輸電系統(tǒng)受到越來(lái)越多關(guān)注[5 - 7]，在國(guó)內(nèi)，南澳風(fēng)電場(chǎng)三端直流輸電示范工程和舟山五端柔性直流輸電工程等相繼得到實(shí)際應(yīng)用[8 - 9]。

多端直流系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)之一是當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能夠快速有效地將故障隔離，使系統(tǒng)正常部分繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。而直流斷路器是直流輸配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠故障隔離的方式之一[10 - 13]。唐家灣三端柔性直流配電網(wǎng)工程成功應(yīng)用了世界首套±10 kV三端口混合式直流斷路器，可實(shí)現(xiàn)多端換流站的聯(lián)絡(luò)及故障快速隔離，從而保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

三端口混合式直流斷路器的換流過(guò)程、斷流能力、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等性能驗(yàn)證需要實(shí)際斷路器樣機(jī)，導(dǎo)致其性能功能驗(yàn)證試驗(yàn)尤為復(fù)雜，成本大大增加。工程調(diào)試和投運(yùn)之前，對(duì)三端口混合式直流斷路器仿真系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，利用RTDS建立基于三端口混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的RTDS仿真模型，同時(shí)搭建仿真模型與控保系統(tǒng)實(shí)際物理裝置連接組成的數(shù)字物理混合閉環(huán)仿真系統(tǒng)，可為開(kāi)展混合式直流斷路器功能性能驗(yàn)證提供重要的支撐，并可大幅縮減試驗(yàn)成本。

本文針對(duì)珠海唐家灣三端柔性直流配電網(wǎng)工程中三端口混合直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了RTDS仿真系統(tǒng)，結(jié)合直流輸電工程控制保護(hù)功能性能試驗(yàn)(function performance test, FPT試驗(yàn))要求設(shè)計(jì)了RTDS對(duì)外通信接口連接物理控保裝置，最后詳細(xì)設(shè)計(jì)混合直流斷路器開(kāi)斷策略，并利用RTDS設(shè)計(jì)LC振蕩電路模擬故障電流對(duì)所設(shè)計(jì)開(kāi)斷策略有效性及三端口混合直流斷路器中Path2混合式直流斷路器斷流能力及換流過(guò)程進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 三端口直流斷路器拓?fù)浼翱乇Ｏ到y(tǒng)

1.1 三端口直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

唐家灣三端柔性直流配電網(wǎng)工程采用3個(gè)獨(dú)立交流電源的“星型”網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中雞山Ⅰ換流站、雞山Ⅱ換流站、唐家灣換流站通過(guò)地下電纜相連接，構(gòu)成±10 kV柔性直流配電網(wǎng)。為提高直流斷路器應(yīng)用于柔性直流配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，并實(shí)現(xiàn)多路開(kāi)斷，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合耦合負(fù)壓型混合式斷路器拓?fù)浼岸喽丝谥绷鲾嗦菲鞲拍?，采用一種三端口混合式直流斷路器拓?fù)鋄14]，如圖1所示。

圖1 三端口混合式直流斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of three-port hybrid DC circuit breaker

圖中，三端口直流斷路器主要由1臺(tái)斷路器和2臺(tái)混合式直流斷路器組成，其中，斷路器為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)，混合式直流斷路器為耦合負(fù)壓型混合式斷路器，混合式直流斷路器拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 混合式直流斷路器拓?fù)鋱DFig.2 Topology of a hybrid DC circuit breaker

該混合式直流斷路器由快速機(jī)械開(kāi)關(guān)支路(B1)、電力電子開(kāi)關(guān)支路(B2)和能量吸收支路(B3)組成[15]，其中，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)支路為機(jī)械開(kāi)關(guān)，主要承載正常電流，用于導(dǎo)通直流系統(tǒng)電流。電力電子開(kāi)關(guān)支路由多級(jí)雙向電力電子開(kāi)關(guān)和耦合負(fù)壓回路組成，用于短時(shí)承載并關(guān)斷直流系統(tǒng)故障電流和建立瞬態(tài)開(kāi)斷電壓，開(kāi)斷電流過(guò)程中，晶閘管被觸發(fā)強(qiáng)制換流，電力電子開(kāi)關(guān)從而承載雙向電流并切斷故障電流。能量吸收回路由多組避雷器串并聯(lián)組成，用于抑制開(kāi)斷過(guò)電壓并吸收線(xiàn)路剩余能量[16 - 21]。

1.2 三端口直流斷路器控保系統(tǒng)配置方案分析

直流斷路器控制保護(hù)(簡(jiǎn)稱(chēng)控保)系統(tǒng)其設(shè)計(jì)目標(biāo)在于滿(mǎn)足對(duì)快速機(jī)械開(kāi)關(guān)、多級(jí)電力電子開(kāi)關(guān)、負(fù)壓耦合回路的控制需求，同時(shí)具備直流斷路器本體保護(hù)功能，確保在極端故障情況下直流斷路器本體的安全。

直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)配置方案見(jiàn)表1。

表1 三端口直流斷路器控制保護(hù)系統(tǒng)配置方案Tab.1 Configuration scheme for the protection and control system of the three-port DC circuit breaker

通過(guò)控保系統(tǒng)配置，可實(shí)現(xiàn)主要功能如下。

1)保護(hù)功能?？焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)支路、電力電子開(kāi)關(guān)支路均配備電子式電流互感器(electronic current transformer, ECT)，用于采集支路電流。直流斷路器配備本體過(guò)流保護(hù)/合并單元一體化設(shè)備，用于采集直流斷路器兩支路的電流并快速進(jìn)行過(guò)流判斷，將合并后的電流采集值及過(guò)流保護(hù)結(jié)果發(fā)送給BCU，用于BCU實(shí)現(xiàn)本體保護(hù)功能。

2)控制與監(jiān)測(cè)功能。BCU和直流斷路器控制/驅(qū)動(dòng)子模塊(ICU、SCU、NCU)之間通過(guò)直流斷路器控制子機(jī)FEU實(shí)現(xiàn)雙冗余通信。FEU接收到BCU的控制命令后，會(huì)將該命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制/驅(qū)動(dòng)子模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流斷路器的控制功能。同時(shí)，直流斷路器控制/驅(qū)動(dòng)子模塊會(huì)對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)、電力電子開(kāi)關(guān)和負(fù)壓耦合回路進(jìn)行監(jiān)視，將機(jī)械開(kāi)關(guān)、電力電子開(kāi)關(guān)和負(fù)壓耦合回路的狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送給FEU。FEU根據(jù)接收到的斷路器狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的斷路器異常告警或閉鎖信號(hào)，并提取關(guān)鍵信號(hào)上傳給BCU，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流斷路器的監(jiān)視功能[22 - 24]。

由此，所設(shè)計(jì)RTDS仿真平臺(tái)需要接收BCU下行合閘分閘控制命令并上傳支路開(kāi)關(guān)位置信號(hào)以實(shí)現(xiàn)控保系統(tǒng)對(duì)本體控制與監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)，需要上傳支路電流信號(hào)至BCU實(shí)現(xiàn)電流采集及過(guò)流判斷以實(shí)現(xiàn)控保系統(tǒng)保護(hù)功能。

2 三端口直流斷路器RTDS仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于三端口混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控保系統(tǒng)配置方案，開(kāi)展RTDS仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)，仿真系統(tǒng)組成如圖3所示，采用冗余雙重化設(shè)計(jì)。

圖3 三端口直流斷路器RTDS試驗(yàn)仿真系統(tǒng)Fig.3 Simulation system of the three-port DC circuit breaker RTDS experiment

圖3中，仿真系統(tǒng)主要由直流系統(tǒng)控保、斷路器本體控保、RTDS接口設(shè)備以及RTDS仿真平臺(tái)組成，針對(duì)控保系統(tǒng)配置方案分析中提出的信號(hào)需求，RTDS仿真平臺(tái)依托GTIO與GTAO實(shí)現(xiàn)。

其中下行控制信號(hào)由GTDI輸入，接收BCU下發(fā)合閘分閘控制命令，其配置如表2所示。

表2 下行控制信號(hào)配置表Tab.2 Configuration table of downlink control signal

表2中，機(jī)械支路控制信號(hào)、電子支路控制信號(hào)、負(fù)壓回路控制信號(hào)分別為BCU下發(fā)控制快速機(jī)械開(kāi)關(guān)、電力電子開(kāi)關(guān)、耦合負(fù)壓回路指令。

針對(duì)BCU下行信號(hào)中快速機(jī)械開(kāi)關(guān)分合信號(hào)，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)及耦合負(fù)壓回路控制同時(shí)響應(yīng)，迫使電流換向到電子開(kāi)關(guān)回路。

支路直流電流采樣信號(hào)由GTAO輸出，其配置如表3所示。

表3 支路直流電流采樣信號(hào)配置表Tab.3 Branch DC current sampling signal configuration table

表3中，分別采集正負(fù)極斷路器3條支路電流，5 V模擬量輸出，電壓5 V線(xiàn)性對(duì)應(yīng)電流20 kA。

上行開(kāi)關(guān)狀態(tài)，由GTDO輸出，其配置如表4所示。

表4 上行開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)配置表Tab.4 Uplink switch status signal configuration table

綜上，所設(shè)計(jì)的RTDS仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三端口直流斷路器仿真平臺(tái)與控保裝置的物理連接。所設(shè)計(jì)控制、電流采集及狀態(tài)信號(hào)滿(mǎn)足本體控保裝置保護(hù)及控制監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)。

3 直流斷路器開(kāi)斷策略設(shè)計(jì)

當(dāng)直流電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，故障電流短時(shí)迅速攀升，針對(duì)耦合負(fù)壓型混合式斷路器拓?fù)?，?duì)斷路器開(kāi)斷策略進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，具體開(kāi)斷策略如圖4所示。

圖4 直流斷路器開(kāi)斷過(guò)程動(dòng)作邏輯Fig.4 Action logic of direct circuit breaker turn-off process

圖4中，t0—t1時(shí)段：t0時(shí)刻之前直流斷路器主通流支路流過(guò)系統(tǒng)正常電流。t0時(shí)刻發(fā)生短路故障，電流開(kāi)始上升，t0—t1時(shí)段控保系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)。t1時(shí)刻直流斷路器接收到分閘命令，開(kāi)始執(zhí)行分閘動(dòng)作，主支路快速機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)始分閘，同時(shí)轉(zhuǎn)移支路電力電子開(kāi)關(guān)開(kāi)通。

t1—t2時(shí)段：快速機(jī)械開(kāi)關(guān)由于機(jī)械慣性，觸頭延時(shí)一定時(shí)間開(kāi)始運(yùn)動(dòng)分離，觸頭間隙逐漸增加。

t2—t3時(shí)段：快速機(jī)械開(kāi)關(guān)觸頭分開(kāi)到一定距離，t2時(shí)刻耦合負(fù)壓裝置觸發(fā)，依次產(chǎn)生正反向電壓，強(qiáng)迫電流完全換流，t3時(shí)刻完全換流至轉(zhuǎn)移支路。

t3—t4時(shí)段：轉(zhuǎn)移支路電力電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電流，主支路機(jī)械開(kāi)關(guān)觸頭間隙繼續(xù)增加。t4時(shí)刻之前觸頭間隙建立起能夠承受開(kāi)斷過(guò)電壓的絕緣開(kāi)距，t4時(shí)刻轉(zhuǎn)移支路電力電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷。

t4—t5時(shí)段：轉(zhuǎn)移支路電力電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷，電流首先轉(zhuǎn)移至并聯(lián)的緩沖電容，當(dāng)緩沖電容電壓超過(guò)能量吸收支路避雷器動(dòng)作電壓時(shí)，電流換流至能量吸收支路。

t5—t6時(shí)段：短路電流流過(guò)避雷器支路，避雷器殘壓高于系統(tǒng)運(yùn)行電壓，故障電流逐步衰減，t6時(shí)刻電流衰減至150 mA以下，故障清除。

整個(gè)過(guò)程所耗費(fèi)時(shí)間在3 ms內(nèi)。

4 RTDS仿真驗(yàn)證

4.1 三端口混合式直流斷路器仿真模型搭建

為了驗(yàn)證混合直流斷路器在發(fā)生短路故障時(shí)關(guān)斷策略有效性及混合式直流斷路器的斷流能力及換流過(guò)程，設(shè)計(jì)三端口直流斷路器仿真模型并以單端短路故障為例，對(duì)Path2支路即雞山Ⅰ換流站到雞山Ⅱ換流站端口電流及支路換流過(guò)程進(jìn)行仿真驗(yàn)證，RTDS仿真模型采用小步長(zhǎng)元件搭建[25]，IEGT元件因RTDS庫(kù)尚不支持該元件，采用GTO DIODE元件代替。

另外，鑒于高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及ABB高壓直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比，耦合負(fù)壓回路及快速機(jī)械開(kāi)關(guān)滅弧過(guò)程仿真難度大，且對(duì)整個(gè)FPT RTDS仿真試驗(yàn)而言，耦合負(fù)壓回路及快速機(jī)械開(kāi)關(guān)滅弧過(guò)程無(wú)仿真必要，由此，此次三端口高壓直流斷路器RTDS模型搭建采用ABB混合直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三端口混合式直流斷路器RTDS模型，如圖5所示。

圖5 三端口直流斷路器正極RTDS仿真模型Fig.5 RTDS simulation model of positive pole of three-port DC circuit breaker

圖5中，A、B、C分別接入雞山Ⅰ換流站線(xiàn)路、雞山Ⅱ換流站線(xiàn)路和唐家灣換流站線(xiàn)路。AB線(xiàn)路為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)，AC和BC為混合式直流斷路器?；旌鲜街绷鲾嗦菲髦蠪astCtrlAC與FastCtrlBC為快速機(jī)械開(kāi)關(guān)支路(B1)，ARRAC與ARRBC為能量吸收支路，MainCtrlAC與MainCtrlBC為電力電子開(kāi)關(guān)支路，儲(chǔ)能電容器、晶閘管、耦合電感組成耦合負(fù)壓回路。

4.2 故障電流模擬

三端口直流斷路器開(kāi)斷試驗(yàn)中故障電流采用LC振蕩方式產(chǎn)生，利用RTDS搭建LC外圍震蕩電路，如圖6所示。

圖6 LC振蕩電路Fig.6 LC oscillation circuit

圖6中，電感L與電容C組成LC振蕩電路，ChargeCtrl斷路器為電容充電控制開(kāi)關(guān)，電壓等級(jí)為10 kV，電流2 kA。ChargeCtrl斷路器初始狀態(tài)為閉合，利用直流源對(duì)母線(xiàn)電容充電，延時(shí)1 000 ms斷開(kāi)，ChargeCtrl斷路器斷開(kāi)后，LC組成的震蕩電路放電，震蕩電路電流波形如圖7所示。

圖7 振蕩電路電流Fig.7 Oscillation circuit current

在電流達(dá)到第一個(gè)峰值前，模擬故障電流達(dá)到故障電流判斷條件，即雞山Ⅰ換流站到雞山Ⅱ換流站端口電流過(guò)流，A端口模擬故障電流如圖8所示。

圖8 模擬故障電流Fig.8 Simulated fault current

4.3 斷流能力及換流過(guò)程試驗(yàn)

檢測(cè)到故障電流，依照斷路器開(kāi)斷策略，BCU下發(fā)控制分閘指令，直流斷路器執(zhí)行分閘動(dòng)作，隔離故障電流仿真波形如圖9所示。

圖9 PathAC支路電力電子開(kāi)關(guān)支路、機(jī)械開(kāi)關(guān)支路、能量吸收支路電流波形Fig.9 PathAC current waveforms of power electronic switch branch, mechanical switch branch, energy absorption branch

圖中，紅色曲線(xiàn)為機(jī)械開(kāi)關(guān)支路電流，黑色曲線(xiàn)為電力電子支路電流，藍(lán)色曲線(xiàn)為A端口電流，綠色曲線(xiàn)為能量吸收支路電流。

t=1.3 s時(shí)刻發(fā)生接地故障，故障電流迅速增大，當(dāng)控保系統(tǒng)檢測(cè)到電流超過(guò)開(kāi)斷電流動(dòng)作閾值，t=1.302 s控保系統(tǒng)依據(jù)直流斷路器開(kāi)斷策略開(kāi)斷電流，快速機(jī)械開(kāi)關(guān)首先開(kāi)始分閘動(dòng)作，電力電子支路同時(shí)開(kāi)通，t=1.302 3 s完成電流向電力電子支路的轉(zhuǎn)移，支路電流持續(xù)上升，t=1.304 7 s斷開(kāi)電力電子支路，電流先轉(zhuǎn)移至并聯(lián)的緩沖電容，當(dāng)緩沖電容電壓超過(guò)能量吸收支路避雷器動(dòng)作電壓時(shí)，電流換流至能量吸收支路，短路電流流過(guò)避雷器支路，避雷器殘壓高于系統(tǒng)運(yùn)行電壓，故障電流逐步衰減，t=1.308 s電流衰減至0，故障清除。3 ms內(nèi)完成短路電流開(kāi)斷，8 ms內(nèi)完成全電流開(kāi)斷。

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所搭建RTDS仿真系統(tǒng)能有效接收下行合閘分閘控制命令，上傳電流信號(hào)至控保系統(tǒng)，換流過(guò)程符合開(kāi)斷策略，可實(shí)現(xiàn)在3 ms內(nèi)開(kāi)斷故障電流2 kA。

5 結(jié)語(yǔ)

本文開(kāi)展了三端口混合直流斷路器的實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)研究，主要工作內(nèi)容總結(jié)如下。

1) 研究分析了珠海唐家灣三端柔性直流配電網(wǎng)工程中三端口混合直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制保護(hù)配置方案，提出了所設(shè)計(jì)RTDS仿真平臺(tái)的信號(hào)需求，其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)本體的控制與監(jiān)測(cè)功能需接收BCU下行合閘分閘控制命令并上傳支路開(kāi)關(guān)位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能需上傳支路電流信號(hào)進(jìn)行電流采集及過(guò)流判斷。

2) 設(shè)計(jì)了RTDS仿真模型及其對(duì)外通信接口，利用RTDS仿真平臺(tái)GTIO與GTAO，采用小步長(zhǎng)元件，實(shí)現(xiàn)了三端口直流斷路器仿真平臺(tái)搭建及其與控保裝置的物理連接。

3) 研究了耦合負(fù)壓型混合式直流斷路器開(kāi)斷策略，給出了斷路器的開(kāi)斷時(shí)序，整個(gè)開(kāi)斷過(guò)程在3 ms時(shí)間內(nèi)完成。

4) 利用RTDS設(shè)計(jì)LC振蕩電路模擬故障電流，并以三端口混合直流斷路器中Path2支路為例，對(duì)所設(shè)計(jì)開(kāi)斷策略有效性及其斷流能力及換流過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，給出了模擬故障電流波形及斷路器換流過(guò)程波形，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，RTDS仿真系統(tǒng)能有效接收及上傳信號(hào)至控保系統(tǒng)，換流過(guò)程符合開(kāi)斷策略，可實(shí)現(xiàn)在3 ms內(nèi)開(kāi)斷故障電流2 kA，實(shí)現(xiàn)故障電流快速隔離。