劉洪亮, 楊俊, 韓舒, 司鑫堯

(1.南京遠(yuǎn)能電力工程有限公司,江蘇 南京 210000;2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院,江蘇 南京 211103)

0 引 言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)的興起,基于電壓源換流器(voltage source converters,VSC)的高壓直流(high voltage direct current,HVDC)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［1-2］。目前,最先進(jìn)的VSC-HVDC傳輸是基于半橋模塊化多電平換流器(modular multilevel converters,MMC)［3］進(jìn)行的,但由于直流輸電線路距離長(zhǎng)、故障概率高,因此如何快速且有選擇性地處理故障直流線路是亟待解決的問題［4］。

在快速清除故障線路中,直流斷路器起著關(guān)鍵的作用［5］。由于換流器的故障阻塞和故障電流可控性,基于故障阻斷換流器(fault blocking converter,FBC)的HVDC輸電網(wǎng)能夠利用直流斷路器或直流高速開關(guān)(high-speed switches,HSS)作為線路末端的故障分離裝置［6］。文獻(xiàn)［7］研究了基于FBC保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選擇性故障控制策略可以縮短故障區(qū)分時(shí)間,但其未應(yīng)用到完整電力系統(tǒng)中［8］。文獻(xiàn)［9］分析了機(jī)械式直流斷路器的電氣特性,并且HSS能夠顯著降低對(duì)開關(guān)額定電壓的要求。

由于故障初期直流線路兩側(cè)電流的波形變化能夠用于故障處理［10］。因此,結(jié)合暫態(tài)波形特性,利用形態(tài)學(xué)梯度與FBC保護(hù),提出了HVDC輸電網(wǎng)直流故障處理方法。其中,采用結(jié)合濾波處理的形態(tài)學(xué)梯度算法進(jìn)行故障電流信號(hào)特征提取,以克服噪音等因素的干擾,提高了特征提取的準(zhǔn)確性;同時(shí)將FBC與高速開關(guān)結(jié)合,用于快速且選擇性地清除直流線路上的故障,縮短故障處理的耗時(shí)。

1 基于形態(tài)學(xué)梯度的故障特征辨識(shí)

當(dāng)發(fā)生直流故障時(shí),線路兩端的電流會(huì)出現(xiàn)上升或下降的波形變化。因此,利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的多分辨形態(tài)梯度識(shí)別波形邊緣,同時(shí)進(jìn)行濾波操作以減少高頻諧波與噪聲的干擾。形態(tài)學(xué)濾波是由形態(tài)學(xué)開運(yùn)算與閉運(yùn)算組成的一類濾波方式,m、n的開運(yùn)算(m°n)和閉運(yùn)算(m·n)為:

(1)

式中:(m⊕n)、(m?n)分別為元素n對(duì)數(shù)據(jù)m的膨脹與腐蝕。

(2)

式中:n+、n-分別為原點(diǎn)位置的右邊和左邊,依次用于識(shí)別故障電流的上升、下降邊緣;α為形態(tài)學(xué)梯度的層數(shù)。

將整流側(cè)和逆變側(cè)的電流進(jìn)行多分辨形態(tài)學(xué)梯度處理為:

(3)

式中:Wr為整流側(cè)的計(jì)算值;Wi為逆變側(cè)的計(jì)算值;OC(Ir)、OC(Ii)分別為整流側(cè)和逆變側(cè)的故障電流。Wr>0表示電流上升,Wi<0表示電流下降。

2 基于FBC的HVDC輸電網(wǎng)故障處理

2.1 FBC控制理論

本文所提方法中使用的FBC為基于全橋子模塊的模塊化多電平換流器,因此,換流器可以在直流故障期間閉鎖,并中斷交流對(duì)直流系統(tǒng)的故障電流。具有故障閉鎖和控制能力的FBC控制理論如圖1所示,包括交流控制、直流控制和內(nèi)部電流控制。

圖1 故障阻斷換流器控制理論

2.2 HVDC輸電網(wǎng)故障處理

與普通換流器閉鎖不同,大多數(shù)FBC在發(fā)生故障時(shí)可以通過調(diào)整直流輸出電壓以主動(dòng)地將其直流電流調(diào)節(jié)為零。如果選擇打開HSS,則有利于選擇性地將通過HSS的故障電流控制為零。因此,HSS電流降低得更快,能更好地隔離故障線路?；贔BC和高速開關(guān),并結(jié)合形態(tài)學(xué)梯度的HVDC輸電網(wǎng)故障處理流程如圖2所示。其中利用形態(tài)學(xué)梯度獲得故障波形特征,并基于這一特征控制FBC和高速開關(guān),實(shí)現(xiàn)直流故障處理。

圖2 HVDC輸電網(wǎng)故障處理流程

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文所提方法的HVDC輸電網(wǎng)模型包括四個(gè)MMC、電纜和開關(guān)設(shè)備,以及代表輸電網(wǎng)的500 kV交流電源和代表發(fā)電廠的70 kV交流電源,所有電源通過變壓器連接到換流器。試驗(yàn)中的瞬態(tài)模擬均在PSCAD | EMTDC中進(jìn)行,時(shí)間步長(zhǎng)為Δt=25 μs。并且UFD由一個(gè)理想開關(guān)表示,如果流過裝置的電流小于1 A,其接觸電壓小于5.2 kV,則開關(guān)中斷。UFD的開啟時(shí)間為3 ms,包括通信延遲。

3.1 抗噪音性能對(duì)比

為了論證所提方法抵抗噪音的能力,在故障電流的基礎(chǔ)上施加白噪聲與尖銳毛刺信號(hào),并將所提方法和低通濾波用于處理疊加噪音后的整流側(cè)和逆變側(cè)原始電流信號(hào),結(jié)果如圖3所示。

圖3 抗噪音性能對(duì)比

從圖3(b)可以看出,低通濾波可以過濾一部分高頻諧波與白噪聲,但改變了原有的波形邊緣特征,使其變得平滑,并且無法徹底濾除尖銳噪聲產(chǎn)生的邊緣信息,造成多分辨形態(tài)梯度的誤判。從圖3(c)可以看出,本文所提方法具有較理想的噪聲濾除效果,無論是高頻諧波、白噪聲,還是由測(cè)量誤差所帶來的尖銳毛刺,并不會(huì)使原有波形特性發(fā)生變化,具備良好的抗噪能力。

3.2 故障處理時(shí)間和準(zhǔn)確率的對(duì)比

將本文所提方法與文獻(xiàn)［6］、文獻(xiàn)［7］方法和文獻(xiàn)［10］方法中的故障處理方法在時(shí)間和準(zhǔn)確率兩方面進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖4所示。

圖4 故障處理時(shí)間和準(zhǔn)確率對(duì)比

從圖4可以看出,文獻(xiàn)方法［6］提出的方法耗時(shí)多且準(zhǔn)確率不高,文獻(xiàn)方法［7］和文獻(xiàn)方法［10］提出的方法耗時(shí)不多但準(zhǔn)確率較低。而所提方法由于用形體學(xué)梯度算法處理后的故障信號(hào)觸發(fā)故障閉鎖裝置和高速開關(guān),其故障處理耗時(shí)少,僅為10 ms,且準(zhǔn)確率較高,高達(dá)95%。

4 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)快速且有選擇性地處理HVDC輸電網(wǎng)的直流故障,提出了基于形態(tài)學(xué)梯度與FBC的直流故障處理方法,并利用PSCAD | EMTDC模擬輸電網(wǎng)模型在處理時(shí)間和準(zhǔn)確率等方面對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。利用多分辨形態(tài)學(xué)梯度算法能夠較為準(zhǔn)確地提取故障電流信號(hào)的上升與下降特征,并且故障閉鎖裝置大大降低了對(duì)直流電流中斷能力的要求,實(shí)現(xiàn)了故障直流線路的快速分離,縮短了故障處理時(shí)間。但本文所提方法未考慮SSW電壓、故障距離等因素的影響,因此,后期將針對(duì)更多的影響因素作進(jìn)一步的研究,以全面評(píng)估所提方法的性能。