方文發(fā)

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司銅仁供電局）

0 引言

傳統(tǒng)的高壓交流輸電容易出現(xiàn)諧波量大時(shí)失穩(wěn)等問(wèn)題，直流輸電的出現(xiàn)，解決了交流輸電在長(zhǎng)距離輸電損耗大，異步電源的級(jí)聯(lián)復(fù)雜等問(wèn)題［1］?；谀K化多電平柔性直流輸電技術(shù)是目前新型電力系統(tǒng)電能輸送的最佳手段。HVDC系統(tǒng)需要極快的限流保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，以防止電流超過(guò)設(shè)備或線路的安全限制［2］。與此同時(shí)，需要可靠的電流方向檢測(cè)方法，以確保限流保護(hù)在正常操作和故障情況下都能正常工作。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種接地極的新型限流裝置拓?fù)浼鞍惭b方式。對(duì)MMC換流站交流閥側(cè)接地故障特性進(jìn)行了研究，利用電容器組與故障限流電感的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)吸限制故障電流上升率及峰值［3］。本文通過(guò)開發(fā)高精度、高可靠性的電流傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柔性直流輸電系統(tǒng)中的電流。設(shè)計(jì)智能化的保護(hù)裝置，可以實(shí)時(shí)分析輸電線路上的電流和電壓數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定的保護(hù)邏輯進(jìn)行限流保護(hù)，并且實(shí)施多重保護(hù)層次。

1 交流閥側(cè)線路故障電流限制方案

1.1 限流器設(shè)計(jì)及限流過(guò)程

限流器是一種電子設(shè)備，用于限制電流在電路或系統(tǒng)中的流動(dòng)。通過(guò)電流互感器、霍爾效應(yīng)傳感器以及電阻式傳感器來(lái)測(cè)量電流值［4］。通過(guò)控制器接收來(lái)自電流傳感器的信號(hào)，并根據(jù)設(shè)定的限流值執(zhí)行控制操作。當(dāng)電流達(dá)到或超過(guò)設(shè)定的限流值時(shí)，控制器立即切斷電路中的電流。限流器拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 限流器拓?fù)鋱D

上述的限流器由限流阻抗支路和故障轉(zhuǎn)移支路組成，由n個(gè)IGBT與二極管反并聯(lián)的電力電子器件組成，用于識(shí)別故障并阻斷，將電流轉(zhuǎn)至限流阻抗支路。

限流器的工作模式見(jiàn)表。

表 限流器不同模式開關(guān)狀態(tài)

在正常運(yùn)行時(shí)，限流器處于正常模式，電流轉(zhuǎn)移開關(guān)LCS不動(dòng)作。正常模式電路圖如圖2所示。

圖2 正常模式電路圖

限流器在正常模式下的工作是確保電流在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)，而不超過(guò)預(yù)定的限流值。正極接地短路故障后，當(dāng)流過(guò)電流轉(zhuǎn)移開關(guān)LCS的電流ib幅值超過(guò)其臨界值時(shí)，限流器轉(zhuǎn)為故障模式，與此同時(shí)，在正常模式下，限流器會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)電路中的電流［5］。限流器的控制器會(huì)將實(shí)時(shí)測(cè)量的電流值與設(shè)定的限流值進(jìn)行比較。如果電流值低于或等于限流值，那么限流器將不采取任何限制措施，允許電流繼續(xù)正常流動(dòng)。其故障模式電路圖如圖3所示。

圖3 故障模式電路圖

斷路器切除故障后，流過(guò)限流支路的電流為0，限流器無(wú)法有效地限制電流，導(dǎo)致電流超過(guò)了預(yù)定的限流值。限流器如果采用電流切斷策略，可在電流超限時(shí)應(yīng)立即切斷電流。一些限流器依賴于與其他設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng)的通信，如果通信鏈路中出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致限流器無(wú)法正常工作或無(wú)法傳輸狀態(tài)信息。解鎖模式電路圖如圖4所示。

圖4 解鎖模式電路圖

1.2 帶限流器的交流閥側(cè)故障電流特性分析

如圖5所示，為三相接地短路故障電路圖f3處發(fā)生三相接地短路故障為例，簡(jiǎn)化后帶限流器的運(yùn)算電路圖如圖6所示。

圖5 三相接地短路故障電路圖

圖6 簡(jiǎn)化后帶限流器運(yùn)算電路圖

為了簡(jiǎn)化分析，近似認(rèn)為每相下橋臂的等效激勵(lì)與故障時(shí)刻相同即忽略限流器投入時(shí)間，故障后限流器立刻作用［6］。

A相為故障點(diǎn)提供的故障電流為：

其中時(shí)域表達(dá)式為：

式θ′1·θ′2表示見(jiàn)公式（3），其中，Lf值越大，Ceq值越小，對(duì)于故障電流的限制效果越好。

其中，Rg表示為接地極等效電阻；Lp表示為正極架空線路；Ln示為負(fù)極架空線路。將公式（1） ～（3）結(jié)合得到B′1和B′2

一方面，電感值過(guò)大會(huì)增加電路的充電和放電時(shí)間常數(shù)，這可能會(huì)導(dǎo)致電路的響應(yīng)時(shí)間變慢。另一方面，電容的大小影響電路對(duì)高頻信號(hào)的響應(yīng)。如果電容值太小，電路可能無(wú)法處理高頻信號(hào)，從而影響電路性能。過(guò)大或過(guò)小的元件值可能導(dǎo)致不穩(wěn)定性、性能下降或功能無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)。平波電抗器的電感值應(yīng)該與主要諧波頻率相匹配，以確保它們能夠有效地減小諧波電流。確定電路中的最大諧波電流或基波電流，并選擇具有足夠額定電流容量的電抗器。電流容量不足的電抗器可能會(huì)過(guò)載并損壞?？紤]平波電抗器的損耗，以確保在運(yùn)行中不會(huì)過(guò)度加熱。損耗通常與電感值和電流有關(guān)。

綜合上述分析，故障電流上升率限制到滿足直流斷路器切斷容量的條件下，Lf值盡量小、Ceq值盡量大。

2 仿真測(cè)試與分析

在PSCAD搭建的是320kV雙端直流輸電系統(tǒng)仿真模型。選擇直流輸電系統(tǒng)建模，在模型中添加一個(gè)或多個(gè)直流電源，這些電源代表輸電系統(tǒng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。設(shè)置輸電線的參數(shù)，包括電阻、電感和電容等。確保將起點(diǎn)和終點(diǎn)連接到電源。添加控制策略，以模擬系統(tǒng)中的電壓、電流或功率控制。這可以用于模擬系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)。配置仿真參數(shù)，包括仿真時(shí)間、步長(zhǎng)等，然后運(yùn)行仿真以模擬320kV雙端直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)仿真結(jié)果可以分析系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

MMC1交流閥側(cè)換流站交流閥側(cè)發(fā)生三相接地短路故障（ABCG）仿真電流與計(jì)算電流的結(jié)果如圖8所示。

圖8 閥側(cè)三相接地故障直流側(cè)提供的故障點(diǎn)入地電流

當(dāng)發(fā)生閥側(cè)三相接地故障時(shí)，首先，需要確定閥側(cè)三相接地故障的具體位置。根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的參數(shù)和拓?fù)?，建立直流輸電系統(tǒng)的電路模型。在模型中，將故障點(diǎn)模擬為地接地故障，并設(shè)置合適的故障類型（單相接地、雙相接地等）和故障持續(xù)時(shí)間。運(yùn)行仿真以模擬故障條件下的系統(tǒng)行為。使用PSCAD仿模擬直流側(cè)的電流響應(yīng)。據(jù)仿真結(jié)果，分析地電流的幅值和相位隨時(shí)間的變化。地電流的幅值和相位可以幫助確定故障點(diǎn)的位置以及故障點(diǎn)周圍的系統(tǒng)響應(yīng)［7］。

清除故障電流的極限時(shí)間為8ms，需要保證該時(shí)間段內(nèi)故障電流小于換流站閉鎖值。對(duì)MMC1交流閥側(cè)三相接地短路故障進(jìn)行仿真?？梢钥闯?，故障電流計(jì)算曲線與仿真曲線基本吻合，驗(yàn)證了理論分析的正確性。交流閥側(cè)故障電流Idcg理論與仿真驗(yàn)證，如圖9所示。

圖9 交流閥側(cè)故障電流i dcg理論與仿真驗(yàn)證

正常運(yùn)行時(shí)，由于通流支路電流近似為0，不同Lf，Ceq值的數(shù)值仿真，此時(shí)接地極線路將流過(guò)單極運(yùn)行模式下的負(fù)荷電流，Iblim表示為L(zhǎng)CS閉鎖電流值，其LCS閉鎖值應(yīng)一致，即Iblim＝4kA。在直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生閥側(cè)的交流故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些不穩(wěn)定的交流成分。

當(dāng)限流器由故障模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻怄i模式時(shí)，該過(guò)程不超過(guò)20ms，同時(shí)，Ceq值越小，限流器兩端電壓越高，因此故障極換流站出口對(duì)地電壓越低，并能有效維持故障極線路電壓，降低斷路器兩端的電壓，在過(guò)電流保護(hù)可以檢測(cè)到異常的電流情況，并根據(jù)預(yù)定的電流閾值觸發(fā)保護(hù)裝置以隔離故障。其保護(hù)了斷路器中的電力電子器件，降低了斷路器對(duì)MOV設(shè)計(jì)參數(shù)的要求［8］。

3 結(jié)束語(yǔ)

柔性直流輸電系統(tǒng)限流保護(hù)技術(shù)面臨許多技術(shù)和操作方面的挑戰(zhàn)。解決這些問(wèn)題需要跨學(xué)科的研究和技術(shù)創(chuàng)新，本文所提出的一種柔性直流輸電系統(tǒng)限流保護(hù)研究可以幫助提高柔性直流輸電系統(tǒng)的限流保護(hù)性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行并保護(hù)設(shè)備免受損壞。柔性直流輸電系統(tǒng)限流保護(hù)技術(shù)旨在確保電流在安全范圍內(nèi)，并在異常情況下迅速采取措施以防止設(shè)備受損或系統(tǒng)不穩(wěn)定并且能夠迅速檢測(cè)和響應(yīng)故障情況，減小電流水平，并幫助提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。