王 琨，熊兆平，李 鵬，張 睿，祁霄鵬

特高壓直流輸電系統(tǒng)DCCT現(xiàn)場校驗用的電流標準源研究

王 琨1，熊兆平2，李 鵬1，張 睿1，祁霄鵬3

（1. 國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅蘭州 730070；2. 國網(wǎng)江西省電力有限公司檢修分公司，江西南昌 330000；3. 蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅蘭州 730070）

大功率高精度電流標準源是HVDC輸電系統(tǒng)中直流電流互感器現(xiàn)場校驗用的關(guān)鍵設備之一，但目前已商業(yè)化的電源設備無法同時滿足現(xiàn)場校驗用的多重要求，如功率大、精度高、便于攜帶以及可滿電流多量程調(diào)節(jié)等。本文考慮現(xiàn)場校驗用電流標準源工作過程中負載不變，只存在供電電壓擾動及多量程調(diào)節(jié)需要，研究了一種交錯并聯(lián)移相全橋倍流整流電路結(jié)構(gòu)，并基此模型設計了小慣性電流跟蹤控制器，通過仿真實驗驗證了該電流標準源輸出精度達到0.002級，滿足校驗0.5級、0.02級以及0.01級電流互感器現(xiàn)場校驗用的電流標準源精度要求。

高壓直流輸電 直流互感器 現(xiàn)場校驗 電流源 小慣性電流

0 引言

高壓直流（High voltage direct current, HVDC）輸電能夠?qū)崿F(xiàn)集中大規(guī)模能源跨區(qū)域、遠距離輸送，是進一步落實國家能源戰(zhàn)略，實現(xiàn)國家電網(wǎng)總體規(guī)劃目標，促進區(qū)域間資源優(yōu)化配置的一項重要舉措[1-5]。自2007年12月22日我國第一個直流自主化示范工程——±500 kV貴州至廣東二回直流工程建成投運以來，我國已陸續(xù)建成投運的HVDC輸電線路已多達12條，最高電壓等級達到±800 kV。另外，昌吉—古泉±1100千伏特高壓直流輸電工程目前已全線貫通，計劃今年年底投運，該線路屬于目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大、輸送距離最遠、技術(shù)水平最先進的特高壓輸電工程[6-7]。

特高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流電流互感器（Direct-current current transformers，DCCT）起著電能計量、電量監(jiān)測、控制及保護等重要作用，是直流輸電系統(tǒng)建設和運行中必備的設備，它對系統(tǒng)控制保護和穩(wěn)定運行提供準確可靠的測量信息，其自身運行可靠性和測量準確性直接影響到整個直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。在HVDC輸電系統(tǒng)中各種直流互感器設備均存在一定的問題和隱患，部分換流站的直流互感器多次出現(xiàn)故障，有些故障直接導致了直流系統(tǒng)的單極閉鎖，給電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠和經(jīng)濟運行帶來極大的威脅和隱患[8-12]。相關(guān)試驗結(jié)果表明，一些性能缺陷可以通過現(xiàn)場校準或周期校準提早發(fā)現(xiàn)，某些性能缺陷可以通過現(xiàn)場試驗進行預防和校正[13-15]。然而，由于理論方法研究的缺失和缺乏相關(guān)的專業(yè)設備裝置支撐，目前還不具備對DCCT進行現(xiàn)場校準的條件。

目前DCCT現(xiàn)場試驗一般只在10%額定電流下對其變比進行粗略考察而無法發(fā)現(xiàn)滿電流下的性能缺陷，滿電流下對DCCT進行有效的現(xiàn)場校準目前基本是一片空白，制約其發(fā)展的根本原因之一是便攜式大功率高精度直流電流標準源的缺乏。文獻[16]對額定電流為4000 A的光電流互感器OTC進行了現(xiàn)場校準試驗，現(xiàn)場OTC準確等級為0.5級，分別測試了在10%、20%、40%、90%、110%額定電流下比例特性，所采用的電流源輸出電流和電壓分別為5000 Ａ、12 Ｖ，紋波系數(shù)≤0.1%，電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.05%，但該文獻沒有闡述直流電流標準源的電路結(jié)構(gòu)和電流調(diào)節(jié)方法。文獻[17]研究了一種大電流互感器校驗用的直流電源，輸出紋波系數(shù)小于0.5%，可滿足0.5級直流互感器現(xiàn)場校驗用，但文中沒有說明該直流電源容量，且未考慮在滿電流多量程調(diào)節(jié)時對自身輸出電流精度的影響。因此，本文研究了一種模塊化的大功率高精度直流電流標準源，滿足特高壓直流輸電DCCT現(xiàn)場校驗的需求。

1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

特高壓直流輸電系統(tǒng)DCCT現(xiàn)場校驗用的電流標準源主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路主要由三相二極管整流單元、交錯并聯(lián)移相全橋倍流單元及電容濾波環(huán)節(jié)等組成。移相全橋倍流整流單元當高頻逆變占空比D=0.5時，輸出電流紋波在理論上可以消除，此時電流波動最小，隨著占空比的遞變，電流波動會增大。

圖1 電流標準源電路結(jié)構(gòu)圖

直流電流互感器進行現(xiàn)場校驗時，為測試不同額定電流占比下的比例特性需要電流標準源輸出多種比例電流，例如10%、20%、40%、90%、110%額定電流值等。若直流電流標準源中間DC/DC環(huán)節(jié)采用單個移相全橋倍流整流電路，則電路中需使用大功率的開關(guān)管，如IGBT，高頻逆變器容量可能滿足不了現(xiàn)場大電流要求，另外當輸出電流大幅度調(diào)節(jié)時，電流紋波系數(shù)會迅速增大。此處中間DC/DC環(huán)節(jié)采用交錯并聯(lián)移相全橋倍流整流電路，模塊化并聯(lián)數(shù)由電流標準源容量確定，各模塊輸電電流保持恒定，以使工作占空比維持在0.5左右，整個電流源輸出電流多級調(diào)整可通過電力電子開關(guān)并聯(lián)模塊投切實現(xiàn)。移相全橋高頻逆變和倍流整流電路中功率器件分別選用MOFFET和快速電力二極管。

2 數(shù)學模型及控制器設計

交錯并聯(lián)移相全橋倍流整流各單元均采用分布式控制，并參考同一輸出電流參考值，所以此處只需建立單個移相全橋倍流整流電路的數(shù)學模型并進行控制器設計即可。文獻[18]中詳細講述了移相全橋倍流整流電路DC/DC變換單元的建模過程，其等效模型如圖2所示。

圖2 移相全橋倍流整流電路等效模型

根據(jù)圖2可進一步得到以下狀態(tài)空間方程：

小慣性電流跟蹤控制方法保持了滯環(huán)電流控制響應速度快、魯棒性好等特點，實際電流能在一個開關(guān)周期內(nèi)跟蹤上指令電流，而且由于控制周期固定，器件的開關(guān)頻率固定[19]。在小慣性電流跟蹤控制中，很小的延遲環(huán)節(jié)可用一個小慣性環(huán)節(jié)來代替，寫成微分方程形式：

式中T為延遲時間。

結(jié)合式（1）與式（2）可得，

從式（3）可以看出，控制律中包含了直流鏈電壓V，運行過程中可以抑制電壓V波動對標準電流源輸出的擾動影響，同時控制律中還包括了主電路參數(shù)及電感電流。

3 仿真分析

利用MATLAB/Simulink軟件建立了直流電流標準源的仿真模型，主電路主要參數(shù)如表1所示。仿真系統(tǒng)共采用6個移相全橋倍流整流單元交錯并聯(lián)，各單元輸出電流參考值為1200 A，系統(tǒng)滿電流輸出可達到7200A，同時可輸出6000 A、4800 A、3600 A、2400 A、1200 A。交錯并聯(lián)各單元輸出電流維持在參考值1200 A可保證移相全橋高頻逆變占空比在0.5左右，以使輸出電流紋波最小。若要各單元輸出其它大小的電流值，僅小范圍調(diào)整占空比即可。

表1 直流電流標準源主電路主要參數(shù)

圖3給出了直流電流標準源滿電流輸出時的波形，從中可以看出經(jīng)過一個短暫的上升過程后輸出直流電流達到穩(wěn)態(tài)值7200 A，并保持至仿真結(jié)束。

圖3 直流電流標準源輸出電流

為了分析輸出直流電流的穩(wěn)定程度，圖4給電流源輸出直流電流的局部波形，即幅值在7199 A至7201 A之間的電流曲線，從中可以看出電流在7199.8與7200.2之間波動，其精度達到2.78e-5，遠遠滿足0.5級HVDC輸電系統(tǒng)直流電流互感現(xiàn)場校驗用的要求，而對于0.02級、0.01級直流互感器現(xiàn)場校驗需求也完全滿足。

圖4 直流電流標準源輸出電流局部波形

圖5給出了直流電流標準源中各移相全橋倍流整流單元輸出的直流電流波形，6個單元移相全橋調(diào)制過程中各載波依次相差1/2N電角度，使各路輸出直流電流波動錯位，由此進一步保證了直流電流標準源的高精度輸出。

圖5 各移相全橋倍流整流單元輸出直流電流

4 結(jié)束語

本文采用一種交錯并聯(lián)移相全橋倍流整流電路結(jié)構(gòu)，并結(jié)合小慣性電流跟蹤控制方法對各交錯并聯(lián)單元輸出電流進行調(diào)節(jié)，在該電路結(jié)構(gòu)和電流調(diào)節(jié)方法下，得到了滿電流輸出為7200 A，精度可以達到10-5次數(shù)量級，滿足校驗0.5級、0.02級以及0.01級電流互感器現(xiàn)場校驗用電流標準源精度要求。另外，電流標準源采用交錯并聯(lián)模塊化設計，可滿足電流標準源多量程輸出的要求。

[1] 周孝信, 魯宗相, 劉應梅等. 中國未來電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國電機工程學報, 2014, 29: 4999-5008.

[2] 李彬彬, 張書鑫, 程達等. 新型混合式高壓直流輸電DC/DC變換器[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2018, 42(7): 116-121.

[3] 張杰, 胡媛媛, 劉飛. 高壓直流互感器現(xiàn)場校驗關(guān)鍵技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(9), 3003-3010.

[4] Kimura, Noriyuki. Offshore wind energy with HVDC transmission: Recent development in Japan[J]. IET Seminar Digest, 2015: 388-391.

[5] 張立奎, 張英敏, 苗淼. 多端柔性直流輸電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略[J]. 現(xiàn)代電力, 2016, 33(1): 1-7.

[6] 電力科學觀察與寫作.細說中國高壓直流輸電技術(shù)的“開掛”歷程. 2017, https://www.sohu. com/a/202049079_100051420.

[7] 束洪春, 田鑫萃, 董俊等. ±800 kV云廣直流輸電線路保護的仿真及分析[J]. 中國電機工程學報, 2011, (31): 179-188.

[8] 賀春, 吳東, 孫廣濤. 特高壓直流控制保護系統(tǒng)設計與開發(fā)[J]. 電子工程設計, 2017(17): 50-53.

[9] 周靜, 馬為民, 蔣維勇等. 特高壓直流工程的可靠性[J]. 高電壓技術(shù), 2010(1): 173-179.

[10] 唐毅, 李振華, 江波等. 基于IEC 61850-9 的電子式互感器現(xiàn)場校驗系統(tǒng)[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(8): 2353-2359.

[11] 費燁, 王曉琪, 羅純堅等. ±1000 kV特高壓直流電流互感器選型及結(jié)構(gòu)設計[J]. 高壓電器, 2012(1): 7-12.

[12] 馬為民, 吳方劼, 楊一鳴等. 柔性直流輸電技術(shù)的現(xiàn)狀及應用前景分析[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(8): 2429-2439.

[13] 胡浩亮, 李前, 盧樹峰等. 電子式互感器誤差的兩種校驗方法對比[J]. 高電壓技術(shù), 2011(12): 3022-3027.

[14] 易斌, 潘峰, 林國營. 電子式互感器校驗技術(shù)綜述[J]. 廣東電力, 2016(2): 1-8.

[15] 張志. 電子式電流互感器在線校驗關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)理論研究[D]. 華中科技大學, 2013.

[16] 李前, 李鶴, 周一飛. ±800 kV直流輸電系統(tǒng)換流站直流電流互感器現(xiàn)場校準技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(12): 3053-3058.

[17] 張冰, 劉飛, 邱進等. 一種大電流互感器校驗用直流電源, 國網(wǎng)武漢高壓研究院. 中國, 200820191033. 9(P), 2008. 9.

[18] Li Yucao. Small signal modeling for phase- shifted PWM converters with a current double rectifier[C]. 2007 IEEE power electronics special- lists conference, 2007.

[19] 荊龍, 汪至中, 于冰. 四象限變流器在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J]. 太陽能學報, 2007, 28(5): 550-553.

Research on Current Standard Source for Calibrating DCCT in UHVDC Transmission System

Wang Kun1，Xiong Zhaoping2，Li Peng1，Zhang Rui1，Qi Xiaopeng3

(1. State Grid Gansu Electric Power Company, Electric Power Research Institute, Lanzhou 730070, Gansu, China; 2. State Grid Jiangxi Electric Power Company Limited, Maintenance Branch, Nanchang 330000, Jiangxi, China; 3. Lanzhou university of Technology, College of Electrical Engineering and information Engineering, Lanzhou 730070, Gansu, China)

TM933.11

A

1003-4862（2019）05-0024-04

2018-10-16

國家電網(wǎng)公司資助項目（52272216002G）

王琨（1988-），男，助理工程師。研究方向：電能計量。E-mail: 3546470@qq.com