一種新型HVDC電容型斷路器拓?fù)?/h1>
2020-12-15 11:35武董一李嘉龍許建中趙成勇
武董一， 李嘉龍， 許建中， 趙成勇
(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)
收稿日期：2020-04-16.
基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0904600)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51607065).
0 引 言
隨著世界范圍內(nèi)化石資源的日益枯竭，可再生能源的發(fā)展勢不可擋[1-3]，柔性直流電網(wǎng)也隨著快速發(fā)展。目前，正在建設(shè)的張北±500 kV四端柔性直流電網(wǎng)示范工程將在全世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)風(fēng)電經(jīng)直流電網(wǎng)向特大城市供電[4]。
而相比于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)，由電力電子設(shè)備組成的直流電網(wǎng)是一個(gè)“低慣量、低阻抗”系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)比交流電網(wǎng)至少小2個(gè)數(shù)量級(jí)[5-6]。當(dāng)直流線路發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，換流器及直流側(cè)的各種儲(chǔ)能元件都會(huì)向故障點(diǎn)饋入能量，導(dǎo)致流過電力電子開關(guān)器件的電流迅速上升，如若不及時(shí)將故障進(jìn)行隔離和清除，將危害器件甚至整個(gè)直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)系統(tǒng)的安全[7]。因此，及時(shí)清除故障線路、保證健全線路的功率傳輸是保證直流電網(wǎng)可靠運(yùn)行的前提。
現(xiàn)階段清除直流故障的方案中最為普遍的是采用直流斷路器[8]，張北四端工程中也采用直流斷路器來切斷故障，斷路器方案一般通過增大故障回路電阻來抑制故障電流。
根據(jù)直流斷路器中主要開關(guān)元件的不同，可分為：機(jī)械式直流斷路器[9]、全固態(tài)直流斷路器[10]以及混合式直流斷路器[11-12]。機(jī)械式斷路器采用快速機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)來切斷故障電流。然而隨著電網(wǎng)容量的上升和電壓等級(jí)的提高，機(jī)械式斷路器愈發(fā)難以滿足需求。全固態(tài)斷路器使用電力電子設(shè)備來切斷故障電流，具有速度較快和使用壽命較長的優(yōu)勢，但其造價(jià)較高?；旌鲜綌嗦菲骶C合了機(jī)械式斷路器與全固態(tài)斷路器的優(yōu)勢?；陔娙莸幕旌鲜綌嗦菲饕话悴捎霉收蠒r(shí)插入預(yù)充電電容來抑制故障電流，因其快速性、開斷能力等優(yōu)勢近年來愈加受到國內(nèi)外的重視。
文獻(xiàn)[13]提出了一種適用于高壓直流輸電系統(tǒng)的預(yù)充電電容型斷路器，可在零電壓下斷開機(jī)械開關(guān)，但其沒有給出對(duì)應(yīng)的重合閘策略也無法處理雙側(cè)直流故障。文獻(xiàn)[14]中提出了一種由電容和二極管閥組串聯(lián)作為主支路的電容換相型斷路器，并提出了幾種擴(kuò)展拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來減小通態(tài)功率損耗。但其工作原理和控制策略較為復(fù)雜，且10 ms的故障隔離時(shí)間難以滿足大容量直流輸電需求。文獻(xiàn)[15]提出了一種主電路中電容初始電壓為零的混合斷路器，但其故障隔離時(shí)間約為10 ms，且不能切斷雙向故障電流。文獻(xiàn)[16]提出了一個(gè)主電路采用電容作為緩沖的斷路器，但其器件需大量的IGBT，經(jīng)濟(jì)性較差。文獻(xiàn)[17]提出了一種采用預(yù)充電電容型斷路器拓?fù)洳?duì)比了經(jīng)濟(jì)性方案，然而其只針對(duì)單極故障線路給出了解決辦法。
另一大直流故障清除策略為降低故障回路電壓，比如具備子模塊閉鎖能力的混合型模塊化多電平換流器，其內(nèi)部采用的全橋型子模塊使得換流站出口電壓降為零，直流母線電流降為零[18-19]。
因現(xiàn)有電容型斷路器中包含大量電力電子器件從而經(jīng)濟(jì)性較差，且傳統(tǒng)方案斷路器故障隔離速度難以滿足需求。本文提出了一種基于電壓鉗位的電容型直流斷路器。通過故障時(shí)電路中接入預(yù)充電電容產(chǎn)生鉗壓電壓使網(wǎng)側(cè)線路電壓降為零，進(jìn)而隔離故障，并進(jìn)行耗能過程。本文所提的故障隔離方案比其他方案更為快速，從而可以加快電網(wǎng)的恢復(fù)過程。在此基礎(chǔ)上，本文提出了相應(yīng)的雙向分段、電容分級(jí)投入、重合閘策略、單雙極方案等配套設(shè)計(jì)，最后使用PSCAD軟件，通過采用斷路器后的電壓、電流、暫態(tài)能量仿真驗(yàn)證了本文方案的可行性。
1 電容型斷路器拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>1.1 電容型斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為本文所提的電容型斷路器拓?fù)?，包括通流支路、充電支路、鉗壓支路、能量耗散支路和電容放電支路。
圖1 電容型斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of capacitor-based circuit breaker
通流支路包括負(fù)載轉(zhuǎn)化開關(guān)(Load Commutation Switch，LCS)和超快速機(jī)械開關(guān)(Ultra Fast Disconnector, UFD)UFD1、UFD2。
鉗壓支路為拓?fù)浜诵闹?，包括鉗壓電容C、IGBT開關(guān)T3、二極管Dc。
充電支路包括剩余電流開關(guān)(Residual Current Breaker，RCB)RCB1、充電電阻Rc和分壓電容Cc。
能量耗散支路包括IGBT開關(guān)T4、耗能電容Cd和耗能電阻Rd。
電容放電支路包括剩余電流開關(guān)RCB2、放電電阻Rr和放電電容Cr。
1.2 電容型斷路器的工作原理
本節(jié)將分三個(gè)階段介紹本文拓?fù)涞墓ぷ髟怼?/p>
(1)充電階段
如圖2所示，在正常電流流過通流支路時(shí)，閉合RCB1，直流線路開始向鉗壓電容C充電。
圖2 充電階段Fig.2 Charging process
直流電流iMMC中包括正常的低損耗通流iLCS和給鉗壓電容充電的充電電流icharge。充電支路中二極管DC使得該支路不會(huì)發(fā)生震蕩，充電完成后RCB1打開，充電電流降為零。
(2)鉗壓階段
鉗壓階段將通過鉗壓電容使故障鉗位，隔離故障。
t0-t1：故障檢測。t0時(shí)刻發(fā)生直流故障后，保護(hù)裝置需要時(shí)間檢測故障，此階段斷路器不動(dòng)作，故障電流經(jīng)過通流支路流向故障點(diǎn)。
t1-t2：電流轉(zhuǎn)移。如圖3(a)所示，t1時(shí)刻保護(hù)裝置檢測到故障，發(fā)出指令閉鎖通流支路，同時(shí)通流支路中電流轉(zhuǎn)移到T3支路中，待通流支路電流降為0，關(guān)斷UFD1，一般而言，機(jī)械開關(guān)的分?jǐn)嘈? ms延時(shí)[20]。
t2-t3：鉗壓過程。如圖3(b)所示，UFD1已關(guān)斷，t2時(shí)刻將T3閉鎖，并接入鉗壓電容C。鉗壓電容在充電階段的一定電壓值基礎(chǔ)上繼續(xù)充電，充至鉗壓電容C的兩端電壓為換流站直流電壓，此時(shí)uC=uMMC。此階段故障電流下降，同時(shí)T4開通續(xù)流回路。t3時(shí)刻，iclamp降為零，UFD2關(guān)斷，完成故障隔離。
(3)耗能階段
在鉗壓階段隔離故障后，耗能階段通過能量耗散支路消耗網(wǎng)側(cè)能量，并完成故障清除。
t3-t4：等待關(guān)斷。t3時(shí)刻，iclamp降為零后，等待機(jī)械開關(guān)UFD2約2 ms的分?jǐn)鄷r(shí)間。
t4-t5：耗散能量。如圖4所示，UFD2已關(guān)斷，將T4閉鎖，并接入耗能電容Cd和耗能電阻Rd。最終于t5時(shí)刻完成故障清除，后續(xù)將準(zhǔn)備重合閘操作。
圖3 鉗壓階段Fig.3 Voltage clamping process
圖4 剩余能量耗散階段Fig.4 Diagram of residual energy dissipating process
2 電容型斷路器配套設(shè)計(jì)
本節(jié)針對(duì)所提斷路器方案，提出了三種配套設(shè)計(jì)方案，即雙向分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)、電容分級(jí)投入和兩種重合閘策略，對(duì)相應(yīng)的工作原理和工作過程進(jìn)行了分析，并分析了每個(gè)結(jié)構(gòu)的意義和作用，以改善現(xiàn)有同類方案實(shí)用性較差，適用范圍較窄，穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)。
2.1 雙向分段
在直流電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于故障位置具有隨機(jī)性，且電流是可以反轉(zhuǎn)的[21]，僅具備單向故障分?jǐn)嗄芰Φ闹绷鲾嗦菲魇请y以滿足直流電網(wǎng)后備保護(hù)的需求的。
本文所提拓?fù)湓阢Q壓支路和能量耗散支路的兩端均配置一組二極管整流橋，在這種電路結(jié)構(gòu)下，無論電流是從左側(cè)流向右側(cè)，還是從右側(cè)流向左側(cè)，鉗壓支路和能量耗散支路中流過的電流的方向都是不變的，因此無論故障電流流向如何，斷路器都能正常的分?jǐn)喙收想娏鳌?/p>
圖5(a)為故障點(diǎn)在斷路器右側(cè)時(shí)，故障清除階段的電流方向?yàn)橛勺笙蛴遥粓D5(b)為故障點(diǎn)在斷路器左側(cè)時(shí)，電流方向?yàn)橛捎蚁蜃蟆?/p>
圖5 直流故障點(diǎn)在不同位置時(shí)的故障電流流向Fig.5 Fault current paths for different locations of DC fault
可以看到，對(duì)于鉗壓支路來說，無論電流方向如何，鉗壓支路上流過的電流都是由上至下，因此鉗壓支路能夠正常的進(jìn)行鉗壓過程；對(duì)于耗能支路來說也是類似的，無論電流方向如何，支路上流過的電流都是由左至右，可以正常完成故障隔離與清除工作。
2.2 分級(jí)投入結(jié)構(gòu)
鉗壓支路中的電容實(shí)際上可以采用若干電容模塊串并聯(lián)組成。在故障清除過程中，如果將全部電容模塊在同一時(shí)刻投入故障回路，由于其總體的容值很小，等效阻抗較大，由此引發(fā)的電壓沖激會(huì)很高，容易對(duì)斷路器的其他部分造成影響。如圖6所示，本小節(jié)提出的電容分級(jí)投入結(jié)構(gòu)，將串聯(lián)電容按順序以一定的延時(shí)依次投入故障回路。
圖6 電容分級(jí)投入結(jié)構(gòu)Fig.6 Step-insert structure of the clamping capacitor
初始狀態(tài)下，5個(gè)IGBT開關(guān)TⅠ、TⅡ、TⅢ、TⅣ、TⅤ均處于導(dǎo)通狀態(tài)，其兩端并聯(lián)的電容均被旁路。此處的5個(gè)串聯(lián)模塊數(shù)僅為分析方便，在實(shí)際的工程配置中，串聯(lián)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行配置[22]。
狀態(tài)1中，TⅠ關(guān)斷，將其對(duì)應(yīng)的電容CⅠ投入電路。在接下來的四個(gè)狀態(tài)中，IGBT按照固定延時(shí)依次關(guān)斷，將電容依次投入電路中，直至狀態(tài)5中全部電容完全投入。
分級(jí)投入結(jié)構(gòu)有兩個(gè)優(yōu)勢，其一，由于單個(gè)模塊的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體阻抗，因此逐個(gè)投入會(huì)使得支路的阻抗逐漸升高，而不是瞬間升高，這樣可以降低由此引發(fā)的沖激；其二，可以通過調(diào)整設(shè)置的延時(shí)來調(diào)整鉗壓支路投入所用的時(shí)長，以此來進(jìn)一步對(duì)沖激進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者是調(diào)整故障清除過程的時(shí)序。
為進(jìn)一步分析鉗壓電容的分級(jí)投入過程，本節(jié)通過將該拓?fù)浞胖迷谝粏味说刃到y(tǒng)中進(jìn)行模擬分析。斷路器串聯(lián)電容模塊個(gè)數(shù)設(shè)為5個(gè)，每個(gè)為50 μF，投入延時(shí)分別設(shè)為0.1 ms、0.2 ms和0.3 ms，重點(diǎn)考察鉗壓電容在鉗壓階段的電壓波形，得到的結(jié)果如圖7示。
圖7 分級(jí)投入結(jié)構(gòu)仿真波形圖Fig.7 Wave diagram of step-insert structure
從圖7中可以看到，三個(gè)波形都是隨著不同時(shí)間的推移呈現(xiàn)階梯式上升的趨勢，其中的每一個(gè)階梯對(duì)應(yīng)的是一個(gè)模塊的投入，而模塊的依次投入也可以相應(yīng)的降低電路中所產(chǎn)生的沖激。另外，設(shè)置的單次投入的延時(shí)越長，整個(gè)閥段完全投入所用的時(shí)間也相應(yīng)越長，這可以用來進(jìn)行故障處理時(shí)序的調(diào)整。
2.3 電容放電和重合閘策略設(shè)計(jì)
在充電階段和鉗壓階段結(jié)束后，需對(duì)鉗壓電容電壓進(jìn)行放電。電容放電回路如圖8所示，可通過調(diào)節(jié)放電電容Cr來調(diào)節(jié)鉗壓電容C放電后的電壓值。
圖8 電容放電回路設(shè)計(jì)方案Fig.8 Design of capacitor discharging branch
常見的電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，架空線大多時(shí)候發(fā)生的故障都是瞬時(shí)性故障，只有不到10%的故障是永久性的[20]。高壓直流斷路器的重合閘設(shè)計(jì)不僅能夠提高系統(tǒng)的輸電可靠性，提高暫態(tài)性能，還能降低因?yàn)槎虝r(shí)功率缺額引發(fā)的各種危害的可能性及額外損失。本文針對(duì)瞬時(shí)性故障與永久性故障給出了兩種重合閘操作：
操作A：如圖9(a)所示，直接重合通流支路的器件UFD1、T1和UFD2。重合閘操作后系統(tǒng)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的恢復(fù)速度較快，鉗壓電容放電在重合閘后進(jìn)行。
操作B：如圖9(b)所示，先重合UFD2，此時(shí)若線路電流較小，可判斷系統(tǒng)發(fā)生的是暫時(shí)性故障，故可以將通流支路重合使系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)；若發(fā)生永久性故障，由于此時(shí)鉗壓電容接在故障回路內(nèi)，因此斷路器會(huì)直接進(jìn)入鉗壓階段，以再次處理故障，直至再次清除故障。此操作為試探性部分重合閘操作，鉗壓電容先放電、后重合。
圖9 兩種重合閘操作過程Fig.9 Two kinds of reclosing process
操作A和操作B均能處理兩種不同故障。操作A先重合后放電，更適合暫時(shí)性故障多發(fā)的線路，處理暫時(shí)性故障時(shí)系統(tǒng)的恢復(fù)速度很快，在處理永久性故障時(shí)會(huì)存在延時(shí)較長或沖激較大等問題；操作B先放電后重合，更適合永久性故障多發(fā)的線路，處理永久性故障時(shí)能夠迅速進(jìn)入并完成第二次故障清除階段，處理暫時(shí)性故障時(shí)其延時(shí)相對(duì)會(huì)比較長。
本小節(jié)選取典型工況進(jìn)行分析，即出現(xiàn)暫時(shí)性故障時(shí)采用重合閘操作A、發(fā)生永久性故障時(shí)采用重合閘操作B。其中，鉗壓電容C=10 μF，分壓電容CC=5 μF，耗能電容Cd=100 μF，放電電容Cr=7 μF，充電電阻、耗能電阻和放電電容Rc、Rd、Cr=100 Ω，兩種故障工況下得到的波形分別如圖10所示。
圖10 兩種故障下的重合閘波形圖Fig.10 Wave diagram of reclosing process under different fault conditions
圖10中標(biāo)記有圓圈的波形圖展示的是采用重合閘操作A處理的暫時(shí)性故障的線路電流、電容電流和電容電壓的波形。t=1.96 s時(shí)為最初的鉗壓電容預(yù)充電階段。t=2 s時(shí)發(fā)生第一次故障，斷路器動(dòng)作將故障清除之后，線路電壓和電流均降為0，鉗壓電容的電壓不變。經(jīng)過200 ms的去游離時(shí)間之后，首先進(jìn)行重合閘，將穩(wěn)態(tài)通流支路全部恢復(fù)?？梢钥吹?，線路電流和電壓恢復(fù)至最初的水平，由于此時(shí)故障不再存在，因此電流和電壓能夠維持在這個(gè)水平。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，再對(duì)鉗壓電容進(jìn)行放電處理。
圖10中標(biāo)記有星形的波形圖展示的是采用重合閘操作B處理的永久性故障。同樣的，t=2 s時(shí)發(fā)生第一次故障，斷路器動(dòng)作將故障清除之后，線路電流和電容電流均降為0，隔離故障后首先通過放電支路將鉗壓電容進(jìn)行放電。在t=2.2 s時(shí)進(jìn)行重合閘，將鉗壓電容接至回路中，此時(shí)，由于故障仍然存在，因此鉗壓電容會(huì)被迅速充電，此時(shí)相當(dāng)于直接進(jìn)入了第二次故障的鉗壓階段。由于此次故障清除操作省去了電流轉(zhuǎn)移階段，因此故障電流發(fā)展時(shí)間短，體現(xiàn)在各個(gè)波形上，線路故障電流和線路電壓相比第一次故障更小，鉗壓電容的末態(tài)電壓也比第一次故障要更小?？梢钥吹剑诙喂收锨宄那宄俣群托Ч家獌?yōu)于第一次。
3 仿真分析驗(yàn)證
3.1 仿真系統(tǒng)
為進(jìn)一步驗(yàn)證和分析本文所提出的電容型斷路器拓?fù)涞墓收咸幚砟芰?，在PSCAD/EMTDC下建立基于半橋MMC的雙極四端直流電網(wǎng)系統(tǒng)，利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)故障清除過程進(jìn)行仿真[23]。該系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。
表1 四端直流電網(wǎng)參數(shù)
圖11 四端直流電網(wǎng)示意圖Fig.11 Diagram of four-terminal DC grid
3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
充電過程中，主要分析分壓電容、充電電阻的作用。即確定一組基準(zhǔn)值，之后通過改變?nèi)≈祦碛^察對(duì)應(yīng)參數(shù)變化對(duì)其他參數(shù)的影響[24]。
圖12所示為分壓電容Cc分別為5 μF、10 μF和15 μF時(shí)，充電電流和充電電壓的波形。在充電過程中分壓電容Cc和鉗壓電容C彼此分壓，調(diào)節(jié)分壓電容Cc的值就可以調(diào)節(jié)鉗壓電容C的初始電壓。分壓電容Cc的容值越小，鉗壓電容C上所分配的電壓值就越低，相應(yīng)的，由于充電回路的感抗相應(yīng)變大，因此充電電流也就越小。
圖12 分壓電容波形圖Fig.12 Wave diagram of divider capacitor Cc
圖13所示為充電電阻Rc分別取50 Ω、100 Ω和150 Ω時(shí)的充電電流和充電電壓的波形。充電電阻的取值越大，充電電流的值越小，充電電壓相應(yīng)也越小，但是充電時(shí)間反而會(huì)有一定的延長。
圖13 充電電阻波形圖Fig.13 Wave diagram of charging resistor Rc
分壓電容對(duì)充電過程各個(gè)參數(shù)起主要調(diào)節(jié)作用，充電電阻起次要調(diào)節(jié)作用。具體到充電過程中的電氣參數(shù)，主要有充電電流、充電電壓和充電時(shí)間三個(gè)，減小充電電流可以通過增大分壓電容、增大充電電阻來實(shí)現(xiàn)，降低充電電壓可以通過減小分壓電容、增大充電電阻，縮短充電時(shí)間可以通過減小分壓電容、減小充電電阻來實(shí)現(xiàn)。
鉗壓支路的核心器件是鉗壓電容，改變鉗壓電容的取值，得到鉗壓過程中電容電壓和支路電流的波形，如圖14所示。
圖14 鉗壓電容波形圖Fig.14 Wave diagram of capacitor C
從圖14中可以看到，鉗壓電容越小，在鉗壓過程后達(dá)到的電壓也越高，但鉗壓過程的時(shí)間會(huì)越短。鉗壓過程的時(shí)間決定了故障隔離的時(shí)間。動(dòng)作的快速性是本文關(guān)注的重點(diǎn)，因此應(yīng)優(yōu)先考慮降低鉗壓過程的時(shí)間。鉗壓容值較小變可以加快故障隔離，但過小則會(huì)造成鉗壓電壓值的過大，不同情況下綜合考慮二者關(guān)系，選取合適的取值。
耗能支路中通過改變耗能電容的容值，得到耗能過程中耗能支路的電流波形，如圖15所示。
圖15 耗能電容波形圖 Fig.15 Wave diagram of dissipating capacitor Cd
從圖15中可以看到，當(dāng)耗能電容減小時(shí)，支路中的電流也會(huì)降低得更快，耗能過程會(huì)進(jìn)行的更加迅速。但下降速度過快則容易對(duì)器件造成較大沖擊。不同情況下可以根據(jù)耗能時(shí)間和耗能電流來進(jìn)行選取耗能電容。
通過合理的調(diào)整器件參數(shù)的取值，可以基本實(shí)現(xiàn)充電過程各個(gè)電氣量的精確控制，以便和整個(gè)故障清除時(shí)序、或是各個(gè)保護(hù)整定值相配合，提升整體鉗壓器的性能以及和直流系統(tǒng)的匹配程度。
3.3 斷路器性能分析
本小節(jié)以MMC1和MMC2兩端之間的單極短路故障為例，驗(yàn)證所提斷路器的故障處理效果，故障檢測時(shí)間為1 ms，UFD延時(shí)為2 ms，圖16為仿真得到的電流、電壓和能量波形。
圖16 仿真波形圖Fig.16 Wave diagram of software simulation
t0-t1：t=2 s(t0時(shí)刻)發(fā)生單極短路故障，換流站出口側(cè)電流iMMC迅速增長，且與通流支路電流iLCS增長保持一致；換流站出口側(cè)電壓uMMC與網(wǎng)側(cè)電壓uGRID迅速下降。此階段等待系統(tǒng)檢測故障。
t1-t2：在電流轉(zhuǎn)移階段，t1時(shí)刻保護(hù)裝置檢測到故障，通流支路閉鎖iLCS降為0，開始關(guān)斷UFD1，電流轉(zhuǎn)移至鉗壓支路中，鉗壓支路電流iC迅速增長，且與換流站側(cè)電流iMMC增長保持一致。在t0-t2階段時(shí)：iMMC=iLCS+iC。
t2-t3：在鉗壓階段，鉗壓電容C接入回路，繼續(xù)充電至鉗壓電容C的兩端電壓為換流站直流電壓，此階段iC減小，uC=uMMC。系統(tǒng)開始恢復(fù)，故障電流下降，同時(shí)開通能量耗散支路，iDIS開始增長。t3時(shí)刻iMMC=0，故障隔離完成，故障隔離時(shí)間約為5.6 ms，與其他電容型斷路器約10 ms的故障隔離時(shí)間[15]相比，本文所提斷路器可以有效加快故障隔離時(shí)間。
t3-t4：等待UFD2約2 ms的關(guān)斷。
t4-t5：在耗能階段，耗能電容Cd和耗能電阻Rd接入，網(wǎng)側(cè)電流iGRID和耗能電流iDIS逐漸降低保持一致；耗能電容電壓uDIS因其充放電過程先逐漸升高后逐漸降低，網(wǎng)側(cè)電壓uGRID因耗能電容在線路和接地點(diǎn)間反接，故先減后增。最終iGRID、uGRID和uDIS降為0，故障清除完成。
隨著直流短路故障時(shí)，直流短路故障電流的快速上升，也伴隨換流站中暫態(tài)能量的動(dòng)態(tài)變化。圖16(c)為換流站1中斷路器動(dòng)作與否的能量分析，以2 s時(shí)能量初始值為零為參考，2.02 s故障清除時(shí)，本文所提斷路器可以減緩換流站1中能量增長，間接地反映對(duì)故障電流的影響，有利于直流電網(wǎng)故障后恢復(fù)重啟。
3.4 雙極短路故障線路設(shè)計(jì)
本小節(jié)以MMC1和MMC2兩端之間的雙極短路故障為例驗(yàn)證斷路器的故障處理效果，根據(jù)換流器出口位置以及正負(fù)極線的方向?qū)嗦菲鞯陌惭b方法、接線和器件極性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。兩端換流站間雙極四臺(tái)斷路器的設(shè)計(jì)安裝如圖17所示。
圖17 雙極線路設(shè)計(jì)Fig.17 Design of bipolar transmission line
由于故障時(shí)，正極線上的高電勢點(diǎn)在換流側(cè)，負(fù)極線上的高電勢點(diǎn)在短路點(diǎn)，所以鉗壓支路的電容必須置為相反方向；同時(shí)由于穩(wěn)態(tài)通路的電流轉(zhuǎn)移時(shí)需要由IGBT關(guān)斷電流，故線路上的IGBT開關(guān)組也需要設(shè)置為相反方向。
針對(duì)正極線路與負(fù)極線路的不同，鉗壓支路中鉗壓電容設(shè)置為相反方向，且線路的IGBT也設(shè)置為相反方向。充電支路可直接正負(fù)極相接，去掉接地點(diǎn)以節(jié)省器件。能量耗散支路也可以直接正負(fù)極相接，但接地點(diǎn)需保留以通過能量耗散回路清除故障。
采用本文所提出的雙極線路安裝方法進(jìn)行仿真，故障點(diǎn)設(shè)在換流站A出口附近，得到四臺(tái)斷路器的出口電壓波形，分別如圖18所示。
圖18 換流站兩端仿真波形圖Fig.18 Wave diagram of converter station between two terminals
對(duì)比以上波形圖，可以看到，正極線的斷路器在動(dòng)作時(shí)，其出口電壓由+500 kV經(jīng)一定震蕩過程降至0，負(fù)極線的斷路器在動(dòng)作時(shí)，其出口電壓由-500 kV經(jīng)一定震蕩過程升至0。另外，故障點(diǎn)近端的斷路器，其電壓波形在暫態(tài)過程中震蕩較弱，而且震蕩消除較快；故障點(diǎn)遠(yuǎn)端的斷路器，其電壓波形在暫態(tài)過程中震蕩較強(qiáng)，而且震蕩消除較慢。這可能是由于故障遠(yuǎn)端的斷路器與故障點(diǎn)之間的線路較長，在暫態(tài)過程中，線路的等效電感很大，因此引起的震蕩也比較大。
4 結(jié) 論
本文針對(duì)所提出適用于HVDC的可快速隔離故障的電容型直流斷路器，首先分析了斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照工作過程的順序分析了其工作原理；之后，針對(duì)斷路器在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用，提出了三種配套設(shè)計(jì)方案，對(duì)其原理進(jìn)行了分析。最后，通過PSCAD軟件在單雙極故障下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，分析了有無斷路器下的暫態(tài)能量，結(jié)論總結(jié)如下：
(1)本文所提斷路器以電容為核心器件，采用小容值電容作為鉗壓電容，結(jié)合預(yù)充電過程，快速隔離故障，其后緩慢耗散能量。其工作過程可以分為充電、鉗壓和耗能過程，對(duì)各階段工作原理進(jìn)行了分析。
(2)本文共提出三種配套設(shè)計(jì)方案，包括雙向分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)、分級(jí)投入結(jié)構(gòu)、電容放電和重合閘策略設(shè)計(jì)，提升穩(wěn)定性，滿足可靠清除直流故障的需求。
(3)利用仿真對(duì)斷路器的工作過程進(jìn)行了模擬，分析電流電壓與暫態(tài)能量的變化，并對(duì)不同參數(shù)下的電容、電阻值進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，其結(jié)果驗(yàn)證了本文方案的可行性，對(duì)于今后斷路器發(fā)展具有借鑒意義。
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華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2020年6期
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武董一， 李嘉龍， 許建中， 趙成勇
(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206)
收稿日期：2020-04-16.
基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0904600)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51607065).
0 引 言
隨著世界范圍內(nèi)化石資源的日益枯竭，可再生能源的發(fā)展勢不可擋[1-3]，柔性直流電網(wǎng)也隨著快速發(fā)展。目前，正在建設(shè)的張北±500 kV四端柔性直流電網(wǎng)示范工程將在全世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)風(fēng)電經(jīng)直流電網(wǎng)向特大城市供電[4]。
而相比于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)，由電力電子設(shè)備組成的直流電網(wǎng)是一個(gè)“低慣量、低阻抗”系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)比交流電網(wǎng)至少小2個(gè)數(shù)量級(jí)[5-6]。當(dāng)直流線路發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，換流器及直流側(cè)的各種儲(chǔ)能元件都會(huì)向故障點(diǎn)饋入能量，導(dǎo)致流過電力電子開關(guān)器件的電流迅速上升，如若不及時(shí)將故障進(jìn)行隔離和清除，將危害器件甚至整個(gè)直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)系統(tǒng)的安全[7]。因此，及時(shí)清除故障線路、保證健全線路的功率傳輸是保證直流電網(wǎng)可靠運(yùn)行的前提。
現(xiàn)階段清除直流故障的方案中最為普遍的是采用直流斷路器[8]，張北四端工程中也采用直流斷路器來切斷故障，斷路器方案一般通過增大故障回路電阻來抑制故障電流。
根據(jù)直流斷路器中主要開關(guān)元件的不同，可分為：機(jī)械式直流斷路器[9]、全固態(tài)直流斷路器[10]以及混合式直流斷路器[11-12]。機(jī)械式斷路器采用快速機(jī)械開關(guān)實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)來切斷故障電流。然而隨著電網(wǎng)容量的上升和電壓等級(jí)的提高，機(jī)械式斷路器愈發(fā)難以滿足需求。全固態(tài)斷路器使用電力電子設(shè)備來切斷故障電流，具有速度較快和使用壽命較長的優(yōu)勢，但其造價(jià)較高?；旌鲜綌嗦菲骶C合了機(jī)械式斷路器與全固態(tài)斷路器的優(yōu)勢?；陔娙莸幕旌鲜綌嗦菲饕话悴捎霉收蠒r(shí)插入預(yù)充電電容來抑制故障電流，因其快速性、開斷能力等優(yōu)勢近年來愈加受到國內(nèi)外的重視。
文獻(xiàn)[13]提出了一種適用于高壓直流輸電系統(tǒng)的預(yù)充電電容型斷路器，可在零電壓下斷開機(jī)械開關(guān)，但其沒有給出對(duì)應(yīng)的重合閘策略也無法處理雙側(cè)直流故障。文獻(xiàn)[14]中提出了一種由電容和二極管閥組串聯(lián)作為主支路的電容換相型斷路器，并提出了幾種擴(kuò)展拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來減小通態(tài)功率損耗。但其工作原理和控制策略較為復(fù)雜，且10 ms的故障隔離時(shí)間難以滿足大容量直流輸電需求。文獻(xiàn)[15]提出了一種主電路中電容初始電壓為零的混合斷路器，但其故障隔離時(shí)間約為10 ms，且不能切斷雙向故障電流。文獻(xiàn)[16]提出了一個(gè)主電路采用電容作為緩沖的斷路器，但其器件需大量的IGBT，經(jīng)濟(jì)性較差。文獻(xiàn)[17]提出了一種采用預(yù)充電電容型斷路器拓?fù)洳?duì)比了經(jīng)濟(jì)性方案，然而其只針對(duì)單極故障線路給出了解決辦法。
另一大直流故障清除策略為降低故障回路電壓，比如具備子模塊閉鎖能力的混合型模塊化多電平換流器，其內(nèi)部采用的全橋型子模塊使得換流站出口電壓降為零，直流母線電流降為零[18-19]。
因現(xiàn)有電容型斷路器中包含大量電力電子器件從而經(jīng)濟(jì)性較差，且傳統(tǒng)方案斷路器故障隔離速度難以滿足需求。本文提出了一種基于電壓鉗位的電容型直流斷路器。通過故障時(shí)電路中接入預(yù)充電電容產(chǎn)生鉗壓電壓使網(wǎng)側(cè)線路電壓降為零，進(jìn)而隔離故障，并進(jìn)行耗能過程。本文所提的故障隔離方案比其他方案更為快速，從而可以加快電網(wǎng)的恢復(fù)過程。在此基礎(chǔ)上，本文提出了相應(yīng)的雙向分段、電容分級(jí)投入、重合閘策略、單雙極方案等配套設(shè)計(jì)，最后使用PSCAD軟件，通過采用斷路器后的電壓、電流、暫態(tài)能量仿真驗(yàn)證了本文方案的可行性。
1 電容型斷路器拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>1.1 電容型斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為本文所提的電容型斷路器拓?fù)?，包括通流支路、充電支路、鉗壓支路、能量耗散支路和電容放電支路。
圖1 電容型斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of capacitor-based circuit breaker
通流支路包括負(fù)載轉(zhuǎn)化開關(guān)(Load Commutation Switch，LCS)和超快速機(jī)械開關(guān)(Ultra Fast Disconnector, UFD)UFD1、UFD2。
鉗壓支路為拓?fù)浜诵闹?，包括鉗壓電容C、IGBT開關(guān)T3、二極管Dc。
充電支路包括剩余電流開關(guān)(Residual Current Breaker，RCB)RCB1、充電電阻Rc和分壓電容Cc。
能量耗散支路包括IGBT開關(guān)T4、耗能電容Cd和耗能電阻Rd。
電容放電支路包括剩余電流開關(guān)RCB2、放電電阻Rr和放電電容Cr。
1.2 電容型斷路器的工作原理
本節(jié)將分三個(gè)階段介紹本文拓?fù)涞墓ぷ髟怼?/p>
(1)充電階段
如圖2所示，在正常電流流過通流支路時(shí)，閉合RCB1，直流線路開始向鉗壓電容C充電。
圖2 充電階段Fig.2 Charging process
直流電流iMMC中包括正常的低損耗通流iLCS和給鉗壓電容充電的充電電流icharge。充電支路中二極管DC使得該支路不會(huì)發(fā)生震蕩，充電完成后RCB1打開，充電電流降為零。
(2)鉗壓階段
鉗壓階段將通過鉗壓電容使故障鉗位，隔離故障。
t0-t1：故障檢測。t0時(shí)刻發(fā)生直流故障后，保護(hù)裝置需要時(shí)間檢測故障，此階段斷路器不動(dòng)作，故障電流經(jīng)過通流支路流向故障點(diǎn)。
t1-t2：電流轉(zhuǎn)移。如圖3(a)所示，t1時(shí)刻保護(hù)裝置檢測到故障，發(fā)出指令閉鎖通流支路，同時(shí)通流支路中電流轉(zhuǎn)移到T3支路中，待通流支路電流降為0，關(guān)斷UFD1，一般而言，機(jī)械開關(guān)的分?jǐn)嘈? ms延時(shí)[20]。
t2-t3：鉗壓過程。如圖3(b)所示，UFD1已關(guān)斷，t2時(shí)刻將T3閉鎖，并接入鉗壓電容C。鉗壓電容在充電階段的一定電壓值基礎(chǔ)上繼續(xù)充電，充至鉗壓電容C的兩端電壓為換流站直流電壓，此時(shí)uC=uMMC。此階段故障電流下降，同時(shí)T4開通續(xù)流回路。t3時(shí)刻，iclamp降為零，UFD2關(guān)斷，完成故障隔離。
(3)耗能階段
在鉗壓階段隔離故障后，耗能階段通過能量耗散支路消耗網(wǎng)側(cè)能量，并完成故障清除。
t3-t4：等待關(guān)斷。t3時(shí)刻，iclamp降為零后，等待機(jī)械開關(guān)UFD2約2 ms的分?jǐn)鄷r(shí)間。
t4-t5：耗散能量。如圖4所示，UFD2已關(guān)斷，將T4閉鎖，并接入耗能電容Cd和耗能電阻Rd。最終于t5時(shí)刻完成故障清除，后續(xù)將準(zhǔn)備重合閘操作。
圖3 鉗壓階段Fig.3 Voltage clamping process
圖4 剩余能量耗散階段Fig.4 Diagram of residual energy dissipating process
2 電容型斷路器配套設(shè)計(jì)
本節(jié)針對(duì)所提斷路器方案，提出了三種配套設(shè)計(jì)方案，即雙向分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)、電容分級(jí)投入和兩種重合閘策略，對(duì)相應(yīng)的工作原理和工作過程進(jìn)行了分析，并分析了每個(gè)結(jié)構(gòu)的意義和作用，以改善現(xiàn)有同類方案實(shí)用性較差，適用范圍較窄，穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)。
2.1 雙向分段
在直流電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于故障位置具有隨機(jī)性，且電流是可以反轉(zhuǎn)的[21]，僅具備單向故障分?jǐn)嗄芰Φ闹绷鲾嗦菲魇请y以滿足直流電網(wǎng)后備保護(hù)的需求的。
本文所提拓?fù)湓阢Q壓支路和能量耗散支路的兩端均配置一組二極管整流橋，在這種電路結(jié)構(gòu)下，無論電流是從左側(cè)流向右側(cè)，還是從右側(cè)流向左側(cè)，鉗壓支路和能量耗散支路中流過的電流的方向都是不變的，因此無論故障電流流向如何，斷路器都能正常的分?jǐn)喙收想娏鳌?/p>
圖5(a)為故障點(diǎn)在斷路器右側(cè)時(shí)，故障清除階段的電流方向?yàn)橛勺笙蛴遥粓D5(b)為故障點(diǎn)在斷路器左側(cè)時(shí)，電流方向?yàn)橛捎蚁蜃蟆?/p>
圖5 直流故障點(diǎn)在不同位置時(shí)的故障電流流向Fig.5 Fault current paths for different locations of DC fault
可以看到，對(duì)于鉗壓支路來說，無論電流方向如何，鉗壓支路上流過的電流都是由上至下，因此鉗壓支路能夠正常的進(jìn)行鉗壓過程；對(duì)于耗能支路來說也是類似的，無論電流方向如何，支路上流過的電流都是由左至右，可以正常完成故障隔離與清除工作。
2.2 分級(jí)投入結(jié)構(gòu)
鉗壓支路中的電容實(shí)際上可以采用若干電容模塊串并聯(lián)組成。在故障清除過程中，如果將全部電容模塊在同一時(shí)刻投入故障回路，由于其總體的容值很小，等效阻抗較大，由此引發(fā)的電壓沖激會(huì)很高，容易對(duì)斷路器的其他部分造成影響。如圖6所示，本小節(jié)提出的電容分級(jí)投入結(jié)構(gòu)，將串聯(lián)電容按順序以一定的延時(shí)依次投入故障回路。
圖6 電容分級(jí)投入結(jié)構(gòu)Fig.6 Step-insert structure of the clamping capacitor
初始狀態(tài)下，5個(gè)IGBT開關(guān)TⅠ、TⅡ、TⅢ、TⅣ、TⅤ均處于導(dǎo)通狀態(tài)，其兩端并聯(lián)的電容均被旁路。此處的5個(gè)串聯(lián)模塊數(shù)僅為分析方便，在實(shí)際的工程配置中，串聯(lián)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行配置[22]。
狀態(tài)1中，TⅠ關(guān)斷，將其對(duì)應(yīng)的電容CⅠ投入電路。在接下來的四個(gè)狀態(tài)中，IGBT按照固定延時(shí)依次關(guān)斷，將電容依次投入電路中，直至狀態(tài)5中全部電容完全投入。
分級(jí)投入結(jié)構(gòu)有兩個(gè)優(yōu)勢，其一，由于單個(gè)模塊的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整體阻抗，因此逐個(gè)投入會(huì)使得支路的阻抗逐漸升高，而不是瞬間升高，這樣可以降低由此引發(fā)的沖激；其二，可以通過調(diào)整設(shè)置的延時(shí)來調(diào)整鉗壓支路投入所用的時(shí)長，以此來進(jìn)一步對(duì)沖激進(jìn)行調(diào)節(jié)，或者是調(diào)整故障清除過程的時(shí)序。
為進(jìn)一步分析鉗壓電容的分級(jí)投入過程，本節(jié)通過將該拓?fù)浞胖迷谝粏味说刃到y(tǒng)中進(jìn)行模擬分析。斷路器串聯(lián)電容模塊個(gè)數(shù)設(shè)為5個(gè)，每個(gè)為50 μF，投入延時(shí)分別設(shè)為0.1 ms、0.2 ms和0.3 ms，重點(diǎn)考察鉗壓電容在鉗壓階段的電壓波形，得到的結(jié)果如圖7示。
圖7 分級(jí)投入結(jié)構(gòu)仿真波形圖Fig.7 Wave diagram of step-insert structure
從圖7中可以看到，三個(gè)波形都是隨著不同時(shí)間的推移呈現(xiàn)階梯式上升的趨勢，其中的每一個(gè)階梯對(duì)應(yīng)的是一個(gè)模塊的投入，而模塊的依次投入也可以相應(yīng)的降低電路中所產(chǎn)生的沖激。另外，設(shè)置的單次投入的延時(shí)越長，整個(gè)閥段完全投入所用的時(shí)間也相應(yīng)越長，這可以用來進(jìn)行故障處理時(shí)序的調(diào)整。
2.3 電容放電和重合閘策略設(shè)計(jì)
在充電階段和鉗壓階段結(jié)束后，需對(duì)鉗壓電容電壓進(jìn)行放電。電容放電回路如圖8所示，可通過調(diào)節(jié)放電電容Cr來調(diào)節(jié)鉗壓電容C放電后的電壓值。
圖8 電容放電回路設(shè)計(jì)方案Fig.8 Design of capacitor discharging branch
常見的電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，架空線大多時(shí)候發(fā)生的故障都是瞬時(shí)性故障，只有不到10%的故障是永久性的[20]。高壓直流斷路器的重合閘設(shè)計(jì)不僅能夠提高系統(tǒng)的輸電可靠性，提高暫態(tài)性能，還能降低因?yàn)槎虝r(shí)功率缺額引發(fā)的各種危害的可能性及額外損失。本文針對(duì)瞬時(shí)性故障與永久性故障給出了兩種重合閘操作：
操作A：如圖9(a)所示，直接重合通流支路的器件UFD1、T1和UFD2。重合閘操作后系統(tǒng)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的恢復(fù)速度較快，鉗壓電容放電在重合閘后進(jìn)行。
操作B：如圖9(b)所示，先重合UFD2，此時(shí)若線路電流較小，可判斷系統(tǒng)發(fā)生的是暫時(shí)性故障，故可以將通流支路重合使系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)；若發(fā)生永久性故障，由于此時(shí)鉗壓電容接在故障回路內(nèi)，因此斷路器會(huì)直接進(jìn)入鉗壓階段，以再次處理故障，直至再次清除故障。此操作為試探性部分重合閘操作，鉗壓電容先放電、后重合。
圖9 兩種重合閘操作過程Fig.9 Two kinds of reclosing process
操作A和操作B均能處理兩種不同故障。操作A先重合后放電，更適合暫時(shí)性故障多發(fā)的線路，處理暫時(shí)性故障時(shí)系統(tǒng)的恢復(fù)速度很快，在處理永久性故障時(shí)會(huì)存在延時(shí)較長或沖激較大等問題；操作B先放電后重合，更適合永久性故障多發(fā)的線路，處理永久性故障時(shí)能夠迅速進(jìn)入并完成第二次故障清除階段，處理暫時(shí)性故障時(shí)其延時(shí)相對(duì)會(huì)比較長。
本小節(jié)選取典型工況進(jìn)行分析，即出現(xiàn)暫時(shí)性故障時(shí)采用重合閘操作A、發(fā)生永久性故障時(shí)采用重合閘操作B。其中，鉗壓電容C=10 μF，分壓電容CC=5 μF，耗能電容Cd=100 μF，放電電容Cr=7 μF，充電電阻、耗能電阻和放電電容Rc、Rd、Cr=100 Ω，兩種故障工況下得到的波形分別如圖10所示。
圖10 兩種故障下的重合閘波形圖Fig.10 Wave diagram of reclosing process under different fault conditions
圖10中標(biāo)記有圓圈的波形圖展示的是采用重合閘操作A處理的暫時(shí)性故障的線路電流、電容電流和電容電壓的波形。t=1.96 s時(shí)為最初的鉗壓電容預(yù)充電階段。t=2 s時(shí)發(fā)生第一次故障，斷路器動(dòng)作將故障清除之后，線路電壓和電流均降為0，鉗壓電容的電壓不變。經(jīng)過200 ms的去游離時(shí)間之后，首先進(jìn)行重合閘，將穩(wěn)態(tài)通流支路全部恢復(fù)?？梢钥吹?，線路電流和電壓恢復(fù)至最初的水平，由于此時(shí)故障不再存在，因此電流和電壓能夠維持在這個(gè)水平。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，再對(duì)鉗壓電容進(jìn)行放電處理。
圖10中標(biāo)記有星形的波形圖展示的是采用重合閘操作B處理的永久性故障。同樣的，t=2 s時(shí)發(fā)生第一次故障，斷路器動(dòng)作將故障清除之后，線路電流和電容電流均降為0，隔離故障后首先通過放電支路將鉗壓電容進(jìn)行放電。在t=2.2 s時(shí)進(jìn)行重合閘，將鉗壓電容接至回路中，此時(shí)，由于故障仍然存在，因此鉗壓電容會(huì)被迅速充電，此時(shí)相當(dāng)于直接進(jìn)入了第二次故障的鉗壓階段。由于此次故障清除操作省去了電流轉(zhuǎn)移階段，因此故障電流發(fā)展時(shí)間短，體現(xiàn)在各個(gè)波形上，線路故障電流和線路電壓相比第一次故障更小，鉗壓電容的末態(tài)電壓也比第一次故障要更小?？梢钥吹剑诙喂收锨宄那宄俣群托Ч家獌?yōu)于第一次。
3 仿真分析驗(yàn)證
3.1 仿真系統(tǒng)
為進(jìn)一步驗(yàn)證和分析本文所提出的電容型斷路器拓?fù)涞墓收咸幚砟芰?，在PSCAD/EMTDC下建立基于半橋MMC的雙極四端直流電網(wǎng)系統(tǒng)，利用PSCAD/EMTDC軟件對(duì)故障清除過程進(jìn)行仿真[23]。該系統(tǒng)的具體參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。
表1 四端直流電網(wǎng)參數(shù)
圖11 四端直流電網(wǎng)示意圖Fig.11 Diagram of four-terminal DC grid
3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
充電過程中，主要分析分壓電容、充電電阻的作用。即確定一組基準(zhǔn)值，之后通過改變?nèi)≈祦碛^察對(duì)應(yīng)參數(shù)變化對(duì)其他參數(shù)的影響[24]。
圖12所示為分壓電容Cc分別為5 μF、10 μF和15 μF時(shí)，充電電流和充電電壓的波形。在充電過程中分壓電容Cc和鉗壓電容C彼此分壓，調(diào)節(jié)分壓電容Cc的值就可以調(diào)節(jié)鉗壓電容C的初始電壓。分壓電容Cc的容值越小，鉗壓電容C上所分配的電壓值就越低，相應(yīng)的，由于充電回路的感抗相應(yīng)變大，因此充電電流也就越小。
圖12 分壓電容波形圖Fig.12 Wave diagram of divider capacitor Cc
圖13所示為充電電阻Rc分別取50 Ω、100 Ω和150 Ω時(shí)的充電電流和充電電壓的波形。充電電阻的取值越大，充電電流的值越小，充電電壓相應(yīng)也越小，但是充電時(shí)間反而會(huì)有一定的延長。
圖13 充電電阻波形圖Fig.13 Wave diagram of charging resistor Rc
分壓電容對(duì)充電過程各個(gè)參數(shù)起主要調(diào)節(jié)作用，充電電阻起次要調(diào)節(jié)作用。具體到充電過程中的電氣參數(shù)，主要有充電電流、充電電壓和充電時(shí)間三個(gè)，減小充電電流可以通過增大分壓電容、增大充電電阻來實(shí)現(xiàn)，降低充電電壓可以通過減小分壓電容、增大充電電阻，縮短充電時(shí)間可以通過減小分壓電容、減小充電電阻來實(shí)現(xiàn)。
鉗壓支路的核心器件是鉗壓電容，改變鉗壓電容的取值，得到鉗壓過程中電容電壓和支路電流的波形，如圖14所示。
圖14 鉗壓電容波形圖Fig.14 Wave diagram of capacitor C
從圖14中可以看到，鉗壓電容越小，在鉗壓過程后達(dá)到的電壓也越高，但鉗壓過程的時(shí)間會(huì)越短。鉗壓過程的時(shí)間決定了故障隔離的時(shí)間。動(dòng)作的快速性是本文關(guān)注的重點(diǎn)，因此應(yīng)優(yōu)先考慮降低鉗壓過程的時(shí)間。鉗壓容值較小變可以加快故障隔離，但過小則會(huì)造成鉗壓電壓值的過大，不同情況下綜合考慮二者關(guān)系，選取合適的取值。
耗能支路中通過改變耗能電容的容值，得到耗能過程中耗能支路的電流波形，如圖15所示。
圖15 耗能電容波形圖 Fig.15 Wave diagram of dissipating capacitor Cd
從圖15中可以看到，當(dāng)耗能電容減小時(shí)，支路中的電流也會(huì)降低得更快，耗能過程會(huì)進(jìn)行的更加迅速。但下降速度過快則容易對(duì)器件造成較大沖擊。不同情況下可以根據(jù)耗能時(shí)間和耗能電流來進(jìn)行選取耗能電容。
通過合理的調(diào)整器件參數(shù)的取值，可以基本實(shí)現(xiàn)充電過程各個(gè)電氣量的精確控制，以便和整個(gè)故障清除時(shí)序、或是各個(gè)保護(hù)整定值相配合，提升整體鉗壓器的性能以及和直流系統(tǒng)的匹配程度。
3.3 斷路器性能分析
本小節(jié)以MMC1和MMC2兩端之間的單極短路故障為例，驗(yàn)證所提斷路器的故障處理效果，故障檢測時(shí)間為1 ms，UFD延時(shí)為2 ms，圖16為仿真得到的電流、電壓和能量波形。
圖16 仿真波形圖Fig.16 Wave diagram of software simulation
t0-t1：t=2 s(t0時(shí)刻)發(fā)生單極短路故障，換流站出口側(cè)電流iMMC迅速增長，且與通流支路電流iLCS增長保持一致；換流站出口側(cè)電壓uMMC與網(wǎng)側(cè)電壓uGRID迅速下降。此階段等待系統(tǒng)檢測故障。
t1-t2：在電流轉(zhuǎn)移階段，t1時(shí)刻保護(hù)裝置檢測到故障，通流支路閉鎖iLCS降為0，開始關(guān)斷UFD1，電流轉(zhuǎn)移至鉗壓支路中，鉗壓支路電流iC迅速增長，且與換流站側(cè)電流iMMC增長保持一致。在t0-t2階段時(shí)：iMMC=iLCS+iC。
t2-t3：在鉗壓階段，鉗壓電容C接入回路，繼續(xù)充電至鉗壓電容C的兩端電壓為換流站直流電壓，此階段iC減小，uC=uMMC。系統(tǒng)開始恢復(fù)，故障電流下降，同時(shí)開通能量耗散支路，iDIS開始增長。t3時(shí)刻iMMC=0，故障隔離完成，故障隔離時(shí)間約為5.6 ms，與其他電容型斷路器約10 ms的故障隔離時(shí)間[15]相比，本文所提斷路器可以有效加快故障隔離時(shí)間。
t3-t4：等待UFD2約2 ms的關(guān)斷。
t4-t5：在耗能階段，耗能電容Cd和耗能電阻Rd接入，網(wǎng)側(cè)電流iGRID和耗能電流iDIS逐漸降低保持一致；耗能電容電壓uDIS因其充放電過程先逐漸升高后逐漸降低，網(wǎng)側(cè)電壓uGRID因耗能電容在線路和接地點(diǎn)間反接，故先減后增。最終iGRID、uGRID和uDIS降為0，故障清除完成。
隨著直流短路故障時(shí)，直流短路故障電流的快速上升，也伴隨換流站中暫態(tài)能量的動(dòng)態(tài)變化。圖16(c)為換流站1中斷路器動(dòng)作與否的能量分析，以2 s時(shí)能量初始值為零為參考，2.02 s故障清除時(shí)，本文所提斷路器可以減緩換流站1中能量增長，間接地反映對(duì)故障電流的影響，有利于直流電網(wǎng)故障后恢復(fù)重啟。
3.4 雙極短路故障線路設(shè)計(jì)
本小節(jié)以MMC1和MMC2兩端之間的雙極短路故障為例驗(yàn)證斷路器的故障處理效果，根據(jù)換流器出口位置以及正負(fù)極線的方向?qū)嗦菲鞯陌惭b方法、接線和器件極性進(jìn)行了設(shè)計(jì)。兩端換流站間雙極四臺(tái)斷路器的設(shè)計(jì)安裝如圖17所示。
圖17 雙極線路設(shè)計(jì)Fig.17 Design of bipolar transmission line
由于故障時(shí)，正極線上的高電勢點(diǎn)在換流側(cè)，負(fù)極線上的高電勢點(diǎn)在短路點(diǎn)，所以鉗壓支路的電容必須置為相反方向；同時(shí)由于穩(wěn)態(tài)通路的電流轉(zhuǎn)移時(shí)需要由IGBT關(guān)斷電流，故線路上的IGBT開關(guān)組也需要設(shè)置為相反方向。
針對(duì)正極線路與負(fù)極線路的不同，鉗壓支路中鉗壓電容設(shè)置為相反方向，且線路的IGBT也設(shè)置為相反方向。充電支路可直接正負(fù)極相接，去掉接地點(diǎn)以節(jié)省器件。能量耗散支路也可以直接正負(fù)極相接，但接地點(diǎn)需保留以通過能量耗散回路清除故障。
采用本文所提出的雙極線路安裝方法進(jìn)行仿真，故障點(diǎn)設(shè)在換流站A出口附近，得到四臺(tái)斷路器的出口電壓波形，分別如圖18所示。
圖18 換流站兩端仿真波形圖Fig.18 Wave diagram of converter station between two terminals
對(duì)比以上波形圖，可以看到，正極線的斷路器在動(dòng)作時(shí)，其出口電壓由+500 kV經(jīng)一定震蕩過程降至0，負(fù)極線的斷路器在動(dòng)作時(shí)，其出口電壓由-500 kV經(jīng)一定震蕩過程升至0。另外，故障點(diǎn)近端的斷路器，其電壓波形在暫態(tài)過程中震蕩較弱，而且震蕩消除較快；故障點(diǎn)遠(yuǎn)端的斷路器，其電壓波形在暫態(tài)過程中震蕩較強(qiáng)，而且震蕩消除較慢。這可能是由于故障遠(yuǎn)端的斷路器與故障點(diǎn)之間的線路較長，在暫態(tài)過程中，線路的等效電感很大，因此引起的震蕩也比較大。
4 結(jié) 論
本文針對(duì)所提出適用于HVDC的可快速隔離故障的電容型直流斷路器，首先分析了斷路器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按照工作過程的順序分析了其工作原理；之后，針對(duì)斷路器在直流電網(wǎng)中的應(yīng)用，提出了三種配套設(shè)計(jì)方案，對(duì)其原理進(jìn)行了分析。最后，通過PSCAD軟件在單雙極故障下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，分析了有無斷路器下的暫態(tài)能量，結(jié)論總結(jié)如下：
(1)本文所提斷路器以電容為核心器件，采用小容值電容作為鉗壓電容，結(jié)合預(yù)充電過程，快速隔離故障，其后緩慢耗散能量。其工作過程可以分為充電、鉗壓和耗能過程，對(duì)各階段工作原理進(jìn)行了分析。
(2)本文共提出三種配套設(shè)計(jì)方案，包括雙向分?jǐn)嘟Y(jié)構(gòu)、分級(jí)投入結(jié)構(gòu)、電容放電和重合閘策略設(shè)計(jì)，提升穩(wěn)定性，滿足可靠清除直流故障的需求。
(3)利用仿真對(duì)斷路器的工作過程進(jìn)行了模擬，分析電流電壓與暫態(tài)能量的變化，并對(duì)不同參數(shù)下的電容、電阻值進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化，其結(jié)果驗(yàn)證了本文方案的可行性，對(duì)于今后斷路器發(fā)展具有借鑒意義。
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