VSC与LCC混合级联直流输电系统暂态电流抑制方法

许冬*,李探,梅念,乐波  

(国网经济技术研究院有限公司,北京市 昌平区 102209)

摘要

混合级联直流输电系统在向负荷中心送电方面具有优势,但由于其低压端换流器由多个VSC并联构成,在故障穿越及运行方式转换过程中,VSC区域的暂态电流峰值大、衰减时间长,给设备研制与系统性能提升带来巨大挑战。为降低暂态电流,从优化VSC区域主回路入手,提出在VSC直流侧串联二极管,或在旁路开关串联电阻的方案。在此基础上,进一步研究了二极管的布置方案及串联电阻值的选取方法。理论分析与仿真结果表明,2种方案均可有效降低暂态电流的峰值与衰减时间,极大提升换流阀、机械开关及转换开关、测量装置的安全裕度。最后对比了这2种暂态电流抑制方法,并结合工程实际需求给出了推荐方案。

关键词 : 混合直流;暂态电流;二极管;串联电阻

基金项目:国家电网公司科技项目(5202011600TV);国家重点研发计划项目(2016YFB0900905)。 Science and Technology Foundation of SGCC(5202011600TV); National Key Research and Development Program of China(2016YFB0900905).

0 引言

由于中国东部与西部、南部与北部能源与负荷的分布特点,中国实施了西电东送、北电南送战略,在“十三五”期间先后规划了“四交四直”“五交八直”工程[1],特高压直流得到了迅速发展。虽然不断投运的特高压直流工程极大缓解了负荷中心用电紧张的局面,但是受端交流电网面临着多回直流同时换相失败的风险[2],继续增加特高压常规直流落点将影响受端电网安全稳定性[3-6]。因此,结合了常规直流和柔性直流技术优势的混合直流技术受到了更多关注[7-11]。柔性直流采用全控型器件,无换相失败问题,并且近年来随着器件性能的提高,柔性直流的电压等级和输送容量得到了极大提升,通过数个换流器的串并联即可达到与常规直流相同的输送容量,为混合直流输电的工程应用提供了必要条件。

目前学者们提出了多种适用于不同场景的混合直流输电拓扑,多属于并联结构,但文献[12]提出了一种受端由电压源换流器(voltage sourced converter, VSC)与电流源换流器(line commutated converter, LCC)串联的拓扑,可直接将远方能源基地的大量电能送往已有多条直流馈入的负荷中心,并可提供动态无功支撑,改善受端电网的电压稳定问题。目前,文献[13-14]研究了该拓扑的直流线路故障穿越问题,但关于暂态电流等其他关键问题尚未见文献报道。

暂态电流的研究关乎设备选型,是工程投运后可靠性和安全性的重要保障。为匹配特高压工程的输送容量,文献[12]提出的特高压混合直流输电拓扑低压端由3个基于半桥结构的VSC并联构成。为保证运行方式的灵活性,与常规特高压直流工程类似,VSC同样配置旁路开关。在VSC交流故障穿越失败或阀侧故障时合闸旁路开关,一方面可保证VSC换流阀的安全,另一方面可保留高压端LCC继续运行,避免单极停运造成功率全部损失。然而,低压端旁路开关合闸将造成3个VSC同时向直流侧馈入短路电流,400 kV区域的设备及VSC换流阀的暂态电流应力极大,进而增加旁路开关等设备制造难度和成本,同时会降低设备的使用寿命。

为抑制混合级联直流输电系统的暂态电流,本文从优化VSC主回路入手,提出在VSC直流侧串联二极管或在旁路开关串联电阻2种方法。对于串联二极管方案,本文研究了二极管的布置方案,对比了布置在VSC高压端和低压端2种方案的优劣;对于串联电阻方案,本文研究了该方案的接线方式以及电阻与避雷器的配合关系。

本文对上述2种暂态电流抑制方案均进行了仿真验证,结果表明,2种方案均能有效降低暂态电流的峰值与衰减时间,换流阀、机械开关及转换开关的安全裕度得到极大提升。

1 混合级联直流输电系统拓扑

混合级联拓扑一般用于受端,其高压端换流器为1个12脉动换流器,低压端换流器由数个VSC并联构成,并联数目取决于系统的输送功率,例如±800 kV/ 8000 MW的特高压工程为增加可靠性,一般采用3个VSC并联,可保证单个VSC退出时不降低输送功率。送端与常规直流相同,仍采用双12脉动换流器,单极结构如图1所示。

图1 混合级联直流单极结构示意图
Fig.1 Scheme of hybrid cascaded DC unipolar structure

为实现受端交流系统故障穿越,受端VSC并联可控避雷器,用于吸收故障期间注入VSC的盈余功率[15-16]。在故障穿越期间,旁路部分避雷器电阻片,降低可控避雷器残压,从而限制故障期间VSC换流阀过电压,实现故障穿越。

此外,为保证运行灵活性,与常规特高压直流类似,低压端VSC同样配置旁路开关(bypass switch,BPS),一方面可以在低压端VSC交流故障穿越失败或因阀侧故障退出时维持高压端LCC继续运行,另一方面可以在可控避雷器吸能超出设计能力后将其旁路,避免避雷器损坏。

然而,合闸BPS将造成VSC直流侧短路,对于目前普遍采用的基于半桥子模块的VSC,即使换流阀闭锁,交流侧仍可通过反并联二极管向直流侧馈入短路电流,如图2所示。在本文研究的混合级联拓扑中,数个VSC并联的结构将造成短路电流成倍增加,给开关等设备的研制带来较大困难。

图2 VSC直流侧短路时电流通路
Fig.2 Scheme of short circuit current path on the VSC's DC side

2 VSC串联二极管方案

利用二极管的单向导电性可阻断VSC的直流短路电流通路。二极管可以布置在并联VSC的汇流母线处,也可以在每个VSC支路分别布置,需结合设备能力和工程可靠性全面考虑。本文仅研究布置在每个VSC支路的方案。

对于每个VSC,串联二极管可以布置在VSC的高压端(极线侧),也可以布置在VSC的低压端(中性线侧),如图3所示。

图3 串联二极管的两种布置方案
Fig.3 Two arrangement schemes of series diodes

对于合闸BPS或套管闪络等情况造成的二极管线路侧短路故障,2种配置方案限制短路电流的效果相同。但对于发生在二极管阀侧到换流变阀侧的接地故障,二极管配置在低压端的方案在限制暂态电流方面更有优势,如图3(b)所示。例如,发生换流变阀侧接地故障时,故障相下桥臂将通过故障点、接地极、中性线构成短路回路,在换流阀闭锁前子模块电容将放电,造成较大的暂态电流,同时其他并联的非故障VSC也通过故障相下桥臂的反并联二极管向故障点馈入电流。如果将二极管布置在低压端,则二极管在短路回路中起到反向阻断的作用,不仅可有效限制下桥臂的短路电流,而且可以限制其他并联VSC馈入的短路电流,如图4所示。因此,串联二极管配置在VSC的低压端对限制暂态电流更具优势。

图4 VSC换流变阀侧接地故障暂态电流通路
Fig.4 Transient current path when ground fault is on VSC converter valve side

3 BPS串联电阻方案

另外一种限制暂态电流的方法是在BPS1支路串联电阻,同时再并联开关BPS2实现电阻的旁路,如图5所示。

图5 BPS串联电阻方案接线示意图
Fig.5 Scheme of BPS with series resistor

在可控避雷器能量越限或VSC发生故障需要紧急退出时,首先合BPS1,待全部VSC交流断路器跳开之后再合BPS2将电阻旁路,如图6所示。这样既可以利用串联的电阻限制短路电流,又可以实现VSC退出后保留LCC继续运行,避免电阻长时间通流。

图6 BPS1和BPS2的合闸时序
Fig.6 Closing sequence of BPS1 and BPS2

串联电阻方案的难点在于电阻值的选取。为了限制短路电流,电阻值越大越好,但是电阻值过大则不能起到保护可控避雷器的作用,否则在BPS1合闸之后可控避雷器将继续吸能。因此,电阻值存在上限。

持续运行电压峰值(crest value of continuous operating voltage,CCOV)是避雷器的关键参数,在CCOV以下避雷器可长期运行。因此,为保证BPS1合闸之后可控避雷器不再吸能,需要将端间电压限制在CCOV以下。此外,选取电阻值时还需确定电阻电流,本文考虑最严苛的情况,选择可控避雷器保护水平对应的配合电流,计算公式为式中:R是串联电阻的电阻值;UCCOV是可控避雷器固定部分的持续运行电压;ISIPL是固定部分保护水平对应的配合电流。经过对混合级联拓扑过电压与绝缘配合的研究,避雷器固定部分持续运行电压UCCOV为 360 kV,保护水平对应的配合电流为12 kA,将其带入式(1)中,得到电阻值为30 Ω。在确定电阻值之后,串联电阻的能量将在下一节的仿真研究中确定。

为避免稳态运行的损耗等问题,电阻只能串联在BPS支路,无法采用二极管串联在VSC支路的接线形式,而串联电阻方案只能抑制BPS合闸时的短路电流,无法抑制VSC阀侧接地故障造成的暂态电流。但考虑到VSC阀侧故障发生概率较小,且换流阀等设备的暂态电流耐受能力足够应对VSC阀侧接地故障,换流阀等设备应无安全风险。此外,二极管的造价远高于电阻与BPS,而且需要配置运行时难以检测故障的水冷辅助系统。综上,考虑设备安全、投资规模、运维难度以及故障概率等因素,BPS串联电阻是较优的抑制混合级联直流输电系统暂态电流的方案。

4 仿真验证

4.1 仿真模型参数

为验证上述VSC串联二极管方案和BPS串联电阻方案的有效性,本文在PSCAD中搭建了如图1所示的混合级联直流仿真模型,参数如表1。

表1 混合级联直流仿真模型参数
Table 1 Simulation parameters of cascaded hybrid HVDC system

4.2 串联二极管方案

作为对比,首先仿真了无任何措施、BPS合闸时的短路电流,如图7所示,单个VSC的直流短路电流达25 kA,桥臂电流达19 kA。

图7 无措施时的暂态电流
Fig.7 Simulation results of DC and arm currents without improvement measures

增加串联二极管后,VSC的BPS合闸时的暂态电流如图8所示。由于VSC直流侧直接短路,无论二极管布置在高压端还是低压端,二极管均在短路电流回路中,结果无区别,因此仅用一个仿真结果进行说明。从图8可以看出,直流电流与桥臂电流在故障后迅速降为0,无短路电流。

图8 串联二极管方案BPS合闸时的暂态电流
Fig.8 Simulation results of DC and arm currents when BPS is closed of series diode scheme

发生换流变阀侧接地故障时的暂态电流如图9所示。从图9(a)可以看出,由于二极管布置在VSC的高压端,无法阻断故障回路,桥臂仍有较大的暂态电流;若二极管布置在VSC低压端,由于二极管在回路中起到反向阻断作用,桥臂无暂态电流冲击,如图9(b)所示。

图9 换流变阀侧接地故障时的暂态电流
Fig.9 Simulation results of DC and arm currents at ground fault on converter valve side

图10 串联电阻方案BPS合闸时的暂态电流
Fig.10 Simulation results of DC and arm currents when BPS is closed of series diode scheme

4.3 串联电阻方案

本节仿真研究了第2章提出的30 Ω串联电阻方案,仿真结果如图10所示。图中t1为BPS1合闸时刻,t2为VSC交流断路器分闸时刻,t3为BPS2合闸时刻。

由图10可见,可控避雷器能量在BPS1合闸(t1时刻)之后不再上升,说明选取的30 Ω电阻合理,不影响BPS1保护可控避雷器。t2时刻VSC交流断路器跳开,发出BPS2合闸指令,t3时刻BPS2合闸成功,电阻不再吸能。整个过程电阻吸能约260 MJ,电阻器设计制造无难度。

从图10电阻电流(BPS1电流)和VSC桥臂电流可以看出,由于串联的30 Ω电阻的限流,直流短路电流从25 kA降低为11 kA,桥臂电流峰值从19 kA降低为1.8 kA,暂态电流峰值大幅降低。

从图10直流电流的波形可以看出,直流电流仅在故障和VSC退出期间有较大波动,VSC退出后直流电流恢复稳定,高压端LCC继续运行。

5 结论

本文提出了VSC串联二极管和BPS支路串联电阻 2种混合级联拓扑暂态电流抑制方法,研究了不同串联二极管布置方案的区别和串联电阻值的选取。理论分析和仿真结果均表明,2种方法均能有效抑制BPS合闸造成的暂态电流,但VSC低压端串联二极管的方案在抑制效果上更具优势,可以阻断VSC阀侧单相接地故障引起的暂态电流。然而,二极管需要配置水冷,稳态运行时故障检测困难、造价高,技术经济性较差。因此,只要暂态电流在换流阀等设备可承受范围内,本文推荐采用BPS串联电阻方案。

参考文献

[1]韩丰,宋福龙,罗金山,等.“十三五”输电网发展重点研究[J].中国电力,2015,48(1):11-14.

HAN Feng, SONG Fulong, LUO Jinshan, et al.Research on development of transmission power grid in 13th five-year period[J].Electric Power, 2015, 48(1):11-14(in Chinese).

[2]王春明,刘兵.区域互联多回直流换相失败对送端系统的影响[J].电网技术,2013,37(4):1052-1057.

WANG Chunming, LIU Bing.Affects of commutation failure in multi-circuit HVDC transmission system interconnecting regional power grids on AC power system at sending end[J].Power System Technology, 2013, 37(4):1052-1057(in Chinese).

[3]肖浩,李银红,于芮技,等.影响多馈入直流系统换相失败的电网薄弱区域快速识别方法[J].中国电机工程学报,2016,36(7):1781-1789.

XIAO Hao, LI Yinhong, YU Ruiji, et al.A rapid identification method of weak areas in power grid based on commutation failure analysis in multi-infeed HVDC systems[J].Proceedings of the CSEE, 2016, 36(7):1781-1789(in Chinese).

[4]辛焕海,章枫,于洋,等.多馈入直流系统广义短路比:定义与理论分析[J].中国电机工程学报,2016,36(3):633-647.

XIN Huanhai, ZHANG Feng, YU Yang, et al.Generalized short circuit ratio for multi-infeed DC systems:definition and theoretical analysis[J].Proceedings of the CSEE, 2016, 36(3):633-647(in Chinese).

[5]王增平,刘席洋,李林泽,等.多馈入直流输电系统换相失败边界条件[J].电工技术学报,2017,32(10):12-19.

WANG Zengping, LIU Xiyang, LI Linze, et al.Boundary conditions of commutation failure in multi-infeed HVDC systems[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(10):12-19(in Chinese).

[6]陈修宇.多馈入直流系统电压相互作用及其影响[D].北京:华北电力大学,2012.

[7]CHEN X, SUN H S, WEN J Y, et al.Integrating wind farm to the grid using hybrid multiterminal HVDC technology[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(2):965-972.

[8]翟冬玲,韩民晓,严稳利,等.DFIG型海上风电混合直流送出的控制策略[J].电力自动化设备,2015,35(2):42-48.

ZHAI Dongling, HAN Minxiao, YAN Wenli, et al.Control of offshore DFIG-based wind farm with hybrid HVDC transmission[J].Electric Power Automation Equipment, 2015, 35(2):42-48(in Chinese).

[9]ANDERSEN B R, XU L.Hybrid HVDC system for power transmission to island networks[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(4):1884-1890.

[10]王永平,赵文强,杨建明,等.混合直流输电技术及发展分析[J].电力系统自动化,2017,41(7):156-167.

WANG Yongping, ZHAO Wenqiang, YANG Jianming, et al.Hybrid high-voltage direct current transmission technology and its development analysis[J].Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(7):156-167(in Chinese).

[11]许冬.混合多端直流输电运行特性研究[D].北京:华北电力大学(北京),2017.

[12]刘杉,余军,贺之渊,等.基于VSC与LCC混合的多点传输直流输电系统拓扑结构研究与特性分析[J].中国电机工程学报,2018,38(10):2980-2988.LIU Shan, YU Jun, HE Zhiyuan, et al.Research on the topology and characteristic of multi-terminal HVDC based on VSC and LCC[J].Proceedings of the CSEE, 2018, 38(10):2980-2988(in Chinese).

[13]陈争光,周泽昕,王兴国,等.混合多端直流输电系统线路保护方案研究[J].电网技术,2019,43(7):2617-2622.

CHEN Zhengguang, ZHOU Zexin, WANG Xingguo, et al.Research on protection scheme of hybrid multi-terminal DC transmission lines[J].Power System Technology, 2019, 43(7):2617-2622(in Chinese).

[14]陈争光,周泽昕,王兴国,等.一种基于直流断路器两端电压的混合级联多端直流输电断路器自适应重合闸方法[J].电网技术,2019,43(7):2623-2631.

CHEN Zhengguang, ZHOU Zexin, WANG Xingguo, et al.An adaptive reclosure method for hybrid cascade multi-terminal HVDC circuit breaker based on two-terminal voltage of DC circuit breaker[J].Power System Technology, 2019, 43(7):2623-2631(in Chinese).

[15]梅念,苑宾,李探,等.接入孤岛新能源电场的双极柔直换流站控制策略[J].电网技术,2018,42(11):3575-3582.

MEI Nian, YUAN Bin, LI Tan, et al.Study on control strategy of bipolar VSC station connected to islanded renewable power plant[J].Power System Technology, 2018, 42(11):3575-3582(in Chinese).

[16]郭贤珊,梅念,李探,等.张北柔性直流电网盈余功率问题的机理分析及控制方法[J].电网技术,2019,43(1):157-164.

GUO Xianshan, MEI Nian, LI Tan, et al.Study on solution for power surplus in Zhangbei VSC-based DC grid mechanism analysis and control method[J].Power System Technology, 2019, 43(1):157-164(in Chinese).


Transient Current Suppression Method for VSC and LCC Cascaded Hybrid HVDC System

XU Dong*, LI Tan, MEI Nian, YUE Bo
(State Grid Economic and Technoligical Research Institute Co., Ltd., Changping District, Beijing 102209, China)

Abstract: The hybrid cascaded HVDC transmission system is a novel topology that provides advantages in power transmission to a load center.However, its low-end inverter consists of multiple VSCs connected in parallel.Thus, during AC fault ride through and operation mode conversion, the large transient current peak and long decay time in the VSC region pose major challenges for equipment development and system performance improvement.This study optimizes the VSC main circuit and proposes a series diode on the VSC DC side or a series resistor in the bypass switch to reduce the transient current of the novel topology.Based on the two methods, the layout of the diode and the design value of the series resistance are further studied.The peak value and decay time of transient current are effectively reduced.In addition, the safety margins of the valves, mechanical switch, transfer switch, and measurement device are significantly improved.Finally, the study compares the above two transient current suppression methods and recommends a scheme with the consideration of engineering practice.

Keywords: hybrid HVDC; transient current; diode; series resistor


作者简介:


许冬

许冬(1990),男,博士,工程师,研究方向为高压直流输电、电力系统建模。通信作者,E-mail:xudong_ncepu@163.com。

李探(1989),男,博士,高级工程师,研究方向为直流输电的设计和研究。

梅念(1982),女,博士,教授级高级工程师,研究方向为柔性直流输电,E-mail:meinn@126.com。

乐波(1976),男,博士,教授级高级工程师,研究方向为特高压直流输电和柔性直流输电技术。

(责任编辑 张宇)

  • 目录

    图1