混合式高压直流断路器快速限流优化方案及仿真分析

夏克鹏,刘路路,胡四全,韩坤,胡秋玲,何青连  

(许继集团有限公司,河南省 许昌市 461000)

摘要

混合式高压直流断路器分断速度快且通态损耗低,能够保证不闭锁换流站的情况下实现线路故障的快速隔离,减小故障范围,是直流电网保护的关键设备之一。首先研究了含混合式直流断路器的柔直系统直流故障限流机理,分析影响直流故障电流峰值以及故障电流持续时间的关键因素,并在现有混合式高压直流断路器基础上,提出一种快速限流的优化技术方案,在转移支路加入故障限流子模块(fault current limiter submodule, FCL_SM),FCL_SM由二极管桥、限流电阻以及限压电路组成,通过在故障过程中投入FCL_SM来降低故障电流峰值以及MOV吸收能量。最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析,验证了所提优化方案的可行性与有效性。仿真结果表明,优化方案可有效降低直流故障电流峰值(降低幅度达14%)、故障电流持续时间以及直流断路器MOV吸收能量(降低幅度达16.2%),并可有效降低设备设计成本。

关键词 : 柔性直流电网;混合式高压直流断路器;故障电流峰值;MOV吸收能量;故障限流子模块

河南省重大科技专项“500 kV混合式高速高压直流断路器关键技术研究与示范应用”(171100210100)。

0 引言

我国幅员辽阔,以风能、太阳能为代表的可再生能源,具有远离负荷中心、资源分散等特点,使得大规模应用可再生能源必须采用远距离大容量输电方式[1-4]。基于电压源型换流器的柔性直流输电技术具有有功无功解耦独立控制、能够接入弱电网、向无源负荷供电、具备电网黑启动能力、动态响应快、谐波特性优良且占地面积小等诸多优点[5-6],是解决新能源并网和消纳问题的一种有效技术手段,是未来电网发展的方向之一[7-9]

但由于直流电网的“低惯量、低阻抗”特性[5],直流侧故障中故障电流上升迅速且幅值大,柔直电网对保护的速动性和选择性要求相比普通交流电网更高,需要在数毫秒内完成切断和清除故障电流等全套动作[10-12],以防止对设备造成损害。因此,直流电网保护技术是柔性直流电网技术当前发展的主要挑战之一[13-16]

混合式高压直流断路器分断速度较快且动态损耗低,能够在不闭锁换流站的情况下实现线路故障的快速隔离,减小故障范围,是直流电网保护的关键设备之一[17-18]。国家电网公司于2014年完成了最快分断时间3 ms、额定电压200 kV、最大分断电流15 kA 的混合式高压直流断路器样机研制[19],并且于2016年完成该等级断路器产品在±200 kV舟山五端柔性直流电网系统定海站应用[20]

随着直流电网的发展及容量的增加,系统对混合式高压直流断路器的分断速度、关断峰值电流能力及MOV吸收能量的要求也不断提高。文献[7]基于混合式直流断路器提出一种分步投入避雷器组的限流方案,利用高速机械开关开断行程中所对应的耐压要求投入对应数量的避雷器,该方案提前了避雷器组投入时间,可有效降低了故障电流峰值以及避雷器能量,但是高压直流断路器中多串联断口快速机械开关开断速度的一致性严重制约了该方案的应用。文献[8]对限流过程中避雷器吸收能量进行排序,将吸收能量最少的避雷器组优先投入,从而提高避雷器吸收能量平衡度。该方法提升了避雷器容量的利用率,却无法影响避雷器吸收的总能量。文献[21]基于无弧分断混合式直流断路器提出一种限流控制方法,通过投入不同数量组避雷器将故障电流维持在一定值附近,为控制保护策略的投入争取时间,但一般工程中直流侧直流电抗器选取较大,在较高的分断电流下储存能量也非常大,该方案对避雷器吸收能量设计提出严峻考验。文献[22]提出采用全/半控器件串联构成固态开关再与机械开关并联的混合开关结构及故障限流技术,该方案采用限流电感来降低直流短路电流上升率,从而降低对机械开关速动性的要求,但是在高压大容量柔直电网故障电流过大的场合,需要采用较大限流电抗器,这将影响到整个直流系统的动态特性,会导致整个直流系统某些模态呈现弱阻尼,从而引起系统的不稳[23]

针对以上问题,本文首先研究了含混合式直流断路器的柔直系统直流故障限流机理,分析影响直流故障电流峰值以及故障电流持续时间的关键因素,并在现有混合式高压直流断路器基础上,提出一种快速限流优化技术方案,在转移支路加入故障限流模块(fault current limiter submodule,FCL_SM),FCL_SM由二极管桥、限流电阻以及限压电阻组成,通过在故障过程中投入FCL_SM来降低故障电流峰值以及MOV吸收能量。最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析,验证了所提优化方案可有效降低直流故障电流峰值、故障电流持续时间以及直流断路器MOV吸收能量,并可有效降低设备设计成本。

1 混合式高压直流断路器故障限流机理分析

系统发生直流短路故障时,直流母线电压迅速降为零,半桥子模块电容放电,导致直流母线电流、桥臂电流迅速增大[24-25]。结合高压直流断路器的分断原理,直流断路器限流主要依赖于避雷器的投入形成反电动势来达到限流的目的,促使故障电流逐步衰减至零,最终完成故障的清除。本文将对换流阀闭锁前后混合式高压直流断路器的限流机理展开分析。

1.1 换流器闭锁前高压直流断路器故障限流机理分析

系统发生直流短路故障后,换流阀闭锁前子模块电容放电回路的等效模型如图1所示,等效电路是一个已知初始状态的RLC二阶电路。其中,上下桥臂电感为串联,三相之间桥臂电感为并联,回路等效电感值Le q = 2 L / 3+ L dc 。同一时刻每相参与放电的子模块电容共有n个,这 n 个电容串联,总容值为C/n。不参与放电的子模块电容也是 n个,总容值为C/n。由于采用子模块均压策略,这些电容会交替投入,以确保子模块电容电压近似相等。该放电过程可以等效为这两组电容并联持续放电的情况,则3个桥臂等效电容值Ceq=6C/n,Req为短路回路等效电阻,通常

图1 闭锁前直流电流回路等效电路
Fig. 1 Equivalent circuit of DC current loop before block

因此含直流断路器的双极短路故障的放电过程可以描述为一个二阶微分方程:

经推导,直流电压、直流电流的解析式分别表示为:

式中,Udc为额定直流电压;Idc0为故障瞬间直流电流值。

从公式(3)中可以看出,直流故障电流的上升速度主要取决于系统闭锁前子模块电容放电电流,该过程中系统短路回路阻抗很小,若不采取必要措施,直流故障电流在很短时间内将达到数十千安,对一次设备冲击较大。闭锁前直流故障电流与回路电感Leq、半桥子模块电容Ceq以及直流断路器所形成反电动势u D B等参数有关。

因此可以通过增大短路回路阻抗以及直流断路器建立反电动势来有效降低直流短路电流的大小。

1.2 闭锁后高压直流断路器故障限流机理分析

当系统检测到直流双极短路故障发生后,闭锁子模块,此后电容不再放电,故障电流主要是系统电抗器续流电流。从交流侧看,相当于通过并联的三相桥臂电抗器发生了三相短路故障。而从直流侧看,系统电抗器储存能量经子模块二极管、直流断路器和故障点放电,等效电路如图2所示,利用直流断路器MOV建立的反电动势来加快故障电流的衰减,直到电流衰减至0,最终实现故障点的隔离。

整个过程可以表示为

式中,id c (t)为式(3)中 t1 时刻的值;Id c _ t1为闭锁瞬间的直流电流值。

图2 闭锁后直流电流回路等效电路
Fig. 2 Equivalent circuit of DC current loop after block

2 混合式高压直流断路器限流优化方案

基于联研院提出的级联全桥混合式高压直流断路器技术方案[26],优化拓扑混合式高压直流断路器包含主通流支路机械开关K、主通流支路功率模块(MSM)单元、转移支路功率模块(TSM)单元、转移支路故障限流模块( fault current limiter submodule,FCL_SM)单元以及耗能支路,如图3所示。

图3 混合式高压直流断路器的优化拓扑结构
Fig. 3 Optimal topology structure of hybrid HVDC circuit breaker

FCL_SM由二极管桥、限流电阻以及限压电路组成,二极管桥式电路保证转移支路可实现功率的双向流动。限流电阻R用以限制故障电流且吸收系统短路能量,降低MOV吸收能量,限压电路用以限制功率器件端电压,避免功率器件因过压而发生击穿损坏。

在直流断路器合闸状态下,FCL_SM中T导通,不改变系统运行特性;在直流断路器分闸状态下,FCL_SM中T闭锁,限流电阻串入故障回路,用以限制故障电流并吸收短路能量。

因此,FCL_SM中电力电子器件承受电流应力设计值与转移支路TSM中电力电子器件承受电流应力一致。

简单说,系统正常模式下FCL_SM呈现低阻态,故障模式下FCL_SM呈现高阻态。

FCL_SM中R0的选取需要考虑以下因素:

1)限制系统短路电流峰值;

2)降低TSM中IGBT开关器件电压应力;

3)降低MOV吸收能量;

4)提高系统直流故障隔离速度。

以上因素1)、4)可由式(3)可知,故障回路中电阻参数虽然对电流上升率无影响,但是可以降低故障电流峰值,从而缩短系统直流故障清除时间。

故障状态下FCL_SM投入后短路电流流经直流断路器的等效回路如图4所示:

图4 FCL_SM投入后直流断路器等效电路
Fig. 4 Equivalent circuit of FCL_SM input DC circuit breaker

等效电路的数学解析式如下:

式中,Idc表示线路电流,I1表示转移支路电流,I2表示耗能支路电流,Lσ1表示转移支路等效杂散电感值,Lσ2表示耗能支路等效杂散电感值,C1表示转移支路H桥子模块电容值,Uc1表示转移支路单个H桥电容两端电压,UMOV表示避雷器残压,N表示转移支路功率模块个数。

考虑到流过电感电流不能突变,且TSM电压应力由开关器件的电压水平决定,由式(6)可得到

又加入TCL_SM后,混合式高压直流断路器能量由阻尼电阻和MOV共同吸收,可以表示为:

式中,EMOV表示避雷器能量,ER2表示限流电阻吸收能量,Eshort_circuit表示故障后短路回路储存能量。

直流断路器子模块电容吸收能量远小于系统短路能量,可忽略不计,则有

带FCL_SM优化拓扑混合式高压直流断路器分断过程分为以下5个阶段,如图5所示。

图5 优化方案分断过程示意图
Fig. 5 Schematic diagram of DC circuit breaker open process

(1)t0时刻发生短路故障,t1时刻断路器接收到保护动作命令,闭锁主支路MSM以及转移支路FCL_SM,导通转移支路TSM,主支路MSM内部电容充电建立暂态电压,强迫电流换流至转移支路。

(2)t2时刻回路电流完全转移至转移支路后,主支路快速机械开关接到分闸命令,开始无弧无压分闸。

(3)t3时刻机械开关达到能够承受开断过电压的绝缘开距,闭锁转移支路TSM,TSM内部电容充电建立电压。

(4)t4时刻转移支路TSM两端电压超过避雷器启动电压时,电流换流至避雷器支路。

(5)t5时刻避雷器残压高于系统运行电压,故障电流逐步衰减至0,同时导通FCL_SM中IGBT,实现故障隔离。

3 仿真分析

3.1 仿真系统说明

为了验证所提混合直流断路器快速限流优化方案的可行性,本文基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了四端±500 kV环形MMC直流电网,系统拓扑图如图6所示。系统参数如表1所示。

图6 仿真系统结构图
Fig. 6 Structure diagram of simulation system

表1 四端MMC系统参数
Table 1 Circuit parameters of the MMC transmission system

续表

由于混合式直流断路器转移支路由数百个TSM级联组成,为提高仿真速度,本文将转移支路等效为20个TSM级联构成,FCL_SM等效为1个模块,考虑到直流断路器结构的对称性, FCL_SM杂散电感暂按照单个TSM的试验测试结果设置。混合式直流断路器等效后参数如表2所示。

表2 等效后混合式直流断路器基本参数
Table 2 Basic parameters of the equivalent post mixed DC circuit breaker

3.2 仿真验证

四端直流电网稳定运行过程中,MMC1控制发出750 MW直流功率,MMC2控制发出1500 MW直流功率,MMC3控制直流母线电压维持在500 kV,MMC4控制吸收1500 MW直流功率。

在2.15 s时刻线路2-4靠近MMC2侧发生双极短路故障;在2.153 s时刻直流断路器接收到分闸指令,同时FCL_SM投入;2.156 s时刻直流断路器分断完成,系统直流短路电流开始下降;2.167 s时刻系统直流短路电流下降至零,直流断路器完成直流故障隔离。

为验证带FCL_SM的直流断路器优化方案对系统直流短路电流峰值及故障隔离速度的影响,图7给出了直流双极短路故障期间直流断路器优化方案与常规方案对系统故障电流的影响对比曲线。

从图7中故障电流波形可知,直流双极短路故障过程中,直流断路器优化方案较常规方案直流故障电流由17.2 kA降低至14.8 kA,峰值降低了14%,直流故障清除时间由17 ms减小至16 ms。验证了直流断路器优化方案可降低系统直流故障电流峰值与缩短直流故障清除时间。

图7 优化方案及常规方案系统故障电流对比曲线
Fig. 7 Optimization scheme and conventional scheme system fault current contrast curve

优化方案直流断路器分断过程中系统短路能量由直流断路器MOV及FCL_SM限流电阻共同吸收,如图8所示,较常规方案MOV吸收能量由60.6 MJ降至50.8 MJ,MOV吸收能量降低了16.2%。较常规方案TSM电压应力由2.6 kV降低至2.3 kV,降幅达到11.5%,如图9所示。优化方案直流断路器分断过电压最大值775 kV稍小于常规方案分断过电压值781 kV,如图10所示。两种方案性能比较如表3所示。

表3 两种方案性能比较
Table 3 Performance comparison of two schemes

通过仿真可知,增加FCL_SM的优化方案较常规方案:

(1)进一步降低直流双极短路故障电流的峰值,从而降低了MOV残压。

(2)进一步降低了直流故障清除时间以及MOV吸收能量,这可有效降低MOV并联柱数,在一定程度上提高MOV设备运行可靠性。

(3)降低了TSM电压应力,从而可减少TSM个数,降低设备成本。

3.3 限流电阻分析

仿真验证了不同TCL_SM限流电阻值对系统短路电流、MOV吸收能量以及限流电阻自身能耗的影响趋势。

如图11所示,随着TCL_SM限流电阻设计值的增大,系统短路电流峰值降低,在限流电阻值增加至20 Ω以后,短路电流峰值降低不明显,且限流电阻值增大对故障清除时间改善不明显。

图12给出了不同TCL_SM限流电阻设计值下MOV吸收能量曲线,随着TCL_SM限流电阻设计值的增大,MOV吸收能量降低。图13给出了不同TCL_SM限流电阻在短路故障期间的吸收能量,随着TCL_SM限流电阻设计值的增大,限流电阻能耗值整体呈上升趋势,阻值增为28 Ω时限流电阻能耗最大,阻值大于28 Ω以后限流电阻能耗不再增加。

因此,具有TCL_SM的混合直流断路器优化方案可有效降低系统短路电流、故障清除时间、MOV能量,随着TCL_SM限流电阻值的增大,系统短路电流、直流断路器MOV吸收能量逐渐降低,从而降低了设备的经济成本、提升了设备安全裕度,进一步提高了直流电网的故障穿越能力以及直流断路器运行可靠性。

图8 优化方案及常规方案MOV吸收能量对比曲线
Fig. 8 Optimization scheme and conventional scheme MOV absorption energy contrast curve

图9 优化方案及常规方案TSM电压应力对比曲线
Fig. 9 Optimization scheme and conventional scheme TSM voltage stress contrast curve

图10 优化方案及常规方案下直流断路器端电压波形
Fig. 10 Optimization scheme and conventional scheme DC circuit breaker voltage waveform

以选取20 Ω限流电阻为例,在故障投入过程中约10 ms需要吸收3.1 MJ能量,可采用高脉冲瞬态电阻,电阻本体温升可达300 K,电阻外壳温升可设计在60 K以内,自然冷却方式,可采用模块化设计,有利于工程化的推广应用。

图11 线路故障电流峰值与限流电阻设计值的对应曲线
Fig. 11 Line fault current peak with different design values of current limiting resistor

图12 MOV吸收能量与限流电阻值的对应曲线图
Fig. 12 MOV absorption energy with different design values of current limiting resistor

图13 电阻吸收能量与限流电阻值的对应曲线图
Fig. 13 Resister absorption energy with different design values of current limiting resistor

4 结论

本文研究了含混合式直流断路器的柔直系统直流故障限流机理,分析影响直流故障电流峰值以及故障电流持续时间的关键因素,并在现有混合式高压直流断路器基础上,提出一种快速限流优化技术方案。通过PSCAD/EMTDC建模仿真验证了方案的可行性与有效性。该优化技术方案的优势如下:

(1)增加故障限流子模块后的优化方案可有效降低直流故障电流峰值(仿真中降幅达14%)、故障电流持续时间以及直流断路器MOV吸收能量(仿真中降幅达16.2%)。

(2)所提出的优化方案可有效降低TSM电压应力,可有效降低设备的经济成本。

(3)通过降低直流故障电流峰值,可降低设备端电压应力,减小柔性直流电网直流场设备过电压风险,提高设备的绝缘裕度。

(4)通过降低MOV吸收总能量,可有效缓解MOV并联柱数过多问题,延长了避雷器的使用寿命,提高运行的可靠性。

(5)降低故障过流峰值,提高设备安全裕度,进一步提高了直流电网的故障穿越能力以及系统运行的可靠性。

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Fast Limit Current Optimization Scheme and Simulation Analysis of Hybrid HVDC Circuit Breaker

XIA Ke-peng, LIU Lu-lu, HU Si-quan, HAN Kun, HU Qiu-ling, HE Qing-lian
(Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan Province, China)

Abstract: Mixed high breaking speed and low conduction loss type hybrid DC circuit breaker, which can guarantee the realization of line fault isolating converter without blocking,reduce the scope of fault, is one of the key equipments of MMC-HVDC protection. Firstly, the DC fault current limiting mechanism of the MMC-HVDC system with hybrid DC circuit breaker is studied. Then based on the existing hybrid DC circuit breakers, an optimized technical scheme for fast current limiting is proposed. In the transfer branch join fault current limiting submodule (FCL_SM), the FCL_SM consists of a diode bridge,a current limiting resistor and a voltage limiting circuit. The FCL_SM is used to reduce the peak value of the fault current and the energy absorbed by the MOV. Finally, the simulation analysis is carried out by PSCAD/EMTDC, and the feasibility and effectiveness of the proposed optimization scheme are verified. The results show that the optimization scheme can reduce the DC fault current peak (decreased by 14%), the duration of the fault current and DC circuit breaker MOV energy absorption (decreased by 16.2%), and can effectively reduce the cost of equipment design.

Keywords: MMC-HVDC; hybrid DC circuit breaker; fault current spikes; MOV absorbing energy; fault current limiter submodule

基金项目:河南省重大科技专项“500 kV混合式高速高压直流断路器关键技术研究与示范应用”(171100210100)。

Project Supported by Major Science and Technology Project of Henan Province ‘Key Technology Research and Demonstration Application of 500 kV Hybrid High-Speed HVDC Circuit Breakers’(171100210100).


作者简介:

夏克鹏

夏克鹏(1985),男,硕士,工程师,研究方向为高压直流输电技术。

刘路路(1988),男,硕士,工程师,研究方向为柔性直流输电技术,E-mail:rxsdliululu@126.com。

胡四全(1976),男,硕士,高级工程师,研究方向为直流输电换流阀技术研发与工程应用,E-mail:13839006263@163.com。

韩坤(1983),男,硕士,高级工程师,研究方向为柔性直流输电系统分析与控制,E-mail:hk20031009@163.com。

(责任编辑 夏雪)

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