CN102611096A

CN102611096A - 一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统

Info

Publication number: CN102611096A
Application number: CN2012100645426A
Authority: CN
Inventors: 徐政; 薛英林; 唐庚; 刘昇
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，包括两个换流器；其中，第一换流器的正负端分别通过两条直流输电线路与第二换流器的正负端相连；换流器由正极换流单元和负极换流单元串联构成；正负极换流单元相连点接地。本发明采用双极结构形式，直流故障时通常只需闭锁故障极，而对健全极几乎没有影响，从而提高了系统可靠性；本发明采用中间引出接地，易于系统分期建设和增容扩建，先投运单极再投运双极，有利于早日发挥投资效益；同时接地支路为在单极大地回线运行方式下的系统提供电流回流通路，平衡运行时接地支路的电流很小。

Description

一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统

技术领域

本发明属于电力系统输电技术领域，具体涉及一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用半桥子模块级联的形式，具有对器件一致触发动态均压要求低、扩展性好、输出电压波形品质高、开关频率低、运行损耗低等诸多优点，是新一代电压源换流器拓扑结构的佼佼者。基于MMC的高压直流输电系统(MMC-HVDC)在光伏、风电和潮汐等新能源并网，超大规模城市输配电，偏远海岛、孤立负荷和无源网络送电等场合比基于晶闸管的传统直流输电系统有更强的竞争力，诸多优势如模块化设计安装简单方便，结构紧凑占地面积小，省去了交流滤波器，从根本上消除了换相失败。美国Transbay工程和中国上海南汇风电场并网示范工程的成功投运，以及国内外多个规划或筹建工程进一步验证了MMC-HVDC的应用价值和发展前景。

然而目前的MMC-HVDC系统仍存在以下两方面不足：

(1)无法有效处理直流侧故障。当直流侧发生故障时，全控型开关器件所反并联的续流二极管构成故障点与交流系统直接连通的能量馈送回路，必须通过跳开交流断路器将其切断，其缺点在于机械响应较慢(最快也需2～3个周波)，故往往需要采用增大设备额定参数、配置高速旁路开关等辅助性措施，因此该拓扑并不适合于易发生闪络等暂时性故障的架空线路输电，通常选用造价昂贵但故障率低的电缆线路，所以现阶段MMC-HVDC均是局限于电缆输送场合，距离较短造价很高；

(2)接地支路设计、安装困难。传统两电平换流器一般从直流侧分裂电容中点引出接地支路，但MMC的桥臂采用分散电容布置的型式从而节省了直流侧电容器组，接地支路设计安装难以参照前者做法。

Westerweller.T等人在标题为Transbay cable-world’s first HVDC system using multilevel voltage source converter(CIGRE Session.Paris，Frans：CIGRE，2010，B4-101：1-7)的文章中提出了一种可以在MMC阀侧安装三相星形连接的电抗支路为换流站提供参考电位的技术，采用该技术的直流输电系统如图1(a)所示，该技术电抗参数选择较为困难，并且极大影响了换流器本身无功功率运行范围。

赵成勇等人在标题为模块化多电平换流器HVDC直流侧故障控制保护策略(电力系统自动化，2011，35(23)：82-87)的文章中提出了一种直流侧大电阻箝位接地方式，采用该接地方式的直流输电系统如图1(b)所示，但该接地方式与电阻参数选取密切相关，当电阻取得过小则稳态运行损耗较大，当电阻取得过大则整个系统近似不接地，对系统绝缘配合要求较高。

上述两种现有技术中均没有明确指出在直流侧配置平波电抗器，因此需要增大桥臂电抗器参数来抑制直流侧故障电流上升率；并且只能运行在由单个电压源换流器构成双极运行的模式，一旦直流线路发生故障后就极易发生双极停运即整个系统停运，系统可靠性较低。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，能够自处理直流故障，且接地支路选取设计简便，系统可靠性高，成本低。

一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，包括两个换流器；其中，第一换流器的正负端分别通过两条直流输电线路与第二换流器的正负端相连；

所述的换流器由正极换流单元和负极换流单元构成；正极换流单元的一端为换流器的正端，另一端与负极换流单元的一端相连并接地；负极换流单元的另一端为换流器的负端。

优选地，所述的正极换流单元和负极换流单元均由若干个MMC(模块化多电平换流器)串联或并联构成；其中，第一换流器中的MMC通过换流变压器连接于送端三相交流电网，第二换流器中的MMC通过换流变压器连接于受端三相交流电网；能够适合在不同电压等级、不同容量下的直流输电。

优选地，所述的直流输电线路为架空线；造价便宜，具有很好的工程应用价值和潜力。

优选地，所述的换流器的正负端与直流输电线路之间均连接有平波电抗器；能够对直流电中的纹波进行平抑，防止直流输电线路产生的陡波冲击波进入换流器导致器件遭受过电压而损坏，同时避免电流断续。

所述的换流变压器为接线方式为Y₀/Δ的双绕组变压器。

优选地，所述的MMC为三相六桥臂结构；其中，每个桥臂由一个电抗器和若干个换流模块组成，若干个换流模块串联后通过电抗器与换流变压器的对应一相端口相接；其输出的三相交流电具有很小的谐波含量，几乎不需任何滤波器，同时其结构特性大大降低了器件的开关频率，进而减少损耗，控制灵活。

进一步优选地，所述的换流模块为CDSM(箝位双子模块)；能够在直流故障期间通过封锁所有开关管的触发脉冲，利用二极管反向阻断能力实现直流闭锁过程。

所述的CDSM由五个开关管、两个电容和两个二极管构成；其中，开关管T1的源极与开关管T2的漏极相连并构成CDSM的一端，开关管T1的漏极与二极管D6的阴极和电容C1的一端相连，开关管T2的源极与电容C1的另一端、二极管D7的阴极和开关管T5的源极相连，开关管T5的漏极与二极管D6的阳极、电容C2的一端和开关管T3的漏极相连，开关管T3的源极与开关管T4的漏极相连并构成CDSM的另一端，开关管T4的源极与二极管D7的阳极和电容C2的另一端；所述的开关管的栅极接收外部设备提供的开关信号。

所述的开关管为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。

本发明的工作原理为：送端交流系统的三相交流电经换流变压器电压等级变换，由第一换流器正负极单元内的MMC实现交流/直流变换，然后被电抗器平抑纹波后，通过直流输电线路输送到受端换流站，再经过电抗器平波，通过第二换流器正负极单元内的MMC实现直流/交流变换，最终经过换流变压器电压等级变换将能量送到受端交流系统。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明能够通过对换流器快速控制，实现直流故障快速清除和故障极的重启动，期间无需交流断路器动作。

(2)本发明采用双极结构形式，直流故障时通常只需闭锁故障极，而对健全极几乎没有影响，从而提高了系统可靠性。

(3)本发明采用中间引出接地，易于系统分期建设和增容扩建，先投运单极再投运双极，有利于早日发挥投资效益；同时接地支路为在单极大地回线运行方式下的系统提供电流回流通路，平衡运行时接地支路的电流很小。

(4)本发明运行方式灵活，能够适合不同电压等级、不同容量下直流输电；可在双极平衡、双极不平衡、单极大地回线、单极金属回线等运行方式下进行，运行灵活多样。

附图说明

图1(a)为现有技术采用交流侧星形电抗接地方式的直流输电系统的结构示意图。

图1(b)为现有技术采用直流侧箝位电阻接地方式的直流输电系统的结构示意图。

图2为本发明直流输电系统的结构示意图。

图3为换流单元的结构示意图。

图4为MMC的结构示意图。

图5为CDSM的结构示意图。

图6(a)为功率参考值阶跃时第一换流器正极换流单元功率响应曲线示意图。

图6(b)为功率参考值阶跃时第一换流器负极换流单元功率响应曲线示意图。

图6(c)为功率参考值阶跃时第一换流器负极换流单元直流电压响应曲线示意图。

图7(a)为当故障电流为正时CDSM的等效电路示意图。

图7(b)为当故障电流为负时CDSM的等效电路示意图。

图7(c)为当发生正极线短路接地故障时MMC处于闭锁过程时的等效电路示意图。

图8为当直流侧故障后换流器的控制时序示意图。

图9(a)为正极线路接地故障及重启动时第一换流器正极换流单元功率响应曲线示意图。

图9(b)为正极线路接地故障及重启动时第一换流器负极换流单元功率响应曲线示意图。

图9(c)为正极线路接地故障及重启动时第一换流器正极换流单元直流电压响应曲线示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图2所示，一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，包括两个换流器：第一换流器和第二换流器。

换流器由正极换流单元和负极换流单元构成；正极换流单元的一端为换流器的正端，另一端与负极换流单元的一端相连并接地；负极换流单元的另一端为换流器的负端；

第一换流器的正负端分别通过两条架空线与第二换流器的正负端相连，且两个换流器的正负端与架空线之间均连接有平波电抗器；

如图3所示，本实施方式中，正极换流单元和负极换流单元均由n个MMC串联构成；其中，第一换流器中的MMC通过换流变压器连接于送端三相交流电网，第二换流器中的MMC通过换流变压器连接于受端三相交流电网。

如图4所示，MMC为三相六桥臂结构；其中，每个桥臂由一个电抗器和m个CDSM组成，若干个CDSM串联后通过电抗器与换流变压器的对应一相端口相接；本实施方式中，换流变压器为接线方式为Y₀/Δ的双绕组变压器。

n和m均为大于0的自然数。

如图5所示，CDSM由五个开关管T1～T5、两个电容C1～C2和两个二极管D6～D7构成；其中，开关管T1的源极与开关管T2的漏极相连并构成CDSM的一端，开关管T1的漏极与二极管D6的阴极和电容C1的一端相连，开关管T2的源极与电容C1的另一端、二极管D7的阴极和开关管T5的源极相连，开关管T5的漏极与二极管D6的阳极、电容C2的一端和开关管T3的漏极相连，开关管T3的源极与开关管T4的漏极相连并构成CDSM的另一端，开关管T4的源极与二极管D7的阳极和电容C2的另一端；所述的开关管的栅极接收外部设备提供的开关信号；本实施方式中开关管采用IGBT。

本实施方式中，第一换流器中的MMC均采用定有功功率和定无功功率控制，第二换流器中的MMC均采用定直流电压和定无功功率控制；CDSM的投切策略采用载波移相调制和电容电压均衡策略。

本实施方式正常工作时，功率输送方向是由送端三相交流电网到受端三相交流电网的。第一换流器中的MMC控制有功功率和无功功率，经交/直流变换将三相交流电变为直流电；直流电流从第一换流器的正端流出，经过平波电抗器的平抑作用使得直流电变得平滑，通过架空线注入第二换流器的正端，并从第二换流器的负端流出，经过架空线和平波电抗器，最终流回第一换流器的负端；从第一换流器输送过来的直流电经第二换流器的直/交流变换为三相交流电最终注入受端三相交流电网，从而实现从送端三相交流电网向受端三相交流电网输送功率。

为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，在电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建相应的模型，具体仿真参数：额定参数±300kV(千伏)/1kA(千安)/600MW(兆瓦)；送端三相交流电网的电压等级为110kV，短路容量20kA，系统电抗与系统电阻之比为8；受端三相交流电网的电压等级为220kV，短路容量40kA，系统电抗与系统电阻之比为8；系统电抗为0.01H(亨)，每个换流器连接有两台双绕组变压器，变压器均采用Y₀/Δ连接方式，分别连于正极换流单元和负极换流单元的MMC；第一换流器的换流变压器变比为110kV/171.8kV，容量为375MVA(兆伏安)，漏抗为0.1pu(per unit，标幺)；第二换流器的换流变压器变比为220kV/171.8kV，容量为375MVA，漏抗为0.1pu；每个MMC采用18个CDSM，不考虑冗余，每相有6个CDSM，上下桥臂各3个CDSM，CDSM直流电容为1200uF(微法)，额定电压50kV，开关器件均采用理想器件，每桥臂串联的电抗器为0.04H。直流输电线路为300km(公里)的架空线；为方便分析和对比，以容量300MVA、300kV为标幺系统的基准值。

仿真情景1：运行模式的切换。

此仿真情景主要说明本实施方式具有灵活多样的运行工况。系统初始状态为第一换流器的正极换流单元和负极换流单元有功功率参考值均为0.8pu，无功功率参考值均为0.3pu；第二换流器的正极换流单元和负极换流单元无功参考值为0.3pu。以第一换流器为研究对象，正极换流单元有功参考指令P_ref从0.6pu--0.4pu--0.2pu--0pu发生一系列跃变，负极换流单元有功参考指令P_ref从0.6pu--0.8pu--1.0pu--1.2pu发生一系列跃变。依次模拟其双极平衡运行-双极不平衡运行-单极运行(正极单元退出运行)工况，响应曲线如图6所示。其中图6(a)为功率参考值阶跃时第一换流器正极换流单元功率响应曲线示意图；图6(b)为功率参考值阶跃时第一换流器负极换流单元功率响应曲线示意图；图6(c)为功率参考值阶跃时第一换流器负极换流单元直流电压响应曲线示意图；P代表有功功率，Q代表无功功率，U_dc代表直流电压。

从图中可看出正、负极换流单元之间的功率变化相互影响很小，期间负极换流单元的直流电压在其电压控制器的作用始终维持在-1.0pu附近，虽有略微波动但范围不超过±0.02pu，这是由于控制器的响应延时和系统的非线性等原因引起的。t＝1.4s时正极换流单元接到闭锁指令，其有功无功功率迅速下降到零，无需交流断路器动作即可实现极正常退出，期间负极换流单元过负荷运行下以尽量弥补功率缺失；仿真波形验证了本实施方式在各种运行工况下均具有良好运行特性。

仿真情景2：直流侧故障清除与故障极重启动。

单极接地短路故障是架空线路输电最容易发生的故障类型，传统直流输电系统通过强迫移相使整流器进入逆变方式，令弧道电流和弧道电压迅速降低到零实现直流侧故障快速消除。鉴于直流断路器研制困难和自身拓扑特点等原因，故障后直接跳开交流断路器并停运换流器几乎是传统MMC-HVDC唯一可行的手段。而本实施方式能够充分利用基于CDSM的MMC的直流闭锁能力，无需交流断路器就可以有效处理直流侧故障，并可以快速实现故障极的重启动。

当发生直流故障或其他特殊情况需要CDSM运行在闭锁模式时，则通过控制系统关闭所有IGBT的触发信号，利用反并联二极管和箝位二极管的反向阻断能力快速完成闭锁过程。图7(a)和图7(b)分别给出了故障电流i_SM为正和故障电流i_SM为负时闭锁模式下CDSM的等值电路。可以看出无论故障电流i_SM初始方向如何，对于闭锁后的模块电容而言都是充电。正极线路发生短路故障时MMC的等效电路如图7(c)所示；以A、C相为例，假设闭锁瞬间故障电流流动方向如图7(c)所示，U_ap、U_cn分别为A相上桥臂和C相下桥臂级联子模块电容电压总和，U_ln为故障期间MMC正负端之间电压差。故当A、C相实现闭锁的必要条件是流经A相上桥臂的电流i_ap和流经C相下桥臂的电流i_cn降到零的瞬间且满足下式的条件，U_ac代表交流电压。类似地，其他相与相之间不同组合均满足如A、C相的条件时，整个系统就最终完成闭锁。

U_{ac} < U_{ap} + L \frac{{di}_{ap}}{dt} + U_{\ln} + U_{cn} + L \frac{{di}_{cn}}{dt}

以上就是基于CDSM的MMC的直流闭锁机理，下面分析并设计直流故障期间的换流器控制策略和动作时序，以验证本实施方式在处理直流故障的优势，如图8所示。从故障发生到系统恢复运行，基本分为以下四个阶段：

①故障发生初期(t₁～t₂)：故障电流通过桥臂馈入到交流系统，但由于故障检测的电气量尚未达到设定限值，保护逻辑单元不动作，换流器仍按照原有状态运行。

②闭锁过程(t₂～t₃)：在t₂时刻故障检测与保护逻辑单元动作，向故障极换流单元的MMC发出闭锁指令，控制器迅速关闭所有IGBT的触发脉冲，故障电流将通过二极管向储能电容充电并迅速降低，加快直流网络能量的释放，当故障电流降低到零后由电容电压和二极管反向阻断能力使得MMC进入完全闭锁状态。在闭锁指令发出的同时，功率控制器相应地将有功、无功功率的参考值降至零或为负值，使贮存在平波电抗器及线路电感和电容中的能量回馈给交流系统，以加快完成闭锁过程。

③线路去游离过程(t₃～t₄)：在换流器完全进入闭锁状态时，故障的架空线路已经去能，保持此状态持续一段时间通常为0.2～0.5s，让闪络故障经过充分去游离，使绝缘性能恢复到原有水平。

④剩余系统重启动(t₄～t₅)：经过充分去游离过程后，故障极的架空线路重新具备了正常输电的条件。在t₄时刻解锁故障极换流单元并对故障逻辑单元进行复位。系统在功率控制器预设的功率上升曲线下进行缓慢的爬坡，最终在两端控制器作用下到达稳定运行点。

仿真模型中假设稳态运行1.2s时系统的正极架空线路在150km处发生暂时金属性接地短路故障，持续时间0.05s，换流单元功率、电压响应特性如图9所示。

故障发生后，桥臂电流迅速增加，假设在2ms后桥臂过流保护逻辑激活并发出闭锁指令；而后直流网络能量将通过桥臂迅速回馈到交流电网或贮存在桥臂模块电容内，直流电压会存在小幅振荡直到线路能量释放完毕，之后MMC进入闭锁状态，整个闭锁过程约1/4个周波。闭锁时故障极功率输送和直流电压很快降至零，保持故障极换流单元的MMC闭锁状态持续0.3s，以使线路充分去游离。故障期间为尽量弥补功率缺失，健全极过负荷20％运行。线路故障清除后，向故障极换流单元的MMC发出解锁指令，对系统进行重启动，同时使健全极恢复到原有稳态运行水平。为了加快速度本次仿真模拟采用是阶跃响应，未进行功率的爬坡。重启动时由于线路充电的原因直流电压会出现小幅振荡，但在控制器的作用下趋于稳定；整个过程无需交流断路器动作。

从上述具体分析以及详细的仿真验证中可以看出，本实施方式具有结构清晰，接地极安装方便，并且不会引起过多的运行损耗，能够快速实现直流故障自清除功能，并且可以迅速完成系统重启动，运行方式多样灵活、系统可靠性高；能够将目前MMC-HVDC应用领域从电缆推广到架空线场合；故本实施方式在大功率远距离输电场合也具有与传统高压直流输电工程竞争的实力，同时与我国电网近年“智能电网、低碳经济、绿色环保”的发展理念相吻合，在新能源并网，城市配电、孤岛送电等多个领域具有广阔的发展空间，是促进大规模风力发电等可再生能源并网、解决城市中心供电及海岛、海上钻井平台等孤远负荷供电问题、解决多直流落点受端系统短路比小问题的一种可行方案，具有广阔的应用前景。

Claims

1.一种具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，包括两个换流器；其中，第一换流器的正负端分别通过两条直流输电线路与第二换流器的正负端相连；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的正极换流单元和负极换流单元均由若干个MMC串联或并联构成；其中，第一换流器中的MMC通过换流变压器连接于送端三相交流电网，第二换流器中的MMC通过换流变压器连接于受端三相交流电网。

3.根据权利要求1所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的直流输电线路为架空线。

4.根据权利要求1所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的换流器的正负端与直流输电线路之间均连接有平波电抗器。

5.根据权利要求2所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的换流变压器为接线方式为Y₀/Δ的双绕组变压器。

6.根据权利要求2所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的MMC为三相六桥臂结构；其中，每个桥臂由一个电抗器和若干个换流模块组成，若干个换流模块串联后通过电抗器与换流变压器的对应一相端口相接。

7.根据权利要求6所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的换流模块为CDSM。

8.根据权利要求7所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的CDSM由五个开关管、两个电容和两个二极管构成；其中，开关管T1的源极与开关管T2的漏极相连并构成CDSM的一端，开关管T1的漏极与二极管D6的阴极和电容C1的一端相连，开关管T2的源极与电容C1的另一端、二极管D7的阴极和开关管T5的源极相连，开关管T5的漏极与二极管D6的阳极、电容C2的一端和开关管T3的漏极相连，开关管T3的源极与开关管T4的漏极相连并构成CDSM的另一端，开关管T4的源极与二极管D7的阳极和电容C2的另一端；所述的开关管的栅极接收外部设备提供的开关信号。

9.根据权利要求8所述的具有直流故障自清除能力的双极直流输电系统，其特征在于：所述的开关管为IGBT。