受端混联型直流系统短路故障特性分析

马文轩

Short-Circuit Fault Characteristics Analyses in End-mixed DC System

MA Wenxuan

(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University), Nankai District, Tianjin 300072, China)

ABSTRACT: Hybrid High-voltage Direct Current Transmission Technology is developed on the basis of traditional direct current transmission technology and has broad application prospects. This paper takes the Baihetan-Sunan hybrid-type HVDC transmission project that the State Grid Corporation is planning as an example, and analyzes the fault characteristics of the DC system in the event of DC short-circuit fault, Finally, the simulation model was built in PSCAD/EMTDC, and the result confirms the validity of the theoretical analysis

KEY WORDS: Hybrid High-voltage Direct Current Transmission Technology; End-mixed DC project; Fault analysis.

摘要：混合直流输电技术是在传统直流输电技术的基础上发展而来的，具有广泛的应用前景。本文以国家电网公司正在规划的白鹤滩-苏南的受端混联型直流输电工程为例，分析了该直流系统在发生直流短路故障时的故障特性，并最终在PSCAD/EMTDC上搭建了仿真模型，验证了理论分析的正确性。

关键词：混合直流输电技术；受端混联型直流工程；故障分析。

DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2014.01.论文序号

0 引言

混合直流输电系统在结构上结合了LCC-HVDC与VSC-HVDC两种常用的直流输电结构，在性能上则包含了这两种直流输电方式各自的优势。混合直流输电系统的结构大多采用整流侧LCC–HVDC，逆变侧VSC-HVDC的接线方式。这种连接方式的优势有：既发挥了LCC-HVDC系统输送容量大，系统造价低的优势，又解决了LCC-HVDC系统不能向弱源/无源网络供电的问题；逆变侧采用VSC的结构所以不会出现换相失败的现象；且VSC-HVDC控制灵活，可以独立控制有功功率和无功功率；直流电压稳定，可以改善直流系统的运行性能等^[1-2]。

受端混联型直流输电是对混合直流输电技术的进一步探究与发展的结果。与常用的混合直流输电系统不同，在结构上，受端混联型直流输电系统在整流侧采用LCC-HVDC，而在受端逆变侧则采用LCC与VSC相串联的结构。这样即使逆变侧高压阀组LCC发生换相失败，低压阀组的VSC仍可以维持运行状态，直流系统仍可以输送一定的功率至交流电网。除此之外，LCC所采用的晶闸管具有单向导通性，在直流线路发生短路故障时可以阻拦VSC产生的故障电流，减小了故障对直流系统的影响。在实际的工程应用上，考虑到LCC-HVDC与VSC-HVDC所能传输容量的较大差距以及现实中各配电单位的分布。为实现整流侧与逆变侧传输容量的配平、电能输送更加灵活，可以在受端采用多端口并联的连接方式。这种结构可以根据实际情况需要并联接入更多的VSC结构，便于线路的改造。

国家电网公司正在规划的白鹤滩-苏南工程建成之后将会是我国首例受端混联直流输电工程。因此本文以该系统为主要研究对象，针对该系统的拓扑结构、阐释系统运行原理并提出可行的协调控制策略。并根据在实际工程中可能发生的故障位置，分析该系统的故障响应，在PSCAD/EMTDC中建立对应的受端混联直流系统模型，并验证理论分析。

1 受端混联直流系统拓扑结构及协调控制策略

1.1拓扑结构

白鹤滩-苏南受端混联型直流输电系统采用的是完全对称的双极结构，线路电压等级为±800kV，额定传输功率为8000MW。每一极的整流侧LCC由两个12脉波换流器串联构成；逆变侧由一个12脉波换流器与3个并联的两电平VSC串联组成。结构图如图1所示。

图1受端混联型直流系统拓扑

Fig. 1 End-mixed DC system topology

图中 ， 是为下文研究直流系统故障特性而选取的故障点所在的直流线路。建立该直流输电系统的等效模型，为方便计算，取直流系统中的一极、并联的3端VSC取其中一端。等效模型如图2所示。 为各换流阀交流侧线电压有效值； 为换相电感。 为整流侧直流电压； 为逆变侧高压阀组直流电压； 为逆变侧低压阀组直流电压； 为线路直流电流； 为线路等效电感。 为线路等效电阻。

图2受端混联型直流系统等效模型

Fig. 2 Equivalent model of End-mixed DC system

对于整流侧，当换流器触发角为 时。

(1.1)

对于逆变侧高压阀组LCC，设换流器熄弧角为 ，则;

(1.2)

而对于逆变侧低压阀组VSC，其采用了PWM调制技术，输出的直流侧电压为：

(1.3)

其中， 为直流电压利用率， 为PWM调制比 。所以直流电流的表达式为：

(1-4)

1.2控制策略

受端混联直流输电系统整流侧LCC的控制策略与传统的LCC-HVDC控制策略一致，采用定直流电流控制方式，并辅以最小触发角控制。

图3整流侧LCC定直流电流控制

Fig. 3 Rectifier side LCC fixed DC current control

为了使直流系统能够稳定正常运行，逆变侧需要能控制系统的直流电压，高压阀组和电压阀组各分担400kV的直流电压。逆变侧高压阀组LCC采用定熄弧角控制、低压阀组VSC采用定直流电压控制和定交流电压控制。

图4逆变侧LCC定熄弧角控制

Fig. 4 Inverter side LCC fixed arc angle control

图5逆变侧VSC控制逻辑图

Fig. 5 Inverter side VSC control logic diagram

2 故障特性分析

双极直流系统常见的短路故障有单极接地故障和双极短路故障^[3]，由于此受端混联型直流输电结构为双极结构，正负极完全对称，所以该直流系统的单极接地故障响应与双极短路故障响应完全一致，所以本文以单极接地故障来分析受端混联型系统的直流故障响应。通常情况下研究直流系统故障，主要是研究整流侧与逆变侧之间直流线路发生故障的情形，即图1中 所示线路位置。然而受端混联型系统由于其结构具有特殊性，逆变侧是由两种不同类型的换流器串联组成的，因此故障发生在逆变侧LCC与VSC之间线路的这种情况也有研究的价值。故障点为图1中 所示位置。

系统发生直流故障，故障点的故障电流来源主要有两方面，一方面是电源经换流器向故障点馈入电流；另一方面是系统中的储能元件经线路向故障点放电。

2.1整流侧与逆变侧间线路单极接地

当单极接地故障发生在线路 上时，系统电流流向如图6所示。

图6整流侧与逆变侧间线路单极接地故障电流流向

Fig. 6 Single pole-to-ground fault current flow between rectifier side and inverter side

逆变侧没有故障电流流入，这是因为当单极接地短路故障发生后，VSC换流器上电容储存的电压不能突变，它将会对逆变侧的LCC施加一个值为400kV的反向电压使其关断，导致逆变侧的电流无法流入故障点，该现象发生在图6中绿线所框位置。

电源经整流侧LCC向故障点馈入电流，故障时的电流暂态响应可用式(2.1)表示。

(2.1)

其中， ， 为整流端到故障点线路的等效电感和电阻， 和 为比例参数和积分参数。短路故障发生后，线路直流电流会快速增大，由图3整流器的控制逻辑图可知，系统会增大触发角以期减小线路直流电流，同时，线路直流电压因短路故障迅速下降至接近为零，电流指令 会被低压限流环节所限制^[4]，线路故障直流电流会最终在整流器触发角的控制下稳定在0.55pu。

2.2逆变侧VSC单极故障接地

当短路故障点位于直流线路 时，直流系统内部的电流流向如图7所示。

图7逆变侧VSC直流线路单极接地故障电流流向

Fig. 7 Single pole-to-ground fault current flow on Inverter side VSC

由于逆变侧高压阀组LCC采用的是定熄弧角控制方式，由式(1.2)可知，输出的直流电压主要受熄弧角指令和网侧电源电压影响， 处发生短路故障对这两个参数的影响甚微，因此逆变侧LCC可以维持住400kv的直流电压的输出。它与整流侧LCC、短路点和大地构成了新的闭合回路，经换流器控制环节的调整最终维持在新的稳态继续运行。

故障点右侧馈入的电流则是由逆变侧VSC提供的，故障点位于 线路上时，结合混联系统的拓扑以及LCC与VSC控制策略的独立性。可知系统内其他的LCC结构并不会对VSC的放电过程产生影响。因此在检测到线路故障后，VSC会闭锁IGBT，并会经电容放电、二极管续流以及电网电源经反并联二极管馈入三个阶段向故障处传递直流电流^[5-7]。

1)电容放电阶段:

图8 电容放电阶段等效电路

Fig. 8 Capacitor discharge stage equivalent circuit

图中所示 、 为换流器到短路点等效电阻和等效电感。 为电容电压。根据等效电路图可列齐次微分方程:

(2.2)

令 ， 。并设故障开始时刻为0时刻，0时刻电压为 ，电流为 。将初始条件代入求解得：

(2.3)

其中， ，电流 的表达式为：

(2.4)

当 时，电容放电阶段结束，结束时刻为 。将 代入式(2.3)得：

(2.5)

2)二极管续流阶段

电容电压降至0后，由于线路中存在电感和电阻，电流响应表现为一阶电路放电。等效电路为：

图9 二极管续流阶段等效电路

Fig. 9 Diode freewheeling stage equivalent circuit

则故障电流为：

(2.6)

其中， 。流经每个二极管的电流大小为故障电流的1/3。该阶段结束时刻为 ，结束时电流为 。

3)电网电流馈入阶段

当电网电流开始馈入，电网侧电源经二极管呈现出不控整流（即触发角为0的整流电路）的特性。在任意两相导通时的等效电路为：

图10不控整流阶段等效电路

Fig. 10 Uncontrolled rectifier stage equivalent circuit

图中， 和 为等效电路上的变压器电感与电阻。 为导通相的相电压有效值。

由线路等效图可以看出这是一个全响应，因此故障电流表达式为：

(2.7)

其中 ， 为故障电流最终趋于稳态的稳态电流的平均值。

(2.8)Equation Chapter (Next) Section 1Equation Chapter 2 Section 1

综上所述，一端的VSC侧故障电流可表示为:

Equation Chapter (Next) Section 1Equation Chapter 2 Section 1 (2.9)

白鹤滩-苏南实际工程规划的混联结构的逆变侧由三端VSC并联构成，所以实际的VSC侧故障电流为上述分析的故障电流值的三倍。

3 仿真验证

为验证上述受端混联型直流输电系统直流故障特性分析的正确性，在PSCAD/EMTDC平台上搭建对应的受端混联直流系统模型。并进行对应的直流接地故障仿真。

1)单极接地故障发生在整流侧与逆变侧之间的直流线路上。从整流侧流入故障点的电流和从逆变侧流入故障点的电流仿真如下图。

图11整流侧流入故障点电流

Fig. 11 DC current from the rectifier side to the fault point

图12逆变侧流入故障点电流

Fig. 12 DC current from the inverter side to the fault point

从上图的仿真波形中可以发现，在1.5s发生单极短路故障后，整流侧LCC进入低压限流环节，逆变侧则没有电流流入。

2)单极接地故障发生在逆变侧LCC与VSC之间的直流线路上。仿真VSC向故障点流入的故障电流。

仿真波形如图所示，1.6s为单极短路故障发生时刻，故障发生前直流系统维持正常工作。故障发生后，电流反向向故障点流通，VSC输入至短路点的故障电流经历了电容放电电流升高、二极管续流下降并最终稳定在电网电流馈入这三个阶段。

4 结论

本文以白鹤滩-苏南直流工程作为研究对象，针对该受端混联型直流输电系统的短路故障特性进行理论分析与仿真验证，得出以下结论:

1)当短路故障发生在整流侧与逆变侧的直流线路上，整理侧流通的电流受LCC控制环节中的低压限流环节所限制而维持在0.55pu；逆变侧LCC会因为同侧VSC的电容施加的反压而关断，起到了隔离故障的作用，逆变侧不会有电流流通。

2)当短路故障发生在逆变侧LCC与VSC之间的直流线路上，整流侧的LCC与逆变侧高压阀组LCC及故障点和地构成新的回路，能够维持在一半正常工作电压的情况继续运行；逆变侧低压阀组VSC则经电容放电、二极管续流以及电网电流馈入三个阶段向释放故障电流。

参考文献

[1] 冯明,李兴源,李宽.混合直流输电系统综述[J].现代电力,2015,32(02):1-8.

[2] 吴杰,韩啸,刘梦丹.LCC-VSC混合直流输电系统分析及仿真验证[J].智能电网,2015,3(12):1136-1142.

[3] 裴翔羽,汤广福,张盛梅,谢素娟,吴亚楠,杨杰.双极柔性直流电网短路电流暂态特性分析[J].全球能源互联网,2018,1(04):403-412.

[4] 付颖,罗隆福,童泽,李勇,周金萍,许加柱,刘福生.直流输电控制器低压限流环节的研究[J].高电压技术,2008(06):1110-1114.

[5] 李斌,何佳伟.柔性直流配电系统故障分析及限流方法[J].中国电机工程学报,2015,35(12):3026-3036.

[6] 戴志辉,葛红波,严思齐,王增平,陈曦.柔性直流配电网故障分析[J].电工技术学报,2018,33(08):1863-1874.

[7] J. Yang, J. E. Fletcher and J. O'Reilly, "Short-Circuit and Ground Fault Analyses and Location in VSC-Based DC Network Cables," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 10, pp. 3827-3837, Oct. 2012.

作者简介：

马文轩(1996)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制、柔性直流输电

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