SFCL對HVDC系統中換相失敗的影響

趙 鵬，楊 帆，李晨曦

(東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

隨著交直流混合電網時代的到來，電網規模不斷擴大，電力系統容量逐年增加，短路容量和短路電流水平也急劇增加［1］。一旦電力系統短路，巨大的短路電流可能導致斷路器無法正常斷開，這就對電力系統的保護設備提出了更高的要求［2］。所以，超導故障限流器(SFCL)現已成為電流保護裝置的研究熱點，其應用已經成為電力保護設備發展的必然趨勢［3］。文獻［4-5］分析了將電阻型 SFCL應用于交流電網研究其對交流電網的影響，文獻［6-10］設計了幾種新型的橋式換流器?，F今對SFCL的主要研究方向集中在對其性能的改進和將其應用于交流電網。

隨著直流系統在電網中的比例越來越大，將SFCL應用于HVDC系統的作用更加顯著，特別是用于限制換相失敗更是SFCL一項獨特的作用。因此本文介紹了橋式超導故障電流限制器(SFCL)的限流原理及限流效果。

1 橋式SFCL的原理［11］

橋路型SFCL的工作原理如圖1所示。直流偏壓電源Ub為超導線圈L提供直流偏流I0。設正常穩定運行時負載電流i1=2Isinωt，調整直流偏壓電源Ub，使流經超導線圈的偏流I0大于負載電流的峰值2I0。此時I0在VD4與VD1、VD2與VD3均勻分流，A、B點等電位，各二極管中分別流過負載電流的一半以及Ub提供的直流電流的一半，故正常狀態時任何瞬間均有

在PSCAD仿真環境中，搭建如圖1所示的仿真模型，設定該電路在0．5 s時發生短路故障，故障時間為0．1 s，仿真波形如圖2、圖3所示。

圖1 橋式SFCL原理電路圖Fig．1 Bridge SFCL principle ciruit diagram

圖2 未加SFCL的短路電流Fig．2 Short circuit current with out SFCL

圖3 加入故障限流器后的故障電流Fig．3 Fault current with SFCL

由圖2、圖3可以看出，加入故障限流器后短路電流由原來的2．2個標幺值降到1．4，說明加入故障限流器后其限流效果明顯。

2 直流輸電換相失敗

當橋路型SFCL兩個橋臂之間換相結束后，剛退出導通的閥在反向電壓作用一段時間內，如果未能恢復阻斷能力，或者在反向電壓作用下換相過程一直未能進行完畢，在這兩種情況下閥電壓轉向正向時換相的閥將向原來預定退出導通的閥換相，這稱之為換相失?。?2］。

12脈動直流輸電系統對稱運行時，其逆變器關斷角γ可由下式表示［13］:

式中:k為換流變壓器的變比;XC為換相電抗，Ω;Id為直流電流，kA;E為換相電壓的線電壓有效值，kV;β為越前觸發角，°。

當逆變側交流系統發生不對稱故障并使換相線電壓過零點發生前移時，逆變器的關斷角可由下式表示:

式中:φ為換相線電壓過零點前移角度，°。

晶閘管需要一定的時間完成載流子復合，恢復阻斷能力，晶閘管恢復時間以及角度γmin約為10°，即當計算出的關斷角 γmin≤10°時就認為換相失?。?4-15］。因此，從本質上說，換相失敗的根本原因是關斷角不能達到最低要求。

由式(1)、式(2)可知，不管是對稱故障還是不對稱故障，直流電流的增大、換流線電壓的下降都是影響換相失敗的主要因素，而能引起直流電流增大、交流電壓下降的主要故障就是逆變側交流系統發生短路故障，因此研究由逆變側交流系統短路故障引起的換相失敗故障特征具有重要的現實意義。

3 SFCL加入直流輸電系統

在直流輸電系統中，SFCL的安裝位置如圖4所示。

圖4 直流輸電系統中加入SFCLFig．4 DC transmission system with SFCL

如果故障發生在系統母線中，故障電流通過換流器，這意味著流過每個晶閘管的故障電流與正常操作時相比增加了。晶閘管電流的增加會改變晶閘管的正常工作，導致換相失敗。在換向失敗時電力傳送會停止，這會導致直流輸電系統的連續停電，甚至損壞設備。為了緩解這個問題，在直流輸電CIGRE標準模型上，將SFCL連接于交流母線與交流過濾器之間，設置0．4 s時U相單線接地故障，故障持續時間為0．02 s，觀察交直流電壓電流、逆變側熄弧角的變化，并與不加入SFCL時做圖像對比。不加SFCL時的仿真波形如圖5—圖8所示。

由圖5—圖8可以看出，當發生單相短路接地時，故障相電壓瞬時為零，其余兩項電壓發生嚴重畸變。直流電流過沖到幾乎2.5個標幺值，熄弧角在故障期間降為零。由發生換相失敗的基本判斷條件可知，這種故障情況下逆變側必然會發生換相失敗。加入SFCL時的仿真圖形如圖9—圖11所示。

圖5 故障相電壓

Fig.5 Fault phase voltage

圖6 非故障相的電壓Fig.6 Non fault phase voltage

圖7 故障期間直流電流Fig.7 DC current during fault

圖8 故障期間γ角Fig.8 γAngle during the fault

圖9 U相電壓Fig.9 U phase voltage

由圖9—圖11可知，加入SFCL時交流電壓和直流電流都不會發生太大變化，γ角在故障期間也控制在10°以上，不會發生換相失敗，因此證明了在HVDC系統中加入SFCL可以有效抑制換相失敗的發生。

圖10 故障期間直流電流Fig.10 DC current during fault

圖11 故障期間γ角Figure 11 γ Angle during fault

4 結論

SFCL的加入可以在直流輸電系統故障時限制交流電壓的下降和直流電流的激增，將熄弧角限制在規定范圍內，使換流器不會發生換相失敗。同時，也為抑制直流輸電的換相失敗提供了一個有效的解決方案，有效保證了直流輸電系統的穩定運行。

［1］張永，牛瀟曄，王洋，等．超導故障限流器［J］．國際電力，2005，9(2):57 60．ZHANG Yong，NIU Xiaoye，WANG Yang，et al．Superconductor Fault Current Limiters．［J］．International Power，2005，9(2):57 60．

［2］馬幼捷，劉富永，周雪松，等．超導故障限流器的數字仿真研究［J］．繼電器，2006，34(23):24 28．MA Youjie，LIU Fuyong，ZHOU Xuesong，et al．Digital Simulation of Superconducting Fault Current Limiter．［J］．Relay，2006，34(23):24 28．

［3］劉富永．超導故障限流器在電力系統中的應用與仿真研究［M］．西安:西安交通大學，2006．LIU Fuyong．Application and Digital Simulation of Superconducting Fault Current Limiter in Electric Power Systems．［M］．Xi'an:Xi'an Jiaotong University，2006．

［4］秦玥，顧潔，金之儉，等．電阻型超導限流器對電力系統暫態穩定的影響分析［J］．華東電力，2013，41(5):1031 1037．QIN Yue，GU Jie，JIN Zhijian，et al．Influence of Resistive Superconducting Fault Current Limiter on Power System Transient Stability［J］．East China Electric Power，2013，41(5):1031 1037．

［5］陳妍君，顧潔，金之儉，等．電阻型超導限流器仿真模型及其對10 kV 配電網的．影響［J］．電力自動化設備，2013，33(2):87 93．CHEN Yanjun，GU Jie，JIN Zhijian，et al．Simulation Model of Resistortype Superconducting Fault Current Limiter and its Impact on 10kV Distribution Network［J］ ．Electric Power Automation E-quipment，2013，33(2):87 93．

［6］褚建峰，王曙鴻，邱捷，等．新型橋式高溫超導故障限流器的設計［J］．西安交通大學學報，2010，44(10):99 104．CHU Jianfeng，WANG Shuhong，QIU Jie，et al．Design for New Bridge High Temperature Superconducting．［J］．Journal of Xi'an Jiaotong University，2010，44(10):99 104．

［7］張晚英，周有慶，趙偉明，等．改進橋路型高溫超導故障限流器的實驗研究［J］．電工技術學報，2010，25(1):70 74．ZHANG Wanying，ZHOU Youqing，ZHAO Weiming，et al．Experimental Research on an Improved Rectifier Type High Temperature Superconducting Fault Current Limiter［J］．Transactions of China Electrotechnical Society．2010，25(1):70 74．

［8］張晚英，周有慶，趙偉明，等．新型橋路型高溫超導故障限流器的仿真研究［J］．低溫物理學報，2010，32(2):121 125．ZHANG Wanying，ZHOU Youqing，ZHAO Weiming，et al．Experimental Research on a Novel Rectifier Type High Temperature Superconducting Fault Current Limiter Based on Limiting Harmonic［J］．Journal of Low Temperature Physics，2010，32(2):121 125．

［9］張晚英，周有慶，趙偉明，等．偏流切換橋路型高溫超導故障限流器的實驗研究［J］．電機工程學報，2008，28(6):116 123．ZHANG Wanying，ZHOU Youqing，ZHAO Weiming，et al．Experimental Research on a Novel Rectifier Type High Temperature Superconducting Fault Current Limiter Based on Bias DC Voltage Source Change Over［J］．Journal of Electrical Engineering，2008，28(6):116 123．

［10］莫穎斌，周羽生，宋萌，等．電壓補償型超導限流器在三相電網中的故障限流特性［J］．超導技術，2012，41(3):53 57．MO Yingbin，ZHOU Yusheng，SONG Meng，et al．The Fault Current Limiting Characteristics of Voltage Compensation Active SFCLin Three － Phase Power Grid［J］．Superconducting Technology，2012，41(3):53 57．

［11］趙畹君．高壓直流輸電工程技術［M］．北京:中國電力出版社，2002．ZHAO Wanjun．HVDC transmission engineering technology［M］．Beijing:China electric power press，2002．

［12］郝躍東，倪汝冰．HVDC換相失敗影響因素分［J］．高電壓技術，2006，32(9):38 41．HAO Yuedong，NI Rubing．Analysis on Influence Factors of Commutation Failure in HVDC［J］．High Voltage Technique，2006，32(9):38 41．

［13］ THIO C V，DAVIES J B，KENT K L．COMMUTATION FAILURES IN HVDC TRANSMISSION SYSTEMS［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11(2):946 958．

［14］歐開健，任震，荊勇．直流輸電系統換相失敗的研究(一)—換相失敗的影響因素分析［J］．電力自動化設備，2003，23(5):5 8．OU Kaijian，REN Zhen，JIN Yong．Research on Commutation Failure in HVDC Transmission System Part1:Commutation Failure Factors Analysis［J］．Electric Power Automation Equipment，2003，23(5):5 8．

［15］羅隆福，雷園園，李勇，等．定熄弧角控制器對直流輸電系統的影響分析［J］．電力系統及其自動化學報，2009，21(5):97 103．LUO Longfu，LEI Yuanyuan，LI Yong，et al．Effects of Constant Arc Extinguishing Angle Controller．on HVDC Transmission System［J］．Electric Power Automation Equipment，2009，21(5):97 103．