一種高壓配電網故障自愈技術的仿真研究?

夏實秋 許智峰

（1.河海大學能源與電氣學院 南京 211100）（2.揚州市建筑設計研究院有限公司 揚州 225000）

1 引言

由于獨特的技術和經濟方面的優勢，高壓直流輸電（HVDC）技術在遠距離、大容量的區域配電網傳輸中得到了非常廣泛的應用［1～3］。然而，在實際應用中不可避免地會出現各種問題。例如，當它接入AC/DC系統之間時，通常會因為收到較大擾動而導致系統發生動態狀態的突變，并導致許多問題［4～6］，如瞬態過載電壓、諧波和電壓不穩定等問題［7］。近年來，隨著電力電子學技術的快速發展，尤其是開發研制出各種高精度的控制電子器件，如門極可關斷晶閘管（Gate Turn off Thyristor，GTO）［8］和絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）［9］已經在實踐中得到了廣泛的應用，由此突破性的出現了電壓源型換流器高壓直流輸電技術（VSC-HVDC）［10］，與傳統常規直流輸電相比，它采用電壓源型逆變器取代電流源型逆變器。

目前，VSC-HVDC已經利用數學模型研究了控制策略、保護方法等。文獻［11］建立了穩態VSC-HVDC系統的數學模型，在此基礎上，提出了VSC-HVDC系統的控制策略，采用逆穩態模型控制器跟蹤工作點，利用兩個解耦控制回路消除穩態偏差。文獻［12］設計了一個基于dqo軸的穩態控制器，對這種VSC-HVDC的性能進行了分析，最后通過仿真結果驗證了其可行性和優越性。在此基礎上，對柔性直流輸電的研究有了較大發展。但是，尤其是在故障情況下的VSC-HVDC的運行特點沒有關注的情況下在高壓直流系統是常見的。在此基礎上，對在高壓直流系統中的VSC-HVDC的研究已經有了較大發展。但對VSC-HVDC在故障情況下的運行特性并沒有引起足夠的重視。

在本文中，首先用電力系統仿真分析軟件PSCAD/EMTDC建立了VSC-HVDC系統模型。基于此，在VSC-HVDC系統的AC側對幾種常見故障進行模擬，并對VSC-HVDC系統的幾個不同的無功補償裝置固定電容器（FC）、靜止無功補償器（SVC）和靜止同步補償器（STATCOM）進行了動態自愈性能研究。采取適當的措施，減少故障造成的影響和危害，為進一步的研究提供一定的參考。

2 TSC的基本結構和工作原理

TSC型無功補償是無功補償中最常用的補償裝置。它由固定電容器（FC）演變而來，屬于并聯補償裝置，也是靜止無功補償器（SVC）的一個分支［13］。

單相TSC由電容器、雙向晶閘管和阻抗值較低的限流電抗器組成，如圖1所示，TSC是一種利用晶閘管作為非接觸開關的無功補償裝置，它能夠根據晶閘管準確觸發特性，快速、平穩地進入或切斷補償電容器［14］。TSC可以跟蹤沖擊載荷的變化，并且將閉環反饋迅速提供給最佳的功率因數。它可以實現動態無功補償和降低電壓波動，從而達到節能降耗的目的。

3 VSC-HVDC的工作原理

圖2給出了雙端VSC-HVDC輸電系統的主電路結構［15］。電壓源型換流器的主要部件有：全橋式整流器、DC電容器、AC濾波器、換流電抗器和交流濾波器。全橋式整流器采用三相雙級拓撲結構，每個橋臂由多個IGBT組成，DC電容器用于提供電壓支持和緩沖橋臂斷開時的脈沖電流，同時，可以減少DC側換流變壓器的諧波，AC側的換流變壓器或轉換堆是VSC與AC系統之間能量交換的紐帶，也具有濾波效果。AC濾波器用于濾除DC側的諧波。雙端電壓源型逆變器由DC輸電線路連接，一端運行在整流器狀態，另一端運行在逆變器狀態，從而實現兩端之間的有功功率交換。

圖2 雙端VSC-HVDC傳輸系統

VSC-HVDC是由電壓源型變換器技術和全控設備（如IGBT）發展而來的。圖3顯示了由高頻開關器件IGBT組成的電壓源轉換器單相電路。其工作原理是：觸發信號Ui產生對比的工作頻率正弦信號Uc與三角載波信號Utri，如圖4所示。

圖3 由IGBT構成的單相電壓源換流器

圖4 VSC的工作原理

從圖3和圖4可以看出，當2+被觸發時，輸出電壓為U0=Ud/2，當2-被觸發時，輸出電壓為U0=Ud/2。并且2+與2-不可能同時觸發。AC母線中的正弦電壓uc由轉換堆和濾波器獲得，消除uo的高諧波分量與uc具有相同的波形。用utri決定了開關的動作頻率檢測，uc對輸出電壓uo的相位和幅值進行檢測。當uc的相位改變時，它將改變有功功率的大小和方向。當uc的振幅發生變化時，它將改變無功功率的大小和極性（電感或電容性）。因此，電壓源型換流器可以單獨調節有功功率和無功功率［16］。

4 VSC-HVDC系統故障仿真

4.1 仿真系統模型

首先，利用PSCAD/EMTDC仿真工具建立VSC-HVDC的數學模型。如圖5所示。主要的電路參數為：AC系統的參考電壓為115kV；變壓器的額定容量為S=100MVA，比率為115 kV/62.5 kV，DC電容為500uF。模擬試驗系統采用背靠背運行方式，整流器采用固定有功功率和恒無功功率的對沖方式，逆變器采用恒定直流電壓和恒定無功功率控制方式。在此基礎上，分別采用SVC和STAT?COM代替AC系統中的FC研究不同系統故障的動態自愈特性。

圖5 VSC-HVDC模型

4.2 三相接地故障自愈

三單相接地故障屬于典型的對稱故障。故障發生在1s時刻，在1.05s時刻配電網自愈。故障點設置在逆變器的AC系統側。

圖6 三相接地故障下DC功率的動態自愈特性

圖6和圖7給出了三相接地故障下DC功率和電壓的動態自愈特性。可以看出，當SVC用于補償時，DC功率和電壓的自愈是最慢的。由于TSC在故障過程中反復切換，系統在自愈過程中會出現振蕩現象。當采用STATCOM時，配電網系統恢復最快。這是因為STATCOM通過改變VSC的電壓和電流波形來發射和吸收無功功率，而且不需要電容組和并聯電抗器，SVC補償運行時沒有缺點，其主要的優點是：當系統釋放電容性無功電流時，STATCOM不依賴于系統電壓，且特別適用于系統在故障期間和故障后支持電壓的場合［17］。

圖7 三相接地故障下DC電壓的動態自愈特性

4.3 單相接地故障

單相接地故障是AC系統中的一種常見故障，也是一種典型的不對稱故障。故障發生在1s時刻，在1.05s時刻配電網自愈。故障點設置在逆變器的AC系統側。

圖8 單相接地故障下DC功率的動態自愈特性

圖9 單相接地故障下DC電壓的動態自愈特性

圖8和圖9顯示了單相接地故障下DC功率和電壓的動態自愈特性。它們與圖6和圖7相似。在不同的無功補償裝置中，當采用STATCOM時，系統的自愈速度是最快的，而當采用SVC進行補償時，DC功率和電壓的自愈速度最慢，但是整體的自愈速率增加。

4.4 三相斷相故障

三斷相故障在實踐中是最不常見的故障，但一旦出現，它將嚴重地危害到整個配電網系統。故障發生在2s時刻，在2.05s配電網自愈。

圖10 三相斷相故障下DC功率的動態自愈特性

圖11 三相斷相故障下DC電壓的動態自愈特性

圖10和圖11顯示了三相斷相故障下DC功率和電壓的動態自愈特性。當FC用于補償時，DC功率和電壓的恢復最慢，當采用SVC時，配電網系統會出現一定的過載電壓，但是系統從故障中恢復得更快，因為SVC具有電壓調節的功能，當采用STATCOM時，它只會出現很小的擾動，系統的恢復速度最快。

5 結語

本文通過電力系統仿真分析軟件PSCAD/EM?TDC分析了VSC-HVDC系統的故障自愈特性。可以得出以下的結論：

1）當SVC用于補償時，由于結構的原因，會導致AC系統強度進一步下降，使配電網系統的自愈特性更加惡化。

2）當SC用于補償時，會增加AC系統的短路容量。它不僅能提供必要的無功功率，而且能使配電網系統從故障中迅速地完成自愈。

3）SVC和SC可以快速有效地抑制三相斷相故障下的過載電壓，而FC沒有電壓控制功能，因此電容器和濾波器必須快速切除，以避免出現較高的過載電壓。

4）在三種無功補償模式下，無論是瞬態過載電壓的抑制水平還是DC功率的自愈特性，我們可以得出結論，SC比其他兩種補償具有更明顯的優點。