含直流變電站的柔直系統(tǒng)交流側(cè)嚴重故障保護策略研究

趙 越

（廣東電網(wǎng)有限責任公司電力調(diào)度控制中心，廣東廣州510600）

0 引言

以傳統(tǒng)化石能源為主的能源構(gòu)架將加劇環(huán)境污染及氣溫升高等問題，發(fā)展可再生能源勢在必行，其中，風能與太陽能近年來得到了大力開發(fā)。在我國，適宜大規(guī)模開發(fā)的太陽能資源和風電資源多集中于距負荷中心較遠的地區(qū)，如何將其進行并網(wǎng)與消納一直是研究熱點。相比交流輸電技術(shù)與傳統(tǒng)直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)具有眾多優(yōu)點，在可再生能源并網(wǎng)領(lǐng)域備受青睞[1-2]。

隨著應(yīng)用場合的日益復(fù)雜，柔性直流輸電系統(tǒng)不再僅包含單一類型的電壓源型換流器（Voltage Source Converter，VSC），直流變換器及直流變電站等設(shè)備近年來得到了廣泛關(guān)注，這些設(shè)備的接入使系統(tǒng)運行更加靈活，但同時也為系統(tǒng)的控制與保護帶來了新的挑戰(zhàn)。柔性直流輸電系統(tǒng)在正常運行過程中會面臨各種故障，針對不同故障下相應(yīng)故障特性及保護策略的研究十分重要。目前，針對柔性直流輸電系統(tǒng)中直流側(cè)故障保護的文獻較多，相關(guān)技術(shù)也比較成熟；針對系統(tǒng)中交流側(cè)故障保護的相關(guān)文獻也很多，但多集中于三相不對稱故障下單個VSC或兩端系統(tǒng)的故障保護研究；相對而言，針對交流側(cè)故障對柔性直流輸電系統(tǒng)整體運行狀態(tài)影響的研究則比較少，因此，有必要進行更加深入的研究。

本文以一個含三端口直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)為例，研究了交流電網(wǎng)側(cè)嚴重三相短路故障對系統(tǒng)的影響，探討了故障可能引發(fā)的嚴重后果，并設(shè)計了考慮直流變電站結(jié)構(gòu)特征和控制特性的故障保護策略。

1 含直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)

包含直流變換器及直流變電站等設(shè)備的柔性直流輸電系統(tǒng)是未來直流電網(wǎng)的雛形。本文研究所使用的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，用來模擬以下場景：一個直流型海上風電場通過三端口直流變電站將其發(fā)出的電能輸送至陸上兩個落點。其中，與端口3相連的海上風電場用直流電流源代替（調(diào)節(jié)范圍：0～3 kA）；其發(fā)出的電能一部分通過端口1輸送至陸上換流站，最終輸入交流電網(wǎng)；其余電能則通過端口2輸送至陸上直流電網(wǎng)（用直流電壓源來代替）。

1.1 陸上換流站

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 所示系統(tǒng)中，雙極性陸上換流站是實現(xiàn)交直流系統(tǒng)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備，由兩個VSC通過直流側(cè)串聯(lián)、交流側(cè)并聯(lián)構(gòu)成。VSC的拓撲結(jié)構(gòu)主要包括兩電平式與多電平式。三相兩電平式VSC的拓撲結(jié)構(gòu)及控制原理較為簡單，在早期柔性直流輸電工程中應(yīng)用較多，隨著技術(shù)的進步，仍然具有極大的發(fā)展?jié)摿ΑＤK化多電平換流器（Modular Multi-level Converter，MMC）則是多電平式VSC的代表，可以很方便地實現(xiàn)較高電壓等級，是近年來研究的熱點。

各類VSC的控制原理類似，常使用比較成熟的雙閉環(huán)直接電流控制器，通過選擇不同的外環(huán)控制器，VSC可以工作于不同控制模式：定直流電壓、定交流電壓或者定有功功率控制模式。圖1中，陸上換流站的兩個VSC工作于定直流電壓控制模式，為端口1提供穩(wěn)定的直流電壓支撐。

1.2 直流變電站

直流變電站可以將多條不同電壓等級的直流線路互聯(lián)，其接入使直流電網(wǎng)的運行方式更加靈活[3-4]。直流變電站的拓撲結(jié)構(gòu)多種多樣，其中，基于VSC的電氣隔離型直流變電站比較適用于高壓大功率場合，在目前直流輸電相關(guān)研究中備受青睞[3-4]。圖1中的直流變電站即使用了該拓撲結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖2所示。

圖2 三端口直流變電站拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 所示的直流變電站由多個VSC組合而成，故可通過多個VSC控制模式的組合來實現(xiàn)其所需的控制模式。圖1中，端口1中VSC工作于定交流電壓控制模式以使直流變電站內(nèi)部公共交流母線電壓穩(wěn)定，保證直流變電站正常運行；端口2中VSC工作于定有功功率控制模式，可以靈活控制輸出的有功功率；端口3中VSC工作于定直流電壓控制模式，為海上風電場提供穩(wěn)定的電壓支撐。

2 三相短路故障時系統(tǒng)的故障特性

為研究三相短路故障對系統(tǒng)的影響，在PSCAD環(huán)境下搭建了圖1所示系統(tǒng)的仿真模型，對其在圖1所示故障點發(fā)生永久性三相短路故障時的故障特性進行了研究，圖3給出了相關(guān)仿真波形。

圖3 故障情況下系統(tǒng)關(guān)鍵位置相關(guān)波形

0～3 s為系統(tǒng)啟動階段，故障發(fā)生于3.5 s。圖3（a）給出了系統(tǒng)關(guān)鍵位置的電壓波形，包括端口1的正極性側(cè)電壓U1p、端口3的正極性側(cè)電壓U3p，直流變電站正極性側(cè)內(nèi)部公共交流母線電壓的d軸和q軸分量uacd和uacq。可以看到，U3p、U1p、uacd和uacq平滑快速地上升至其額定值；3.5 s，故障發(fā)生，U1p迅速升高，而系統(tǒng)其他位置的電壓則保持穩(wěn)定。負極性側(cè)相關(guān)波形與之類似，不單獨給出。

圖3（b）給出了相關(guān)有功功率波形，包括直流變電站各端口傳輸?shù)目傆泄β剩≒1、P2、P3）以及各端口正極性側(cè)傳輸?shù)挠泄β剩≒1p、P2p、P3p），由于正、負極性側(cè)對稱，故P1、P2和P3分別是P1p、P2p和P3p的2倍。3.5 s，故障發(fā)生，P2和P3可以保持穩(wěn)定，說明故障沒有影響端口2和端口3的正常運行；P1則從36 MW下降至約16 MW，主要是因為故障發(fā)生后各VSC都沒有閉鎖，部分有功功率將通過陸上換流站向故障點饋電，剩余功率則將造成端口1直流側(cè)電壓的持續(xù)升高。

從以上仿真結(jié)果可以看出，在不考慮任何保護措施時，故障將會造成海上風電場發(fā)出的電能不能完全輸送至陸上，并且直流變電站靠近故障點端口直流側(cè)電壓將持續(xù)升高。

3 考慮VSC自身保護時系統(tǒng)的故障特性

實際運行中，當VSC中出現(xiàn)嚴重過流或過壓現(xiàn)象時，其自身保護會動作，將VSC閉鎖。在考慮VSC自身保護時，由上一節(jié)分析可知，故障發(fā)生后，部分有功功率通過陸上換流站向故障點饋電，陸上換流站將因嚴重過流現(xiàn)象而閉鎖；與此同時，端口1的VSC將因過壓現(xiàn)象而閉鎖。

仿真從一穩(wěn)態(tài)開始，0.5 s，故障發(fā)生；0.505 s，陸上換流站因交流側(cè)電流達到1.2 p.u.而閉鎖；0.51 s，端口1的VSC因直流側(cè)電壓超過額定值5%而閉鎖。圖4給出了相關(guān)仿真波形。

圖4 考慮VSC自身保護時故障情況下系統(tǒng)關(guān)鍵位置相關(guān)波形

從圖4（a）可以看到，0.51 s，端口1中的VSC閉鎖，原本通過端口1傳輸至陸上的有功功率無法繼續(xù)輸出，U1p將維持在31.5 kV；與之同時，該部分功率將造成uacd和uacq的不斷升高，進一步造成端口3中VSC控制效果的不穩(wěn)定，U3p也會呈現(xiàn)出緩慢增長的趨勢。由于uacd和uacq無法保持穩(wěn)定，直流變電站各端口無法保持穩(wěn)定運行，從圖4（b）可以看到，其傳輸?shù)挠泄β室矡o法保持穩(wěn)定。

整體來看，考慮VSC自身保護時，故障發(fā)生后，由于部分VSC閉鎖，系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)控制被破壞，故障將會使直流變電站中距離故障點較遠的端口也無法穩(wěn)定運行，若持續(xù)時間較長，很可能引發(fā)非故障區(qū)域更加嚴重的故障。

4 考慮直流變電站特性的故障保護策略

從以上分析可知，故障造成直流變電站端口1閉鎖，使其內(nèi)部公共交流母線電壓失控，最終導(dǎo)致其他端口無法正常運行，因此，故障保護策略的要點是在端口1閉鎖之后采取合適的方法使直流變電站內(nèi)部公共交流母線電壓保持穩(wěn)定。

直流變電站的多個端口處于同一平臺，可以通過站內(nèi)通信線路實現(xiàn)實時通信，因此，各端口間可以采取“主從控制”方式進行協(xié)調(diào)控制，進而對系統(tǒng)進行保護。相應(yīng)保護策略設(shè)置如下：當端口1的VSC因故障閉鎖時，與直流電壓源相連的端口2的VSC自動切換其控制模式至定交流電壓控制模式，繼續(xù)維持直流變電站內(nèi)部公共交流母線電壓的穩(wěn)定，保證其余非故障端口的正常運行。

圖5（a）給出了使用以上故障保護策略時系統(tǒng)關(guān)鍵位置的電壓波形。0.5 s，故障發(fā)生；0.505 s，陸上換流站因過流而閉鎖；0.51 s，端口1中的VSC因過壓而閉鎖，同時端口2中的VSC控制模式立即切換。可以看到，0.51 s之后，U1p保持在31.5 kV，由于uacd和uacq轉(zhuǎn)由端口2控制，因此uacd和uacq經(jīng)過微小振蕩后依然保持穩(wěn)定，U3p也因此可以保持在額定值。

圖5（b）給出了相關(guān)功率波形。0.51 s，端口1閉鎖，P1p迅速下降為0；與此同時，端口2的控制模式轉(zhuǎn)換，因此端口3依然保持故障前的運行狀態(tài)，P3p基本不受影響；從端口3輸入的功率將全部通過端口2輸出，P2p會隨之發(fā)生改變。

從以上仿真結(jié)果可以看到，系統(tǒng)遭遇嚴重交流故障時，本文提出的故障保護策略充分利用了直流變電站各端口之間容易實現(xiàn)實時通信并可以靈活控制的特點，有效阻止了故障向非故障區(qū)域蔓延。

5 結(jié)語

含直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)是未來直流電網(wǎng)的雛形，十分適用于可再生能源并網(wǎng)與消納。為研究嚴重交流側(cè)故障對系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的影響，文章以一個含三端口直流變電站的柔性直流輸電系統(tǒng)為例，通過研究三相短路故障后不考慮任何保護措施時系統(tǒng)的故障特性，說明故障會使部分設(shè)備出現(xiàn)嚴重的過壓、過流現(xiàn)象；實際運行中，各設(shè)備都配備有自身保護，通過研究考慮VSC自身保護時系統(tǒng)的故障特性，說明VSC自身保護雖可抑制各設(shè)備中的過壓、過流現(xiàn)象，但同時會使故障蔓延至系統(tǒng)中非故障區(qū)域；結(jié)合直流變電站的結(jié)構(gòu)特征及控制特性，提出一種基于主從控制方式的故障保護策略，可以有效阻止故障進一步蔓延。對于規(guī)模更大的柔直系統(tǒng)同樣可以考慮使用文章提出的保護策略。

圖5 采用保護策略時系統(tǒng)關(guān)鍵位置相關(guān)波形