具有故障限流功能的線間直流潮流控制器及其控制方法

黃昕昱，徐千鳴，拓超群，呂銘晟，謝 寧

（1. 湖南大學國家電能變換與控制工程技術研究中心,湖南省長沙市 410082；2. 中國南方電網有限責任公司,廣東省廣州市 510000）

0 引言

與傳統交流系統相比,多端柔性直流（voltage source converter based multi-terminal direct current,VSC-MTDC）系統在遠距離大容量輸電、非同步電網互聯等領域有一定優勢,是解決大規模新能源并網、傳輸和消納問題的有效技術手段［1-3］。但目前VSC-MTDC 系統存在潮流調節和故障電流抑制等難題需要進一步研究和解決。

首先,為了解決VSC-MTDC 系統的潮流調節問題,需要引入直流潮流控制器（DC power flow controller,DCPFC）,提高系統的潮流控制靈活性［4-7］。在現有不同種類的DCPFC 中,線間直流潮流控制器（interline DC power flow controller,IDCPFC）因其體積小、成本低、效率高的特點,具有較大優勢和發展前景［4,8］。文獻［9］提出雙H 橋型IDCPFC,結構簡單、成本低廉、易于控制。文獻［10-12］針對文獻［9］的拓撲結構進行了詳細介紹,并分別提出了不同的控制方法,但控制自由度有限,不能自主控制電容電壓。文獻［13-15］提出的IDCPFC 在2 條線路中分別串聯一個電容,通過電感或直流變換器實現兩側的功率交換。由于文獻［9-15］的單模塊IDCPFC 在電壓和功率等級上存在局限性,文獻［16-17］提出了基于模塊化多電平換流器 （modular multilevel converter, MMC） 的IDCPFC,利用變壓器實現功率交換,適用于較高電壓、大容量的直流系統。文獻［18］提出了雙H 橋型IDCPFC 的級聯結構,為了實現電壓的隔離而采用了大量數目的高壓隔離開關,大大增加了成本和損耗。綜合已有文獻中的IDCPFC 可知：①單模塊IDCPFC 潮流控制能力不足；②多模塊IDCPFC 通過增設變壓器或大量高壓功率器件實現2 個等效電壓源間的隔離變換,結構復雜,成本和損耗較大。因此,有必要研究新的潮流控制方案,在提升潮流調節能力的同時,還需要在成本和效率等方面作進一步優化。

此外,VSC-MTDC 系統還存在故障電流上升快、峰值高、抑制難的問題［19-20］。DCPFC 作為串聯設備,在短路故障工況下容易損壞,導致電流中斷甚至影響整個直流系統［21］,而現有的DCPFC 大多關注其穩態工況,對故障工況考慮較少。因此,有必要研究DCPFC 的故障運行特性及其保護措施。與此同時,由于直流短路電流上升速度快而斷路器動作較慢,導致斷路器開斷難度大,所以,如何降低開斷電流是直流電網短路故障的研究重點之一［22-23］。DCPFC 的基本原理是改變線路阻抗或電壓,與限流器具有拓撲相似性,如果能利用DCPFC 在故障工況下的阻抗或電壓特性使其發揮限流功能,則可以在不增加裝置復雜度的前提下實現一定程度的故障電流抑制,有利于降低斷路器的開斷電流。文獻［19,22］提出故障限流型潮流控制器,利用拓撲結構中的電感限制故障電流,僅適用于部分含有大電感元件的DCPFC。文獻［24］提出利用子模塊電容發揮限流作用,但缺少詳盡的暫態過程分析和參數選取方法。

為此,本文提出一種故障限流型IDCPFC,主要工作如下：①提出一種模塊化級聯型IDCPFC,有利于提供更大的潮流調節能力,與現有的多模塊IDCPFC 相比,具有體積小、成本低的優勢；②提出一種電壓、電流分時控制方法,可以實現外部線路電流和內部電容電壓的獨立控制；③利用閉鎖降壓限流方法降低斷路器的開斷電流,給出了故障工況的等效模型、參數選取以及控制策略,并且可以通過旁路保護方法實現限流后的自保護。

1 IDCPFC 結構與工作原理

1.1 拓撲結構

IDCPFC 拓撲結構如圖1 所示,由N個級聯的子模塊、隔離開關IS、旁路開關BS 組成。子模塊包含左右2 個全橋結構,其中,將左側稱為A 側,右側稱為B 側,Uai、Ubi（i=1,2,…,N）分別為A、B 兩側子模塊的輸出電壓。IS 和BS 是由2 個集成門極換流晶閘管（integrated gate-commutated thyristor,IGCT）構成的雙向開關。IS 主要作用是電壓隔離,這是由于子模塊中兩側的全橋模塊與同一個電容直接相連,所以級聯時為了保證2 條線路電流的流通路徑相互獨立,需要實現A、B 兩側的電壓隔離。文獻［18］在功率器件與電容的連接點插入高壓隔離開關,每個子模塊需要插入4 個雙向隔離開關,即8 個功率器件,則N個子模塊需要8N個高壓功率器件。隔離開關的耐壓值隨著子模塊數的增多而增加,第1 個子模塊中隔離開關的電壓應力為UC,第2 個子模塊的則為2UC,以此類推,第N個子模塊中隔離開關的耐壓值為NUC。在相同輸出電壓等級下,本文隔離開關中的功率器件數目為8 個,電壓應力最大不超過NUC,按照NUC選擇電力電子器件,本文所有隔離開關的成本僅相當于文獻［18］中第N個模塊的成本,因此具有更好的經濟性。旁路開關BS主要用于實現故障工況下IDCPFC 的自保護,此外還可以用作正常工況下實現模塊的外部旁路。

圖1 IDCPFC 拓撲結構Fig.1 Topology of IDCPFC

故障限流型IDCPFC 有2 種工作模式：潮流控制模式和故障限流模式。在正常工況下,IDCPFC只需起到分配線路電流的作用,處于潮流控制模式；當系統發生短路故障時,IDCPFC 處于故障限流模式來抑制線路電流的上升。

1.2 工作原理

IDCPFC 可以安裝在直流系統的其中一個節點上,如在附錄A 圖A1 的三端直流系統中安裝在節點1,用于調整與之連接的2 條支路電流I12和I13。通過控制功率器件的通斷,使得一側全橋模塊以較高的頻率在輸出正電壓和輸出零電壓（即輸出旁路）2 種狀態不斷切換,而另一側全橋模塊在輸出負電壓和輸出零電壓2 種狀態切換,等效于2 條輸電線路分別串入正、負電壓,從而實現線路電流重新分配,同時電容電壓也在不斷充放電的過程中達到穩定。潮流控制模式下的穩態等效電路如圖2 所示。由于每個全橋模塊可輸出+UC、?UC、0 這3 種電壓電平,所以N個模塊級聯后輸出電壓峰值為±NUC,可以將左右兩側的結構分別看作2 個可控電壓源,通過控制各自的電容投入系數D1、D2,可以調節其輸出電壓平均值Ua和Ub,進而控制線路電流,其中,Ua、Ub滿足：

式中：D1、D2分別為A、B 兩側的電容投入系數。根據圖2 的等效電路,可得式（2）—式（4）。

圖2 潮流控制模式下的穩態等效電路Fig.2 Steady-state equivalent circuit in power flow control mode

除了自身的潮流控制需求,根據式（1）可知,為了保證IDCFPC 的正常工作,需要維持內部功率平衡,以保證電容電壓的穩定,即還需要滿足式（5）。

2 潮流控制模式下的控制策略

2.1 電壓、電流分時控制策略

在IDCPFC 中,線路電流和電容電壓可以分別由2 個全橋模塊進行獨立控制：一個全橋模塊用于將線路電流調節到期望值,另一個全橋模塊用于補償電容中吸收或發出的功率,維持電容電壓的穩定。由于某一時刻不可能既對電容充電又對電容放電,因此為了避免電壓指令與電流指令的沖突,必須使A、B 兩側全橋模塊分時工作,將其中一側的載波相位后移周期的50%,等效為將一個控制周期分為前后2 個控制進程T1和T2,前半周期用于控制線路電流,后半周期用于控制電容電壓。這種控制方法要求當一側全橋模塊處于脈寬調制（PWM）模式、起調節作用時,另一側全橋模塊旁路,所以左右兩側的電容投入系數絕對值均不能超過50%,則式（1）應改寫為式（6）。因此,A 側模塊用于潮流控制的最大電壓為0.5NUC,如果仍不能滿足調節需求,則需要上調電容電壓。

圖3（a）給出了線路電流控制框圖和一個子模塊SM1的電壓控制框圖,其他子模塊與之相同,圖3（b）給出了相應調制方法。圖3 中：Iref12為線路電流I12的給定值；UC,SM1為子模塊SM1的電容電壓,UrefC,SM1為其給定 值；PI 表 示比例-積分控 制器；SI和SU,SM1分別為線路電流和電容電壓的調制信號；ST為載波的峰值；PWMI和PWMU,SM1分別為用于控制線路電流和電容電壓的PWM 波。

圖3 潮流控制模式下的控制策略與調制方法Fig. 3 Control strategy and modulation method in power flow control mode

由圖3 不難看出,電容電壓可控是通過增加旁路冗余狀態從而增加控制自由度實現的。傳統的控制方法設定了D1+D2=1［11-12］,因此在一個開關周期內,電容不是投入一條線路就是投入另一條線路,導致控制自由度有限,無法自主控制電容電壓。在本文的控制方法中,增加了一種輸出狀態：兩側模塊均旁路,即2 條線路都沒有電容投入。該旁路狀態的增加使D1、D2不再相互關聯,變為2 個獨立可控的變量,控制自由度增加,因此電容電壓不再受電流調節的影響。

2.2 潮流控制模式的開關狀態

在一個開關周期t0～t5內,開關特性如表1 所示,根據電流流向和調節方向不同可以分為8 種工況,每種工況對應控制不同的功率器件,以第1 種工況為例進行詳細說明。2 條支路電流均為正向,控制系統發送潮流調節指令給IDCPFC,要求將線路電流I12調低,為了響應該指令,必須將正電壓串入線路l12,需要控制的功率器件為BS1、BS2、T22、T23。附錄A 圖A2 給出了一個子模塊的開關狀態,其他子模塊與之原理相同。

表1 IDCPFC 的開關特性Table 1 Switch characteristics of IDCPFC

在前半周期T1,A 側全橋模塊處于PWM 模式來調節線路電流,B 側輸出旁路,線路電流調節過程如下：t0～t1和t2～t3時段內,調制波SI小于載 波,僅BS2導通,電流I12流經全橋模塊中的二極管D11和D14,電流I13流經BS2。此時,線路12 串入正電壓的同時對電容充電,I12減小,電容電壓增加。t1～t2時段內,調 制波SI大 于 載波,T13、BS2導通,電 流I12流經D11、T13,I13流經BS2,A、B 兩側輸出均旁路,此時電流自然分配,I12會升高,I13會降低。在后半周期T2,B 側全橋模塊處于PWM 模式來調節電容電壓,A 側輸出旁路,子模塊SM1的電容電壓調節過程如下：t3～t4和t5～t6時 段 內,調 制 波SU,SM1小 于 載 波,BS1、T22和T23導通,I12流經BS1,I13流經T22和T23,此時線路13 串入負電壓的同時對電容放電,電容電壓減小,以平衡上一階段T1內增大的電容電壓。t4～t5時段 內,調 制 波SU,SM1大 于 載 波,BS1、T22導通,I12和I13分別流經BS1和T22、D24,A、B 兩側輸出端均旁路,此時電容電壓不變。經過若干周期的調節可以達到穩態,線路電流達到給定值,并且電容電壓達到平衡。

值得注意的是,在后半周期T2,雖然各子模塊的控制方法相同,電容電壓給定值也相等,但由于每個子模塊的電容值和電路雜散參數不可能完全相同,因此會導致其電容投入時間根據子模塊參數而稍有不同,各子模塊無法完全同步工作。而在前半周期T1,線路電流是外部量,在電容電壓穩定的前提下,IDCPFC 對外可以視作一個可控電壓源,其外特性不受內部參數影響,因此控制線路電流的A 側全橋可以采用相同的驅動信號,所有模塊同步工作。

3 故障限流與自保護控制策略

3.1 故障限流與自保護原理

基于圖1 的故障限流型IDCPFC 拓撲結構,分析其故障工況下的暫態特性、限流機理和自保護方案。由于A、B 兩側全橋模塊分別串聯在2 條支路中,可以分別用于抑制線路12 和線路13 的故障電流,當只有一側發生過流故障時,另一側可以在閉鎖全橋模塊功率器件的同時直接導通旁路開關將自身旁路。假設在真雙極直流系統中,線路12 發生單極接地故障,IDCPFC 的限流和自保護功能分別通過以下2 個階段實現：

1）故障限流階段：潮流控制器接收到自身的過電流保護或者上層控制下發的過流保護指令后,立即閉鎖A 側全橋模塊中的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,使所有子模塊處于不控整流狀態,直流側的電容通過續流二極管由故障電流充電,吸收部分故障能量。該階段故障電流流通路徑如圖4（a）所示,等效電路如圖4（c）所示。由等效電路可知,IDCPFC 通過在線路中串入反向電壓uC,降低了IDCPFC 出口側的壓降,從而抑制了故障電流的上升。

2）旁路保護階段：發揮限流作用后,為了保證電容器的安全,一旦電容電壓達到上限值,使用旁路開關進行強制換向,從而實現自保護功能。該階段故障電流流通路徑如圖4（b）所示,等效電路如圖4（d）所示,其中：Rcon、Lcon、Ccon分別為換流站的等效電阻、電感和電容；LT為直流線路上的平波電抗器；R12、L12分別為直流線路的等效電阻和電感。

圖4 故障限流模式工作原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of operation principle of fault current limiting mode

基于上文的故障限流原理,建立等效模型分析IDCPFC 的限流能力。本文主要研究從故障發生到斷路器動作的暫態過程,現階段工程上較為成熟的混合式斷路器可以在3～5 ms 內切除故障［25］。在這段幾毫秒的時間內換流站電壓跌落幅度很小,可以將換流站的電容電壓視作不變,用Ucon表示［26］。實際工程中,為了減小線路電流紋波和限制故障電流,VSC-MTDC 系統通常在線路中安裝百毫亨級的平波電抗器。

沒有限流措施的等效電路與圖4（d）旁路保護階段等效電路相同,滿足：

式中：C1為子模塊電容值,由于N個子模塊的電容串聯,故容值變為C1/N。

設定故障發生到切除的時延為Δt,則無故障限流和有故障限流時斷路器開斷電流分別為i12(Δt)和i′12(Δt),則IDCPFC 的限流能力可以表示為：

在實際應用中,確定了系統參數和需要IDCPFC 提供的限流能力Δilim12,結合式（8）、式（11）即可求解所需電容值。根據式（11）中uC的表達式可以求得Δt時刻的電容電壓值,如果電容電壓保護閾值Ulim的選取大于uC（Δt）,則IDCPFC 在斷路器動作后被旁路；反之,如果Ulim＜uC（Δt）,IDCPFC 在斷路器動作前就已被旁路保護。

3.2 故障限流影響因素

由于在旁路保護后潮流控制器的限流功能即失效,所以從故障檢測到旁路保護之前為有效限流時間。根據3.1 節的分析可得到影響限流效果的2 個因素：電容值影響故障電流上升率,電容耐壓值影響限流時間。說明如下：電容越小,在有限時間內電容電壓的上升速度越快,抑制短路電流的效果越好；電容耐壓值越大,旁路保護越延后,有效限流時間越長。直流系統參數與附錄A 圖A1 保持一致,IDCPFC 中子模塊個數為8 個,得到不同器件參數下限流能力的解析圖像。附錄A 圖A3（a）為Ulim=5 kV 時不同電容值的限流效果,圖A3（a）的短路故障在t=0 ms 時發生并且在t=3.5 ms 時被斷路器清除。圖A3（b）為C1=4 mF 時不同電壓上限的有效限流時間,為了更清晰地顯示出限流作用的失效時刻,不考慮斷路器的作用。從圖A3 可以看出,適當減小電容值和增大電容耐壓值可以提高IDCPFC 的限流能力。

3.3 故障限流模式下的控制策略

IDCPFC 在故障限流模式下的控制策略如圖5所示。一旦檢測到短路故障則立即閉鎖子模塊中的所有功率器件T11至T24,進入不控整流階段,發揮限流作用。根據IDCPFC 能否在整個故障過程中發揮限流作用,之后的過程可分為以下2 種情況。

情況1：如果在故障清除前電容電壓達到上限Ulim,IDCPFC 將首先限制故障電流,然后在電容電壓達到Ulim時旁路,限流功能也將失效。由于此時斷路器尚未動作,因此電流將繼續以較大的速率上升,直到故障被清除。短路電流曲線見圖5（a）。

情況2：如果在故障清除之前電容電壓沒有達到Ulim,則可以在整個短路故障過程中發揮限流功能,短路電流曲線見圖5（b）。

基于以上2 種情況,IDCPFC 在故障限流模式下的動作順序如圖5（c）所示。由于第2 種情況是普遍期望的,所以在實際應用中,確定了系統參數后,可以通過合理選擇電容值和電容耐壓值使潮流控制器在整個故障過程中發揮限流作用。

圖5 故障限流模式下的控制策略Fig. 5 Control strategy in fault current limiting mode

4 仿真與實驗驗證

在PLECS 軟件中搭建如附錄A 圖A1 所示的三端直流系統仿真模型,其中換流站1 作為平衡節點,采用定電壓控制,其電壓U1為200 kV,換流站2和換流站3 采用定功率控制,分別向系統注入?75.5 MW、?162.0 MW 的有功功率,輸電線路主要參數 見表2［19,26］。IDCPFC 中子 模塊數為8 個,電容值為4 mF,在IDCPFC 未投入使用時,各線路電流分配關系為：I12=0.68 kA,I13=0.52 kA,I23=0.30 kA。

表2 直流輸電系統線路參數Table 2 Line parameters of DC transmission system

4.1 潮流控制與功率階躍仿真結果

設定線路12 的電流給定值為0.6 kA,子模塊電容電壓給定值為500 V,線路電流和電容電壓仿真波形如圖6 所示。1 s 時IDCPFC 投入使用,系統穩定時有：I12=0.60 kA,I13=0.60 kA,I23=0.22 kA,與給定值一致,驗證了IDCPFC 的潮流控制功能；電容電壓經過調節達到穩定值500 V,說明IDCPFC 可以保證內部功率平衡。3 s 時換流站3 注入系統的功率變為?200.0 MW,端口電流I1跳變為1.4 kA,線路12 的電流給定值和電容電壓給定值不變。由圖6 可知,線路電流和電容電壓經過短暫波動快速回到穩定狀態,系統穩定時有：I12=0.60 kA,I13=0.80 kA,I23=0.22 kA。I12依然等于給定值,電容電壓穩定在500 V,說明IDCPFC 在換流站發生功率階躍時可以維持正常的潮流控制和功率平衡功能。

圖6 潮流控制與功率階躍仿真波形Fig. 6 Simulation waveforms of power flow control and power step change

4.2 故障工況仿真結果

IDCPFC的子模塊個數為8個,電容值為3.5 mF,電壓限值Ulim為3.5 kV,3 s 前直流系統正常工作,且IDCPFC 處于潮流控制模式,3 s 時線路12 發生如圖4 所示的單極接地故障,線路電流I12的仿真結果如圖7 所示。可以看出,短路故障發生后,在沒有限流措施的情況下,線路電流迅速上升,遠超額定工作電流,在故障清除前,I12持續上升到3.47 kA。在有故障限流作用的系統中,IDCPFC 檢測到故障電流后閉鎖全橋模塊并輸出負電壓,故障發生后3.5 ms被清除,此時I12為2.95 kA,相比于沒有限流措施,短路電流下降了14.99%。故障發生后3.8 ms 電容電壓上升到設定保護值,IDCPFC 被旁路。仿真結果證明了所提IDCPFC 能夠實現故障限流和自保護。

圖7 短路故障工況仿真波形Fig. 7 Simulation waveforms under short-circuit fault condition

為了進一步研究限流特性,驗證3.2 節的理論分析,對不同電容值和不同電容耐壓值下的限流效果進行了仿真。當Ulim設為5 kV 時,不同電容對應的限流效果如附錄A 圖A4（a）所示。當電容值設為4 mF 時,不同Ulim對應的有效電流限制時間如圖A4（b）所示?？梢钥闯?電容越小,限流效果越好,電容限壓越大,有效限流時間越長,這與理論分析一致。

4.3 實驗驗證

為了驗證本文所提IDCPFC 的功能和控制方法,研制了如附錄A 圖A5 所示的IDCPFC 實驗樣機,并在實驗室搭建了一個小型實驗系統,系統參數為：換流站1 電壓U1=250 V,換流站2 有功功率P2=?1.25 kW,換流站3 有功功率P3=?1.25 kW。樣機參數為：子模塊數目為1,電容值為500 μF。正常工況的實驗結果如附錄A 圖A6 所示,線路電流I12和電容電壓的參考值分別為3 A 和25 V,可以看出,當系統達到穩定時,線路電流和電容電壓等于各自的參考值。電容值為500 μF,Ulim=150 V,得到故障工況下的實驗結果,如附錄A 圖A7 所示。在無故障限流的系統中,I12在故障發生后3.5 ms 上升到15.63 A。在有故障限流作用的系統中,短路故障在發生后0.3 ms 被檢測到,由于實驗室的系統電壓水平較低,隨著電容電壓的升高,線路電流不僅上升速率減小,而且開始下降,在故障發生3.5 ms 后下降到10.93 A,相比于沒有故障限流作用下降了30.03%。在故障發生后6.2 ms,電容電壓達到極限值被旁路,此時I12已經降至7.08 A,由于沒有斷路器,線路電流將繼續上升,實際系統中的故障會在3～5 ms 內被斷路器清除［25］。

5 結語

本文提出了一種IDCPFC,采用模塊化級聯結構,具有故障限流功能,得到如下結論：

1）所提IDCPFC 具有較強的可拓展性,有利于提供更大的潮流調節能力,避免使用變壓器和大量隔離開關,可以降低體積和成本,提高效率。

2）針對該拓撲提出的控制方法增加了控制自由度,可以自主控制電容電壓。

3）系統發生故障時,通過閉鎖降壓機制可以抑制故障電流上升,降低斷路器的開斷電流,并且通過減小電容值和增加電容耐壓值可以提高限流能力,發揮限流作用后通過將電容旁路能夠實現自保護。

4）通過在PLECS 仿真軟件中搭建三端直流系統和小型樣機實驗,驗證了所提IDCPFC 的潮流控制和故障限流功能。

在復雜的多端直流系統中,單臺IDCPFC 可能無法滿足系統的潮流控制需求,多臺IDCPFC 的協同控制仍需要深入研究。

附錄見本刊網絡版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網絡全文。