基于VSC-HVDC的交直流混聯(lián)供電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓機(jī)理分析

1研究現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)外對交直流混聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的研究已取得一些成果。文獻(xiàn)對舟山多端柔性直流輸電工程內(nèi)部過電壓產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了仿真分析,并建立了保護(hù)控制策略模型。文獻(xiàn)分析了張北柔直系統(tǒng)在直流線路短路故障后送受端換流站的直流過電壓變化動態(tài)過程。文獻(xiàn)研究了VSC-HVDC系統(tǒng)7種常見故障類型下的過電壓。文獻(xiàn)對比了基于MMC與VSC直流輸電系統(tǒng)的故障特征差異。文獻(xiàn)經(jīng)過分析交直流系統(tǒng)各位置故障的過電壓,得出對換流站過電壓水平起決定性影響的故障均位于其直流側(cè)的結(jié)論。文獻(xiàn)對直流輸電線路操作過電壓機(jī)理進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)以士10kV兩端柔性直流配電網(wǎng)為例,對MMC直流配電網(wǎng)幾類故障下產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)分析了舟山多端柔性直流輸電系統(tǒng)交直流側(cè)不同故障位置產(chǎn)生的過電壓。文獻(xiàn)根據(jù)長線路等值電路數(shù)學(xué)模型,分析了空載長線路電容效應(yīng)引起的工頻過電壓與合閘操作過電壓的形成機(jī)理。

2VSC數(shù)學(xué)模型

兩端連接有源交流系統(tǒng)的VSC-HVDC系統(tǒng)的單線結(jié)構(gòu)如所圖1所示。

為簡化分析,作如下假設(shè):

（1）系統(tǒng)兩端交流側(cè)具有正弦對稱的三相交流電壓且幅值相等:

（2）換流變與換流電抗均為線性對稱,且忽略其飽和狀態(tài):

（3）變壓器在換流器側(cè)繞組為"△"接線,則系統(tǒng)中無零序分量:

（3）VSC-HVDC系統(tǒng)兩側(cè)換流器具有對稱性且等效損耗相等,其開關(guān)器件及其他相應(yīng)的無源元件均完全一致。

由此,VSC-HVDC一次側(cè)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可簡化為如圖2所示的三相電壓型換流器結(jié)構(gòu)。

根據(jù)基爾霍夫定律,可求得三相的電壓方程,且當(dāng)三相交流系統(tǒng)電壓對稱平衡時,有iSa＋iSb＋iSc=0,uSa＋uSb＋uSc=0,可得:

式中,RS表示兩側(cè)的電阻損耗:Sj(j=a、b、c）表示三相上橋臂開關(guān)函數(shù):.Sj、iSj(j=a、b、c）分別表示交流三相電壓和電流的瞬時值。

則在VSC的直流側(cè)構(gòu)成微分方程:

式中,C為VSC直流側(cè)并聯(lián)電容。

由式(1）～式(4）可見,VSC模型中各相電流均由三相開關(guān)函數(shù)決定,它是一個非線性時變耦合系統(tǒng)。

3交直流混聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部過電壓機(jī)理分析

3.1交流電網(wǎng)傳遞到直流側(cè)的過電壓

為便于分析,設(shè)交流系統(tǒng)相間過電壓按變壓器變比傳遞到不導(dǎo)通閥上,且以全幅值傳遞。換流變壓器內(nèi)部產(chǎn)生過電壓可視為在電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)的共同作用下產(chǎn)生。

假定換流變直流側(cè)空載,當(dāng)直流輸電系統(tǒng)換流變交流側(cè)出現(xiàn)內(nèi)部過電壓時,根據(jù)圖3所示的等效電路可得電磁感應(yīng)傳遞到換流變直流側(cè)的過電壓:

式中,Lm表示激磁電感:Rm表示激磁電阻:K表示換流變比:U1(1）表示輸電系統(tǒng)交流側(cè)產(chǎn)生的過電壓。

靜電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓,其幅值與換流變兩側(cè)繞組線圈間電容、線圈對地電容有關(guān),假定沿線圈電容參數(shù)均勻分布。局部線圈電容在換流變直流側(cè)和交流側(cè)的耦合等效電路如圖4所示。

將電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)過電壓在換流變傳遞暫態(tài)過電壓的過程中進(jìn)行疊加,則換流變直流側(cè)承受的傳遞過電壓為:

式中,C1、C2表示交流側(cè)線圈和直流側(cè)線圈對地電容:C12為線圈之間耦合電容。

3.2直流線路故障產(chǎn)生的過電壓

以圖5所示的等值電路簡化表示整個輸電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)換流器端電壓加在線路上時,直流輸電線路將不斷充電而產(chǎn)生過電壓,并在線路上發(fā)生傳遞。直流線路端部電壓在末端開路時將大幅升高,流過換流閥的電流在換流閥不能正向?qū)〞r減小為0,換流器處于閉鎖狀態(tài)。在換流閥閉鎖前,圖5所示的VSC1換流站的母線電壓額定值變?yōu)殚]鎖后的線路首端電壓,電壓突變將會引起線路發(fā)生高頻振蕩。

以柔性直流系統(tǒng)中危害最為嚴(yán)重的兩極短路故障為例,故障發(fā)生時,交直流兩側(cè)將同時向故障點(diǎn)饋入故障電流,從VSC內(nèi)部結(jié)構(gòu)出發(fā),考慮絕緣柵雙極型晶體管(IGBT）的自保護(hù)功能,假設(shè)故障瞬間IGBT立即關(guān)斷,則過電壓在直流輸電線路的發(fā)展可分為3個階段:

3.2.1第一階段:故障發(fā)生后到換流站閉鎖前

在此階段,直流電壓.dc大于交流側(cè)線電壓,故障電流為直流電容向短路點(diǎn)放電產(chǎn)生,該動態(tài)過程可表示為:

由于直流線路等值電阻通常較小R<2L/C）,因此,該放電過程是欠阻尼振蕩過程,電容電壓會衰減過零,同時,由于交流側(cè)的短路電流僅由交流電抗器續(xù)流作用產(chǎn)生,則交流側(cè)和換流器內(nèi)部無過電流,而直流線路上因大電容放電而出現(xiàn)過流現(xiàn)象。

3.2.2第二階段:換流站閉鎖到切除故障前

當(dāng)直流電壓下降到交流側(cè)線電壓時,交流側(cè)電源將通過二極管向故障點(diǎn)饋入故障電流。根據(jù)整流橋的自然換向原則,交流電源和直流電容同時向故障點(diǎn)放電,且二極管存在交替導(dǎo)通的換向過程。以T1、T2導(dǎo)通為例,故障電流的流通路徑如圖6所示。

因換流站輸入輸出功率不平衡,電容處于充電狀態(tài),電壓升高。在A相和C相導(dǎo)通時:

式中,.A1）、.C(1）分別為換流站出口A相、C相瞬時電壓:.CA(1）為AC相間的瞬時相電壓:.ap(1）、.cn(1）為A相、C相二極管瞬時電壓。

由此可知,在此階段,電容和電感交替充放電,換流站在充電過程時直流側(cè)將出現(xiàn)過電壓,直至換流站解閉鎖,直流電壓逐漸減小并恢復(fù)到正常水平。

3.2.3第三階段:切除故障到換流站解除閉鎖前

當(dāng)直流電容電壓振蕩衰減過零時,在直流線路短路電抗反電動勢的作用下,將使6SC內(nèi)換流閥同時導(dǎo)通,在直流側(cè)形成一階放電回路,而直流電容電壓則將被換流閥鉗位為0。由于短路電抗的續(xù)流作用,9個換流閥不再表現(xiàn)出單向?qū)ㄐ?換流站正、負(fù)極將與三相交流電源直接相連。進(jìn)而分析可知,此階段電網(wǎng)絡(luò)可分解為一個交流側(cè)三相短路電路和一個直流側(cè)放電電路。直流與交流回路電流均存在衰減量,當(dāng)交、流側(cè)衰減分量在減小的某一時刻,交流正弦分量有可能使流過換流閥的電流過零。而任一換流閥中電流為零時,交流三相對稱短路狀態(tài)即告結(jié)束,進(jìn)入自然換相階段。此后,換流閥在自然換相導(dǎo)通與全導(dǎo)通狀態(tài)下不斷交替,總的故障電壓電流水平將逐漸降低,并趨于穩(wěn)定。此階段中,換流器受到交流側(cè)三相短路電流和直流側(cè)短路電抗續(xù)電流的同時作用而急劇過流。

3.3直流輸電線路單極故障時在無故障極引起的過電壓

針對發(fā)生概率相對較高的直流輸電線路單極故障,當(dāng)故障發(fā)生時,線路上將存在故障量并在故障點(diǎn)與線路各端間傳遞,引起健全極上的感應(yīng)過電壓,該過電壓與輸電線路參數(shù)及分布有關(guān)。線路中點(diǎn)的過電壓在線路呈感性阻抗時一般較低,呈容性阻抗時較高,而線路兩端的過電壓則相反。若線路裝設(shè)直流電抗器,對換流站的絕緣水平要求將增高,對線路絕緣水平要求反而降低。

4結(jié)語

基于6SC-H6DC的交直流混聯(lián)供電系統(tǒng),因其中6SC自身耐壓水平存在局限性可能帶來系統(tǒng)失穩(wěn)的風(fēng)險。本文以6CS數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),探討了基于6CS-H6DC的交直流混聯(lián)供電系統(tǒng)常見的幾類內(nèi)部過電壓形成機(jī)理,對下一步定量分析過電壓并提出保護(hù)措施具有一定的指導(dǎo)意義。