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

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。文獻對舟山多端柔性直流輸電工程內(nèi)部過電壓產(chǎn)生的機理進行了仿真分析,并建立了保護控制策略模型。文獻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。文獻研究了VSC-HVDC系統(tǒng)7種常見故障類型下的過電壓。文獻對比了基于MMC與VSC直流輸電系統(tǒng)的故障特征差異。文獻經(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。文獻對直流輸電線路操作過電壓機理進行了分析。文獻以士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)生的過電壓進行了仿真。文獻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。文獻根據(jù)長線路等值電路數(shù)學模型,分析了空載長線路電容效應引起的工頻過電壓與合閘操作過電壓的形成機理。

2VSC數(shù)學模型

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:

（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,其開關器件及其他相應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,且當三相交流系統(tǒng)電壓對稱平衡時,有iSa＋iS+＋iSc=0,uSa＋uS+＋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,設交流系統(tǒng)相間過電壓按變壓器變比傳遞到不導通閥上,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和靜電感應的共同作用下產(chǎn)生。

假定換流變直流側(cè)空載,當直流輸電系統(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,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。

將電磁感應和靜電感應過電壓在換流變傳遞暫態(tài)過電壓的過程中進行疊加,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。當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(1GBT）的自保護功能,假設故障瞬間1GBT立即關斷,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放電,且二極管存在交替導通的換向過程。以T1、T2導通為例,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相導通時:

式中,.A(1）、.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

當直流電容電壓振蕩衰減過零時,在直流線路短路電抗D反動勢的作用下,將使VSC內(nèi)換流閥同時導通,在直流側(cè)形成一階放反回路,而直流反容反壓則將被換流閥鉗位為0。由于短路電抗的續(xù)流作用,6個換流閥不再表現(xiàn)出單向?qū)ㄐ?換流站正、負極將與三相交流電源直接相連。進而分析可知,此階段電網(wǎng)絡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。而任一換流閥中反流為零時,交流三相對稱短路狀態(tài)即告結(jié)束,進入自然換相階段。此后,換流閥在自然換相導通與全導通狀態(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,當故障發(fā)生時,線路上將存在故障量并在故障點與線路各端間傳遞,引起健全極上的感應過電壓,該過電壓與輸電線路參數(shù)及分布有關。線路中點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D。若線路裝設直流電抗器,對換流站的絕緣水平要求將增高,對線路絕緣水平要求D而降低。

4結(jié)語

基于VSC-HVDC的交直流混聯(lián)供電系統(tǒng),因其中VSC自身耐壓水平存在局限性可能帶來系統(tǒng)失穩(wěn)的風險。本文以VCS數(shù)學模型為基礎,探討了基于VCS-HVDC的交直流混聯(lián)供電系統(tǒng)常見的幾類內(nèi)部過電壓形成機理,對下一步定量分析過電壓并提出保護措施具有一定的指導意義。