一种混合式直流故障限流器的设计与仿真

2022-03-24张孝荟汤亚芳袁旭峰季路

南方电网技术 2022年2期

张孝荟，汤亚芳，袁旭峰，季路

(贵州大学电气工程学院，贵阳550025)

0 引言

柔性直流电网可以实现分布式新能源的平滑接入、有功功率及无功功率的解耦控制，能远距离输电且输电损耗小，不存在无功补偿和换相失败等问题，被认为是构建未来全球能源互联网的关键技术[1 - 2]。因柔性直流电网网架结构的特殊性，直流故障后，各换流站子模块电容迅速放电，故障电流急速增大，瞬间便达到电力电子器件闭锁阈值，巨大的故障冲击电流给换流站的安全运行带来了极大隐患[3 - 8]。工程上多依靠直流断路器(DC circuit breakers，DCCB)在数毫秒内开断故障电流清除故障[9 - 11]。随着直流电网电压等级、传输容量的不断提高，直流故障电流的上升率进一步提高，电力电子器件因过流闭锁的时间进一步缩短，给DCCB开断容量、开断速度等提出了更为严苛的要求[12 - 13]。因此，给DCCB配置故障限流器(fault current limiter，FCL)，通过“先限后切”的方式，对降低DCCB制造成本及技术要求具有显著的意义。

现有的直流故障限流器中，超导限流器[14 - 15]高度依赖复杂的冷却系统且恢复速度较慢，过高的造价使其难以得到推广。基于电力电子器件的固态限流器(fault current limiter, FCL)[16 - 17]响应迅速、可控性高，但为满足高压、大电流的要求，固态FCL需串并联大量电力电子器件，使其面临严苛的均压均流问题，且通态损耗大，经济性不高。饱和铁心型限流器[18 - 19]全程自适应动作、无需外部检测触发装置，响应速度快，恢复时间短，因其体积、重量、磁性材料等问题限制了其大规模应用。混合式限流器[20 - 22]结合前三者的限流技术抑制故障电流。

文献[20]限流器采用横向放置的H桥电路结构，利用电容实现故障电流的换相；为实现双向限流，每个桥臂上均反向并联晶闸管，整套限流装置所用晶闸管数量较多，工程投资较高。文献[21]在文献[20]的基础上，限流器中晶闸管的数量有所减少，但仍需额外增设3组晶闸管以实现双向限流；在四端直流电网中需配置16台FCL设备，工程总投资较高。文献[22]提出阻容型故障限流器，该拓扑引入大量IGBT和晶闸管，各器件的导通、关断控制比较繁琐复杂，且工程造价较高。

针对上述问题，本文提出一种新型混合式直流故障限流器。文中先介绍新型FCL的拓扑结构，以及限流原理；然后针对FCL的工作过程进行理论推导和参数设计；最后在PSCAD/EMTDC中搭建四端直流电网模型验证其限流效果。

1 拓扑结构与限流原理

1.1 拓扑结构

图1为本文提出的混合式故障限流器拓扑结构，包含通态低损耗模块和限流模块。

图1 故障限流器拓扑结构Fig.1 Topology of FCL

通态低损耗模块由晶闸管T3反向并联二极管D3组成。限流模块由预充电换相电容、晶闸管、限流电阻和限流电感组成。故障后，系统检测到回路电流超过设定值，立即给晶闸管T1送入触发脉冲，同时也给T2送入持续的触发信号；一直承受着换相电容正向电压的晶闸管T1在接收到触发信号的瞬间被导通，换相电容C1立即放电，放电电流导致T3关断；C1放电完毕后被故障电流反向充电，由于晶闸管T2一直被施加着触发信号，当其开始承受正向电压时，便瞬间被导通。自此限流模块均被投入故障回路抑制故障电流。

1.2 限流原理

限流电路模型如图2所示。故障前，回路电流流经低损耗支路向负载供电，t0时刻发生故障，此后限流器动作过程分析如下。

图2 限流电路模型Fig.2 Model of current limit circuit

1.2.1t0—t1阶段

在t0时刻发生故障后，电流急剧上升，t0—t1时段内，短路电流通过低损耗支路流向故障处，如图3所示。该时段内，晶闸管T1需承受幅值为Uc1的正向电压，T2需承受幅值为Uc1的反向电压。

图3 t0—t1阶段电流流向Fig.3 Current flow direction during t0—t1 period

实际工程中，由于直流故障电流发展迅速，在保护判定及断路器动作之前MMC换流站的控制系统存在时间延迟，还未来得变化，因此在这一段时间内可以将换流站进行线性化等效[23 - 24]。Rs、Ls、Cs分别为换流站的等效电阻、电感、电容。忽略半导体器件通态压降，此阶段根据KVL定律，可得式(1)，其解如式(2)所示。

(1)

式中：udc为直流电压；t为时间。

设故障瞬间的初始条件为Udc(t0)=U0，Idc(t0)=I0，则可得故障电流表达式如式(2)所示。

(2)

其中：

(3)

从式(2)—(3)可知，故障电流受故障时刻及MMC一些固定RLC参数的影响。因此，故障后在线路中投入故障限流器以调整故障回路中总的RLC参数，改变系统故障回路阻尼，可抑制故障电流。

1.2.2t1—t2阶段

t1时刻系统检测到回路电流idc大于设定值Iset，保护装置发出限流器动作指令，立即给晶闸管T1送入触发脉冲，同时给T2送入持续的触发信号。如图4所示，一直承受换相电容正向电压的晶闸管T1在接收到触发信号的瞬间被导通，换相电容C1立即放电，放电电流导致T3关断。

图4 t1—t2阶段电流流向Fig.4 Current flow during t1—t2

1.2.3t2—t3阶段

如图5所示，t2时刻，换相电容C1放电完毕，Uc1=0，换相电容C1开始被故障电流反向充电，T2因开始承受正向电压而导通。

图5 t2—t3阶段电流流向Fig.5 Current flow direction during t2—t3

1.2.4t3以后

如图6所示，t3时刻，换相电容C1充电完毕，其所在支路不再对限流过程产生影响，故障电流全部流经限流支路1、2，限流器动作过程完成。此时系统电阻、电抗经过限流器的投入过程而增大，故障电流的上升率和幅值均得以限制。t4时刻DCCB动作，切断故障电流。

图6 t3时刻以后电流流向Fig.6 Current flow direction after t3

不同于限流器的常规分散安装方式(FCL分别安装在直流线路两端)，该结构下的限流器可采用集中安装方式(FCL串接于换流站与直流母线之间)。若FCL串接在整流侧MMC与直流母线之间，回路电流由A端流经T3到B端；若FCL串接在逆变侧直流母线与MMC之间，回路电流由B端流经D3到A端。此布置方式下，故障限流器的安装数量能减少50%，有利于降低电网的建设成本。

2 理论推导与参数设计

限流器参数设计至关重要，然而目前用于直流系统的FCL无明确参数设计方法和标准，本文采取基于限流过程分析的参数设计原则，对换相电容的各个阶段进行理论推导、电气应力分析，为参数设计提供理论依据。

2.1 理论推导

2.1.1 换相电容预充电阶段

在预充电过程中，导通晶闸管T3、Tc，电流流过晶闸管T3后，一部分给换相电容C1充电；另一部分流向负载。RC作为限流电阻防止充电过程中出现过流现象。

设直流电压为Udc，换相电容C1、调节电容C2上的电压分别为Uc1、Uc2，换相电容所在支路的电流为i，忽略晶闸管通态损耗，充电过程有：

(4)

充电结束，两电容均带上一定的初始电压。

(5)

合理选择C1、C2的电容值，使得充电结束后，电容C1上具有较小的分压Uc1，确保与之反并联的晶闸管T2不会被反向击穿。

图7 预充电方案Fig.7 Pre-charging scheme

2.1.2 换相电容放电阶段

t1—t2电容放电阶段，为确保晶闸管T3顺利关断，换相电容C1所提供的反向电流的应满足如下条件。

UC1/R1>iT3(t1)

(6)

式中R1为用来限制换相电容的放电电流的电阻。R1取值不宜过大。若取值过大，则需要更高的初始电压Uc1才能提供足够的反向电流使得T3顺利关断。

2.1.3 换相电容反向充电阶段

t2—t3阶段，一部分故障电流给换相电容反向充电，另一部分故障电流流入主限流支路；根据KVL定律可列出式(7)。

(7)

L2的作用是使流入主限流支路的故障电流从0缓慢增加，避免主限流电阻R2瞬间承受高压。该过程R2、L2一起分担施加在电容C1上的电压，且R2和L2承受的电压与其自身参数成正比。

2.2 参数设计

2.2.1 换相电容

图8为换相电容对充电电压的影响。可见，换相电容取值越小，其反向充电过程振荡幅度越大。根据2.1节分析，换相电容上的初始电压不宜过高，几十千伏最佳，确保与之反向并联的晶闸管T2不会被反向击穿。根据工程实际并结合式(5)，文中仿真参数取预充电电压Uc1=50 kV，电容C1=10 μF。

图8 C1的影响Fig.8 Impact of C1

2.2.2 限流电阻

图9为限流电阻不同取值对限流效果的影响。图9(a)表明，辅助限流电阻R1取值过大，否则会导致晶闸管T3关断失败；图9(b)表明，主限流电阻R2取值越大，限流效果越明显，但损耗也会越高；兼顾限流器经济性以及限流效果，文中仿真参数取R1=6 Ω，R2=40 Ω。

图9 限流电阻的影响Fig.9 Impact of current limiting resistors

2.2.3 限流电感

在t2—t3阶段内，限流电抗L2的取值会影响回路阻尼情况，对换相电容的反向充电过程带来振荡。图10表明，限流电抗值越大，换相电容反向充电过程的振荡幅度也随之越大；且限流电抗的存在会减缓断路器动作后故障电流的下降速度。故文中仿真参数取L2=10 mH。

图10 L2的影响Fig.10 Impact of L2

3 仿真分析

3.1 限流器动作特性仿真

搭建如图2所示的单端等效系统仿真模型，系统额定电压、额定电流分别为500 kV、2 kA，该测试系统具体参数为，换流站等效电路：Ls=180 mH，Rs=5 Ω，Cs=200 μF；限流器参数：C1=10 μF，R1=6 Ω，R2=40 Ω，L2=10 mH。

系统中各支路电流、换相电容电压UC1如图11(a)所示，限流器控制模式如图11(b)所示。系统在0.01 s(t0)时发生故障，故障电流开始快速上升；t1时刻，系统检测到故障电流超过正常运行状态电流的2倍(4 kA)，给限流器发出动作指令，晶闸管T1被导通，换相电容C1立即放电，放电电流导致T3关断。t2时刻，换相电容放电结束，开始被故障电流反向充电；随后晶闸管T2被导通，部分故障电流流入R2和L2所在的主限流支路。t3时刻，换相电容C1反向充电结束，其所在支路电流趋于0，故障电流全部流入主限流支路，限流器动作过程完成。该仿真结果验证了前述1.2节中每个限流阶段理论分析的正确性。

图11 限流器仿真Fig.11 Simulation of FCL

3.2 四端直流电网仿真

为验证所提FCL的有效性，在PSCAD/EMTDC中搭建了如图12所示的四端直流电网仿真模型，直流电网参数见表1。由电网参数可知，MMC3母线出口发生双极短路故障最为严重，故以此为例，验证所提FCL限流效果。

表1 四端直流电网参数Tab.1 Parameters of the 4-terminal DC power grid

图12 四端直流电网示意图Fig.12 Diagram of 4-terminal DC grid

在1.0 s时，MMC3母线出口发生双极短路故障，随后按上述原则投入所提限流器。在直流电网中，故障后MMC的子模块电容迅速放电，桥臂电流急剧上升。图13(a)表明，FCL对换流站中子模块的快速放电有一定的抑制作用，减缓了子模块电压的衰减过程。图13(b)表明，未投入FCL时，故障后3.4 ms，MMC3站正极某相桥臂电流达到闭锁阈值(6 kA)；投入FCL后，桥臂故障电流得以抑制，故障后8.4 ms才达到闭锁阈值。由此可见，所提FCL的投入为直流线路保护系统争取了5 ms时间，有利于提高系统稳定性。仿真表明，所提FCL的投入对换流器安全运行起到了积极作用。

图13 MMC3内部波形Fig.13 Internal waveform of MMC3

FCL配合DCCB切除故障线路时，令故障后5 ms断路器动作，避雷器电压参考值设置为550 kV。如图14(a)所示，所提FCL能明显抑制故障电流的上升率和幅值。故障后5 ms内，故障电流上升率由2.254 kA/ms(未投入FCL)下降到1.015 kA/ms(投入FCL)，限流指标[23]CLI5=42.66%，限流效果好。所提FCL的投入，对DCCB的性能要求大幅降低，并联在主断路器中电力电子器件数量可相应减少，节约工程投资。如图14(b)所示，所提FCL与 DCCB配合能更快地切除故障电流，降低了直流断路器暂态过流耐受应力，有利于延长其使用寿命。

图14 限流器配合混合式直流断路器应用Fig.14 FCL cooperate with hybrid DCCB

4 限流器性能对比

本节从故障限流器的限流效果、经济性能两方面进行对比分析。定义限流效果指标(current-limiting index，CLI)为故障后有无限流器故障电流下降幅值之比，方案A、B、C分别为文献[25]、文献[26]、以及本文所提的混合式故障限流器。在经济性能分析方面，选取目前相对比较成熟的大功率IGBT(4.5 kV/3 kA)和晶闸管(8.5 kV/5 kA)作为选型方案。方案1为仅使用ABB断路器时的开关器件需求，方案2为配合所提故障限流器使用的ABB断路器开关器件需求。

表2 限流器性能对比Tab.2 Performance comparison of FCL

从限流效果方面分析，方案A、方案B以及本文所提故障限流器在故障后5 ms的限流指数CLI5相差不大，均能在DCCB动作之前把故障电流限制在10 kA以下。在经济性能方面，分析方案1、2可知，限流器将故障电流抑制在一定水平，再利用DCCB切除故障的方式，可以使ABB断路器中的IGBT器件减少40%。且本文所提故障限流器所用晶闸管的数量最少，与方案A、B所用晶闸管数量相比，分别减少了66.7%、24.7%。由此可见，在满足相同限流条件下(将故障电流抑制在10 kA以下)，采用本文所提FCL协同DCCB进行故障隔离的方案，具有较大的经济优势，能够大幅减少电力电子器件的使用。