SFCL對HVDC系統(tǒng)中換相失敗的影響

趙 鵬，楊 帆，李晨曦

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

隨著交直流混合電網(wǎng)時代的到來，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電力系統(tǒng)容量逐年增加，短路容量和短路電流水平也急劇增加［1］。一旦電力系統(tǒng)短路，巨大的短路電流可能導(dǎo)致斷路器無法正常斷開，這就對電力系統(tǒng)的保護設(shè)備提出了更高的要求［2］。所以，超導(dǎo)故障限流器(SFCL)現(xiàn)已成為電流保護裝置的研究熱點，其應(yīng)用已經(jīng)成為電力保護設(shè)備發(fā)展的必然趨勢［3］。文獻［4-5］分析了將電阻型 SFCL應(yīng)用于交流電網(wǎng)研究其對交流電網(wǎng)的影響，文獻［6-10］設(shè)計了幾種新型的橋式換流器。現(xiàn)今對SFCL的主要研究方向集中在對其性能的改進和將其應(yīng)用于交流電網(wǎng)。

隨著直流系統(tǒng)在電網(wǎng)中的比例越來越大，將SFCL應(yīng)用于HVDC系統(tǒng)的作用更加顯著，特別是用于限制換相失敗更是SFCL一項獨特的作用。因此本文介紹了橋式超導(dǎo)故障電流限制器(SFCL)的限流原理及限流效果。

1 橋式SFCL的原理［11］

橋路型SFCL的工作原理如圖1所示。直流偏壓電源Ub為超導(dǎo)線圈L提供直流偏流I0。設(shè)正常穩(wěn)定運行時負載電流i1=2Isinωt，調(diào)整直流偏壓電源Ub，使流經(jīng)超導(dǎo)線圈的偏流I0大于負載電流的峰值2I0。此時I0在VD4與VD1、VD2與VD3均勻分流，A、B點等電位，各二極管中分別流過負載電流的一半以及Ub提供的直流電流的一半，故正常狀態(tài)時任何瞬間均有

在PSCAD仿真環(huán)境中，搭建如圖1所示的仿真模型，設(shè)定該電路在0．5 s時發(fā)生短路故障，故障時間為0．1 s，仿真波形如圖2、圖3所示。

圖1 橋式SFCL原理電路圖Fig．1 Bridge SFCL principle ciruit diagram

圖2 未加SFCL的短路電流Fig．2 Short circuit current with out SFCL

圖3 加入故障限流器后的故障電流Fig．3 Fault current with SFCL

由圖2、圖3可以看出，加入故障限流器后短路電流由原來的2．2個標幺值降到1．4，說明加入故障限流器后其限流效果明顯。

2 直流輸電換相失敗

當橋路型SFCL兩個橋臂之間換相結(jié)束后，剛退出導(dǎo)通的閥在反向電壓作用一段時間內(nèi)，如果未能恢復(fù)阻斷能力，或者在反向電壓作用下?lián)Q相過程一直未能進行完畢，在這兩種情況下閥電壓轉(zhuǎn)向正向時換相的閥將向原來預(yù)定退出導(dǎo)通的閥換相，這稱之為換相失敗［12］。

12脈動直流輸電系統(tǒng)對稱運行時，其逆變器關(guān)斷角γ可由下式表示［13］:

式中:k為換流變壓器的變比;XC為換相電抗，Ω;Id為直流電流，kA;E為換相電壓的線電壓有效值，kV;β為越前觸發(fā)角，°。

當逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障并使換相線電壓過零點發(fā)生前移時，逆變器的關(guān)斷角可由下式表示:

式中:φ為換相線電壓過零點前移角度，°。

晶閘管需要一定的時間完成載流子復(fù)合，恢復(fù)阻斷能力，晶閘管恢復(fù)時間以及角度γmin約為10°，即當計算出的關(guān)斷角 γmin≤10°時就認為換相失敗［14-15］。因此，從本質(zhì)上說，換相失敗的根本原因是關(guān)斷角不能達到最低要求。

由式(1)、式(2)可知，不管是對稱故障還是不對稱故障，直流電流的增大、換流線電壓的下降都是影響換相失敗的主要因素，而能引起直流電流增大、交流電壓下降的主要故障就是逆變側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生短路故障，因此研究由逆變側(cè)交流系統(tǒng)短路故障引起的換相失敗故障特征具有重要的現(xiàn)實意義。

3 SFCL加入直流輸電系統(tǒng)

在直流輸電系統(tǒng)中，SFCL的安裝位置如圖4所示。

圖4 直流輸電系統(tǒng)中加入SFCLFig．4 DC transmission system with SFCL

如果故障發(fā)生在系統(tǒng)母線中，故障電流通過換流器，這意味著流過每個晶閘管的故障電流與正常操作時相比增加了。晶閘管電流的增加會改變晶閘管的正常工作，導(dǎo)致?lián)Q相失敗。在換向失敗時電力傳送會停止，這會導(dǎo)致直流輸電系統(tǒng)的連續(xù)停電，甚至損壞設(shè)備。為了緩解這個問題，在直流輸電CIGRE標準模型上，將SFCL連接于交流母線與交流過濾器之間，設(shè)置0．4 s時U相單線接地故障，故障持續(xù)時間為0．02 s，觀察交直流電壓電流、逆變側(cè)熄弧角的變化，并與不加入SFCL時做圖像對比。不加SFCL時的仿真波形如圖5—圖8所示。

由圖5—圖8可以看出，當發(fā)生單相短路接地時，故障相電壓瞬時為零，其余兩項電壓發(fā)生嚴重畸變。直流電流過沖到幾乎2.5個標幺值，熄弧角在故障期間降為零。由發(fā)生換相失敗的基本判斷條件可知，這種故障情況下逆變側(cè)必然會發(fā)生換相失敗。加入SFCL時的仿真圖形如圖9—圖11所示。

圖5 故障相電壓

Fig.5 Fault phase voltage

圖6 非故障相的電壓Fig.6 Non fault phase voltage

圖7 故障期間直流電流Fig.7 DC current during fault

圖8 故障期間γ角Fig.8 γAngle during the fault

圖9 U相電壓Fig.9 U phase voltage

由圖9—圖11可知，加入SFCL時交流電壓和直流電流都不會發(fā)生太大變化，γ角在故障期間也控制在10°以上，不會發(fā)生換相失敗，因此證明了在HVDC系統(tǒng)中加入SFCL可以有效抑制換相失敗的發(fā)生。

圖10 故障期間直流電流Fig.10 DC current during fault

圖11 故障期間γ角Figure 11 γ Angle during fault

4 結(jié)論

SFCL的加入可以在直流輸電系統(tǒng)故障時限制交流電壓的下降和直流電流的激增，將熄弧角限制在規(guī)定范圍內(nèi)，使換流器不會發(fā)生換相失敗。同時，也為抑制直流輸電的換相失敗提供了一個有效的解決方案，有效保證了直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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