電容換相換流器(CCC)直流輸電系統故障特性及恢復策略

劉耀，謝晨曦，李新年，王晶芳，王華偉

(1.中國電力科學研究院，北京市100192;2.北京市電力公司海淀供電局，北京市100086)

0 引言

電容換相換流器(capacitor commutation converter，CCC)的結構是將固定電容器，串聯接入傳統基于晶閘管換流器直流系統的換流變壓器和換流器之間，通過串聯電容器來補償換流器的無功消耗。CCC使系統在換流器的觸發角(整流)、關斷(逆變)角接近于0°甚至為負時，仍能穩定運行，從而在無功消耗減小的同時避免了換相失敗的發生，尤其是CCC逆變器的正阻抗特性使該技術在長電纜、弱交流系統中的應用具有很大優勢［1］。但是，串聯電容的引入也使得CCC直流系統在逆變側近區發生嚴重故障后，由于串聯電容不對稱充電而容易引發后續連續故障，導致直流系統恢復緩慢，甚至無法恢復正常運行，不利于功率的傳輸和系統穩定［2-13］。本文在文獻［1］的研究基礎上進行詳細仿真研究，借鑒交流系統高壓線路串聯補償技術的思想，首次運用“可控旁通開關”策略，在CCC直流系統逆變側近區發生嚴重故障后快速旁通、切除串聯電容，故障消失后快速投入串聯電容，成功解決CCC直流系統逆變側嚴重故障后恢復困難的缺陷，在保證直流系統快速恢復的基礎上充分發揮CCC直流系統的優勢。

1 CCC直流系統逆變側交流單相瞬時故障仿真及分析

1.1 仿真模型介紹

研究工具為PSCAD/EMTDC仿真軟件。模型兩側交流系統均為500kV，由于著重研究逆變側故障問題，整流側不作考慮，交流為無窮大系統，逆變側為偏弱交流系統，系統短路比 SCR=2;直流電壓500kV，額定直流電流3 000 A，整流側直流系統控制電流，逆變側定關斷角(gamma=17°)通過調節換流變壓器分接頭控制直流電壓，包含最大觸發角控制功能、低壓限流功能及換相失敗預測與保護等核心功能;串聯電容值選取原則為使得閥兩側電壓不超過額定電壓1.1倍，對應電容即為模型中串聯電容的最小限值［14］。

1.2 逆變側交流單相瞬時故障仿真分析

首先，基于上述仿真模型，分別在傳統電網換相換流器(line commutation converter，LCC)直流系統模型和CCC直流系統模型逆變側進行了逆變側出口近區單相瞬時短路試驗。其中，對于CCC直流系統，選取不同的串聯電容值進行了多次試驗，選取3個典型不同電容值(均在最小限值以上)對應的典型波形予以對比分析，單相故障仿真結果如圖1、2所示。

圖1 傳統直流逆變側交流出口單相瞬時短路故障波形Fig.1 Single phase short circuit fault waveform at AC outlet of conventional HVDC inverter side

由圖1可知，傳統LCC直流系統逆變側交流單相瞬時短路后發生換相失敗故障，一段時間后待交流恢復，直流可恢復運行。對于CCC直流系統，由圖2(a)可知，當串聯電容較大時，電容作用不明顯，故障后恢復過程相對于傳統直流擾動略大些，但未發生新的后續故障。由圖2(b)、(c)可知，隨著電容逐漸減小，電容作用越來越明顯，但故障后的恢復過程擾動也越來越大，恢復時間越來越長。這是因為故障后串聯電容的不對稱充電效應，使得后續應當導通的閥可能承受反向電壓而無法觸發導通，導致后續又發生了新的換相失敗故障，暴露了CCC故障后恢復能力較差的缺陷。本文針對CCC直流系統這一缺陷進行了進一步的對策研究分析。

圖2 不同串聯電容值條件下CCC直流逆變側交流出口單相瞬時短路故障波形Fig.2 Single phase short circuit fault waveform at AC outlet of CCC HVDC inverter side with different capacitors

2 故障恢復策略原理及動作時序

2.1 原理介紹

在交流輸電系統中，為提高線路輸送能力，常常采用串聯補償技術，即通過在輸電線路中串入電容以抵消線路的感抗，減小系統間的電氣距離，從而提高線路輸送功率極限。為保證串聯補償裝置能夠正常工作，需要對其在某些極端情況下進行保護。例如線路發生短路故障，為了避免設備損壞，通常采用“MOV+并聯間隙組合”的保護策略實現在極端情況下快速旁通串聯補償裝置，保護設備安全，當故障消失后再次投入串聯補償設備。基于這一思想，針對CCC直流系統故障后恢復困難的缺陷，對CCC直流系統逆變側進行類似改造。

電容換相換流器結構如圖3所示。電源側三相電壓分別為 Ea、Eb、Ec，三相電容兩側電壓分別為Eaa'、Ebb'、Ecc'，電容閥側即實際換相電壓分別為 Ea'、Eb'、Ec'。本文的“可控旁通開關”思想即在每相串聯電容回路中串聯1個“串聯斷路器”，實現對串聯電容的切除和投入，兩側并聯1個“可控旁通開關”，由“可觸發間隙”和“旁通斷路器”組成，實現對電容的快速旁通功能。以單相電容回路為例，改造后結構如圖4所示。

圖3 CCC換流器結構示意圖Fig.3 CCC Structure

圖4 串聯電容旁通示意圖Fig.4 Bypass of series capacitor

圖4 中，限壓器為CCC直流系統中保護串聯電容過電壓的設備，為保護電容一般均需配備。“可觸發間隙”為一可控制開通、不可控制關斷的“開關”，兩側在承受一定電壓的前提下，收到觸發信號后可以在極短時間內擊穿導通(可視為瞬間完成)，但是其關斷必須依靠通道中電流下降到一定值才可以實現，且通道阻抗較大，一般不宜長期處于導通狀態。“旁通斷路器”可以實現帶電分、合控制，其功能主要有2個:一是在收到觸發導通信號后迅速合上，由于其導通回路阻抗遠小于觸發間隙回路，兩側電壓很小，故“可觸發間隙”中電流會迅速轉移至“旁通斷路器”回路，從而實現“可觸發間隙”自動關斷;二是長期維持導通狀態，實現對串聯電容的持久旁通功能，并且可以隨時退出。

1.2 旁通開關控制策略及動作時序

當逆變側發生出口單相短路故障時，故障相交流電壓跌落，通常逆變側會發生換相失敗故障，實際直流控制系統會收到一個換相失敗(commutation failure，CF)的數字回報信號，本文就將此信號作為控制同時觸發三相電容旁通開關的觸發信號。故障消失后，交流電壓恢復，以交流電壓恢復至額定值的80%(或根據系統實際情況確定)為控制信號，控制旁通斷路器斷開、串聯斷路器合上。

具體動作時序如下:

(1)故障前，串聯斷路器為“合”狀態，“可觸發間隙”和“旁通斷路器”均為“分”狀態。

(2)故障發生后，當直流控制系統收到換相失敗信號后，CF信號作為觸發信號同時觸發三相串聯電容對應的“可觸發間隙”和“旁通斷路器”，“可觸發間隙”先導通，迅速實現旁通串聯電容，隨后“旁通斷路器”導通，電流轉移至“旁通斷路器”回路并維持持續導通狀態，“可觸發間隙”則在電流下降至一定值時自行關斷。

(3)當“旁通斷路器”合上后，迅速發出拉開“串聯斷路器”命令，實現完全切除串聯電容，至此，便完成了串聯電容的快速旁通和切除環節。

(4)當故障消失后，交流電壓恢復至額定值的80%時，合“串聯斷路器”，隨后拉開“旁通斷路器”，從而實現了串聯電容的再次投入。

以上便完成了一次完整的故障后恢復策略動作時序，既避免了故障后串聯電容不平衡充電對系統恢復的影響，同時也可在故障消失后迅速恢復電路結構，繼續充分發揮CCC直流輸電系統的優勢。

2 CCC直流系統故障恢復策略仿真校驗

基于上述“可控旁通開關”故障恢復策略及其動作時序，對此恢復策略及原理進行仿真驗證。基于原仿真模型，無功配置為CCC直流系統額定運行狀態下交換無功平衡，且本文根據是否再次投入串聯電容(100 μF)，仿真校驗分2種情況進行，研究不同策略下直流系統的響應，并將結果與傳統直流輸電系統相同故障后的恢復特性進行對比。仿真模型中，直流系統均為額定功率運行，2 s時逆變側發生單相瞬時故障，持續時間50 ms之后交流電壓逐漸恢復。

2.1 故障后不重新投入串聯電容

CCC直流系統在故障后只快速旁通、切除串聯電容器，而不再次投入電容繼續運行，研究此時系統的恢復特性及后續運行特性，仿真波形(逆變側)如圖5所示。

圖5 CCC直流逆變側交流出口單相短路故障及恢復波形(不投電容)Fig.5 Single phase short circuit fault and restoring wave at AC outlet of CCC HVDC inverter side(without capacitor)

由圖5可知，采取快速旁通、切除串聯電容策略后，CCC直流系統故障后并沒有發生后續換相失敗故障，故障恢復過程及時間和傳統直流輸電系統比較接近，但是又不完全一樣。可以看到系統恢復運行后交、直流電壓均有所下降，直流輸送功率極限降低，這是由于仿真模型中無功配置為CCC直流系統運行狀態下的補償量，相比較傳統直流要少得多，切除串聯電容后直流系統無功配置不足，導致系統恢復運行后交、直流電壓均有所下降，從而導致直流輸送功率極限下降。由此可見，僅僅采取快速旁通、切除串聯電容策略，雖然可以避免串聯電容的不平衡充電導致后續連續故障的發生，但可能無法使系統輸送功率恢復至故障前水平，有一定的局限性。

2.2 故障后重新投入串聯電容

為避免串聯電容對后續系統恢復的影響，同時又能使系統在故障后恢復至故障前運行水平，提出在故障后適當時機再次投入串聯電容，恢復至CCC直流系統運行狀態，仿真波形(逆變側)如圖6所示。

圖6 電容換相換流器(CCC)直流逆變側交流出口單相短路故障及恢復波形(投電容)Fig.6 Single phase short circuit fault and restoring wave at AC outlet of CCC HVDC inverter side(with capacitor)

由圖6可知，故障后直到重新投入串聯電容前，故障特性及恢復特性和圖5基本一致;重新投入串聯電容后，交、直流電壓及直流功率逐漸恢復至故障前水平，恢復時間也和傳統直流基本一致。從而，解決了CCC直流系統故障后難以恢復的缺陷，同時充分發揮了CCC直流系統的優勢，驗證了采用“可控旁通開關”策略的可行性和有效性。

3 結論

本文基于相關理論和仿真模型，研究了電容換相換流器(CCC)直流系統逆變側故障后的恢復特性;首次提出采用“可控旁通開關”解決CCC直流系統的故障恢復缺陷，并且根據是否重新投入電容分別進行了仿真;通過與傳統直流及CCC直流系統在相同故障情況下的恢復特性進行對比，得出以下結論:

(1)CCC直流系統逆變側近區發生嚴重交流單相瞬時短路故障后，直流系統恢復較慢，甚至會發生多次后續換相失敗故障。

(2)采用換相失敗故障后快速旁通、切除串聯電容后，可以成功避免串聯電容對后續系統恢復的影響;在故障消失后，及時重新投入串聯電容，可以使交、直流系統恢復至故障前的運行水平，從而解決了CCC直流系統的故障恢復缺陷。這一研究成果對于提高CCC直流系統的動態特性、進一步發展和推廣具有重要意義，對于解決CCC直流系統其他技術問題也有一定借鑒意義。

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