高電壓故障時(shí)直流輸電（HVDC）的模擬與分析

摘要：現(xiàn)代文明很大程度上取決于工業(yè)，商業(yè)，農(nóng)業(yè)，生活和社會(huì)的電能消耗。然而，對(duì)于目前高壓直流輸電系統(tǒng)，適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)裝置和邏輯并沒有達(dá)到像對(duì)交流那樣成熟。本文介紹了利用PSCAD，分析故障時(shí)對(duì)于HVDC電網(wǎng)的保護(hù)。

關(guān)鍵詞：故障電流；AC故障；直流故障；負(fù)載改變；高壓輸電；VSC-HVDC；上升時(shí)間；GTO；電壓源換流器；PSCAD

引言

高壓直流（HYDC）輸電是大部分電力傳輸未來的發(fā)展趨勢。輸電損耗和資本投資在超過一定距離的時(shí)候，將高于交流輸電系統(tǒng)。高壓直流輸電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境造成的影響與HVAC系統(tǒng)相比更低。在直流輸電系統(tǒng)中，集成可再生能源將更廣泛的應(yīng)用于電網(wǎng)中。

1 直流電網(wǎng)保護(hù)

由于缺乏確定的理解和定于標(biāo)準(zhǔn)，目前的直流電網(wǎng)保護(hù)方案仍不成熟。因此，在目前的直流輸電網(wǎng)絡(luò)中只限于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

正弦電壓目前在交流與直流中的單向性的固有差異，建議這兩個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)裝置都應(yīng)該以不同的方式運(yùn)行。現(xiàn)有的交流斷路器都便捷的設(shè)計(jì)中斷故障電流為零交叉，但這是不存在的直流系統(tǒng)。

2 直流模型

二端的HVDC的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎担y(tǒng)一般情況下，模擬模型包括以下幾部分：

2.1無源濾波器

每個(gè)電源都是伴隨濾波器為了消除造成因?yàn)殚_關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致的不必要的濾波。脈沖寬度調(diào)整（PWM）技術(shù)產(chǎn)生一個(gè)非常高階的諧波，因此簡化了濾波器的設(shè)計(jì)。

變壓器：接地的星形一三角形變壓器加強(qiáng)適用于電壓等級(jí)所需轉(zhuǎn)換器。在星形中性點(diǎn)接地連接能夠支持零序的環(huán)電流在初級(jí)繞組，從而防止進(jìn)入當(dāng)前系統(tǒng)。

2.2變換器/逆變器

有違常規(guī)的晶閘管只可打開但不可關(guān)閉，封閉可關(guān)斷晶閘管（GTO）有更自由的控制。

2.3直流電容器

與具有最小波紋的恒定直流電壓差不多，在直流電容器換流站可消除這種波動(dòng)，導(dǎo)致平滑的直流電壓。電容器的尺寸不應(yīng)太大，只是為了確保當(dāng)系統(tǒng)被干擾而中斷時(shí)的穩(wěn)定。

2.4換向器

換向器是指過程關(guān)斷晶閘管。整流逆變是自然或強(qiáng)制來完成環(huán)流的。在自然換向中，換向器無需其他任何外部裝置即可實(shí)現(xiàn)。它不能用于直流系統(tǒng)，因?yàn)槠鋯蜗蚱焚|(zhì)而強(qiáng)制換向通過外部回路實(shí)現(xiàn)。這有助于減少傳輸電流，使其低于正常維持電流。

3 控制策略

該模型的控制策略，采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，通過與頻率為30f的三角波的參考波形比較產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)。這種技術(shù)負(fù)責(zé)控制兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)：調(diào)制指數(shù)和相移。整流器和逆變器給予不同的控制模式。

4 故障模擬

我們?cè)u(píng)估了VSC-HVDC的動(dòng)態(tài)特性在不同運(yùn)行條件下的系統(tǒng)。因此，各種交流故障是在發(fā)送和接收端注入電力系統(tǒng)，并進(jìn)行故障分析。為了確定交流系統(tǒng)的各種故障特征，模擬結(jié)果在PSCAD的幫助下進(jìn)行。

4.1單相接地故障

單相接地故障是在改變電壓的電力系統(tǒng)中常見的故障類型（約80%）并同時(shí)在當(dāng)前場景中的發(fā)送端和接收端結(jié)束。這種故障是由用戶電壓波動(dòng)引起的。它是觀察到明顯的單相接地故障發(fā)送在次級(jí)傳輸系統(tǒng)的一側(cè)。單相接地故障發(fā)生在2.1s持續(xù)0.05s，當(dāng)單相接地故障時(shí)，相電壓和電流變?yōu)榱恪?/p>

4.2兩相接地故障

系統(tǒng)兩相接地故障使其相電壓相等，而且提供嚴(yán)重不平衡的電壓和電流給系統(tǒng)。在這個(gè)測試中，該故障是在變壓器的次級(jí)側(cè)注入。兩相電壓在發(fā)送端失真，影響了在直流輸電側(cè)變流器的輸出。從電壓恢復(fù)能力來看，直流輸電線具有有效緩解電壓驟降的優(yōu)勢。不同于單相接地，兩相接地故障一旦故障清除之后，會(huì)出現(xiàn)電壓驟升持續(xù)0.05s的清除，且系統(tǒng)在2.5s趨于平衡。逆變電壓逐步降低至小于0.2p.u.。同樣的故障分析是在接收端側(cè)，其中所述故障是在變壓器后注入。

4.3三相接地故障

三相接地故障是相比于其他兩種故障最嚴(yán)重的。當(dāng)發(fā)送三相接地故障時(shí)，三相電壓為0。由于電容器的充放電，輸出直流電壓并不為零。在單相接地故障時(shí)，接收端電壓所受影響不大。而三相接地故障中，接收端電壓降低得很徹底。在系統(tǒng)的瞬時(shí)狀態(tài)一直持續(xù)到2.45s之后，系統(tǒng)會(huì)變得平衡。

5 論述

在故障情況下，我們觀察交流發(fā)送端和直流線路的電流與電壓波形。直流電流的導(dǎo)數(shù)可以讓我們看到在故障發(fā)生時(shí)電流如何快速的上升。對(duì)直流電流進(jìn)行時(shí)間常數(shù)的求導(dǎo)，結(jié)果列于表1。

以下內(nèi)容是引用的仿真結(jié)果：

保護(hù)方案并不在本文的討論中，主要關(guān)注的是理解不同的故障特征。這反過來將有助于在今后的工作中發(fā)展一個(gè)強(qiáng)大的和量化的保護(hù)邏輯。

當(dāng)交流故障時(shí)，直流電壓突然下降到危險(xiǎn)水平。這是由于附近的直流電容器在那個(gè)瞬間的反作用。直流電容器放電導(dǎo)致的電壓下降，顯然是直流電路的問題。為了保持同樣的功率，隨著電流的增加，應(yīng)降低電壓。這種效果顯然在模擬結(jié)果內(nèi)。

交流故障影響的大小取決于直流電容器的大小。直流電容器可以消除穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的直流紋波。在發(fā)生故障的高壓直流輸電系統(tǒng)中，直流電容器是產(chǎn)生最嚴(yán)重影響的因素。直流電容器在本文中介紹直流線路的積極影響中提及較多。

交流和直流部分之間的相互作用可以延伸到觀察直流故障的影響。

6 結(jié)論

本文中，在交流側(cè)故障時(shí)，分析了在交流系統(tǒng)中不同的故障特征和觀察了在直流系統(tǒng)的響應(yīng)。此外，在仿真分析的一部分中，還介紹了不同的故障模擬，比如單相，兩相，三相接地，而且還在測試系統(tǒng)中的發(fā)送端和接收端進(jìn)行仿真。然后，將在干擾下的直流輸電系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)與交流系統(tǒng)相比較。