電阻型超導故障電流限制器應用于VSC-HVDC系統的位置優選研究

李旭，陳樹勇，唐曉駿，張鑫，申旭輝，呂思卓

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市132012；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

電阻型超導故障電流限制器應用于
VSC-HVDC系統的位置優選研究

李旭1，陳樹勇2，唐曉駿2，張鑫2，申旭輝2，呂思卓2

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林省吉林市132012；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

由于能獨立控制有功、無功功率，無換相失敗等優點，基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統 (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)系統被認為是未來電網的發展方向。但是，直流故障與交流故障快速有效隔離，成為影響VSC-HVDC系統發展的重要技術難題之一。為了解決VSC-HVDC系統故障隔離問題和限制故障線路過大的短路電流，應用超導故障限流器逐漸被人們重視。提出基于電阻型超導限流器的故障限流方法，并用所設計的兩端雙極性VSC-HVDC系統，分別在直流線間短路、直流線路接地短路和三相交流短路情況下，比較電阻型超導限流器可行的安裝位置并證明所提限流方法的有效性。最后，利用PSCAD/EMTDC仿真提出在VSC-HVDC系統中電阻型超導限流器的最優安裝位置。

基于電壓源換流器的高壓直流輸電 (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)系統;故障隔離;故障限流;電阻型超導限流器

0 引 言

隨著一次能源短缺和環境惡化問題的不斷加劇，世界各國已經認識到能源的利用與開發必須從傳統能源向綠色可再生能源等清潔能源過渡[1]?；陔妷涸磽Q流器的高壓直流輸電系統 (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)具有有功無功功率獨立調節、無源供電能力以及易于構建直流電網等特點，并且克服了傳統高壓直流輸電的本質缺陷，因此被認為是清潔能源并網的有效手段[2-4]，而VSC-HVDC系統的故障處理和保護技術是限制其發展的主要因素之一[5]。

為了解決VSC-HVDC系統故障處理和保護的技術難點，提高系統供電可靠性，國內外學者進行了深入的研究。文獻[6]提出了適合于VSC-HVDC系統的控制保護功能配置原則以及控制保護與換流閥設備的接口方案。文獻[7]提出通過在交流側增加雙向晶閘管來轉移交流側饋入電流的保護方案。但是當VSC-HVDC直流線路故障時，該方案無法抑制電容放電產生的電流，而且在三相短路故障時流過晶閘管的故障電流也較大，對晶閘管的過流能力要求較高。文獻[8]提出通過在直流線路兩端增加電感的方案來限制短路電流，同時利用電感兩端正常運行時電壓降低、故障期間很大的特點提出了單端電壓差保護，但該方法提高了投資成本，并使得保護策略復雜化。文獻[9]對于雙極VSC-HVDC系統，從交流系統故障、直流系統故障及換流器故障3個方面分析其無保護故障特征，為保護方案的設計和故障恢復提供了理論依據。

VSC-HVDC系統的故障不僅僅只從直流側分析，其保護方法和隔離技術應綜合分析直流故障以及交流故障對交流側電網及直流系統的影響。本文使用電阻型超導限流器并分析電阻型超導限流器對VSC-HVDC系統的影響，為分析應用電阻型超導限流器后的故障特征，仿真直流線間短路、直流線路接地和三相交流短路3種類型的故障，并對應用電阻型超導限流器后的交流和直流系統進行分析，最后提出電阻型超導限流器安裝的最優位置。

1 電阻型超導限流器

隨著電力系統規模的逐漸增大，近年來我國很多電網短路電流水平也快速上升。短路電流超過一定水平后會給電力系統的建設和運行帶來一系列的問題[10]。為了解決短路電流超標問題，超導限流器成為研究熱點。超導故障限流器(superconducting fault current limiter，SFCL)集檢測、觸發、限流于一身，響應時間快，可自動恢復，具備了其他限流裝置沒有的優越性，成為目前最理想的限流裝置之一[11]。

臨界電流Ic、臨界磁場Hc和臨界溫度Tc是超導體的3個臨界參量。這3個物理量中任何一個超過了其臨界值，超導體就會立即進入失超狀態，即超導體只有在圖1(a)所示的曲面內才是超導態，曲面外則為正常態。電阻型超導限流器(以下簡稱R-SFCL)正是利用超導體內電流超過臨界值時會失超變成常態(高阻)的特性而構建的新型電力設備[12]。R-SFCL增大了故障回路電阻值使得直流保護方案隔離故障線路的動作時間可以大大延后，降低了系統對直流斷路器隔離故障的動作速度和開斷容量要求，也降低了直流故障保護方案的設計難度[13]。

圖1 電阻型超導限流器原理Fig.1 Principle of resistive-type superconducting current limiter

R-SFCL中，令RSFCL為超導限流器的電阻，在失超后短時間內，可模擬為時間的指數函數[14]，即

RSFCL(t)=Rm(1-e-t/TSC)

(1)

式中：Rm為超導限流器失超后最終限流電阻；Tsc為超導態過渡到正常態的時間。R-SFCL由超導態過渡到正常態的超導特性，如圖1(b)所示。

目前實際工程應用中，利用交流側斷路器隔離直流故障是較為常見的應對措施，但是該方案存在動作速度慢、停電范圍大、降低系統供電安全性和可靠性等弊端[15]。理論上要求直流保護能夠在幾ms之內完成全套動作(包括故障檢測、斷路器跳閘)，但是交流斷路器的跳閘動作時間一般在2～3個周波，因此即使不考慮故障檢測所需花費的時間，基于交流斷路器跳閘的直流故障隔離方法也是無法滿足動作時間要求的[16]。就目前的超導技術而言，R-SFCL的常阻態電阻值已經可以達到幾十，并且過渡過程所需的時間僅需2～3 ms。動作時間比繼電保護措施快很多，在故障清除前已經變為正常態，可以對短路電流起到較好的抑制效果。

2 系統建模與故障電流特征

2.1 系統建模

VSC-HVDC系統仿真模型的額定電壓為±110 kV，額定功率為75 MW。在本項研究中只評估R-SFCL的作用，不考慮斷路器和其他故障保護設備。直流線路接地故障和線間短路發生在高壓直流輸電電纜的中點處。此外，三相交流故障發生在VSC-HVDC系統的逆變側，如圖2所示。搭建交流和直流R-SFCL模型，為了給AC和DC電網提供足夠的電流限制效果，設其電阻為10 Ω，過渡時間Tsc為2 ms。發電廠R-SFCL的安裝位置標記為AC，逆變側交流的R-SFCL也要考慮并標記為INV。此外，設直流輸電線路上R-SFCL安裝位置為DC。為了對比發現在各種類型故障下R-SFCL的效果，需要分別測量直流輸電線路電流和交流發電廠輸出電流。

圖2 柔性直流系統故障發生處和R-SFCL安裝處Fig.2 Fault position and locations of R-SFCLs inVSC-HVDCsystem

2.2 VSC-HVDC系統的故障電流特征

由于IGBT 具有可靠的自保護功能，VSC-HVDC變流控制器會在很短的時間內檢測到故障電流并立即關閉IGBT。然而，與IGBT并聯的反向二極管和線路構成一個不可控橋式整流電路。因此，即使關掉IGBT，換向過程仍在繼續。由文獻[13]研究得出直流故障時依次進入直流電容放電階段，二極管自然換相導通階段和二極管同時導通階段。最后，二極管的自然換相導通階段和同時全導通階段將保持一個不斷交替的狀態。所以故障發生時，交流側和直流側將同時向故障點饋入故障電流。圖3(a)和(b)代表了VSC-HVDC換流站2種直流故障類型的電流流向。直流輸電線路線間短路時電流流向，如圖3(a)所示。此外，如果發生三相交流故障，將形成一個不可控橋式整流電路使得故障電流從整流側進入逆變側，如圖3(c)所示。因此，故障電流始終經過VSC-HVDC系統到交流故障位置處。

3 仿真結果與討論

在設計的電力系統中，在2 s時分別發生3種故障的情況下對不同R-SFCL安裝位置進行分析。首先，我們假定一個R-SFCL是位于INV；第二，一個R-SFCL位于AC；最后，2個R-SFCL位于DC。圖4(a)—(c)顯示了發電廠輸出交流電流，圖5(a)—(c)代表了直流輸電線路電流。

3.1 無R-SFCL

如圖4所示，如果發生直流線間短路和直流線路接地故障，逆變側發電廠輸出電流會迅速增加，并且發電廠交流輸出電流通過逆變站直接流向故障發生點。若逆變側交流電網發生三相故障，則發電廠交流電流突然增加。如圖5所示，在這3個故障發生的情況下直流線路電流都增加。

圖3 VSC-HVDC換流站故障電流流通路徑Fig.3 Fault current directions in VSC-HVDC converter station

3.2 R-SFCL設在逆變側換流站(INV)

設R-SFCL在INV，如圖4(a)和(b)所示，如果發生直流線間短路和直流線路接地故障，R-SFCL對逆變側發電廠交流電流有限制作用。這是因為由于發電廠交流輸出電流流通路徑中有R-SFCL，抑制了發電廠交流電流流向直流故障點。如果發生三相交流短路，R-SFCL將阻止來自VSC-HVDC系統的電流流過。然而，如圖4(c)所示，發電廠交流輸出電流并沒有受到限制，這是因為R-SFCL沒有位于從發電廠到三相交流故障點的電流流通路徑中。如圖5(a)和(b)所示，當發生直流線間短路和直流線路接地故障時R-SFCL沒有改變直流線路電流。但是如圖5(c)所示，對于三相交流短路，VSC-HVDC直流線路電流通過R-SFCL得到限制。

所以當R-SFCL位于INV時，只保護直流線路故障時的交流線路和抑制三相交流短路時直流線路的電流。然而，它不能保護發電廠免受三相交流短路侵害以及直流系統免受直流線路故障的侵害。

圖4 發電廠輸出電流Fig.4 Output current of power plant

圖5 直流輸電線路電流Fig.5 HVDC transmission line current

3.3 R-SFCL設在直流線路(DC)

設R-SFCL位于DC，如圖4可知輸出發電廠交流電流在3種故障情況下均沒有被限制，因為發電廠到直流故障點和交流故障點的電流流通路徑中不存在R-SFCL。如圖5所示直流輸電線路存在R-SFCL，直流電流得到有效的限制。對于三相交流短路，直流系統向交流故障點饋入電流，但是所饋入的電流并不能大到足以迫使直流R-SFCL進入失超態狀態。

R-SFCL在DC只能保護直流系統免受直流線路故障的侵害。它不能保護發電廠免受直流線短路和三相交流短路的侵害。由于高額定功率的直流R-SFCL，它也無法抑制直流故障電流饋入三相交流側。

3.4 R-SFCL設在交流負荷線路(AC)

設R-SFCL位于AC，如圖4所示直流電流線間短路和線路接地故障時，觀察到發電廠交流輸出電流沒有減小，因為R-SFCL沒有出現在從發電廠到直流故障點的電流路徑中。如果發生三相交流短路，R-SFCL在故障電流的直接路徑上，發電廠交流電流受到明顯抑制。如圖5所示觀察到對于直流線間短路電流和直流線路接地故障電流沒有限制作用。如果發生三相交流短路，R-SFCL在故障電流的直接路徑上，使得直流電流成功被抑制。

R-SFCL在AC時，如果發生三相短路，能保護交流線路和直流線路，然而如果發生直流線路故障，它既不能保護發電廠交流電網也不能保護直流系統。仿真結果總結在表1中，表中清晰展示了故障類型、測量位置和是否降低故障電流。

表1 安裝R-SFCL后對測量電流的影響
Table 1 Influence on measuring currentafter R-SFCLinstalled

4 結 論

本文對安裝R-SFCL后VSC-HVDC系統進行了分析，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了VSC-HVDC系統模型，并評估了R-SFCL在直流故障和三相交流短路時不同安裝位置的限流效果。結果表明，當R-SFCL位于直流系統內部時，可以成功限制直流故障電流。R-SFCL位于INV處時，可以阻礙直流線路與逆變側交流間的電流流通。R-SFCL在AC負荷側時，效果雖然顯著，但是多負荷交流電網的安裝位置多、占地面積大、不夠經濟而且裝置利用率不高。為了全面保護VSC-HVDC系統，結合直流線路和逆變站交流側安裝R-SFCL，是兼顧經濟實用和保護VSC-HVDC系統免受直流系統故障和交流系統故障侵害的最佳解決方案。

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呂思卓( 1989) ，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統穩定與控制。

(編輯 劉文瑩)

Optimal Location Selection of Resistive-Type Superconducting Fault Current Limiter in VSC-HVDC System

LI Xu1，CHEN Shuyong2，TANG Xiaojun2，ZHANG Xin2，SHEN Xuhui2，LYU Sizhuo2

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Due to the independent control of active and reactive power and no commutation failure, etc., voltage source converter based high-voltage direct current (VSC-HVDC) system is considered to be the development direction of the future power grid.However, the problem which quickly and efficiently isolates DC fault or AC fault becomes one of the important technical problems of VSC-HVDC system.In order to solve the problem of fault isolation and limit short-circuit current in VSC-HVDC system, the application of superconducting fault current limiter is considered seriously by people gradually. This paper proposes fault current limiting technique based on the resistive-type superconducting fault current limiter (R-SFCL). Then, with utilizing the designed bipolar VSC-HVDC systems, this paper compares the feasible locations of R-SFCLs, when DC line-to-line, DC line-to-ground and three-phase AC faults are occurred, and proves the effectiveness of the proposed current limiting method. Finally, based on the simulation tests in PSCAD/EMTDC, this paper suggests the optimum locations of SFCLs in VSC-HVDC transmission systems.

voltage source converter based high-voltage direct current (VSC-HVDC); fault isolation; fault limitation; resistive-type superconducting fault current limiter

國家電網公司科技項目(XT71-15-048)

TM 75

A

1000-7229(2016)07-0078-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.011

2016-03-01

李旭(1990)，男，碩士研究生，通信作者，本文主要研究方向為柔性直流輸電；

陳樹勇(1960)，男，博士，教授，研究方向為含新能源的電力系統分析與規劃；

唐曉駿(1979)，男，高級工程師，研究方向為電力系統分析；

張鑫(1981)，男，高級工程師，研究方向為電力系統規劃與可靠性、電力系統分析與控制等；

申旭輝(1979)，男，博士研究生，研究方向為交直流系統的仿真與分析；