電阻型超導故障電流限制器應用于VSC-HVDC系統(tǒng)的位置優(yōu)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(tǒng)的位置優(yōu)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(yōu)點，基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng) (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)系統(tǒng)被認為是未來電網(wǎng)的發(fā)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(tǒng)發(fā)展的重要技術(shù)難題之一。為了解決VSC-HVDC系統(tǒng)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(shè)計的兩端雙極性VSC-HVDC系統(tǒng)，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(tǒng)中電阻型超導限流器的最優(yōu)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(tǒng);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(huán)境惡化問題的不斷加劇，世界各國已經(jīng)認識到能源的利用與開發(fā)必須從傳統(tǒng)能源向綠色可再生能源等清潔能源過渡[1]。基于電壓源換流器的高壓直流輸電系統(tǒng) (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)具有有功無功功率獨立調(diào)節(jié)、無源供電能力以及易于構(gòu)建直流電網(wǎng)等特點，并且克服了傳統(tǒng)高壓直流輸電的本質(zhì)缺陷，因此被認為是清潔能源并網(wǎng)的有效手段[2-4]，而VSC-HVDC系統(tǒng)的故障處理和保護技術(shù)是限制其發(fā)展的主要因素之一[5]。

為了解決VSC-HVDC系統(tǒng)故障處理和保護的技術(shù)難點，提高系統(tǒng)供電可靠性，國內(nèi)外學者進行了深入的研究。文獻[6]提出了適合于VSC-HVDC系統(tǒng)的控制保護功能配置原則以及控制保護與換流閥設(shè)備的接口方案。文獻[7]提出通過在交流側(cè)增加雙向晶閘管來轉(zhuǎn)移交流側(cè)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(chǎn)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(tǒng)，從交流系統(tǒng)故障、直流系統(tǒng)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(shè)計和故障恢復提供了理論依據(jù)。

VSC-HVDC系統(tǒng)的故障不僅僅只從直流側(cè)分析，其保護方法和隔離技術(shù)應綜合分析直流故障以及交流故障對交流側(cè)電網(wǎng)及直流系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)進行分析，最后提出電阻型超導限流器安裝的最優(yōu)位置。

1 電阻型超導限流器

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸增大，近年來我國很多電網(wǎng)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(tǒng)的建設(shè)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(fā)、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(yōu)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(tài)，即超導體只有在圖1(a)所示的曲面內(nèi)才是超導態(tài)，曲面外則為正常態(tài)。電阻型超導限流器(以下簡稱R-SFCL)正是利用超導體內(nèi)電流超過臨界值時會失超變成常態(tài)(高阻)的特性而構(gòu)建的新型電力設(shè)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(tǒng)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(shè)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(nèi)，可模擬為時間的指數(shù)函數(shù)[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(tài)過渡到正常態(tài)的時間。R-SFCL由超導態(tài)過渡到正常態(tài)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(cè)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(tǒng)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(nèi)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(shù)而言，R-SFCL的常阻態(tài)電阻值已經(jīng)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(jīng)變?yōu)檎B(tài)，可以對短路電流起到較好的抑制效果。

2 系統(tǒng)建模與故障電流特征

2.1 系統(tǒng)建模

VSC-HVDC系統(tǒng)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(shè)備。直流線路接地故障和線間短路發(fā)生在高壓直流輸電電纜的中點處。此外，三相交流故障發(fā)生在VSC-HVDC系統(tǒng)的逆變側(cè)，如圖2所示。搭建交流和直流R-SFCL模型，為了給AC和DC電網(wǎng)提供足夠的電流限制效果，設(shè)其電阻為10 Ω，過渡時間Tsc為2 ms。發(fā)電廠R-SFCL的安裝位置標記為AC，逆變側(cè)交流的R-SFCL也要考慮并標記為INV。此外，設(shè)直流輸電線路上R-SFCL安裝位置為DC。為了對比發(fā)現(xiàn)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(fā)電廠輸出電流。

圖2 柔性直流系統(tǒng)故障發(fā)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(tǒng)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(nèi)檢測到故障電流并立即關(guān)閉IGBT。然而，與IGBT并聯(lián)的反向二極管和線路構(gòu)成一個不可控橋式整流電路。因此，即使關(guān)掉IGBT，換向過程仍在繼續(xù)。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(tài)。所以故障發(fā)生時，交流側(cè)和直流側(cè)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(fā)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(cè)進入逆變側(cè)，如圖3(c)所示。因此，故障電流始終經(jīng)過VSC-HVDC系統(tǒng)到交流故障位置處。

3 仿真結(jié)果與討論

在設(shè)計的電力系統(tǒng)中，在2 s時分別發(fā)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(fā)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(fā)生直流線間短路和直流線路接地故障，逆變側(cè)發(fā)電廠輸出電流會迅速增加，并且發(fā)電廠交流輸出電流通過逆變站直接流向故障發(fā)生點。若逆變側(cè)交流電網(wǎng)發(fā)生三相故障，則發(fā)電廠交流電流突然增加。如圖5所示，在這3個故障發(fā)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(shè)在逆變側(cè)換流站(INV)

設(shè)R-SFCL在INV，如圖4(a)和(b)所示，如果發(fā)生直流線間短路和直流線路接地故障，R-SFCL對逆變側(cè)發(fā)電廠交流電流有限制作用。這是因為由于發(fā)電廠交流輸出電流流通路徑中有R-SFCL，抑制了發(fā)電廠交流電流流向直流故障點。如果發(fā)生三相交流短路，R-SFCL將阻止來自VSC-HVDC系統(tǒng)的電流流過。然而，如圖4(c)所示，發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)電廠免受三相交流短路侵害以及直流系統(tǒng)免受直流線路故障的侵害。

圖4 發(fā)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(shè)在直流線路(DC)

設(shè)R-SFCL位于DC，如圖4可知輸出發(fā)電廠交流電流在3種故障情況下均沒有被限制，因為發(fā)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(tǒng)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(tài)狀態(tài)。

R-SFCL在DC只能保護直流系統(tǒng)免受直流線路故障的侵害。它不能保護發(fā)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(cè)。

3.4 R-SFCL設(shè)在交流負荷線路(AC)

設(shè)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(fā)電廠交流輸出電流沒有減小，因為R-SFCL沒有出現(xiàn)在從發(fā)電廠到直流故障點的電流路徑中。如果發(fā)生三相交流短路，R-SFCL在故障電流的直接路徑上，發(fā)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(fā)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(fā)生三相短路，能保護交流線路和直流線路，然而如果發(fā)生直流線路故障，它既不能保護發(fā)電廠交流電網(wǎng)也不能保護直流系統(tǒng)。仿真結(jié)果總結(jié)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(jié) 論

本文對安裝R-SFCL后VSC-HVDC系統(tǒng)進行了分析，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了VSC-HVDC系統(tǒng)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(jié)果表明，當R-SFCL位于直流系統(tǒng)內(nèi)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(cè)交流間的電流流通。R-SFCL在AC負荷側(cè)時，效果雖然顯著，但是多負荷交流電網(wǎng)的安裝位置多、占地面積大、不夠經(jīng)濟而且裝置利用率不高。為了全面保護VSC-HVDC系統(tǒng)，結(jié)合直流線路和逆變站交流側(cè)安裝R-SFCL，是兼顧經(jīng)濟實用和保護VSC-HVDC系統(tǒng)免受直流系統(tǒng)故障和交流系統(tǒng)故障侵害的最佳解決方案。

[1]湯廣福, 羅湘, 魏曉光，等 . 多端直流輸電與直流電網(wǎng)技術(shù)[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(10): 8-17. TANG Guangfu, LUO Xiang, WEI Xiaoguang，et al.Multi-terminal HVDC and DC-grid technology[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(10): 8-17.

[2]劉劍,邰能靈,范春菊,等.柔性直流輸電線路故障處理與保護技術(shù)評述[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(20):158-167. LIU Jian,TAI Nengling,FAN Chunju, et al. Comments on fault handing and protection technology for VSC-HVDC transmission lines[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(20):158-167.

[3]馬為民, 吳方劼, 楊一鳴，等. 柔性直流輸電技術(shù)的現(xiàn)狀及應用前景分析[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(8): 2429-2439. MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming，et al .Flexible HVDC transmission technology’s today and tomorrow[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): 2429-2439.

[4]胡航海,李敬如,楊衛(wèi)紅，等.柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展與展望[J].電力建設(shè),2011,32(5):62-66. HU Hanghai, LI Jingru, YANG Weihong，et al .The development and prospect of HVDC flexible technology[J].Electric Power Construction, 2011, 32(5): 62-66.

[5]周楊,賀之淵,龐輝,等.雙極柔性直流輸電系統(tǒng)站內(nèi)接地故障保護策略[J].中國電機工程學報,2015,35(16):4062-4069. ZHOU Yang, HE Zhiyuan, PANG Hui, et al.Protection of converter grounding fault on MMC based bipolar HVDC systems[J].Proceedings of the CSEE, 2015,35(16):4062-4069.

[6]梁少華,田杰,曹冬明,等.柔性直流輸電系統(tǒng)控制保護方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2013,37(15):59-65. LIANG Shaohua, TIAN Jie, CAO Dongming，et al.A control and protection scheme for HVDC system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(15): 59-65.

[7] ELSEROUGI A A,ABDEL-KHALIK A S,MASSOUD A M，et al.A new protection scheme for HVDC converters against DC-side faults with current suppression capability[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(4):1569-1577.

[8]DESCLOUX J, RAISON B,CURIS J B.Protection algorithm based on differential voltage measurement for MTDC grids[C]//12th IET International Conference on Developments in Power System Protection, Copenhagen: 2014：1-5.

[9]楊潔,劉開培,秦亮.柔性直流輸電系統(tǒng)無保護故障特征及保護策略研究[J].陜西電力,2015,43(4):5-10. YANG Jie, LIU Kaipei, QIN Liang.Fault feature and protection strategy for flexible HVDC system[J]. Shaanxi Electric Power, 2015, 43(4): 5-10.

[10]秦玥,顧潔,金之儉，等.電阻型超導限流器對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響分析[J].華東電力,2013,41(5):1031-1036. QIN Yue, GU Jie, JIN Zhijian，et al. Influence of resistive superconducting fault current limiter on power system transient stability[J]. East China Electric Power, 2013,41(5):1031-1036.

[11]陳妍君,顧潔,金之儉，等.電阻型超導限流器仿真模型及其對10 kV配電網(wǎng)的影響[J].電力自動化設(shè)備,2013,33(2):87-91. CHEN Yanjun, GU Jie,JIN Zhijian，et al .Resistive-type superconducting current limiter simulation model and the effect on the 10 kV distribution network[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(2): 87-91.

[12]XIN Y, GONG H, WANG J Z .Performance of the 35 kV/90MVA SFCL in live-grid fault current limiting tests[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3): 1294-1297.

[13]李斌,何佳偉.柔性直流配電系統(tǒng)故障分析及限流方法[J].中國電機工程學報,2015,35(12):3026-3036. LI Bin, HE Jiawei.DC fault analysis and current limiting technique for VSC-based DC distribution system[J].Proceedings of the CSEE, 2015,35(12):3026-3036.

[14] LIN Ye, KLANS-PETER J .Modeling and simulation of high temperature resistive superconducting fault current limiters[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2004, 14(2): 839-842.

[15] TANG L X, OOI B T .Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC system[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2007, 22(3): 1877-1884.

[16]李斌,何佳偉.多端柔性直流電網(wǎng)故障隔離技術(shù)研究[J].中國電機工程學報,2016,36(1):87-95. LI Bin, HE Jiawei.Research on the DCfault isolating technique in multi-terminal DC system[J].Proceedings of the CSEE, 2016,36(1):87-95.

呂思卓( 1989) ，男，碩士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)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(wǎng)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(tǒng)分析與規(guī)劃；

唐曉駿(1979)，男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)分析；

張鑫(1981)，男，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性、電力系統(tǒng)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(tǒng)的仿真與分析；