一種高壓配電網(wǎng)故障自愈技術(shù)的仿真研究?

夏實秋 許智峰

（1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 南京 211100）（2.揚州市建筑設(shè)計研究院有限公司 揚州 225000）

1 引言

由于獨特的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢，高壓直流輸電（HVDC）技術(shù)在遠(yuǎn)距離、大容量的區(qū)域配電網(wǎng)傳輸中得到了非常廣泛的應(yīng)用［1～3］。然而，在實際應(yīng)用中不可避免地會出現(xiàn)各種問題。例如，當(dāng)它接入AC/DC系統(tǒng)之間時，通常會因為收到較大擾動而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)狀態(tài)的突變，并導(dǎo)致許多問題［4～6］，如瞬態(tài)過載電壓、諧波和電壓不穩(wěn)定等問題［7］。近年來，隨著電力電子學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是開發(fā)研制出各種高精度的控制電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn off Thyristor，GTO）［8］和絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）［9］已經(jīng)在實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，由此突破性的出現(xiàn)了電壓源型換流器高壓直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）［10］，與傳統(tǒng)常規(guī)直流輸電相比，它采用電壓源型逆變器取代電流源型逆變器。

目前，VSC-HVDC已經(jīng)利用數(shù)學(xué)模型研究了控制策略、保護(hù)方法等。文獻(xiàn)［11］建立了穩(wěn)態(tài)VSC-HVDC系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，提出了VSC-HVDC系統(tǒng)的控制策略，采用逆穩(wěn)態(tài)模型控制器跟蹤工作點，利用兩個解耦控制回路消除穩(wěn)態(tài)偏差。文獻(xiàn)［12］設(shè)計了一個基于dqo軸的穩(wěn)態(tài)控制器，對這種VSC-HVDC的性能進(jìn)行了分析，最后通過仿真結(jié)果驗證了其可行性和優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上，對柔性直流輸電的研究有了較大發(fā)展。但是，尤其是在故障情況下的VSC-HVDC的運行特點沒有關(guān)注的情況下在高壓直流系統(tǒng)是常見的。在此基礎(chǔ)上，對在高壓直流系統(tǒng)中的VSC-HVDC的研究已經(jīng)有了較大發(fā)展。但對VSC-HVDC在故障情況下的運行特性并沒有引起足夠的重視。

在本文中，首先用電力系統(tǒng)仿真分析軟件PSCAD/EMTDC建立了VSC-HVDC系統(tǒng)模型。基于此，在VSC-HVDC系統(tǒng)的AC側(cè)對幾種常見故障進(jìn)行模擬，并對VSC-HVDC系統(tǒng)的幾個不同的無功補(bǔ)償裝置固定電容器（FC）、靜止無功補(bǔ)償器（SVC）和靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）進(jìn)行了動態(tài)自愈性能研究。采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p少故障造成的影響和危害，為進(jìn)一步的研究提供一定的參考。

2 TSC的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

TSC型無功補(bǔ)償是無功補(bǔ)償中最常用的補(bǔ)償裝置。它由固定電容器（FC）演變而來，屬于并聯(lián)補(bǔ)償裝置，也是靜止無功補(bǔ)償器（SVC）的一個分支［13］。

單相TSC由電容器、雙向晶閘管和阻抗值較低的限流電抗器組成，如圖1所示，TSC是一種利用晶閘管作為非接觸開關(guān)的無功補(bǔ)償裝置，它能夠根據(jù)晶閘管準(zhǔn)確觸發(fā)特性，快速、平穩(wěn)地進(jìn)入或切斷補(bǔ)償電容器［14］。TSC可以跟蹤沖擊載荷的變化，并且將閉環(huán)反饋迅速提供給最佳的功率因數(shù)。它可以實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償和降低電壓波動，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 VSC-HVDC的工作原理

圖2給出了雙端VSC-HVDC輸電系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)［15］。電壓源型換流器的主要部件有：全橋式整流器、DC電容器、AC濾波器、換流電抗器和交流濾波器。全橋式整流器采用三相雙級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個橋臂由多個IGBT組成，DC電容器用于提供電壓支持和緩沖橋臂斷開時的脈沖電流，同時，可以減少DC側(cè)換流變壓器的諧波，AC側(cè)的換流變壓器或轉(zhuǎn)換堆是VSC與AC系統(tǒng)之間能量交換的紐帶，也具有濾波效果。AC濾波器用于濾除DC側(cè)的諧波。雙端電壓源型逆變器由DC輸電線路連接，一端運行在整流器狀態(tài)，另一端運行在逆變器狀態(tài)，從而實現(xiàn)兩端之間的有功功率交換。

圖2 雙端VSC-HVDC傳輸系統(tǒng)

VSC-HVDC是由電壓源型變換器技術(shù)和全控設(shè)備（如IGBT）發(fā)展而來的。圖3顯示了由高頻開關(guān)器件IGBT組成的電壓源轉(zhuǎn)換器單相電路。其工作原理是：觸發(fā)信號Ui產(chǎn)生對比的工作頻率正弦信號Uc與三角載波信號Utri，如圖4所示。

圖3 由IGBT構(gòu)成的單相電壓源換流器

圖4 VSC的工作原理

從圖3和圖4可以看出，當(dāng)2+被觸發(fā)時，輸出電壓為U0=Ud/2，當(dāng)2-被觸發(fā)時，輸出電壓為U0=Ud/2。并且2+與2-不可能同時觸發(fā)。AC母線中的正弦電壓uc由轉(zhuǎn)換堆和濾波器獲得，消除uo的高諧波分量與uc具有相同的波形。用utri決定了開關(guān)的動作頻率檢測，uc對輸出電壓uo的相位和幅值進(jìn)行檢測。當(dāng)uc的相位改變時，它將改變有功功率的大小和方向。當(dāng)uc的振幅發(fā)生變化時，它將改變無功功率的大小和極性（電感或電容性）。因此，電壓源型換流器可以單獨調(diào)節(jié)有功功率和無功功率［16］。

4 VSC-HVDC系統(tǒng)故障仿真

4.1 仿真系統(tǒng)模型

首先，利用PSCAD/EMTDC仿真工具建立VSC-HVDC的數(shù)學(xué)模型。如圖5所示。主要的電路參數(shù)為：AC系統(tǒng)的參考電壓為115kV；變壓器的額定容量為S=100MVA，比率為115 kV/62.5 kV，DC電容為500uF。模擬試驗系統(tǒng)采用背靠背運行方式，整流器采用固定有功功率和恒無功功率的對沖方式，逆變器采用恒定直流電壓和恒定無功功率控制方式。在此基礎(chǔ)上，分別采用SVC和STAT?COM代替AC系統(tǒng)中的FC研究不同系統(tǒng)故障的動態(tài)自愈特性。

圖5 VSC-HVDC模型

4.2 三相接地故障自愈

三單相接地故障屬于典型的對稱故障。故障發(fā)生在1s時刻，在1.05s時刻配電網(wǎng)自愈。故障點設(shè)置在逆變器的AC系統(tǒng)側(cè)。

圖6 三相接地故障下DC功率的動態(tài)自愈特性

圖6和圖7給出了三相接地故障下DC功率和電壓的動態(tài)自愈特性。可以看出，當(dāng)SVC用于補(bǔ)償時，DC功率和電壓的自愈是最慢的。由于TSC在故障過程中反復(fù)切換，系統(tǒng)在自愈過程中會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。當(dāng)采用STATCOM時，配電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)最快。這是因為STATCOM通過改變VSC的電壓和電流波形來發(fā)射和吸收無功功率，而且不需要電容組和并聯(lián)電抗器，SVC補(bǔ)償運行時沒有缺點，其主要的優(yōu)點是：當(dāng)系統(tǒng)釋放電容性無功電流時，STATCOM不依賴于系統(tǒng)電壓，且特別適用于系統(tǒng)在故障期間和故障后支持電壓的場合［17］。

圖7 三相接地故障下DC電壓的動態(tài)自愈特性

4.3 單相接地故障

單相接地故障是AC系統(tǒng)中的一種常見故障，也是一種典型的不對稱故障。故障發(fā)生在1s時刻，在1.05s時刻配電網(wǎng)自愈。故障點設(shè)置在逆變器的AC系統(tǒng)側(cè)。

圖8 單相接地故障下DC功率的動態(tài)自愈特性

圖9 單相接地故障下DC電壓的動態(tài)自愈特性

圖8和圖9顯示了單相接地故障下DC功率和電壓的動態(tài)自愈特性。它們與圖6和圖7相似。在不同的無功補(bǔ)償裝置中，當(dāng)采用STATCOM時，系統(tǒng)的自愈速度是最快的，而當(dāng)采用SVC進(jìn)行補(bǔ)償時，DC功率和電壓的自愈速度最慢，但是整體的自愈速率增加。

4.4 三相斷相故障

三斷相故障在實踐中是最不常見的故障，但一旦出現(xiàn)，它將嚴(yán)重地危害到整個配電網(wǎng)系統(tǒng)。故障發(fā)生在2s時刻，在2.05s配電網(wǎng)自愈。

圖10 三相斷相故障下DC功率的動態(tài)自愈特性

圖11 三相斷相故障下DC電壓的動態(tài)自愈特性

圖10和圖11顯示了三相斷相故障下DC功率和電壓的動態(tài)自愈特性。當(dāng)FC用于補(bǔ)償時，DC功率和電壓的恢復(fù)最慢，當(dāng)采用SVC時，配電網(wǎng)系統(tǒng)會出現(xiàn)一定的過載電壓，但是系統(tǒng)從故障中恢復(fù)得更快，因為SVC具有電壓調(diào)節(jié)的功能，當(dāng)采用STATCOM時，它只會出現(xiàn)很小的擾動，系統(tǒng)的恢復(fù)速度最快。

5 結(jié)語

本文通過電力系統(tǒng)仿真分析軟件PSCAD/EM?TDC分析了VSC-HVDC系統(tǒng)的故障自愈特性。可以得出以下的結(jié)論：

1）當(dāng)SVC用于補(bǔ)償時，由于結(jié)構(gòu)的原因，會導(dǎo)致AC系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)一步下降，使配電網(wǎng)系統(tǒng)的自愈特性更加惡化。

2）當(dāng)SC用于補(bǔ)償時，會增加AC系統(tǒng)的短路容量。它不僅能提供必要的無功功率，而且能使配電網(wǎng)系統(tǒng)從故障中迅速地完成自愈。

3）SVC和SC可以快速有效地抑制三相斷相故障下的過載電壓，而FC沒有電壓控制功能，因此電容器和濾波器必須快速切除，以避免出現(xiàn)較高的過載電壓。

4）在三種無功補(bǔ)償模式下，無論是瞬態(tài)過載電壓的抑制水平還是DC功率的自愈特性，我們可以得出結(jié)論，SC比其他兩種補(bǔ)償具有更明顯的優(yōu)點。