可控避雷器基本控制策略的仿真研究及動模驗證

張向龍，閆 鑫，戶永杰，張良儒

(許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461400)

0 引 言

基于電網換相換流器(Line Commutated Converter，LCC)的常規直流輸電系統由于晶閘管的半控特性，導致逆變站存在換相失敗的風險[1-4]。采用全控型電力電子器件的電壓源型換流器(Voltage Source Converter，VSC)作為逆變站，形成LCC-VSC混合直流輸電系統，不僅可以徹底解決換相失敗的問題，而且具有獨立的無功功率、有功功率控制等優勢，成為近年來直流輸電領域的研究熱點[5-8]。但由于VSC過電壓水平較低，因此，需要引入一定的輔助措施來限制系統故障時產生的直流過電壓，保護VSC不受損壞[9-12]。文獻[13]闡述了混合直流輸電系統中VSC電氣應力的產生機理，并提出加裝泄能裝置可以有效抑制VSC電氣應力；文獻[14]闡述了可控避雷器的工作原理，并通過仿真驗證了可控避雷器限制過電壓的效果。上述研究大多基于理論和仿真分析，沒有涉及到可控避雷器動作時的實際物理過程。

為驗證可控避雷器在實際系統中抑制過電壓的基本控制邏輯和保護水平，搭建了基于可控避雷器的混合直流輸電動模試驗系統，通過模擬受端系統網側電壓跌落故障，來驗證可控避雷器的控制邏輯和抑制過電壓的物理過程。

1 混合直流輸電動模試驗系統設計

LCC-VSC混合直流輸電動模試驗系統采用單極高低端閥組串聯結構[15-16]，送端高低端閥組均采用6脈動LCC(LCC1/LCC2)；受端高端閥組采用6脈動LCC(LCC3)，低端閥組采用3組21電平VSC并聯(VSC1-3)，系統拓撲結構如圖1所示。系統運行方式為：送端LCC1/LCC2運行在定直流電流模式，LCC3運行在定直流電壓模式，VSC1運行在定直流電壓模式，VSC2-3運行在定功率模式。系統額定直流電壓4 kV，額定直流電流10 A。

2 可控避雷器動模試驗拓撲設計

可控避雷器主電路由避雷器可控部分、避雷器固定部分、電力電子開關K及快速機械開關組成，其拓撲結構如圖2所示。在系統正常運行時，電力電子開關K斷開，避雷器固定部分和可控部分共同承受母線電壓；系統故障時，當檢測到VSC子模塊電壓大于保護閾值時，開關K閉合，避雷器可控部分被短接，系統母線最高電壓僅為避雷器固定部分的殘壓，可以深度降低系統的過電壓水平，保護VSC設備不受損壞。當避雷器固定部分吸收的能量達到其保護值后，快速機械開關閉合，以保證避雷器固定部分不受損壞。可控避雷器動模試驗的具體參數如表1～2所示。

圖1 LCC-VSC混合直流輸電動模試驗系統拓撲結構

圖2 可控避雷器拓撲結構

表1 避雷器可控部分參數

表2 避雷器固定部分參數

3 可控避雷器控制保護策略

3.1 可控避雷器動模系統控制保護架構

動模控制保護系統采用許繼HCM3000機箱，基于分層配置的原則，送端配置極控機箱1臺，閥組控制機箱2臺，采樣接口機箱1臺；受端配置極控機箱1臺，閥組控制機箱4臺。系統架構如圖3所示。

圖3 控制保護系統架構

圖中，PCP表示極控制機箱，CCP表示閥組控制機箱，BCP表示可控避雷器控制機箱，VCU表示MMC閥控機箱，VBE表示LCC閥控機箱，PPR表示極保護機箱，CPR表示閥組保護機箱。

圖3預估了不同裝置的處理時間及裝置之間的通訊延時。各個閥組的控制和保護機箱是獨立配置的，因此在某個VSC發生故障后，故障VSC會迅速進行保護動作，而非故障VSC則需等待故障VSC閥組保護機箱向極控制機箱發送故障信息通訊、極控制機箱邏輯處理、極控制機箱向非故障VSC下發保護動作等一些系列延時后才有效進行動作。

可控避雷器能量通過積分計算實現，當檢測到避雷器固定部分兩端電壓大于2.4 kV時，開始計算可控避雷器能量，計算式如下。

式中：UCA為避雷器固定部分端電壓；ICA為通過避雷器固定部分的電流；WCA為避雷器固定部分吸收的能量。

3.2 可控避雷器動模系統保護策略

可控避雷器動模系統保護策略如圖4所示。

可控避雷器投入判據為：任一VSC的任一橋臂子模塊平均電壓達到130 V。其中每個VSC閥控MVCE計算6個橋臂的子模塊電容電壓判據值，如果某個橋臂子模塊電容電壓判據值大于閾值，則向極控上傳子模塊電容電壓越限信號。極控收集3個VSC閥控MVCE上送的子模塊電容電壓越限信號，綜合處理發出可控避雷器投切信號。可控避雷器投入后，極控實時計算避雷器固定部分吸收的能量值，若吸收能量值大于越限值，則閉合快速BPS，閉鎖VSC閥組，系統低端閥組退出系統運行。

4 仿真及動模試驗結果

圖5為VSC網側電壓跌落期間動模試驗波形。可以看出，當VSC橋臂電壓達到2 600 V(子模塊電壓130 V)時，避雷器可控部分切除，避雷器固定部分端電壓瞬間上升至VSC閥組端口電壓，避雷器固定部分導通，吸收盈余能量，VSC閥組端口電壓被限制在一定水平，最高達到約2 755 V。整個過程流經避雷器固定部分的最大電流約5.36 A，避雷器固定部分吸收能量約1 872 J。圖6為VSC網側電壓跌落期間PSCAD仿真波形。與動模試驗波形對比，二者相關電氣量波形變化趨勢一致性較高，有效驗證了可控避雷器的控制邏輯和限制過電壓的能力。

圖4 動模系統保護策略

圖5 VSC交流電壓跌落故障時動模試驗波形

圖6 VSC交流電壓跌落故障時PSCAD仿真波形

5 結 語

可控避雷器能夠有效限制系統故障所產生的過電壓，降低VSC子模塊電容電壓，保證VSC閥子模塊在系統故障時不受損壞。

可控避雷器的控制保護邏輯是合理有效的，在檢測到子模塊電壓達到閾值后，避雷器可控部分能夠可靠投入；檢測到子模塊電壓恢復到正常水平后，避雷器可控部分能夠合理退出。