架空線柔性直流電網(wǎng)的直流短路電流限制研究

孫 栩，王華偉，雷 霄，趙 兵，王姍姍

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)公司正在規(guī)劃建設(shè)基于架空線傳輸?shù)摹?00 kV柔性直流電網(wǎng)，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，所以需要配置高壓直流斷路器用以隔離故障。直流短路電流是直流電網(wǎng)構(gòu)建中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，其不但是換流閥過(guò)流保護(hù)的決定判據(jù)，還是制造高壓大電流直流斷路器的關(guān)鍵參數(shù)，所以必須對(duì)換流器橋臂和直流斷路器流過(guò)的短路電流進(jìn)行計(jì)算分析。目前對(duì)于柔性直流電網(wǎng)的研究，主要集中于協(xié)調(diào)控制策略［1-8］、換流器拓?fù)洌?-12］、直流斷路器研制［13-14］、電力電子變壓器設(shè)計(jì)［15-16］等方面，對(duì)于直流電網(wǎng)短路電流的專門分析還比較少，本文將對(duì)此進(jìn)行較為細(xì)致的計(jì)算。

1 計(jì)算條件

1.1 系統(tǒng)條件

目前推薦的換流站站點(diǎn)位置為：抽水蓄能接入的豐寧站、風(fēng)電接入的張北站、光伏接入的康保站、最終饋入北京站。其中，張北風(fēng)電聯(lián)網(wǎng)饋入，而康保的光伏則有可能采用聯(lián)網(wǎng)或者孤島方式接入柔性直流電網(wǎng)。4個(gè)站點(diǎn)均接入當(dāng)?shù)?00 kV電壓等級(jí)的電網(wǎng)，其中北京站按63 kA短路電流計(jì)算，其余3個(gè)站按30 kA短路電流計(jì)算；北京站及張北站的額定容量設(shè)定為3000 MW，其余2個(gè)站的額定容量設(shè)定為1500 MW。

1.2 直流電網(wǎng)及換流站拓?fù)?/h3>

柔性直流電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用“口”字型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，直流線路長(zhǎng)度如表1所示。

圖1 柔性直流電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Fig.1 Framework of flexible DC grid

表1 直流線路長(zhǎng)度Table 1 DC line lengths

柔性直流換流站主要有2種拓?fù)洌好空?個(gè)換流器的對(duì)稱單極結(jié)構(gòu)和每站2個(gè)換流器的對(duì)稱雙極結(jié)構(gòu)。對(duì)于柔性直流電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)及控制已經(jīng)很復(fù)雜，如果再采用對(duì)稱雙極結(jié)構(gòu)，則總的控制架構(gòu)和運(yùn)行方式的復(fù)雜程度將更深，所以柔性直流電網(wǎng)換流站推薦采用對(duì)稱單極結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用對(duì)稱單極結(jié)構(gòu)，極線或直流線路發(fā)生接地故障時(shí)，不會(huì)發(fā)生直流極間短路，故障嚴(yán)重程度較低；并且對(duì)稱單極結(jié)構(gòu)發(fā)生極間故障的概率非常低，有利于系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

柔性直流換流器主要有2種拓?fù)洌孩侔霕蚰K化多電平換流器（MMC）子模塊結(jié)構(gòu)+高壓大電流直流斷路器；②故障自清除MMC子模塊結(jié)構(gòu)+快速直流機(jī)械開(kāi)關(guān)。由于規(guī)劃中的柔性直流電網(wǎng)采用直流架空線傳輸，所以發(fā)生線路故障的概率比較大。對(duì)于電壓源型換流器而言，其發(fā)生極間故障時(shí)，直流阻尼很小，直流短路電流發(fā)展速度很快，在幾個(gè)ms之內(nèi)，直流故障電流就有可能沖到十幾kA或者幾十kA。拓?fù)洧俚脑硎且坏┲绷骶€路發(fā)生極間短路故障，快速定位，通過(guò)直流斷路器將故障線路切除，為了降低設(shè)備制造難度，直流斷路器可以不考慮重合閘功能，因此直流電網(wǎng)由開(kāi)始的環(huán)狀電網(wǎng)變成后來(lái)的鏈狀電網(wǎng)，潮流轉(zhuǎn)移，但是各換流器一直保持在線運(yùn)行；拓?fù)洧诘脑硎且坏┲绷骶€路發(fā)生極間短路故障，各換流站短暫閉鎖，時(shí)間長(zhǎng)度大概為幾十ms，在此期間各換流站均不向直流內(nèi)部饋入能量，故障電流息弧。從成本角度而言，拓?fù)洧傩枰渲?4臺(tái)高壓大電流直流斷路器，而拓?fù)洧诘膿Q流閥所使用的全控型電力電子器件比拓?fù)洧俣?，兩者的成本與各裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較；從技術(shù)成熟度而言，目前國(guó)內(nèi)外的MMC柔性直流工程都是使用拓?fù)洧偌夹g(shù)路線，國(guó)內(nèi)多個(gè)廠家都已經(jīng)具備生產(chǎn)高壓大容量半橋MMC的能力。綜上所述，規(guī)劃中的柔性直流電網(wǎng)推薦采用拓?fù)洧俜桨浮Ｆ鋼Q流器主電路如圖2所示，各設(shè)備參數(shù)如表2所示。

圖2 換流器主電路Fig.2 Main circuit of MMC

表2 柔性直流電網(wǎng)換流站主電路參數(shù)Table 2 Main circuit parameters of converter station of flexible DC grid

2 直流短路計(jì)算原理

MMC在發(fā)生極間短路故障時(shí)，故障電流分為電容放電電流和交流系統(tǒng)饋入電流兩部分，其短路電流通路如圖2所示。圖中灰色實(shí)線部分為電容放電電流通路（點(diǎn)劃線方框中為其具體元件名稱），虛線部分為交流系統(tǒng)饋入電流通路。電容放電通路中，投入狀態(tài)子模塊中的電容通過(guò)VT1放電，而切出狀態(tài)子模塊中的VD2提供短路電流回路。

放電回路的電流計(jì)算公式如式（1）所示［4］。

其中，ω為角頻率；T為時(shí)間常數(shù)；n為橋臂子模塊數(shù)；L為橋臂電感值；C0為子模塊電容值；Rstray為電抗器直流電阻、電容器串聯(lián)等效電阻、器件開(kāi)通關(guān)斷損耗及導(dǎo)通損耗的等效雜散電阻和放電回路金屬構(gòu)件的接觸電阻的總和；Udc為換流器直流側(cè)電壓。電壓源型換流器極間短路最大放電電流可近似如式（4）所示。

其中，U0為換流器直流側(cè)額定電壓。

3 直流限流電抗器配置

3.1 直流限流電抗器集中配置

現(xiàn)有的多端直流輸電工程，無(wú)論是柔性直流還是常規(guī)直流，其限流電抗器（平波電抗器）都集中布置于換流器出口。柔性直流電網(wǎng)限流電抗器集中配置時(shí)，電抗器布置位置及計(jì)算考慮的故障位置如圖3所示。

圖3 直流限流電抗器集中布置及故障位置圖Fig.3 Centralized configuration of DC currentlimiting inductors and fault locations

圖中，故障點(diǎn)位于各換流器的出口以及各條直流線路的兩端和中點(diǎn)。換流器出口故障與直流線路兩端故障相比較，各換流器向故障點(diǎn)貢獻(xiàn)的短路電流相同，整個(gè)直流電網(wǎng)的電氣特性完全一致，只是個(gè)別直流斷路器流經(jīng)的故障電流幅值及方向存在區(qū)別。本文在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC上搭建仿真模型進(jìn)行計(jì)算。由于直流短路故障電流發(fā)展得很快，因此要求柔性直流電網(wǎng)中的相關(guān)直流斷路器盡快斷開(kāi)，目前從故障發(fā)生到斷路器完全斷開(kāi)的總時(shí)間大約為6 ms，其中控制保護(hù)裝置故障檢測(cè)保護(hù)出口時(shí)間約3 ms，正在研制的±500 kV直流斷路器的開(kāi)斷時(shí)間約3 ms，考慮一定裕度，所以本文統(tǒng)計(jì)的是10 ms之內(nèi)的直流線路短路電流最大值。同時(shí)，由于IGBT過(guò)負(fù)荷能力目前還很弱，換流閥本體具有過(guò)流保護(hù)功能，故障電流達(dá)到2倍額定電流時(shí)，換流站就閉鎖。經(jīng)過(guò)分析，對(duì)于抑制直流故障電流快速上升最有效的手段是在換流器出口配置較大的限流電抗器。本文首先以各換流器出口配置100 mH、150 mH、200 mH限流電抗器為例計(jì)算直流線路短路電流的最大值以及換流站閉鎖的情況，分別見(jiàn)表3及表4（以張北—康保線路右端處發(fā)生極間故障為例，其直流故障電流最為嚴(yán)重）。

表3 不同換流器出口處限流電抗器電感值對(duì)應(yīng)的短路電流最大值Table 3 Maximum short circuit current corresponding to inductance of current-limiting inductor at MMC exit port

表4 不同換流器出口處限流電抗器電感值對(duì)應(yīng)的換流站閉鎖時(shí)間Table 4 Converter station blocking time corresponding to inductance of current-limiting inductor at MMC exit port

從以上的結(jié)果可以看出，在換流器出口處配置限流電抗器達(dá)到200 mH時(shí)，直流線路上短路電流6 ms內(nèi)基本可以限制在15 kA左右，10 ms內(nèi)基本可以限制在20 kA左右，可以滿足直流斷路器的開(kāi)斷要求。但是橋臂上電流上升很快，觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，即使限流電抗達(dá)到200mH，4ms內(nèi)1個(gè)換流站閉鎖，5ms內(nèi)2個(gè)換流站閉鎖，6 ms內(nèi)3個(gè)換流站閉鎖?？梢?jiàn)，即使直流斷路器可以斷開(kāi)直流線路上流過(guò)的短路電流，但是此時(shí)多個(gè)換流站都已經(jīng)閉鎖，失去了配置直流斷路器的意義。

3.2 直流限流電抗器分散配置

如果將限流電抗器分散配置，即只配置線路電抗器Lx，或者Lx和平波電抗器Lp混合配置（如圖4所示），有可能改善以上分析的問(wèn)題。當(dāng)然，分散配置時(shí)換流器出口故障和直流線路兩端故障下，故障電氣特性并不一致，需要分別考慮。

下文以只配置Lx為例進(jìn)行分析計(jì)算，Lx分別為100 mH、150 mH、200 mH工況下，直流線路短路電流的最大值以及換流站閉鎖的情況分別見(jiàn)表5及表6（以張北—康保線路故障為例）。

圖4 直流限流電抗器分散布置及故障位置圖Fig.4 Decentralized configuration of DC currentlimiting inductors and fault locations

表5 不同線路限流電抗器電感值對(duì)應(yīng)的短路電流最大值Table 5 Maximum short circuit current corresponding to inductance of current-limiting inductor

表6 不同線路限流電抗器電感值對(duì)應(yīng)的換流站閉鎖時(shí)間Table 6 Converter station blocking time corresponding to inductance of current-limiting inductor

從表中可以看出，張北—康保短線路發(fā)生極間短路故障，限流電抗器分散布置下，即使線路電抗器Lx達(dá)到200 mH，6 ms內(nèi)仍然存在多個(gè)換流站閉鎖的情況?？梢?jiàn)，柔性直流電網(wǎng)某處發(fā)生極間短路故障，關(guān)鍵的問(wèn)題并不是直流斷路器無(wú)法斷開(kāi)直流線路上匯集的故障短路電流，而是換流站由于過(guò)流保護(hù)造成的過(guò)快閉鎖。為此考慮2種改進(jìn)措施：①將張北—康保直流線路的Lx增加到350 mH，增加兩站之間的電氣距離；②額定功率1500 MW的換流站的過(guò)流保護(hù)定值從2.0 p.u.提高到2.4 p.u.，額定功率3000 MW的換流站的保護(hù)定值維持不變。綜上所述，相同故障情況下采用改進(jìn)措施后的直流線路短路電流的最大值以及換流站閉鎖的情況見(jiàn)表7及表8。

從表中可以看出，采取改進(jìn)措施后，柔性直流電網(wǎng)線路上發(fā)生極間短路故障時(shí)，流經(jīng)直流斷路器的故障電流在6 ms內(nèi)都小于15 kA，完全滿足直流斷路器的要求；而且6 ms內(nèi)沒(méi)有換流站閉鎖，滿足設(shè)計(jì)初衷。

表7 采用改進(jìn)措施后的短路電流最大值Table 7 Maximum short circuit current when improved measures are applied

表8 采用改進(jìn)措施后的換流站閉鎖時(shí)間Table 8 Converter station blocking time when improved measures are applied

直流輸電系統(tǒng)直接發(fā)生極間短路故障的概率非常低，一般都是雙極同時(shí)發(fā)生接地故障間接造成的雙極極間短路。單極接地故障在站外架空線上發(fā)生的概率較高，所以以上的分析都是針對(duì)圖4中站外區(qū)域而言的，計(jì)算結(jié)果也表明直流電網(wǎng)直流線路發(fā)生極間故障，不會(huì)有換流站閉鎖，從運(yùn)行的角度看滿足要求。目前柔性直流電網(wǎng)的站內(nèi)（圖4虛線框外部分）的布置一般都采用封閉式，發(fā)生單極接地故障的概率很小，間接引起的極間故障概率極小，幾乎幾十年一遇。但是從設(shè)計(jì)的角度看，必須對(duì)站內(nèi)故障進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)，保證只有故障對(duì)應(yīng)站因?yàn)檎緝?nèi)故障必須閉鎖，其他3個(gè)換流站不發(fā)生閉鎖。因此對(duì)各站發(fā)生站內(nèi)極間短路故障下，所有站的閉鎖情況進(jìn)行計(jì)算掃描，如表9所示。

表9 發(fā)生站內(nèi)極間短路故障時(shí)各換流站的閉鎖時(shí)間Table 9 Converter station blocking time when instation pole-to-pole short circuit fault occurs

從表9可以看出，柔性直流電網(wǎng)1個(gè)換流站發(fā)生站內(nèi)區(qū)域故障時(shí)，只有對(duì)應(yīng)的本站閉鎖，其他站不會(huì)閉鎖。同時(shí)，必須說(shuō)明的是，站內(nèi)故障分為換流器出口故障（F1）、母線故障（F2）和線路斷路器站內(nèi)側(cè)故障（F3），這些故障都會(huì)引起對(duì)應(yīng)站閉鎖，但是都有各自的保護(hù)策略，動(dòng)作后果也不同：故障F1引起相應(yīng)換流器斷路器斷開(kāi)，其他斷路器不動(dòng)作；故障F2引起母線上所連的所有斷路器均斷開(kāi)；故障F3執(zhí)行線路保護(hù)邏輯，對(duì)應(yīng)線路兩側(cè)斷路器斷開(kāi)，其余斷路器不動(dòng)作。

4 結(jié)論

本文對(duì)柔性直流電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重短路故障時(shí)的故障電流進(jìn)行了較為詳細(xì)的計(jì)算和比較分析，得到以下結(jié)論。

a.配置合理的限流電抗器是抑制直流短路電流的有效手段。

b.限流電抗器集中布置時(shí)，線路發(fā)生極間故障，在直流斷路器斷開(kāi)之前，已經(jīng)有多個(gè)換流站閉鎖。

c.限流電抗器應(yīng)分散布置或者混合布置，還應(yīng)采取加大短線路限流電抗器電抗值、加大1500 MW換流站過(guò)流保護(hù)定值等改進(jìn)措施。

d.區(qū)分了柔性直流電網(wǎng)的站內(nèi)與站外故障，站外線路故障的發(fā)生概率相對(duì)較大，但是不會(huì)引起任何換流站閉鎖；站內(nèi)嚴(yán)重故障的發(fā)生概率極小，只會(huì)引起對(duì)應(yīng)站的閉鎖。所提限流電抗器的配置方案滿足了設(shè)計(jì)與運(yùn)行的要求。

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