柔性直流輸電啟動(dòng)充電過(guò)電流分析及改進(jìn)

林福

（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,龍巖 364012）

隨著電壓等級(jí)的提升和損耗的降低，基于全控型絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）的電壓源高壓直流輸電技術(shù)（Voltage-Sourced Converter HVDC，VSC-HVDC，又稱(chēng)柔性直流）獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用[1-5]，如大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)，大型負(fù)荷中心供電，快速功率支撐，孤島或無(wú)源電網(wǎng)供電等。柔性直流換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下兩個(gè)技術(shù)方案[5]：基于電力電子開(kāi)關(guān)器件直接串聯(lián)的兩電平/三電平換流器和基于功率子模塊級(jí)聯(lián)的模塊化多電平換流器

（Modular Multi-level Converter，MMC）。其中MMC具有可擴(kuò)展性高、諧波含量低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是目前柔性直流輸電工程主要采用的技術(shù)方案

截至目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)投入運(yùn)行和正在規(guī)劃建設(shè)的柔性直流輸電工程已達(dá)到40條。2015年12月17日，廈門(mén)柔性直流輸電工程正式投入運(yùn)行，采用MMC拓?fù)浞桨竅6]。該工程的投運(yùn)能夠有效提高廈門(mén)島內(nèi)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性，滿(mǎn)足島內(nèi)不斷增長(zhǎng)的負(fù)荷需求。

柔性直流在啟動(dòng)解鎖前需要通過(guò)交流系統(tǒng)對(duì)子模塊電容進(jìn)行預(yù)充電。為了防止充電電流沖擊過(guò)大對(duì)閥體產(chǎn)生損害，需要在充電回路中串入充電電阻進(jìn)行限流。正常情況下，充電電阻能夠有效抑制充電電流，但是當(dāng)換流變壓器發(fā)生磁飽和等現(xiàn)象時(shí)，勵(lì)磁涌流的出現(xiàn)會(huì)使充電電流變大，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)燒毀充電電阻。近期，廈門(mén)柔直在換流站進(jìn)行啟動(dòng)充電時(shí)交流電流產(chǎn)生畸變，未能正常衰減，充電電阻反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)跳閘。

目前相關(guān)文獻(xiàn)主要是對(duì)柔性直流充電過(guò)程中充電電阻的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的控制和保護(hù)策略進(jìn)行研究。例如文獻(xiàn)[7]通過(guò)研究充電電阻和充電電流之間的關(guān)系，提出了充電電阻的阻值設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[8]提出了一種適用于模塊化多電平換流器的預(yù)充電控制策略，能夠?qū)⒆幽K電容電壓預(yù)充電到相應(yīng)的設(shè)定值，減小解鎖時(shí)的電流沖擊；文獻(xiàn)[9]介紹了南澳多端柔性直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)回路的順控流程以及相應(yīng)的故障處理方法。以上文獻(xiàn)均未對(duì)柔性直流啟動(dòng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的充電電阻過(guò)流問(wèn)題及其與換流變壓器磁飽和的關(guān)系進(jìn)行研究。

本文首先詳細(xì)分析了換流變壓器剩磁較大或磁飽和導(dǎo)致充電電阻過(guò)流的機(jī)理。然后在電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC中搭建了詳細(xì)的柔性直流仿真模型，針對(duì)仿真軟件中變壓器模型不能模擬初始剩磁的問(wèn)題，提出了變壓器初始剩磁模擬方法。最后仿真復(fù)現(xiàn)了剩磁對(duì)啟動(dòng)過(guò)程中充電電阻過(guò)電流的影響，通過(guò)與工程現(xiàn)場(chǎng)錄波的對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，并提出了改進(jìn)措施。

1 工程簡(jiǎn)介

廈門(mén)柔性直流輸電工程為兩端輸電系統(tǒng)，聯(lián)接廈門(mén)市翔安南部至廈門(mén)島內(nèi)湖里，分別建設(shè)浦園和鷺島兩座換流站。廈門(mén)工程直流輸送容量為1 000 MW，直流電壓為±320 kV，直流電流為1 600 A。換流站間采用長(zhǎng)度為10.7 km的一回直流輸電線路進(jìn)行連接。工程為對(duì)稱(chēng)雙極接線方式，如圖1所示，送端換流站為定有功功率控制和定無(wú)功功率控制，其交流側(cè)以2回220 kV電纜接入彭厝變220 kV配電裝置；受端鷺島換流站為定直流電壓控制和定無(wú)功功率控制，其交流側(cè)以2回220 kV電纜接入湖邊變220 kV配電裝置。

2 啟動(dòng)過(guò)程分析

廈門(mén)柔性直流工程的交流側(cè)包括交流斷路器、換流變壓器、充電電阻及其旁路刀閘等一次設(shè)備，直流側(cè)經(jīng)直流隔離開(kāi)關(guān)連接到直流線路。為了限制MMC預(yù)充電階段子模塊電容器的充電電流，在換流變壓器網(wǎng)側(cè)安裝有充電電阻，預(yù)充電結(jié)束后，閉合旁路刀閘，可以旁路充電電阻。

圖1 廈門(mén)柔性直流輸電系統(tǒng)示意圖

圖2 柔直換流站示意圖

下面以鷺島換流站的啟動(dòng)過(guò)程為例進(jìn)行分析（如圖2）。浦園、鷺島兩站的換流器處于熱備用狀態(tài)時(shí)，首先閉合鷺島站換流變壓器交流側(cè)斷路器，對(duì)鷺島站不控整流充電，同時(shí)通過(guò)直流線路向浦園站充電。幾秒后，閉合浦園站的交流斷路器，從交流側(cè)對(duì)浦園站換流器進(jìn)行充電。當(dāng)換流站的直流側(cè)電壓上升至不控整流的穩(wěn)定值時(shí)，閉合充電電阻旁路開(kāi)關(guān)，旁路掉充電電阻。然后解鎖浦園站、鷺島站，待可控整流充電至指令值后，直流系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)錄波分析

近期廈門(mén)工程在啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，鷺島站在利用交流系統(tǒng)對(duì)換流器進(jìn)行充電時(shí)，充電電流衰減緩慢，控制系統(tǒng)上報(bào)“充電電阻長(zhǎng)期過(guò)流”，充電電阻反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)跳閘，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

圖3和圖4分別為換流變壓器一次繞組和二次繞組電流的錄波波形（以A相為例）。由波形可知，交流斷路器閉合后，換流變壓器電流出現(xiàn)大幅增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，變壓器電流衰減至一定值后不再衰減，同時(shí)變壓器電流波形發(fā)生了畸變。

對(duì)圖5中變壓器一次繞組電流穩(wěn)定后的波形進(jìn)行頻譜分析可知，在一次繞組電流中偶次諧波的占比較大，尤以二次諧波為主。

通過(guò)對(duì)圖4中變壓器二次繞組的電流波形進(jìn)行頻譜分析可知，二次繞組電流在經(jīng)過(guò)大約400 ms后突然出現(xiàn)一個(gè)直流分量并逐漸衰減，工程現(xiàn)場(chǎng)采用常規(guī)CT，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量直流分量，因此可以斷定此時(shí)的副邊繞組中存在一個(gè)直流環(huán)流；同時(shí)副邊電流也包括較多的奇次諧波，占比最大的為三次諧波環(huán)流。

圖6為換流變壓器閥側(cè)的充電電流和直流電壓的錄波波形，由圖6可見(jiàn)，換流變壓器閥側(cè)電流和直流電壓的值均無(wú)明顯異常，換流變壓器閥側(cè)電流的畸變是由換流變壓器電壓畸變引起的，因此換流閥及其取能電源系統(tǒng)并不是導(dǎo)致充電電流畸變的原因。

圖3 變壓器一次繞組電流

圖4 變壓器二次繞組電流

圖5 變壓器一次繞組電流穩(wěn)定后的波形

圖6 換流變壓器閥側(cè)充電電流和直流電壓

基于以上現(xiàn)場(chǎng)錄波的分析可知，充電電流畸變是由于變壓器磁路漸進(jìn)飽和，從而導(dǎo)致勵(lì)磁感抗值迅速減小，充電電流變大。而磁路飽和的原因則是由于換流變壓器中存在較大的剩磁。在啟動(dòng)過(guò)程中，閉合交流斷路器后，變壓器繞組的外施電壓驟增，基于磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?，該繞組在磁路中將激發(fā)出單極性的偏磁。若偏磁極性剛好和變壓器已有的剩磁極性相同，就可能因磁通疊加而使磁路迅速飽和，從而大幅度減小變壓器繞組的勵(lì)磁電抗，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)值可觀的勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流不僅峰值大，且含有較多的諧波及直流分量，最終造成充電電阻長(zhǎng)期過(guò)電流以及啟動(dòng)反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)跳閘。

4 變壓器剩磁的影響及模擬

4.1 變壓器剩磁的影響分析

按照《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求，大型變壓器在檢修后或運(yùn)行1～3 h后，必要時(shí)都要進(jìn)行直阻試驗(yàn)[10]。經(jīng)過(guò)直阻試驗(yàn)，變壓器的鐵芯中會(huì)產(chǎn)生剩磁，而且由于大型變壓器的磁阻較小，因此直阻試驗(yàn)所加電流時(shí)間越長(zhǎng)，剩磁也就越多。

對(duì)于圖7所示的變壓器，在正常情況下，即當(dāng)沒(méi)有直流剩磁影響的時(shí)候，以變壓器一次側(cè)電路為例，可以列寫(xiě)出電路方程如下式所示：

式中：

V1—變壓器一次側(cè)電壓；

N1—變壓器一次繞組的匝數(shù)；

φ—通過(guò)變壓器一次側(cè)鐵心磁通；

R—變壓器一次繞組電阻；

i1為一次側(cè)的勵(lì)磁電流。

由于Ri1相對(duì)比較小，在分析瞬態(tài)過(guò)程初始階段可以忽略不計(jì)，所以變壓器一次側(cè)電壓可表示為

當(dāng)有直流剩磁影響的情況下，需要對(duì)變壓器模型進(jìn)行改進(jìn)。具體做法是在一次側(cè)的X端口和二次側(cè)的X端口(或者是地)之間加一個(gè)直流電壓源，直流電壓源的數(shù)值可以按照實(shí)際情況來(lái)確定，這里假定直流電壓源的數(shù)值為V0，此時(shí)相應(yīng)的電路方程就變成：

將式（3）重寫(xiě)為：

將式（4）兩邊進(jìn)行積分，可得總磁通如式（5）所示：

式中：

φs—?jiǎng)?lì)磁磁通；

φ0—剩磁。

圖7 變壓器示意圖

圖8 變壓器的φ-i曲線

由式（5）可知，變壓器的總磁通為激磁磁通和剩磁的疊加。圖8為變壓器的φ-i曲線，當(dāng)總磁通φ等于飽和磁通φb時(shí)，其電流為飽和電流，當(dāng)總磁通φ大于飽和磁通φb時(shí)，磁路飽和。在磁路飽和以后，隨著磁通的進(jìn)一步增大，將會(huì)有很大的過(guò)電流。若激磁磁通與剩磁的極性相同，則剩磁表現(xiàn)為助磁效果，變壓器總磁通會(huì)大于飽和磁通進(jìn)入飽和區(qū)，使變壓器的勵(lì)磁涌流進(jìn)一步加大，出現(xiàn)過(guò)電流。

4.2 變壓器剩磁在仿真模型中的模擬

為了復(fù)現(xiàn)工程中變壓器剩磁和漸進(jìn)飽和對(duì)于不控充電過(guò)程的影響，需要在仿真模型中對(duì)變壓器的飽和特性和初始剩磁進(jìn)行詳細(xì)模擬。以PSCAD/EMTDC為仿真工具，目前EMTDC中的變壓器模型能夠?qū)?lì)磁繞組的飽和非線性特性進(jìn)行詳細(xì)模擬。其原理是在變壓器端子間并聯(lián)可控電流源，通過(guò)對(duì)變壓器繞組電壓進(jìn)行積分得到變壓器的總磁通，再利用磁通-勵(lì)磁電流的非線性曲線得到可控電流源的值，如圖9所示。

然而，目前EMTDC中的變壓器模型不具備模擬初始剩磁的功能，需對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。由式（3）-（5）可知，可通過(guò)在EMTDC變壓器模型的副邊環(huán)路中串聯(lián)直流電壓源來(lái)模擬初始剩磁，如圖10所示。

圖9 不考慮剩磁的變壓器模型

圖10 考慮剩磁的變壓器模型

由式（5）可得剩磁表達(dá)式為

由于初始剩磁為定值，因此圖10中串聯(lián)的直流電壓源表達(dá)式V0應(yīng)該為一個(gè)隨時(shí)間衰減的函數(shù)。在此假定V0的表達(dá)式為一個(gè)指數(shù)函數(shù)，如下式所示：

式中：

Vm—直流電壓源的初始值；

α—衰減因子。

根據(jù)實(shí)際工況，在仿真的初始時(shí)刻即存在剩磁，因此衰減因子α需要設(shè)置較大的值，V0的值需要根據(jù)模擬的初始剩磁的大小進(jìn)行設(shè)置，其計(jì)算表達(dá)式如下所示：

因此可通過(guò)對(duì)附加直流電壓源進(jìn)行積分得到變壓器初始剩磁，可以等效為在圖9所示的積分器中增加一個(gè)初始值設(shè)置。

表1 換流器的主要參數(shù)

表2 換流變壓器的主要參數(shù)

5 仿真分析及改進(jìn)建議

5.1 仿真模型

為了對(duì)上述變壓器直阻試驗(yàn)后的交流對(duì)直流換流器的充電過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)第1節(jié)的廈門(mén)工程技術(shù)方案，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC中，搭建了廈門(mén)柔直工程的詳細(xì)仿真模型，換流器和換流變壓器的主要參數(shù)分別如表1和表2所示。

根據(jù)4.2節(jié)的分析，在PSCAD變壓器副邊環(huán)路中增加了可控直流電壓源以模擬剩磁，如圖11所示，可控直流電壓源的直流電壓如圖12所示。為了模擬變壓器的漸進(jìn)飽和特性對(duì)換流站不控充電過(guò)程的影響，在PSCAD變壓器模型中利用使能飽和特性模擬功能，飽和設(shè)置在副邊，并按照變壓器銘牌設(shè)定變壓器的參數(shù)。

5.2 仿真分析

在5.1節(jié)搭建的仿真模型中仿真閉合換流變壓器網(wǎng)側(cè)交流斷路器，對(duì)MMC對(duì)不控充電的過(guò)程進(jìn)行模擬，充電過(guò)程中換流變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流分別如圖13和圖14所示。

圖11 PSCAD中變壓器初始剩磁模擬

圖12 變壓器初始剩磁模擬(直流電壓源)

圖13 變壓器一次繞組電流波形

由圖13和圖14可見(jiàn)，變壓器一次繞組和二次繞組電流的仿真波形均與錄波波形高度吻合。由于變壓器直阻試驗(yàn)后存在剩磁，因此在合閘瞬間，變壓器磁路漸進(jìn)飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電抗變小，勵(lì)磁電流快速增大。由于廈門(mén)柔性直流工程中充電電阻安裝在換流變壓器一次側(cè)，充電電阻長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電流，因此充電電阻反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)跳閘。

圖14 變壓器二次繞組電流波形

5.3 建議措施

1）建議在直流工程中將限流電阻(充電電阻)安裝在換流變壓器閥側(cè)。變壓器進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)，勵(lì)磁電抗變小，變壓器電流主要流經(jīng)一次繞組和勵(lì)磁支路，而二次繞組的電流則相對(duì)較小。因此，將限流電阻安裝在換流變壓器閥側(cè)，既能很好地限制子模塊電容的充電電流，又能避免因變壓器磁路飽和而過(guò)流燒毀。

2）建議在變壓器直阻試驗(yàn)以后對(duì)變壓器進(jìn)行局放試驗(yàn)，以消除剩磁。按照電力變壓器運(yùn)行檢修要求，要定期對(duì)其進(jìn)行直阻試驗(yàn)，而試驗(yàn)后變壓器中會(huì)存在剩磁。因此，在變壓器進(jìn)行直阻試驗(yàn)以后，應(yīng)當(dāng)對(duì)變壓器進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，以徹底消除剩磁。在進(jìn)行消磁之后，再閉合交流斷路器對(duì)MMC的子模塊電容進(jìn)行充電。

6 結(jié)論

本文對(duì)廈門(mén)柔性直流工程充電電阻過(guò)電流導(dǎo)致反時(shí)限過(guò)負(fù)荷保護(hù)跳閘的現(xiàn)象進(jìn)行了研究及仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）該現(xiàn)象的原因是換流變壓器直阻試驗(yàn)后存在直流剩磁，在不控充電時(shí)由于合閘時(shí)刻導(dǎo)致變壓器磁路漸進(jìn)飽和，從而使充電電阻長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電流。

2）通過(guò)在PSCAD變壓器模型的副邊環(huán)路中串聯(lián)直流電壓源的形式來(lái)模擬初始剩磁，直流電壓源的直流電壓值由變壓器剩磁決定。

3）為了避免此類(lèi)現(xiàn)象的再次發(fā)生，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，給出了以下建議：①建議將限流電阻（充電電阻）安裝在換流變壓器閥側(cè)；②建議以后在變壓器年檢之后要先對(duì)變壓器進(jìn)行局放試驗(yàn)，將剩磁徹底消除以后再進(jìn)行充電試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)::

[1]XiaoWang, Boon-Teck Ooi．High Voltage Direct Current Transmission System Based on Voltage Source Converters [C]．Power Electronics Specialists Conference．San Antonio, USA,1990：325-332．

[2]湯廣福.基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社, 2010．

[3]徐政.柔性直流輸電系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2012：291-308．

[4]Flourentzou Nikolas, Agelidis Vassilios G. and Demetriades Georgios D. VSC-Based HVDC Power Transmission Systems：An Overview [J]. IEEE Transaction on Power Electronics, 2009, 24(3)：592-602．

[5]Lesnicar A, Marquardt R．An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range [C]. Power Technology Conference Proceedings．Bologna, Italy, 2003：23-26．

[6]陳東,樂(lè)波,梅念,等．±320kV廈門(mén)雙極柔性直流輸電工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2018,42(14):180-185．

[7]鐘著輝 , 劉志飛 , 李 鵬 , 等．一種繼電保護(hù)硬壓板遠(yuǎn)方監(jiān)視技術(shù)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2019(5):168-172.

[8]郭高朋,胡學(xué)浩,溫家良,等.模塊化多電平變流器的預(yù)充電控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù), 2014, 38(10):2624-2630．

[9]張志軒,劉開(kāi)培,王坤,等． 含 VSC—MTDC 的交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評(píng)估[J].電測(cè)與儀表, 2018, 55(1): 40-45．

[10]DL/T 596,電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].