基于RTDS的三端口混合直流斷路器仿真試驗

崔玉書，王旭，屈諦

(1. 山東管理學院智能工程學院，濟南 250357；2. 山東泰開電力電子有限公司，山東 泰安271000)

0 引言

近年來，高壓直流輸電和柔性直流輸電成為國際電力領域的熱點之一[1 - 4]。隨著經濟發(fā)展和電網的建設，多端直流輸電以其多電源供電和多落點受電，較高的供電可靠性等優(yōu)點逐步成為直流輸電發(fā)展的趨勢，因此在兩端直流輸電系統(tǒng)上發(fā)展而來的多端直流輸電系統(tǒng)受到越來越多關注[5 - 7]，在國內，南澳風電場三端直流輸電示范工程和舟山五端柔性直流輸電工程等相繼得到實際應用[8 - 9]。

多端直流系統(tǒng)可靠運行的重要指標之一是當故障發(fā)生時，系統(tǒng)能夠快速有效地將故障隔離，使系統(tǒng)正常部分繼續(xù)穩(wěn)定運行。而直流斷路器是直流輸配電系統(tǒng)實現(xiàn)可靠故障隔離的方式之一[10 - 13]。唐家灣三端柔性直流配電網工程成功應用了世界首套±10 kV三端口混合式直流斷路器，可實現(xiàn)多端換流站的聯(lián)絡及故障快速隔離，從而保障系統(tǒng)安全可靠運行。

三端口混合式直流斷路器的換流過程、斷流能力、拓撲結構等性能驗證需要實際斷路器樣機，導致其性能功能驗證試驗尤為復雜，成本大大增加。工程調試和投運之前，對三端口混合式直流斷路器仿真系統(tǒng)進行研究設計，利用RTDS建立基于三端口混合式直流斷路器拓撲結構的RTDS仿真模型，同時搭建仿真模型與控保系統(tǒng)實際物理裝置連接組成的數字物理混合閉環(huán)仿真系統(tǒng)，可為開展混合式直流斷路器功能性能驗證提供重要的支撐，并可大幅縮減試驗成本。

本文針對珠海唐家灣三端柔性直流配電網工程中三端口混合直流斷路器拓撲結構設計了RTDS仿真系統(tǒng)，結合直流輸電工程控制保護功能性能試驗(function performance test, FPT試驗)要求設計了RTDS對外通信接口連接物理控保裝置，最后詳細設計混合直流斷路器開斷策略，并利用RTDS設計LC振蕩電路模擬故障電流對所設計開斷策略有效性及三端口混合直流斷路器中Path2混合式直流斷路器斷流能力及換流過程進行仿真驗證。

1 三端口直流斷路器拓撲及控保系統(tǒng)

1.1 三端口直流斷路器拓撲結構

唐家灣三端柔性直流配電網工程采用3個獨立交流電源的“星型”網絡拓撲結構，其中雞山Ⅰ換流站、雞山Ⅱ換流站、唐家灣換流站通過地下電纜相連接，構成±10 kV柔性直流配電網。為提高直流斷路器應用于柔性直流配電網的經濟性，并實現(xiàn)多路開斷，現(xiàn)場結合耦合負壓型混合式斷路器拓撲及多端口直流斷路器概念，采用一種三端口混合式直流斷路器拓撲[14]，如圖1所示。

圖1 三端口混合式直流斷路器的拓撲結構Fig.1 Topological structure of three-port hybrid DC circuit breaker

圖中，三端口直流斷路器主要由1臺斷路器和2臺混合式直流斷路器組成，其中，斷路器為快速機械開關，混合式直流斷路器為耦合負壓型混合式斷路器，混合式直流斷路器拓撲如圖2所示。

圖2 混合式直流斷路器拓撲圖Fig.2 Topology of a hybrid DC circuit breaker

該混合式直流斷路器由快速機械開關支路(B1)、電力電子開關支路(B2)和能量吸收支路(B3)組成[15]，其中，快速機械開關支路為機械開關，主要承載正常電流，用于導通直流系統(tǒng)電流。電力電子開關支路由多級雙向電力電子開關和耦合負壓回路組成，用于短時承載并關斷直流系統(tǒng)故障電流和建立瞬態(tài)開斷電壓，開斷電流過程中，晶閘管被觸發(fā)強制換流，電力電子開關從而承載雙向電流并切斷故障電流。能量吸收回路由多組避雷器串并聯(lián)組成，用于抑制開斷過電壓并吸收線路剩余能量[16 - 21]。

1.2 三端口直流斷路器控保系統(tǒng)配置方案分析

直流斷路器控制保護(簡稱控保)系統(tǒng)其設計目標在于滿足對快速機械開關、多級電力電子開關、負壓耦合回路的控制需求，同時具備直流斷路器本體保護功能，確保在極端故障情況下直流斷路器本體的安全。

直流斷路器控制保護系統(tǒng)配置方案見表1。

表1 三端口直流斷路器控制保護系統(tǒng)配置方案Tab.1 Configuration scheme for the protection and control system of the three-port DC circuit breaker

通過控保系統(tǒng)配置，可實現(xiàn)主要功能如下。

1)保護功能。快速機械開關支路、電力電子開關支路均配備電子式電流互感器(electronic current transformer, ECT)，用于采集支路電流。直流斷路器配備本體過流保護/合并單元一體化設備，用于采集直流斷路器兩支路的電流并快速進行過流判斷，將合并后的電流采集值及過流保護結果發(fā)送給BCU，用于BCU實現(xiàn)本體保護功能。

2)控制與監(jiān)測功能。BCU和直流斷路器控制/驅動子模塊(ICU、SCU、NCU)之間通過直流斷路器控制子機FEU實現(xiàn)雙冗余通信。FEU接收到BCU的控制命令后，會將該命令轉發(fā)給相應的控制/驅動子模塊，實現(xiàn)對直流斷路器的控制功能。同時，直流斷路器控制/驅動子模塊會對機械開關、電力電子開關和負壓耦合回路進行監(jiān)視，將機械開關、電力電子開關和負壓耦合回路的狀態(tài)實時發(fā)送給FEU。FEU根據接收到的斷路器狀態(tài)產生相應的斷路器異常告警或閉鎖信號，并提取關鍵信號上傳給BCU，最終實現(xiàn)對直流斷路器的監(jiān)視功能[22 - 24]。

由此，所設計RTDS仿真平臺需要接收BCU下行合閘分閘控制命令并上傳支路開關位置信號以實現(xiàn)控保系統(tǒng)對本體控制與監(jiān)測功能，同時，需要上傳支路電流信號至BCU實現(xiàn)電流采集及過流判斷以實現(xiàn)控保系統(tǒng)保護功能。

2 三端口直流斷路器RTDS仿真系統(tǒng)設計

基于三端口混合式直流斷路器拓撲結構及控保系統(tǒng)配置方案，開展RTDS仿真系統(tǒng)設計，仿真系統(tǒng)組成如圖3所示，采用冗余雙重化設計。

圖3 三端口直流斷路器RTDS試驗仿真系統(tǒng)Fig.3 Simulation system of the three-port DC circuit breaker RTDS experiment

圖3中，仿真系統(tǒng)主要由直流系統(tǒng)控保、斷路器本體控保、RTDS接口設備以及RTDS仿真平臺組成，針對控保系統(tǒng)配置方案分析中提出的信號需求，RTDS仿真平臺依托GTIO與GTAO實現(xiàn)。

其中下行控制信號由GTDI輸入，接收BCU下發(fā)合閘分閘控制命令，其配置如表2所示。

表2 下行控制信號配置表Tab.2 Configuration table of downlink control signal

表2中，機械支路控制信號、電子支路控制信號、負壓回路控制信號分別為BCU下發(fā)控制快速機械開關、電力電子開關、耦合負壓回路指令。

針對BCU下行信號中快速機械開關分合信號，快速機械開關及耦合負壓回路控制同時響應，迫使電流換向到電子開關回路。

支路直流電流采樣信號由GTAO輸出，其配置如表3所示。

表3 支路直流電流采樣信號配置表Tab.3 Branch DC current sampling signal configuration table

表3中，分別采集正負極斷路器3條支路電流，5 V模擬量輸出，電壓5 V線性對應電流20 kA。

上行開關狀態(tài)，由GTDO輸出，其配置如表4所示。

表4 上行開關狀態(tài)信號配置表Tab.4 Uplink switch status signal configuration table

綜上，所設計的RTDS仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了三端口直流斷路器仿真平臺與控保裝置的物理連接。所設計控制、電流采集及狀態(tài)信號滿足本體控保裝置保護及控制監(jiān)測功能的實現(xiàn)。

3 直流斷路器開斷策略設計

當直流電網發(fā)生短路故障時，故障電流短時迅速攀升，針對耦合負壓型混合式斷路器拓撲，對斷路器開斷策略進行研究設計，具體開斷策略如圖4所示。

圖4 直流斷路器開斷過程動作邏輯Fig.4 Action logic of direct circuit breaker turn-off process

圖4中，t0—t1時段：t0時刻之前直流斷路器主通流支路流過系統(tǒng)正常電流。t0時刻發(fā)生短路故障，電流開始上升，t0—t1時段控保系統(tǒng)進行故障檢測。t1時刻直流斷路器接收到分閘命令，開始執(zhí)行分閘動作，主支路快速機械開關開始分閘，同時轉移支路電力電子開關開通。

t1—t2時段：快速機械開關由于機械慣性，觸頭延時一定時間開始運動分離，觸頭間隙逐漸增加。

t2—t3時段：快速機械開關觸頭分開到一定距離，t2時刻耦合負壓裝置觸發(fā)，依次產生正反向電壓，強迫電流完全換流，t3時刻完全換流至轉移支路。

t3—t4時段：轉移支路電力電子開關導通電流，主支路機械開關觸頭間隙繼續(xù)增加。t4時刻之前觸頭間隙建立起能夠承受開斷過電壓的絕緣開距，t4時刻轉移支路電力電子開關關斷。

t4—t5時段：轉移支路電力電子開關關斷，電流首先轉移至并聯(lián)的緩沖電容，當緩沖電容電壓超過能量吸收支路避雷器動作電壓時，電流換流至能量吸收支路。

t5—t6時段：短路電流流過避雷器支路，避雷器殘壓高于系統(tǒng)運行電壓，故障電流逐步衰減，t6時刻電流衰減至150 mA以下，故障清除。

整個過程所耗費時間在3 ms內。

4 RTDS仿真驗證

4.1 三端口混合式直流斷路器仿真模型搭建

為了驗證混合直流斷路器在發(fā)生短路故障時關斷策略有效性及混合式直流斷路器的斷流能力及換流過程，設計三端口直流斷路器仿真模型并以單端短路故障為例，對Path2支路即雞山Ⅰ換流站到雞山Ⅱ換流站端口電流及支路換流過程進行仿真驗證，RTDS仿真模型采用小步長元件搭建[25]，IEGT元件因RTDS庫尚不支持該元件，采用GTO DIODE元件代替。

另外，鑒于高壓直流斷路器拓撲結構及ABB高壓直流斷路器拓撲結構對比，耦合負壓回路及快速機械開關滅弧過程仿真難度大，且對整個FPT RTDS仿真試驗而言，耦合負壓回路及快速機械開關滅弧過程無仿真必要，由此，此次三端口高壓直流斷路器RTDS模型搭建采用ABB混合直流斷路器拓撲結構，三端口混合式直流斷路器RTDS模型，如圖5所示。

圖5 三端口直流斷路器正極RTDS仿真模型Fig.5 RTDS simulation model of positive pole of three-port DC circuit breaker

圖5中，A、B、C分別接入雞山Ⅰ換流站線路、雞山Ⅱ換流站線路和唐家灣換流站線路。AB線路為快速機械開關，AC和BC為混合式直流斷路器?；旌鲜街绷鲾嗦菲髦蠪astCtrlAC與FastCtrlBC為快速機械開關支路(B1)，ARRAC與ARRBC為能量吸收支路，MainCtrlAC與MainCtrlBC為電力電子開關支路，儲能電容器、晶閘管、耦合電感組成耦合負壓回路。

4.2 故障電流模擬

三端口直流斷路器開斷試驗中故障電流采用LC振蕩方式產生，利用RTDS搭建LC外圍震蕩電路，如圖6所示。

圖6 LC振蕩電路Fig.6 LC oscillation circuit

圖6中，電感L與電容C組成LC振蕩電路，ChargeCtrl斷路器為電容充電控制開關，電壓等級為10 kV，電流2 kA。ChargeCtrl斷路器初始狀態(tài)為閉合，利用直流源對母線電容充電，延時1 000 ms斷開，ChargeCtrl斷路器斷開后，LC組成的震蕩電路放電，震蕩電路電流波形如圖7所示。

圖7 振蕩電路電流Fig.7 Oscillation circuit current

在電流達到第一個峰值前，模擬故障電流達到故障電流判斷條件，即雞山Ⅰ換流站到雞山Ⅱ換流站端口電流過流，A端口模擬故障電流如圖8所示。

圖8 模擬故障電流Fig.8 Simulated fault current

4.3 斷流能力及換流過程試驗

檢測到故障電流，依照斷路器開斷策略，BCU下發(fā)控制分閘指令，直流斷路器執(zhí)行分閘動作，隔離故障電流仿真波形如圖9所示。

圖9 PathAC支路電力電子開關支路、機械開關支路、能量吸收支路電流波形Fig.9 PathAC current waveforms of power electronic switch branch, mechanical switch branch, energy absorption branch

圖中，紅色曲線為機械開關支路電流，黑色曲線為電力電子支路電流，藍色曲線為A端口電流，綠色曲線為能量吸收支路電流。

t=1.3 s時刻發(fā)生接地故障，故障電流迅速增大，當控保系統(tǒng)檢測到電流超過開斷電流動作閾值，t=1.302 s控保系統(tǒng)依據直流斷路器開斷策略開斷電流，快速機械開關首先開始分閘動作，電力電子支路同時開通，t=1.302 3 s完成電流向電力電子支路的轉移，支路電流持續(xù)上升，t=1.304 7 s斷開電力電子支路，電流先轉移至并聯(lián)的緩沖電容，當緩沖電容電壓超過能量吸收支路避雷器動作電壓時，電流換流至能量吸收支路，短路電流流過避雷器支路，避雷器殘壓高于系統(tǒng)運行電壓，故障電流逐步衰減，t=1.308 s電流衰減至0，故障清除。3 ms內完成短路電流開斷，8 ms內完成全電流開斷。

仿真試驗結果表明，本文所搭建RTDS仿真系統(tǒng)能有效接收下行合閘分閘控制命令，上傳電流信號至控保系統(tǒng)，換流過程符合開斷策略，可實現(xiàn)在3 ms內開斷故障電流2 kA。

5 結語

本文開展了三端口混合直流斷路器的實時仿真試驗研究，主要工作內容總結如下。

1) 研究分析了珠海唐家灣三端柔性直流配電網工程中三端口混合直流斷路器拓撲結構及其控制保護配置方案，提出了所設計RTDS仿真平臺的信號需求，其中，實現(xiàn)對本體的控制與監(jiān)測功能需接收BCU下行合閘分閘控制命令并上傳支路開關位置信號，實現(xiàn)保護功能需上傳支路電流信號進行電流采集及過流判斷。

2) 設計了RTDS仿真模型及其對外通信接口，利用RTDS仿真平臺GTIO與GTAO，采用小步長元件，實現(xiàn)了三端口直流斷路器仿真平臺搭建及其與控保裝置的物理連接。

3) 研究了耦合負壓型混合式直流斷路器開斷策略，給出了斷路器的開斷時序，整個開斷過程在3 ms時間內完成。

4) 利用RTDS設計LC振蕩電路模擬故障電流，并以三端口混合直流斷路器中Path2支路為例，對所設計開斷策略有效性及其斷流能力及換流過程進行實時仿真試驗驗證，給出了模擬故障電流波形及斷路器換流過程波形，仿真試驗結果表明，RTDS仿真系統(tǒng)能有效接收及上傳信號至控保系統(tǒng)，換流過程符合開斷策略，可實現(xiàn)在3 ms內開斷故障電流2 kA，實現(xiàn)故障電流快速隔離。