柔性直流配網(wǎng)直流變壓器涌流機(jī)理分析與抑制*

李唯草 吳曉穎

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所 武漢 430000）（2.武漢市江夏區(qū)藏龍大道709號(hào) 武漢 430205）

1 引言

隨著電動(dòng)汽車充電樁與日俱增、直流負(fù)荷在電力系統(tǒng)中的滲透率日益增加［1～2］，以及風(fēng)電、光伏為代表的能源分布式機(jī)組大規(guī)模接入電網(wǎng)［3］，使得其越發(fā)呈現(xiàn)出直流特征［4］。從某種程度上說，柔性直流配電方式比交流配電網(wǎng)更有優(yōu)點(diǎn)，首先柔性直流效率高、其次損耗?。?］。

直流配電網(wǎng)雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但是并未全部解決依然存在的諸多重要技術(shù)難題，目前仍舊處于快速發(fā)展期。針對(duì)直流系統(tǒng)中故障電流無過零點(diǎn)問題［6］，當(dāng)前主要有兩種方案，第一種方法為使用直流斷路器去隔離故障［7］，第二種方法為使用具備故障阻斷能力的阻斷型換流器去清除故障電流，隔離速度快，是未來直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中清除故障電流的技術(shù)趨勢［8］。

直流變壓器通常為并網(wǎng)運(yùn)行［9～10］，一般控制策略為電流、電壓雙閉環(huán)策略［11～12］。文獻(xiàn)［13］為了保持非靜態(tài)時(shí)的功率平衡，提出了一種控制策略，可適用于柔性直流電網(wǎng)，并可保持主動(dòng)功率的平衡。文獻(xiàn)［14］以四端口系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種適用于多端直流系統(tǒng)的電抗器優(yōu)化配置策略，電抗器配置經(jīng)優(yōu)化后，可使系統(tǒng)內(nèi)故障電流幅值降低。文獻(xiàn)［15］以交直流混合配電網(wǎng)為研究對(duì)象，分析了含有DAB變壓器與系統(tǒng)的關(guān)系。單端擾動(dòng)可能會(huì)造成變壓器涌流，目前鮮有文獻(xiàn)考慮單端擾動(dòng)的影響，且其抑制方面的分析也不多，此外，未與工程實(shí)際相結(jié)合。

本文主要研究柔直配電網(wǎng)系統(tǒng)單端擾動(dòng)突然退出運(yùn)行工況場景，針對(duì)各端口功率瞬間產(chǎn)生大波動(dòng)導(dǎo)致潮流再次分配，進(jìn)而觸發(fā)小容量端口過流保護(hù)動(dòng)作影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題，分析了交直流系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)換流站閉鎖產(chǎn)生的影響，提出并建立一種故障電流自清除的直流變壓器拓?fù)浜头€(wěn)態(tài)模型，揭示了直流變壓器涌流機(jī)理，綜合分析了直流變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)，并提出了一種直流變壓器涌流抑制策略，通過實(shí)際大型工程運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性和實(shí)用性，具有工程實(shí)用化價(jià)值。

2 直流變壓器涌流機(jī)理分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 直流變壓器涌流機(jī)理分析

以工程實(shí)際運(yùn)行中直流變壓器為對(duì)象，通過其發(fā)生的涌流現(xiàn)象，分析機(jī)理過程，得到柔直配電網(wǎng)系統(tǒng)涌流產(chǎn)生過程，如圖1所示。

唐家換流站10kV線路B相發(fā)生故障時(shí)，將引起換流站閉鎖，在故障發(fā)生后1ms時(shí)間內(nèi)將改為雞山Ⅱ號(hào)換流站對(duì)母線調(diào)控；在3.3ms時(shí)直流變壓器高壓側(cè)發(fā)生涌流故障，在這種情況下變壓器將立刻閉鎖；在故障發(fā)生6ms時(shí)將發(fā)生A邏輯閉鎖；在故障發(fā)生后7.8ms時(shí)系統(tǒng)中斷路器采取分閘措施，至此整個(gè)系統(tǒng)將停止運(yùn)行。

針對(duì)閉鎖發(fā)生后功率瞬間大幅變化，造成潮流重新分配，進(jìn)而觸發(fā)小容量端口過流保護(hù)動(dòng)作影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題。為便于分析，僅考慮由單站產(chǎn)生的過流問題。通過圖2可知，僅唐家換流站發(fā)生閉鎖故障時(shí)，雞山I、II站的潮流需要在短時(shí)間內(nèi)重新分配，此時(shí)潮流在H橋與二極管并聯(lián)回路中流通，使變壓器出現(xiàn)涌流現(xiàn)象。

圖2 直流變壓器涌流流通路徑

對(duì)系統(tǒng)采用建模分析，其中開關(guān)頻率20kHz，控制器周期100μs。在發(fā)生故障后兩周期內(nèi)，承擔(dān)潮流分配換流站維持故障前工作模式時(shí)，在某個(gè)瞬態(tài)考慮電流變化情況下，此支路可以簡化成短路，本實(shí)例中電路近似如圖3。

圖3 單換流站閉鎖后的暫態(tài)等效電路

其中LPET為直流變壓器高壓側(cè)近似端口電抗，L1、L2分別為雞山I和雞山II號(hào)換流站三橋臂并聯(lián)電抗。在換流站發(fā)生閉鎖故障后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障錄波分析，發(fā)現(xiàn)換流站閉鎖后電壓波動(dòng)不大，兩端口電壓基本相同，在兩個(gè)周期內(nèi)近似不變，則有如下關(guān)系：

因此對(duì)于直流變壓器，其電流有：

由此可見除唐家換流站外，電抗較小支路將分配較多潮流。實(shí)際工程中可知端口電抗器電抗值小于兩個(gè)換流站直流側(cè)橋臂等效電抗：

綜上，當(dāng)柔直配電系統(tǒng)中單端口直流母線電流短時(shí)間內(nèi)大幅變化時(shí)，通過增加直流變壓器端口等效電抗可以有效降低端口過電流。

上述對(duì)單端換流站故障直流變壓器涌流機(jī)理的分析可推廣至大規(guī)模多端互聯(lián)系統(tǒng)中。當(dāng)單站發(fā)生故障從而造成潮流短時(shí)間波動(dòng)時(shí)，潮流更容易通過等效阻抗小的路徑流動(dòng)，存在體二極管的拓?fù)淙绨霕?、全橋、開關(guān)電容式等為變壓器涌流提供了天然回路，涌流的形成造成了變壓器保護(hù)停止運(yùn)行，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。顯然，涌流幅值與系統(tǒng)瞬間分配的功率、接入回路中等效電抗、直流變壓器DAB輸入電容投入時(shí)刻相關(guān)。下面將簡要分析涌流與直流變壓器相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。

當(dāng)單站發(fā)生故障從而造成潮流短時(shí)間改變時(shí)，潮流更容易通過等效阻抗較低部分形成流通路徑，存在體二極管的變壓器拓?fù)淙绨霕颉⑷珮?、開關(guān)電容式等為變壓器涌流提供了天然回路，涌流的形成造成變壓器保護(hù)，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。顯然，涌流幅值與系統(tǒng)瞬間分配的功率、接入回路中等效電抗、直流變壓器DAB輸入電容投入時(shí)刻相關(guān)。下面將簡要分析涌流與直流變壓器相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。

2.2 參數(shù)分析設(shè)計(jì)

在直流變換器輸入電容的設(shè)計(jì)中，需要考慮兩個(gè)方面：1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下的電壓紋波滿足系統(tǒng)要求；2）發(fā)生涌流現(xiàn)象時(shí)，輸入電容過沖電壓應(yīng)在安全范圍內(nèi)。直流變壓器中前級(jí)全橋電路采用PWM控制，對(duì)角開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，S1/S4開關(guān)管占空比為D=（NVHV1+VHV）/（2NVHV1），為了減小子模塊個(gè)數(shù)，占空比D通常較大。輸入電容前后端電流如圖4所示，當(dāng)S1與S4開通時(shí)，前端電流i1等于直流變壓器輸入電流IHV，當(dāng)S2與S4開通，i1=-IHV。

圖4 直流變壓器輸入電容前后端電流

忽略輸入電流iHV的紋波且假設(shè)DAB變換器輸入輸出電壓匹配即V1=NV2，可第i個(gè)模塊的輸入電容電流表達(dá)式iCi1=i1-iDAB，如式（4）所示。

當(dāng)t從t0時(shí)刻到DTs時(shí)刻，電容電壓由最小值變化至最大值，設(shè)電容電壓紋波峰峰值最大為ΔVCpp，可得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下輸入電容值Ci1的設(shè)計(jì)公式，如式（5）所示。

在系統(tǒng)中單換流站閉鎖后，直流變壓器受到涌流影響，其電容電壓可能上升至超過最大值，該階段內(nèi)輸入電容電壓變化值可由能量關(guān)系式求取。假設(shè)故障時(shí)間為tsurge，電容電壓最大變化值為ΔVCi1，可得故障情況下，電容設(shè)計(jì)公式如式（6）所示，實(shí)際電容設(shè)計(jì)值應(yīng)取式（5）與式（6）中的較大者。

同樣地，在輸入電抗器的設(shè)計(jì)中，也需要考慮穩(wěn)態(tài)與故障情況。在穩(wěn)態(tài)情況下，假設(shè)輸入電流紋波峰峰值為ΔIHVpp，那么穩(wěn)態(tài)情況下的輸入電感Ls設(shè)計(jì)公式如式（7）所示。

另一方面，在故障階段內(nèi)，輸入電抗與輸入電容諧振，認(rèn)為在該階段內(nèi)唐家換流站電壓保持不變，直流變壓器后級(jí)DAB閉鎖，按諧振電流峰值設(shè)計(jì)故障情況下所需電感值Ld如式（8）所示，其中P為直流變壓器額定傳輸功率，Imax為最大電感電流，由開關(guān)管電流應(yīng)力與電感飽和電流值共同決定。根據(jù)式（7）與式（8），實(shí)際輸入電抗器感值應(yīng)為Ls與Ld中的較大者。

3 一種直流變壓器暫時(shí)性閉鎖抑制策略

若故障情況下采用不閉鎖以達(dá)到故障解除，變壓器在此情況下涌流短時(shí)間增大。同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)系統(tǒng)處在直流故障情況下，電抗瞬時(shí)飽和，在此情況下去除閾值會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重影響。根據(jù)上一節(jié)分析，通過增大電抗值可以抑制涌流，只不過采用這種方法需要一定的成本，并且電抗增大會(huì)占用更多體積。另一種辦法是通過優(yōu)化變壓器的控制策略來抑制涌流。

多端網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)故障后短時(shí)間內(nèi)潮流變化會(huì)造成變壓器涌流?；诖耍疚奶岢鲆环N變壓器涌流時(shí)暫時(shí)性閉鎖抑制策略，母線電流在系統(tǒng)換流站發(fā)生故障后將被快速抑制并達(dá)到故障前水平，在這種情況下系統(tǒng)斷路器不會(huì)動(dòng)作。因?yàn)橄到y(tǒng)保護(hù)閾值在系統(tǒng)故障時(shí)具備足夠裕度，在功率變化較大時(shí)電流也會(huì)短時(shí)間上升，所以在系統(tǒng)原基礎(chǔ)上增加暫時(shí)性閉鎖抑制策略。該方法讓DAB正常工作而變壓器H橋短時(shí)間不工作。

控制模塊在系統(tǒng)發(fā)生過流故障時(shí)發(fā)送H橋短時(shí)間不工作+DAB正常工作的指令。系統(tǒng)開始運(yùn)行在H橋短時(shí)間不工作+DAB正常工作模式下。一般過流情況維持時(shí)間不長，系統(tǒng)按照短時(shí)閉鎖策略工作，若在兩個(gè)周期沒有新的故障出現(xiàn)，使系統(tǒng)按照故障前運(yùn)行模式運(yùn)行。若在恢復(fù)時(shí)又產(chǎn)生±10kV母線故障，變壓器將停止運(yùn)行，從而以免產(chǎn)生系統(tǒng)不停并網(wǎng)現(xiàn)象。如圖5和圖6所示本文涌流抑制策略與原來閉鎖保護(hù)措施的比較。

圖5 傳統(tǒng)直接閉鎖控制策略的等效電路圖

圖6 本文提出暫時(shí)性閉鎖控制策略的等效電路圖

采用原來的閉鎖方法時(shí)，當(dāng)母線電流增加超過閾值時(shí)變壓器開關(guān)都斷開，母線電流全部經(jīng)體二極管形成回路，此情況下僅對(duì)電容進(jìn)行充電。簡化后電路可化成等效電容CH1：

當(dāng)閉鎖保護(hù)開始作用時(shí)，外部可等價(jià)成一個(gè)電壓源，變壓器可看作一個(gè)LC串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其方程為

當(dāng)換流站閉鎖后想要得到電壓準(zhǔn)確值很困難，而系統(tǒng)電壓在換流站閉鎖后波動(dòng)很小，因此電流消失前變化率近似不變，輸入電流iHV根據(jù)初始條件求出。由于體二極管的原因，iHV始終大于0，當(dāng)其降為0后將不會(huì)變化，因此輸入電流：

在得到變壓器電流起始值時(shí)，式（11）、式（12）能夠計(jì)算電流最大值。本文所提策略和原來策略相比，在等效電路里多出一個(gè)回路，此回路相當(dāng)于增大DAB電抗及漏抗，以此抑制故障后電流短時(shí)間變化，應(yīng)用這種方法時(shí)電流最大將不超過計(jì)算值。本文提出的一種暫時(shí)性閉鎖抑制策略可實(shí)現(xiàn)變壓器短時(shí)過流故障的穿越，當(dāng)系統(tǒng)故障解除時(shí)變壓器按照故障前方式工作。整個(gè)環(huán)節(jié)的工作模式不變，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

4 實(shí)際工程運(yùn)行試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證多端互聯(lián)柔直配電網(wǎng)系統(tǒng)直流變壓器得涌流機(jī)理和本文提出的一種暫時(shí)性閉鎖的控制策略有效性和可行性，采用PSCAD平臺(tái)搭建了多端柔性直流配電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真模型。模型中三個(gè)交流電源經(jīng)過換流閥變換后形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在連接處延伸采用直流變壓器供直流微電網(wǎng)和直流負(fù)荷接入，整個(gè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。仿真的系統(tǒng)參數(shù)與實(shí)際工程保持一致，唐家換流站設(shè)計(jì)容量為20MW，雞山I和雞山II換流站設(shè)計(jì)容量均為10MW，唐家換流站受控為直流變壓模式，雞山I/II控制為功率模式。如表1所示為多端柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)建模仿真參數(shù)。

本文依托國家能源局首批“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源項(xiàng)目。基于實(shí)際工程運(yùn)行情況，本文所提控制策略正確性和實(shí)用性得到檢驗(yàn)。實(shí)際工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)際工程參數(shù)如表1所示。唐家換流站設(shè)計(jì)容量為20MW，雞山I和雞山II換流站設(shè)計(jì)容量均為10MW。唐家換流站工作在直流電壓控制模式，直流側(cè)接收15MW功率，雞山I/II換流站工作在功率控制模式，直流側(cè)分別送出7.5MW；直流變壓器功率接近零，運(yùn)行于空載狀態(tài)。

表1 系統(tǒng)建模仿真參數(shù)

多端配電網(wǎng)在實(shí)際工作時(shí)，唐家換流站發(fā)生交流側(cè)10kV線路B相發(fā)生故障，由于故障導(dǎo)致了換流站閉鎖，因此故障后一個(gè)周期內(nèi)內(nèi)雞山Ⅱ站接過±10kV母線管理，這種情況下變壓器將閉鎖并跳閘，從而導(dǎo)致三端系統(tǒng)解列。

如圖7和圖8所示為唐家換流站和直流變壓器故障錄波。唐家換流站閉鎖時(shí)，由于電容電勢作用直流側(cè)電流在200μs內(nèi)快速下降370A，變化率di/dt達(dá)到約1850kA/s，直流變壓器高壓側(cè)電流在且在200μs內(nèi)快速上升至160A。閉鎖后極短時(shí)間內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)無其他開關(guān)動(dòng)作，因此可等效唐家灣換流站為可變電流源，忽略其他元件參數(shù)的影響。瞬間巨大的電流變化體現(xiàn)在各個(gè)端口，不同的故障電流分布受制于各個(gè)端口的阻抗，直流變的阻抗相對(duì)于柔直換流閥的阻抗更小，因此故障電流更多灌入了直流變壓器導(dǎo)致閉鎖。此實(shí)際運(yùn)行工程驗(yàn)證了直流變壓器的涌流機(jī)理，以及采用傳統(tǒng)緊急閉鎖控制策略方法下的直流變壓器出現(xiàn)停機(jī)情況，影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

圖7 唐家換流站直流側(cè)故障波形

圖8 直流變壓器中壓側(cè)故障波形

如圖9所示為直流變壓器的高壓側(cè)直流電壓電流波形。直流變壓器電流在換流站故障閉鎖后短時(shí)間內(nèi)上升，從而觸發(fā)過流保護(hù)判定直流變系統(tǒng)故障。采用本文所提出的直流變壓器H橋暫時(shí)性閉鎖+DAB模塊不閉鎖抑制策略時(shí)，變壓器H橋暫時(shí)性閉鎖并請(qǐng)求低壓側(cè)跳閘，直流微網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)離網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)涌流最大值約為135A，過電流值未達(dá)到2pu保護(hù)定值，由于DAB模塊提供了電抗和漏抗回路，增加了涌流的抑制作用，相對(duì)傳統(tǒng)控制策略涌流幅值降低15.6%。如圖8所示經(jīng)過11s后直流變壓器自啟動(dòng)，直流電壓重新建立穩(wěn)定在10kV，低壓側(cè)直流微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行。此實(shí)際工程運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的一種直流變壓器涌流暫時(shí)性閉鎖抑制策略方法的有效性和可行性。

圖9 涌流工況下的直流變壓器響應(yīng)波形

如圖10為直流變壓器的故障時(shí)高壓側(cè)直流電壓電流波形。通過主站設(shè)置制造超過2pu的短時(shí)過流故障條件，由圖可知直流變壓器不再執(zhí)行自復(fù)位重啟過程，收到控保禁止啟動(dòng)命令，15min后解除限制允許再啟動(dòng)。因此，此實(shí)際工程試驗(yàn)證明，單個(gè)換流站閉鎖造成的直流變壓器過電流不會(huì)再觸發(fā)三站全閉鎖停機(jī)的連鎖故障，且在2pu范圍內(nèi)直流變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)過電流穿越，快速重啟恢復(fù)低壓側(cè)并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，且不影響正常傳統(tǒng)原保護(hù)邏輯策略。

圖10 直流側(cè)故障下的直流變壓器響應(yīng)波形

通過上述實(shí)際工程試驗(yàn)證明，多端口柔性直流配電系統(tǒng)由于某種原因（如交流側(cè)故障引起換流站閉鎖）造成直流線路瞬間潮流功率出現(xiàn)階躍式波動(dòng)時(shí)，在極短時(shí)間內(nèi)，同一直流母線上的各級(jí)換流站端口根據(jù)等效電感比例重新分配階躍變化的電流。故障閉鎖后電流均經(jīng)直流變壓器H橋形成回路并向電容充電，此種情況下直流變壓器出現(xiàn)涌流現(xiàn)象。在無法增加電抗器的情形下，采用直流變暫時(shí)性閉鎖，在不改變?cè)到y(tǒng)電流抑制能力及門限設(shè)置情況下，同時(shí)具備一定的過流能力。本文總結(jié)的控制策略在現(xiàn)實(shí)案例里得到應(yīng)用，具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

多端互聯(lián)柔直配電網(wǎng)系統(tǒng)端口特性復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)多，具有源網(wǎng)荷儲(chǔ)特征。交流故障閉鎖短時(shí)間內(nèi)造成各端口潮流波動(dòng)，各級(jí)換流站、直流變壓器端口根據(jù)等效電感比例分配階躍變化的電流，與控制方法和是否閉鎖無關(guān)。

本文基于工程實(shí)際應(yīng)用以及運(yùn)行中出現(xiàn)的技術(shù)難題，提出并建立一種故障電流自清除的直流變壓器拓?fù)浜头€(wěn)態(tài)模型，分析揭示了直流變壓器存在潛在流通回路的涌流機(jī)理，綜合分析了直流變壓器輸入電抗和DAB模塊輸入電容參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)，提出了一種H橋結(jié)構(gòu)暫時(shí)性閉鎖+DAB不閉鎖的抑制策略，建立了基于暫時(shí)性閉鎖的數(shù)學(xué)模型，通過DAB模塊的電抗串入增強(qiáng)了涌流抑制能力，暫時(shí)性閉鎖恢復(fù)提升系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性。通過仿真和實(shí)際大型工程運(yùn)行結(jié)果表明本文得到的策略的正確性，具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。