基于VSC-HVDC的交直流混联供电系统内部过电压机理的分析

1研究现状

目前,国内外对交直流混联系统内部过电压的研究已取得一些成果。文献对舟山多端柔性直流输电工程内部过电压产生的机理进行了仿真分析,并建立了保护控制策略模型。文献分析了张北柔直系统在直流线路短路故障后送受端换流站的直流过电压变化动态过程。文献研究了VSC-HVDC系统7种常见故障类型下的过电压。文献对比了基于MMC与VSC直流输电系统的故障特征差异。文献经过分析交直流系统各位置故障的过电压,得出对换流站过电压水平起决定性影响的故障均位于其直流侧的结论。文献对直流输电线路操作过电压机理进行了分析。文献以士10kV两端柔性直流配电网为例,对MMC直流配电网几类故障下产生的过电压进行了仿真。文献分析了舟山多端柔性直流输电系统交直流侧不同故障位置产生的过电压。文献根据长线路等值电路数学模型,分析了空载长线路电容效应引起的工频过电压与合闸操作过电压的形成机理。

2VSC数学模型

两端连接有源交流系统的VSC-HVDC系统的单线结构如所图1所示。

为简化分析,作如下假设:

（1）系统两端交流侧具有正弦对称的三相交流电压且幅值相等:

（2）换流变与换流电抗均为线性对称,且忽略其饱和状态:

（3）变压器在换流器侧绕组为"△"接线,则系统中无零序分量:

（3）VSC-HVDC系统两侧换流器具有对称性且等效损耗相等,其开关器件及其他相应的无源元件均完全一致。

由此,VSC-HVDC一次侧的系统结构可简化为如图2所示的三相电压型换流器结构。

根据基尔霍夫定律,可求得三相的电压方程,且当三相交流系统电压对称平衡时,有iSa＋iS+＋iSc=0,uSa＋uS+＋uSc=0,可得:

式中,RS表示两侧的电阻损耗:Sj(j=a、b、c）表示三相上桥臂开关函数:.Sj、iSj(j=a、b、c）分别表示交流三相电压和电流的瞬时值。

则在VSC的直流侧构成微分方程:

式中,C为VSC直流侧并联电容。

由式(1）～式(4）可见,VSC模型中各相电流均由三相开关函数决定,它是一个非线性时变耦合系统。

3交直流混联系统内部过电压机理分析

3.1交流电网传递到直流侧的过电压

为便于分析,设交流系统相间过电压按变压器变比传递到不导通阀上,且以全幅值传递。换流变压器内部产生过电压可视为在电磁感应和静电感应的共同作用下产生。

假定换流变直流侧空载,当直流输电系统换流变交流侧出现内部过电压时,根据图3所示的等效电路可得电磁感应传递到换流变直流侧的过电压:

式中,Lm表示激磁电感:Rm表示激磁电阻:K表示换流变比:U1(1）表示输电系统交流侧产生的过电压。

静电感应产生的过电压,其幅值与换流变两侧绕组线圈间电容、线圈对地电容有关,假定沿线圈电容参数均匀分布。局部线圈电容在换流变直流侧和交流侧的耦合等效电路如图4所示。

将电磁感应和静电感应过电压在换流变传递暂态过电压的过程中进行叠加,则换流变直流侧承受的传递过电压为:

式中,C1、C2表示交流侧线圈和直流侧线圈对地电容:C12为线圈之间耦合电容。

3.2直流线路故障产生的过电压

以图5所示的等值电路简化表示整个输电网络。当换流器端电压加在线路上时,直流输电线路将不断充电而产生过电压,并在线路上发生传递。直流线路端部电压在末端开路时将大幅升高,流过换流阀的电流在换流阀不能正向导通时减小为0,换流器处于闭锁状态。在换流阀闭锁前,图5所示的VSC1换流站的母线电压额定值变为闭锁后的线路首端电压,电压突变将会引起线路发生高频振荡。

以柔性直流系统中危害最为严重的两极短路故障为例,故障发生时,交直流两侧将同时向故障点馈入故障电流,从VSC内部结构出发,考虑绝缘栅双极型晶体管(1GBT）的自保护功能,假设故障瞬间1GBT立即关断,则过电压在直流输电线路的发展可分为3个阶段:

3.2.1第一阶段:故障发生后到换流站闭锁前

在此阶段,直流电压.dc大于交流侧线电压,故障电流为直流电容向短路点放电产生,该动态过程可表示为:

由于直流线路等值电阻通常较小(R<2L/C）,因此,该放电过程是欠阻尼振荡过程,电容电压会衰减过零,同时,由于交流侧的短路电流仅由交流电抗器续流作用产生,则交流侧和换流器内部无过电流,而直流线路上因大电容放电而出现过流现象。

3.2.2第二阶段:换流站闭锁到切除故障前

当直流电压下降到交流侧线电压时,交流侧电源将通过二极管向故障点馈入故障电流。根据整流桥的自然换向原则,交流电源和直流电容同时向故障点放电,且二极管存在交替导通的换向过程。以T1、T2导通为例,故障电流的流通路径如图6所示。

因换流站输入输出功率不平衡,电容处于充电状态,电压升高。在A相和C相导通时:

式中,.A(1）、.C(1）分别为换流站出口A相、C相瞬时电压:.CA(1）为AC相间的瞬时相电压:.ap(1）、.cn(1）为A相、C相二极管瞬时电压。

由此可知,在此阶段,电容和电感交替充放电,换流站在充电过程时直流侧将出现过电压,直至换流站解闭锁,直流电压逐渐减小并恢复到正常水平。

3.2.3第三阶段:切除故障到换流站解除闭锁前

当直流电容电压振荡衰减过零时,在直流线路短路电抗D反动势的作用下,将使VSC内换流阀同时导通,在直流侧形成一阶放反回路,而直流反容反压则将被换流阀钳位为0。由于短路电抗的续流作用,6个换流阀不再表现出单向导通性,换流站正、负极将与三相交流电源直接相连。进而分析可知,此阶段电网络可分解为一个交流侧三相短路电路和一个直流侧放电电路。直流与交流回路电流均存在衰减量,当交、流侧衰减分量在减小的某一时刻,交流正弦分量有可能使流过换流阀的电流过零。而任一换流阀中反流为零时,交流三相对称短路状态即告结束,进入自然换相阶段。此后,换流阀在自然换相导通与全导通状态下不断交替,总的故障电压电流水平将逐渐降低,并趋于稳定。此阶段中,换流器受到交流侧三相短路电流和直流侧短路电抗续电流的同时作用而急剧过流。

3.3直流输电线路单极故障时在无故障极引起的过电压

针对发生概率相对较高的直流输电线路单极故障,当故障发生时,线路上将存在故障量并在故障点与线路各端间传递,引起健全极上的感应过电压,该过电压与输电线路参数及分布有关。线路中点的过电压在线路呈感性阻抗时一般较低,呈容性阻抗时较高,而线路两端的过电压则相D。若线路装设直流电抗器,对换流站的绝缘水平要求将增高,对线路绝缘水平要求D而降低。

4结语

基于VSC-HVDC的交直流混联供电系统,因其中VSC自身耐压水平存在局限性可能带来系统失稳的风险。本文以VCS数学模型为基础,探讨了基于VCS-HVDC的交直流混联供电系统常见的几类内部过电压形成机理,对下一步定量分析过电压并提出保护措施具有一定的指导意义。