劉鑫磊

(國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司喀喇沁旗供電分公司  內(nèi)蒙古赤峰市  024400)

摘要: 針對(duì)模塊化多電平變流器多端直流配電系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略。該控制策略是對(duì)下垂控制改進(jìn)，改進(jìn)的策略避免了直流網(wǎng)絡(luò)在功率發(fā)生較大程度變化時(shí)出現(xiàn)過電壓。在此背景下，設(shè)計(jì)了基于半橋型模塊化多電平換流器(Half-bridge ModularMultilevel Converter-HBMMC)的四端柔性柔性多端直流配電系統(tǒng)。本文研究分析了柔性直流輸配電系統(tǒng)控制措施，以供參考。

關(guān)鍵詞: 多端柔性直流系統(tǒng);換流站級(jí)控制器;改進(jìn)下垂控制

1前言

世界上第一條多端柔性直流輸電工程于2013年底在廣東省汕頭市某縣投入運(yùn)行(簡稱某多端柔性直流輸電系統(tǒng))，系統(tǒng)通過110kV塑山換線、110kV金換線，110kV青金T換線接入到油頭市110kV交流電網(wǎng)中。目前110kV交流線路的保護(hù)是按照遠(yuǎn)后備的原則配置(單重化)和整定，因此，就涉及交流線路保護(hù)與柔性直流輸電系統(tǒng)的直流保護(hù)在一些定值方面的配合問題。目前針對(duì)柔性直流輸電系統(tǒng)保護(hù)方面的研究大多數(shù)集中在提高保護(hù)原理的有效性方面，如直流保護(hù)的動(dòng)作原理與策略、交直流系統(tǒng)的相互作用對(duì)直流保護(hù)的影響等。而交直流保護(hù)的配合整定則研究很少，則有必要對(duì)交、直流保護(hù)的配合整定計(jì)算展開深入研究。

2某多端柔性直流輸電系統(tǒng)的交、直流保護(hù)配合

2.1交流側(cè)故障時(shí)交、直流保護(hù)的配合

1)受端換流站110kV交流線路故障

以某柔性直流輸電系統(tǒng)為例，若110kV塑換線故障，故障位置K1。則由110kV塑換線的線路保護(hù)感受故障動(dòng)作跳閘隔離故障，同時(shí)因110kV塑換線是受端換流站功率輸送的唯一通道，因功率無法繼續(xù)送出，直流系統(tǒng)會(huì)因過壓閉鎖，故需閉鎖換流器，停運(yùn)換流站。若跟110kV塑換線同掛一條110kV母線的其他110kV線路故障。柔性直流輸電系統(tǒng)具有很強(qiáng)的故障穿越能力，其可以等待至交流系統(tǒng)故障清除。對(duì)于故障位置的兩相和三相故障，如果交流故障不能快速清除，直流系統(tǒng)為保護(hù)自身將閉鎖。對(duì)于三相金屬性或兩相金屬性接地故障，直流系統(tǒng)的故障穿越能力有限，主要的限制因素為換流器的過電壓耐受能力110kV線路保護(hù)為單重化配置，出于可靠切除故障、保障設(shè)備安全角度，如果110kV線路保護(hù)未能及時(shí)切除故障，直流保護(hù)的橋臂過流保護(hù)Ⅱ段可作為110kV線路保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，定值按照換流器的額定橋臂電流的1.3倍整定，時(shí)限應(yīng)大于110V交流線路保護(hù)的最長動(dòng)作時(shí)間長。

2.2直流側(cè)故障時(shí)交、直流保護(hù)的配合

若換流站發(fā)生故障，以塑城換流站為例，直流保護(hù)的動(dòng)作速度很快，主保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間通常小于15ms，因此交流保護(hù)僅作為直流側(cè)嚴(yán)重故障(如相間短路、直流極間短路)時(shí)直流保護(hù)的后備保護(hù)166kV聯(lián)接變壓器的過流保護(hù)應(yīng)考慮作為直流保護(hù)中閥過流保護(hù)或啟動(dòng)回路差動(dòng)保護(hù)的后備保護(hù)。其中過流保護(hù)的低定值段應(yīng)躲開直流系統(tǒng)的短時(shí)過負(fù)荷;而高定值段則應(yīng)在變壓器二次側(cè)發(fā)生相間或三相短路時(shí)可靠動(dòng)作，動(dòng)作延時(shí)在變壓器的耐受能力范圍內(nèi)可適當(dāng)取大一些。對(duì)于聯(lián)接變進(jìn)線的阻抗保護(hù)，其保護(hù)范圍應(yīng)考慮延伸至變壓器二次側(cè)。其動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮與變壓器過流保護(hù)的高定值段配合。

2.3柔性直流輸電工程對(duì)交流線路保護(hù)的影響

目前110kV交流線路保護(hù)功能主要有光纖電流差動(dòng)保護(hù)、接地距離保護(hù)、相間距離保護(hù)、零序電流保護(hù)和PT斷線過流保護(hù)。本文將分析柔性直流工程對(duì)交流線路保護(hù)的影響。

1)光纖電流差動(dòng)保護(hù)。

光纖電流差動(dòng)保護(hù)是高靈敏度的保護(hù)，目前光纖電流差動(dòng)的高值整定為600A，低值為480A;零序差動(dòng)的定值不大于480A。當(dāng)在交流線路上發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)直流工程負(fù)荷的大小和方向的不同，交流線路兩端的差流有較大的變化，且在金屬性接地時(shí)其差值遠(yuǎn)大于整定值，因此柔性直流工程不影響交流線路差動(dòng)保護(hù)。

2)接地距離和相間距離保護(hù)。

本工程聯(lián)接變壓器的容量較大，阻抗較小，因此在整定距離保護(hù)Ⅱ段的時(shí)候應(yīng)按照躲相鄰變壓器其他側(cè)故障整定。距離保護(hù)I段按照保線路全長85%整定;距離保護(hù)Ⅲ段按照保相鄰變壓器其他側(cè)故障有靈敏度整定。

3)零序電流保護(hù)。

某柔性直流輸電系統(tǒng)因聯(lián)接變接線方式，不增加電網(wǎng)的零序回路，因此對(duì)110kV線路保護(hù)的零序保護(hù)無影響。

3 MMC-MTDC系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是柔性多端直流配電系統(tǒng)的核心組成部分，直接關(guān)系柔性多端直流配電系統(tǒng)運(yùn)行的性能、安全、效益。相比于兩端柔性直流系統(tǒng)，MMC-MTDC的協(xié)調(diào)控制策略更為復(fù)雜，需要考慮多端系統(tǒng)之間的直流電壓協(xié)調(diào)穩(wěn)定。本文以4端柔性直流配電系統(tǒng)為例。

3.1 MMC-MTDC換流器閥組調(diào)制策略

MMC-MTDC換流器閥組調(diào)制策略為了選用合適的調(diào)制方式生成MMC子模塊SM的觸發(fā)脈沖，使得換流器的輸出波形逼近參考波形。為了滿足在高壓大功率領(lǐng)域的需求，使用最近電平控制(NLC策略，該策略的優(yōu)點(diǎn)是隨著電平數(shù)目增加，可以有效減少電力電子器件的開關(guān)頻率和損耗，并且MMC的輸出諧波少且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。最近電平控制策略基本原理是使用最接近的電平瞬時(shí)地逼近參考調(diào)制波。模塊化多電平換流器的調(diào)制策略最終結(jié)果是給出上、下的導(dǎo)通子模塊數(shù)目。

3.2 MMC-MTDC換流站控制策略

柔性多端直流配電系統(tǒng)中MMC和MMC采用下垂控制，它的功率可在倆個(gè)換流器間自動(dòng)分配。采用下垂方式的柔性多端直流配電系統(tǒng)中同樣有內(nèi)環(huán)電流控制器、外環(huán)控制器、鎖相同步環(huán)節(jié)和觸發(fā)脈沖生成四個(gè)部分構(gòu)成。所不同在于外環(huán)控制器，采用下垂控制，根據(jù)根據(jù)其有功瞬時(shí)值和直流電壓變化來改變最大功率裕度，從而調(diào)節(jié)下垂系數(shù) kDrop，有利于多個(gè)MMC換流站并聯(lián)運(yùn)行，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。采用下垂控制策略時(shí)，出現(xiàn)負(fù)荷擾動(dòng)，倆個(gè)MMC換流站都可參與功率平衡控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，難以出現(xiàn)越限情況。

3.3改進(jìn)協(xié)調(diào)控制策略

當(dāng)系統(tǒng)功率產(chǎn)生較大范圍波動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)電壓下垂控制響應(yīng)速度較慢，采用電壓下垂控制容易導(dǎo)致短時(shí)過電壓出現(xiàn)，本節(jié)針對(duì)該問題提出一種改進(jìn)方法，旨在系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動(dòng)較大，引起直流母線出現(xiàn)過電壓的情況下，能夠降低甚至消除過電壓的出現(xiàn)，更加快速平緩地過渡至新的運(yùn)行電壓水平，并維持在設(shè)定的穩(wěn)定范圍內(nèi)，更有利于直流配電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定。其基本思想是在傳統(tǒng)電壓下垂控制的基礎(chǔ)上通過增加一個(gè)直流電壓參考比較環(huán)節(jié)，與直流電壓進(jìn)行比較，并參與功率調(diào)節(jié)，來消除過電壓以及維持直流電壓值。若當(dāng)前直流電壓在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，改進(jìn)方法與傳統(tǒng)電壓下垂控制方法效果相同;當(dāng)直流電壓超出設(shè)定范圍時(shí)，則新增的比較環(huán)節(jié)參與功率調(diào)節(jié)，來增加或者減少換流器功率傳輸。改進(jìn)策略實(shí)質(zhì)是監(jiān)測直流母線電壓值，與設(shè)定值比較，當(dāng)符合動(dòng)作條件時(shí)，通過參與功率調(diào)節(jié)，間接改變電壓下垂比例系數(shù)，從而更好的控制直流電壓，消除系統(tǒng)過電壓。

3.4 MMC-MTDC換流站控制策略MMC的內(nèi)部環(huán)流是由于各橋臂的上、下橋臂電壓不均引起的，它的出現(xiàn)不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4結(jié)束語

柔性直流輸電技術(shù)越來越成熟，柔性直流輸電工程也越來越多的接入到實(shí)際的交流電網(wǎng)中，交直流保護(hù)的配合成為日益關(guān)注和研究的內(nèi)容。

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