MMC闭锁退出运行时直流侧过电压分析

李英彪1,訾鹏2,赵悦彤3,王姗姗1,赵兵1  

(1.中国电力科学研究院有限公司,北京市 海淀区 100192;2.国家电网有限公司华北电力调控分中心,北京市 海淀区 100053;3.山东大学电气工程学院,山东省 济南市 250061 )

摘要

模块化多电平换流器是柔性直流输电技术中的重要组成部分,柔性直流电网中直流过电压对整个系统的危害很大,因此对换流器闭锁退出运行后出现过电压进行仿真和机理分析。分析了换流器中子模块的6种工作状态和MMC的等效模型,根据换流站类型分为送端和受端换流站两种情况,基于PSCAD/EMTDC平台仿真换流器因故障闭锁后直流电压的变化情况,并根据等效电路分析换流站端口直流电压的动态发展过程和机理。由仿真结果发现,PSCAD/EMTDC仿真软件具有一定的缺陷,不能真实地反映断路器的断开,会产生虚拟过电压,并进一步分析了换流站闭锁后电压的变化趋势和产生原因。

关键词 : 模块化多电平换流器;柔性直流电网;闭锁;直流过电压;PSCAD/EMTDC仿真软件

基金项目:国家电网公司科技项目“张北柔性直流工程运行特性及控制策略研究”。 Science and Technology Foundation of SGCC ‘Study on Operation Characteristics and Control Strategy of Flexible DC Project in Zhangbei’.

0 引言

柔性直流输电技术(voltage sourced converter high voltage direct current,VSC-HVDC)因具有控制灵活独立、无换相失败并可以向无源系统供电等优势,已经成为了世界各国实现新能源并网和功率传输的重要技术手段[1-2]。中国在柔性直流输电工程应用方面起步较晚,2011年7月上海南汇投运了第一条柔性直流输电示范工程[3],标志着中国在柔性直流输电技术和工程应用方面实现了大跨步式发展。目前,中国已经建成5条柔性直流输电工程,柔性直流技术在电压等级、输电容量方面都有了大幅度提升,而且换流站拓扑结构实现了由双端到多端,由伪双极到真双极的发展[3-6]。2016年12月中国首个高压直流断路器在浙江舟山投运,它可以快速断开并切除故障线路,是直流故障清除的重要手段。

关于半桥型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC )的数学模型[7-8]、控制措施[9-10]以及故障特性[11-16],各国学者已经做了大量的仿真研究。在目前的仿真研究工作中,PSCAD/EMTDC为MMC仿真的重要工具,而在实际的仿真工具中,MMC都是采用等效模型。本文采用的模型是基于戴维南定理等效的MMC模型,它的核心思想是建立单个子模块的戴维南等效电路并进行代数叠加,根据相应的电气关系对子模块电容电压进行更新[17],计算的效率和精度都很高。

基于PSCAD/EMTDC软件,文献[11]对张北柔性直流电网的线路短路故障进行仿真分析,并通过分析仿真结果给出了抑制直流过电压的控制措施。文献[12]对比了MMC与VSC的直流故障特性的差异,并针对MMC独有的直流故障特性提出了响应的控制保护策略。文献[13]对典型的直流故障进行了定性分析,并通过改进子模块的拓扑结构来抑制直流侧故障电流。文献[14-15]利用PSCAD/EMTDC仿真分析了直流接地故障的特性,并提出了相应的控制保护策略。文献[16]基于PSCAD仿真软件的模型,研究了直流断线故障对整个柔直系统的影响。文献[18]对交流系统故障进行机理分析,并提出相应的控制保护策略。文献[19]基于钳位双子模块定量分析了交流故障对直流电网的影响。文献[20]针对特高压直流输电换流站故障过电压进行机理分析。这些仿真分析,对于柔性直流输电技术的发展起到了积极的推动作用。目前对于直流故障和交流故障研究较多,但对于换流站闭锁退出后,换流站端口直流电压动态发展过程还未见相关分析研究。

本文分别对送端换流站和受端换流站发生闭锁故障进行仿真分析,通过仿真分析可以看出闭锁故障后换流站端口会出现暂态和终态过电压。本文详细描述了直流暂态和终态过电压的发展过程与机理,经过分析给出仿真软件PSCAD存在的不足之处,为换流站闭锁故障后的控制策略提供参考。

1 MMC子模块的工作原理

MMC单个子模块(sub-module,SM)的拓扑结构如图1所示,其中T1和T2代表IGBT,D1和D2代表反并联二极管,C0代表子模块的直流侧电容器;uC为电容器两端的电压,usm为子模块两端的电压,ism为流入子模块的电流,各个物理量的参考方向如图1所示。

图1 MMC子模块的拓扑结构
Fig.1 Topology of MMC sub-module

根据IGBT的运行状态,可以将子模块工作状态分为3种,如表1所示。当T1导通T2关断时,对应于表1中的投入状态;当T1关断T2导通时,对应于表1中的切除状态。当T1和T2同时关断时,对应于表1中的闭锁状态;根据工作时电流方向的不同,每一种状态下都存在两种运行模式。

表1 子模块的工作状态
Table1 The working state of sub-module

2 仿真模型

2.1 仿真模型介绍

本文所采用的MMC仿真模型为基于戴维南等效的模型,每个MMC桥臂可以等效为一个电压源和电阻串联的支路,等效电路如图2所示。

图中UCEQ为戴维南等效电压源,它的值是时间的函数,计算方法[21]如式(1)所示。

式中:N代表单个桥臂子模块的个数;USMEQ_k为第 k个子模块的戴维南等效电压。BLOCK为闭锁信号,模拟IGBT的状态,当该信号为0时,选择1通路,此时模拟正常运行时的子模块投切,电压源模拟单个桥臂上的电压变化;当该信号为1时,选择2通路,此时模拟闭锁情况下子模块的运行情况,子模块处于不可控状态,依靠桥臂电流的方向和电压的大小决定二极管的导通和子模块的运行模式。在仿真模型中,BLOCK为开关,导通时为阻值非常小的电阻,断开时为阻值很大的电阻。在工程实际中,IGBT器件的导通电阻RON和关断电阻ROFF会随着负载电流以及器件的正向电压降而改变。大部分情况下,ROFF要远远大于RON。因此在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真程序中,典型的默认值是RON =0.01 Ω、ROFF = 106 Ω[21]。此后本文中的单个桥臂用电压源来代替。

图2 桥臂等效电路图
Fig.2 Equivalent circuit of converter arm

2.2 MMC-HVDC拓扑结构

本文在PSCAD仿真平台上对配备了直流断路器[22]的三端柔性直流输电系统进行仿真,相关参数如表2所示。其中存在3个换流站,换流站1作为送端,接入大规模新能源(以风机为例),采用定交流电压和频率控制,换流站2作为调节站,采用定直流电压控制,换流站3作为受端,连接大量的负荷,采用定有功功率控制。

仿真模型的拓扑结构如图3所示,以换流站1和换流站3为例,对换流站因故障闭锁退出运行进行仿真,并对闭锁后直流过电压的发展过程和机理进行详细分析。

表2 换流站相关参数
Table2 The relative parameters of converter station

图3 仿真模型的拓扑结构图
Fig.3 Topology of the simulation model

3 送端换流站闭锁直流侧电压分析

以换流站1为例,研究送端换流站因故障闭锁退出运行过程中的直流过电压。换流站退出运行时,先将子模块的运行状态转为闭锁状态,然后分别断开换流站交、直流侧的断路器,切断换流站与直流侧线路和交流侧线路的电气联系,最终换流站独立出来。

参考张北柔直电网工程现有的控制保护时序,设置仿真时序:2.000 s时换流站1闭锁,2.006 s时换流站与直流侧相连的直流断路器动作,断开直流线路与换流站的电气联系,2.065 s时换流站与交流侧相连的交流断路器动作,与交流侧新能源隔离。该过程中换流站1的直流电压如图4(a)、(b)所示,直流侧电压的变化过程可以分为a、b、c 3个阶段,其中a阶段为2.000~2.006 s,b阶段为2.006~2.065 s,c阶段为2.065 s以后。下面对a、c阶段的电压变化机理进行分析和描述。

图4 换流站1的主要电气量
Fig.4 Electrical information of converter station 1

3.1 a时间段直流电压变化机理

2.000~2.006 s,换流站1闭锁,直流断路器未动作,子模块进入闭锁状态,T1和T2关断,此时A、B、C三相的上下桥臂电流分别如图4(c)、(d)、(e)所示。换流站直流电压的变化与桥臂电流和子模块的运行方式有密切的联系,闭锁时,若桥臂电流小于0,由于桥臂电抗器的存在,桥臂电流不能突变,只能通过二极管D2续流,因此子模块处于表1模式6所示的状态下;若桥臂电流大于0,桥臂电流通过二极管D1对电容进行充电,此时该桥臂所有子模块电容串联,等效电容电压大于直流电压,因此二极管D1不满足导通条件会快速关断,桥臂电流也会快速下降为0。此时的等效电路如图5所示(直流电压和桥臂电流的参考正方向为由上到下),换流站进入不可控整流的过程。

图5 a时间段MMC等效电路图
Fig.5 Equivalent circuit of MMC in time period a

以在B相下桥臂和C相上桥臂同时导通的时刻为例,由基尔霍夫电压定律计算如图5所示的直流线路的电压,可以得到:

即为:

式中:usb(t)为换流站出口B相瞬时电压;usc(t)为换流站出口C相瞬时电压;uscb(t)为换流站出口C相和B相之间的瞬时线电压;ubn(t)为B相下桥臂的瞬时电压;ucp(t)为C相上桥臂的瞬时电压。

由前面分析可知,B相下桥臂和C相上桥臂的子模块都处于表1模式6所示的状态下,二极管正向导通时其内阻非常小,可得ubn(t)≈0,ucp(t)≈0,因此公式(3)可以简化为:

由公式(4)可得,此时换流站端口直流电压约等于交流侧两相之间线电压的瞬时值。此阶段B相和C相间的瞬时线电压如图4(f)所示。经分析得到的电压与仿真所得的直流电压趋势和大小相吻合。2.000~2.006 s时间段内,换流站进入不控整流阶段。

3.2 c时间段直流电压变化机理

2.065 s时交流断路器动作,换流站与直流线路和交流侧电源断开电气联系,交流电源不再向换流站内注入电流,此时换流站独立出来。理论上测量的直流电压应为换流站的开路电压,桥臂上没有电流流过。但在仿真软件中,无法实现真实的物理隔离,只能通过用阻值大的电阻来模拟二极管反向截止和IGBT的截止以及断路器的断开,相关参数见表3。因此在仿真模型中换流站各个桥臂内存在微弱的电流,这导致了最终的过电压,等效电路如图6所示。

表3 仿真元件参数
Table3 The parameters of the simulation elements

以C相为例,对图6所示的电路列KVL可得:

式中:ucn(t)为C相下桥臂的瞬时电压;Req为单个桥臂的等效电阻;L为单个桥臂的电感;icp(t)为C相上桥臂电流的瞬时值;icn(t)为C相下桥臂电流的瞬时值。

图6 c阶段MMC的等效电路图
Fig.6 Equivalent circuit of MMC in time period c

在仿真模型中,桥臂电感L的大小远远小于桥臂的等效电阻,并且电流的变化率很小,因此在计算时忽略桥臂电感的电压。取任一时刻t0,流过C相上桥臂的电流为icp(t0),流过C相下桥臂的电流为icn(t0),换流站端口直流电压为udc(t0),由公式(5)可以得到:

利用公式(6)求得的计算值与实际仿真值对比如图7所示。由图7可以看出,计算值与仿真值基本吻合,在600kV附近波动。此时的过电压的出现是由于仿真模型不能模拟现实中真正的电气隔离,该时的直流电压不具有参考价值。

图7 c阶段直流电压仿真值与计算值对比
Fig.7 Comparison between simulation and calculation of DC voltage in time period c

4 受端换流站闭锁直流侧电压分析

以换流站3为例,研究受端换流站因故障闭锁过程中的直流侧过电压。仿真时序设置2.000 s时换流站3闭锁,2.006 s时换流站与直流侧相连的直流断路器动作,断开直流线路与换流站的电气联系,2.065 s时换流站与交流侧相连的交流断路器动作,与交流侧线路隔离。整个过程中换流站3的直流电压变化如图8(a)所示。

与送端相似,受端换流站的直流电压与桥臂电流和子模块运行状态关系密切。以A相为例,闭锁时刻,换流站3的桥臂电流如图8(b)、(c)、(d)所示。由曲线可知,随着桥臂电流的变化,a阶段可以分成2个过程进行分析。

1)在2.000 s~2.0016 s这段时间内,由图8(b)可以看出,故障发生后,IGBT通路被阻断,上桥臂电流从小于零的状态变为大于0,下桥臂电流大于0,A相上下桥臂的二极管D1全部导通续流,因此子模块运行于表1模式5所示的状态,电容器处于充电状态。等效电路如图9所示。

此时A相上下桥臂的电容全部投入且处于充电状态,投入的子模块个数为正常运行状态下的2倍,因此直流电压瞬间升高,并高于正常状态下的2倍。但为了系统的安全,一般会在直流母线、交流母线等地方安装避雷器[6],因此直流电压并没有到达2倍的过电压。

2)在2.0016~2.006 s这段时间内,换流站3处于与直流侧线路相连的不可控逆变状态,导通的桥臂子模块处于表1模式5所示的状态。等效电路如图10所示。

以B相上桥臂和C相下桥臂同时导通的时刻为例,对如图10所示的电路列KVL方程可得:

即为:

式中:usbc(t)为换流站出口B相和C相之间的瞬时线电压;ubp(t)为B相上桥臂的瞬时电压。

由分析可知,B相上桥臂和C相下桥臂中电流大于0,其子模块都处于表1模式5所示的状态下,因此桥臂电压为ubp(t)=Nubpc(t),ucn(t)=Nucnc(t),其中ubpc(t)为B相上桥臂子模块电容的瞬时值,ucnc(t)为C相下桥臂子模块电容的瞬时值,由于子模块电容一直处于充电状态,ubp(t)和ucn(t)的值都大于正常运行时的电容电压。由公式(8)可得:

图8 换流站3的主要电气量
Fig.8 Electrical information of converter station 3

图9 2.000~2.0016 s时间段MMC等效电路图
Fig.9 Equivalent circuit of MMC in 2.000-2.0016 s

图10 2.0016~2.006 s时间段MMC等效电路图
Fig.10 Equivalent circuit of MMC in 2.0016-2.006 s

由公式(9)可知,此时换流站端口的直流电压等于B相和C相之间的线电压与2倍额定直流电压之和。当桥臂导通时且桥臂电流大于0时,会对子模块电容充电,子模块电容电压会升高,因此会比正常运行时直流电压的2倍还高。正常运行时,换流站3处于逆变状态,一旦因故障闭锁,换流站的运行方式便从可控逆变状态转成不可控逆变状态,此时B相和C相之间的瞬时线电压如图8( e)中的( 2)过程所示。经上述分析可知,此时的换流器端口直流电压高于正常运行时的电压,其过电压的程度与瞬时线电压的大小关系密切。

2.065 s后产生过电压的原因与送端闭锁时c阶段过电压的原因相同,不再重复。

5 结论

本文主要研究了配备直流断路器的多端柔性直流输电系统送端和受端换流站因故障闭锁后的直流过电压机理。直流过电压的建立与子模块闭锁状态下运行模式和桥臂电流的续流方向有着密切的联系,直流电压变化的具体表现为:

1)对于送端换流站闭锁,闭锁前桥臂电流是具有负偏置的交流量,因此在闭锁瞬间,桥臂电流大部分是流出换流站,电流通过二极管D2续流,因此会造成电压的短时降低。

2)对于受端换流站闭锁,闭锁前桥臂电流是具有正偏置的交流量,因此在闭锁瞬间,桥臂电流大部分是流入换流站,电流通过二极管D1续流,电容充电并存在上下桥臂子模块电容全部投入的情况,因此闭锁瞬间会出现额定直流电压2倍的直流过电压。

3)对于送端和受端换流站终态时的过电压,换流站交直流侧都通过大电阻与交直流系统相连,此时桥臂中存在微弱的桥臂电流,直流侧呈现过电压状态。

4)PSCAD仿真模型中不能模拟现实中断路器器件真实断开,而是用阻值大的电阻来模拟,无法实现真正的物理隔离,因此在仿真模型中仍然存在电流,从而形成此时虚拟的过电压,在今后的仿真分析中需要引起重视。

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Analysis of DC Overvoltage Caused by the Blocking of MMC

LI Yingbiao1,ZI Peng2,ZHAO Yuetong3,WANG Shanshan1,ZHAO Bing1
(1.China Electric Power Research Institute,Haidian District,Beijing 100192,China;2.North China Branch of State Grid Power Dispatch & Control Center,Haidian District,Beijing 100053,China;3.School of Electrical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,Shandong Province,China)

Abstract: The modular multi-level converter is an important part of VSC-HVDC technology.The DC overvoltage in VSC-HVDC grid is very harmful to the whole system.Therefore,this paper analyzes the DC overvoltage mechanism of the converter block.Firstly,the six kinds of working state of sub-module are analyzed.Then,according to the types of converter stations,they are divided into sending and receiving ends.The change of DC voltage caused by blocked converter is simulated by PSCAD/EMTDC simulation software.The mechanism and dynamic process of DC voltage are analyzed in detail according to the equivalent circuit.Through the analysis of the simulation waveform,it is found that the PSCAD/EMTDC simulation software has some shortcomings,could not truly reflect the disconnection of circuit breakers,and generates virtual overvoltage.The reason and the trend of the changed DC voltage caused by blocked converter are summarized.

作者简介:

李英彪

李英彪(1992),男,博士研究生,研究方向为柔性直流输电技术,E-mail:liybwhu@163.com。

訾鹏(1982),男,博士,工程师,研究方向为电力系统数字仿真,E-mail:zi.peng@nc.sgcc.com.cn。

赵悦彤(1997),女,硕士研究生,研究方向为柔性直流输电技术,E-mail:ytzhao97@163.com。

王姗姗(1981),女,高级工程师,研究方向为柔性直流输电技术,E-mail:sswang@epri.sgcc.cn。

赵兵(1980),男,博士,高级工程师,研究方向为电力系统稳定与控制,E-mail:zhaobing@epri.sgcc.cn。

(责任编辑 张鹏)


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