应用于高压直流电网充电启动的混合式直流断路器

王国英 ,Arm an Hassanpoor ,邓娜 ,Vinothkum ar K 2  

(1.ABB(中国)有限公司,北京市 朝阳区 100015;2.ABB GISPL, Chennai India)

摘要

近年来高压直流(high-vo ltage direct current,HVDC)输电技术,尤其是基于电压源换流器(voltage source converters, VSC)的直流输电技术在电力传输中的应用得到飞速发展,由此推动发展的直流电网概念,呈现出与传统交流输电系统相辅相成的趋势。建立可靠的直流电网,必然需要能将直流故障隔离的设备,例如混合式高压直流断路器(hybrid HVDC Breaker, HHB)。HHB可以隔离系统中的短时或永久故障。此外,基于模块化设计的HHB及其智能控制系统,应用顺序合闸控制功能可以辅助直流线路故障后的重启过程,同时可以借助此功能消除换流器启动过程中因子模块充电而引发的涌流问题,从而替代直流启动电阻(pre-insertion resistor, PIR)。介绍了混合式高压直流断路器(HHB)的模块化设计概念和换流器充电过程中HHB的时序逻辑,并在PSCAD中搭建了多端直流电网模型,仿真验证了HHB分级顺序合闸逻辑的合理性,通过对比充电过程的换流器各电气量变化验证了所提出方法对系统性能的显著改善。提出的方法为实现高压直流电网的高效经济运行提供了解决方案。

关键词 : 高压直流电网;充电;启动电阻(PIR);混合式高压直流断路器(HHB);分级顺序合闸

0 引言

自从世界上第一个商用高压直流输电工程(Gotland 直流 [1] )投运以来,高压直流输电技术逐步发展壮大并已成为全球众多输电系统中的重要组成部分。该技术所具有的优良控制能力和高效的传输效率,已成为海底电缆输电、异步交流电网互连以及长距离大容量功率传输等多种应用场合的首选。在高压直流输电技术发展的初期,基于电网换相换流器(line commutated converter, LCC)的传统直流输电技术曾占据主导地位。然而近年来,随着电压源换流器(VSC)直流输电技术的发展,其所具有的无功支撑、黑启动能力、有功和无功的独立控制、以及电能质量控制等独特优势逐渐显现,这些特性在高压直流电网运行中尤为重要 [2-4] 

目前直流输电的主要应用局限于两端的点对点输电系统,但是未来的发展趋势显现出了将多个点对点直流系统互联,进而建设高压直流电网的潜在需求及可行性。要建设和发展高压直流电网,需要直流故障电流开断设备的参与,如混合高压直流断路器(HHB) [5-6] 。HHB可以隔离系统中的直流故障点,从而避免电网系统整体停运。此外,HHB作为一个柔性电力电子设备,其灵活的控制逻辑可以为系统带来其他辅助功能且无需增加额外的设备投资 [7] ,其中一种可能的功能应用是辅助VSC的充电过程从而改善直流电网的暂态性能。文献[8]讨论了由VSC构成的五端直流输电系统的充电问题,由于换流器和直流线路的充电产生涌流导致交流和直流侧均出现严重的电压跌落。文中还提出在交流和直流侧加装启动电阻 [8] 可以解决此类问题。

本文介绍了HHB的模块化设计理念并对其运行特性进行了分析。通过对合闸时序的合理设计,HHB可以替代直流侧启动电阻来避免涌流问题。另外通过仿真结果的验证,采用合理设计的HHB分级顺序合闸逻辑,可以消除换流器充电过程中因子模块电容充电而引发的直流线路涌流问题。

本文介绍了电网系统的需求以及充电过程可能出现的问题,讨论了HHB的基本工作原理,然后提出分级顺序合闸的方法,分析了所提出方法的有效性,并在PSCAD/EMTDC搭建了四端HVDC电网模型进行仿真验证。

1 电网的系统需求以及问题描述

1.1 电网的系统需求

过去若干年中,学术界和工业界对高压直流电网的建设进行了广泛的研究和分析探讨。因此,在系统控制逻辑、换流站和设备等方面提出和建立了许多行业标准。相应地,中国国家电网公司(SGCC)于2018年宣布了第一个四端高压直流电网,即张北可再生能源柔性直流电网示范工程。此工程是一个±500 kV的环状拓扑结构的电网,如图1所示,其中HHB作为直流故障电流开断的关键组件首次被应用到电网中。文献[9]和[10]分析了HHB的直流线路故障清除能力以及HHB开断过程对系统稳定性的影响。

对于高压直流电网而言,各端换流站的充电和启动是一个较为常见的操作,这类操作会对电网系统的稳定性和相关设备的安全运行产生影响。从电网角度来看,换流器的充电不应对电网运行产生大的扰动。由于电网的运行性能由换流器的直流侧电压决定,因此直流侧电压应该足够稳定且无波动,这是运行的一个关键指标。另一方面,从单个换流器的角度来看,换流器投入运行的充电过程不应对电网中其他换流器造成大的干扰,即其他换流器的电流和子模块电压不应受到该充电过程的影响。

1.2 问题描述

充电过程中换流器及直流线路所消耗的能量来源于其所连接的交流和直流系统,对换流器而言,此能量消耗是用来给子模块电容器充电。充电会导致直流线路上出现涌流电流,并流经换流器各桥臂,相应的交流和直流系统电压将面临严重的扰动,这种扰动通常通过在交流或直流侧加入启动电阻得以缓解。在常规的两端直流系统中,换流器通常通过交流侧的启动电阻进行充电。当换流器用于接入孤岛负载、风能和光伏等新能源系统时,因交流侧无电源或电源还未启动,通常需要从直流侧充电并启动换流器,因此需要直流侧启动电阻的加入。直流侧启动电阻的作用对于建设高压直流电网更为重要,因为从直流侧充电使孤岛换流器及其所连接的交流系统具备黑启动能力,从而极大的提高系统运行的灵活性。本文对应用HHB取代直流侧启动电阻进行换流器充电启动的方法进行了介绍推广。

图1 张北四端电网的单线图 
Fig.1 Single-line diagram of Zhangbei VSC DC grid

2 方法介绍

2.1 HHB的拓扑结构和运行原理

本节对文献[5]中提出的模块化HHB的拓扑结构和故障电流开断原理进行了介绍。如图2中所示,HHB主要包括3个主要的功能组件:

1)超快速隔离开关(ultrafast disconnector, UFD)。

2)负载转换开关(load commutation switch, LCS)。

3)主开关(main breaker, MB)

图2 混合式高压直流断路器(HHB) 
Fig.2 Schematic of hybrid HVDC breaker (HHB)

其中,UFD和LCS串联为一条支路,此支路具有相对较小的电阻,因此作为正常的负载电流路径。MB支路由若干相同的MB模块组成,其中每个MB模块均由一个基于半导体的电力电子开关分支和一个避雷器分支并联构成。在正常运行中,负载电流流经UFD和LCS支路,在故障清除过程中,通过LCS的关断将负载电流首先转移到MB分支,UFD打开后将MB模块电力电子开关关断,故障电流转换到MB的避雷器分支。经由这个操作序列,能量最终通过避雷器耗散完毕。

2.2 用于充电的HHB分级合闸模式

基于HHB的模块化设计,可通过多种应用方法来支持其在不同模式下的运行。例如,文献[7]中介绍了分级顺序自动重合闸功能,使HHB在重合于永久或瞬时故障时具备更好的暂态特性。本节介绍了HHB的一种新的分级合闸操作方法,以将HHB用于替代PIR。图3说明了详细的控制合闸步骤:

阶段 1:充电前(图3 (a))。

阶段 2:当HHB第一个MB模块中的电力电子开关导通后,模块中的电流转移到电力电子开关分支,其他模块中的电流仍然流经避雷器分支(图3 (b))。

阶段 3:经过一定的延时后,HHB 第二个MB模块通过同样的操作使电流转移到其电力电子开关分支(图3 (c))。

阶段 4:剩余的HHB模块按顺序逐步导通电力电子开关,直至最后一个模块完成后换流器充电完成(图3 (d))。

阶段 5:最后,当UFD和LCS支路导通后,负载电流由MB支路转移到主通流支路,HHB进入正常运行状态(图3 (e))。

图3 HHB分级顺序合闸过程 
Fig.3 Sequential closing process of HHB

2.3 用于仿真验 证 的系统拓扑

为了验证应用HHB辅助换流器直流侧充电概念的有效性,本文以图1所示四端电网为基础,在PSCAD/EMTDC建立了一个基于张北工程四端系统拓扑和参数的测试系统。

初始状态,张北站的HHB处于分闸,系统的其余部分均处于正常运行,即其余站HHB均处于正常的合闸状态,具体如图4所示。张北在交流侧为孤岛模式,换流器处于闭锁状态,丰宁换流站设置为直流电压控制模式。本文主要对张北换流器直流侧充电过程进行研究,对比不采用和采用HHB分级顺序合闸功能两种算例下的仿真结果,验证了HHB分级合闸功能的有效性。

图4 仿真所用的测试系统 
Fig.4 Test system considered for simulation study

3 仿真和分析

以下针对不采用和采用分级顺序合闸两种情况进行了仿真,并对结果进行了比较和分析。

3.1 仿真算例1:HHB同时合闸所有模块即不采用分级顺序合闸

在本例中,给出了将HHB直接合闸即不采用分级顺序合闸对张北站进行充电的仿真结果。图5 ~ 7为仿真结果波形,分别显示了张北站HHB的状态以及张北和丰宁换流器的各个重要参数。

如图5所示,所有S1_S2_HHB1(张北站,至北京侧,极1)MB模块1~7在0.1 s同时导通,以给张北换流器S1P1充电。

如图6所示,张北站直流侧电压在到达稳态前经历了很高的过冲,阀臂和直流母线上的电流为半脉冲正弦波形,直流母线电流峰值约为4 kA。

图5 张北站S1_S2_HHB1波形(一次性合闸所有HHB模块) 
Fig.5 Zhangbei Station S1_S2_HHB1 plot with all HHB modules closing at once

图6 张北站换流器波形(一次性合闸所有HHB模块) 
Fig.6 Zhangbei station converter plot with all HHB modules closing at once

如图7所示,作为直流电网电压调节站,丰宁站在直流母线电压跌落幅度达到额定电压的60%。这样大的扰动可能引发电网以及其他3个换流器的保护动作,这对于高压直流电网的可靠运行是不可接受的。

3.2 仿真算例 2: HHB采用分级顺序合闸

在本节中,给出了HHB采用分级顺序合闸对张北站进行充电的仿真结果。图8~图10为仿真结果波形,分别显示了张北站HHB的状态以及张北和丰宁换流器的各个重要参数。

如图8所示,从0.1 s开始,所有S1_S2_HHB1的MB模块按顺序逐步导通合闸,模块合闸之间为固定时间延迟,以给张北换流器S1P1充电。

研究发现,HHB模块之间的合闸时间延迟对系统性能影响很大,需要根据具体的项目参数和系统要求进行仔细调整校核。

对于张北项目,在模块之间的合闸选取50 ms的延时后充电过程中直流母线电压的跌落可小于10%,如图9和图10所示。

图7 丰宁站换流器波形(一次性合闸所有HHB模块) 
Fig.7 Fengning station converter plot with all HHB modules closing at once

此外对于张北测试系统,当HHB模块之间合闸的时间延迟大于30 ms时,在下一个模块合闸之前HHB模块的避雷器能量已达到稳定水平且避雷器电流已降至零。因此,此过程中通过HHB模块的电流是不连续的,所以避雷器不必在过程中持续承受电流应力,如图9 (d) 所示。

3.3 算例对比分析和全系统评估

HHB模块合闸之间的时间延迟将影响系统性能,这需要根据特定的项目参数进行精确的调整。本文基于现有项目情况在每个HHB模块的合闸之间采用一个固定的延时50 ms,确保在直流母线上最大电压跌落低于额定电压的10%。相应研究结果可以从以下不同的角度进行分析评估。

1)系统级扰动。

如对算例1的仿真所示,如果换流器没有应用HHB作为启动电阻充电,直流电压跌落可大于60%的额定电压,在系统运行中这是不可接受的。此外,充电产生的涌流可能触发换流器的过电流保护。

图8 张北站S1_S2_HHB1波形(HHB模块之间采用50 ms合闸延时) 
Fig.8 Zhangbei Station S1_S2_HHB1 plot with a delay of 50 ms between the closing of HHB modules

图9 张北站换流器波形(HHB模块之间采用50 ms合闸延时) 
Fig.9 Zhangbei station converter plot with a time delay of 50 ms between the closing of HHB modules

如对算例2的仿真所示,如果换流器通过作为启动电阻的HHB充电,其分级顺序合闸功能将使换流器逐步充电,显著降低系统直流电压跌落且换流器不会暴露在高电流应力下。

综上对比可得结论为,HHB作为启动电阻将减少对系统的扰动和设备的应力。

2)HHB内部应力。

仿真和分析研究表明:HHB可以在对电网影响最小化的前提下对换流器进行平缓充电。但是在对HHB模块进行分级顺序合闸操作时,需要对组件进行应力评估。通常这些参数对于MB模块的组件是决定性的:模块电流、模块电压和模块能量水平。在合闸过程中,由于MB模块上的电压由并联避雷器决定,在HHB上不产生过电压,因此电压应力不是元件选择的主要问题。

对于半导体和避雷器而言,需要验证电流对MB模块的应力。图9 (d)所示为直流母线的电流,即通过MB模块的电流,最大值不超过500 A且持续时间小于50 ms,这在现有半导体器件设计允许范围内。图8 (b)所示为MB模块上的能量,最大值为4.5 MJ,所以在设计HHB避雷器时必须考虑到它的各种可能应对的工况以及此额外充电能量的影响。因此,该仿真研究的结果为HHB的组件选择和合理设计提供了有效的输入。

3)故障清除能力以及系统配合。

在充电的过程中需要考虑可能出现的系统故障情况,作为高压直流电网的故障清除关键部件,需此特殊工况下与系统控制和保护系统协同配合。若在分级顺序合闸进行中即MB还在逐步合闸中发生故障,快速合闸保护将会启动立即闭锁所有MB模块,所以故障电流和所需能量相对较低 [7] 。但是,如考虑在最坏的情况下,HHB已经完成合闸即负荷电流已经转移到UFD和LCS支路后发生故障,这时系统控制和保护将发挥关键作用,快速检测故障后将分闸指令发送到HHB以清除故障。

图10 丰宁站换流器波形(HHB模块之间采用50 ms合闸延时) 
Fig.10 Fengning station converter plot with a time delay of 50 ms between the closing of HHB modules

4 结论

本文提出了一种应用模块化HHB设备的创新方法,以辅助MMC换流器从直流侧充电过程。使用本文所提出的分级顺序合闸操作,可以实现对换流器和直流线路的平缓充电,减小充电过程对直流电网及其他运行中换流站的影响。通过仿真研究展示了该方法对系统主要运行参数的改善。在PSCAD中搭建四端直流网进行了两种不同的算例研究,证明了该方法的有效性。本文的研究成果可为经济高效的高压直流电网实际应用提供支持。

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Hybrid HVDC Breaker for HVDC Grid Energization

WANG Guoying , Arman Hassanpoor , DENG Na , Vinothkumar K 
(1.ABB (China), Chaoyang District, Beijing 100015, China; 2.ABB GISPL, Chennai India)

Abstract: Utilization of high-voltage direct current (HVDC)technology and, specifically, voltage source converters (VSC)in power transmission systems is increasing rapidly in recent years.It is promoting the direct current (DC) based grid against the alternating current (AC) based systems.To enable reliable operation of HVDC grids, a DC fault current interrupting equipment, i.e.Hybrid HVDC breaker (HHB) is required.HHB can temporarily/permanently isolate the DC fault in the system.Moreover, a smart sequential logic together with the modularized design of HHB can facilitate restart at DC faults,also avoid sudden inrush currents during energization thereby eliminate the need for pre-insertion resistor at the DC side. This paper presents the modular design of HHB and the sequences to energize a VSC converter.The simulation study performed employing PSCAD demonstrates that the converter energization takes place smoothly by suitable logic im plementation for sequential closing of the HHB.Thus, this method can result in efficient and cost-effective operation of HVDC grids in practice.

Keywords: HVDC grids; energizations; pre-insertion resistor(PIR); hybrid HVDC breaker (HHB); sequential closing sequence


王国英

作者简介:

王国英(1985),男,高级工程师,现供职于ABB(中国)有限公司HVDC研发部,研究领域有HVDC系统设计,换流阀,控制保护等,E-mail: forrest-guoying.wang@cn.abb.com。

A rman Hassanpoor,男,博士,长期从事高压直流输电以及电力电子的仿真研究。

邓娜(1988),女,工程师,研究领域有HVDC系统设计,换流阀,电力电子设备等。

Vinothkumar K,男,资深科学家,长期从事电力系统仿真和研究。

(责任编辑 李锡)

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    图1