柔性直流输电系统的桥臂功率解析_雷顺广.pdf

第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号：1000-3673（2023）04-1490-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 柔性直流输电系统的桥臂功率解析雷顺广1，束洪春2，李志民1，田鑫萃2，王广雪2（1哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江省 哈尔滨 150001；2昆明理工大学电力工程学院，云南省 昆明市 650051）Bridge Arm Power Analysis of Flexible HVDC Transmission System LEI Shunguang1,SHU Hongchun2,LI Zhimin1,TIAN Xincui2,WANG Guangxue2(1.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,Heilongjiang Province,China;2.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650051,Yunnan Province,China)ABSTRACT:This paper analyzes the faults of the flexible HVDC transmission system from the energy transferring perspective,upon which a new fault analysis method based on the arm bridge power of the flexible HVDC transmission system is proposed,which provides the basis for the analysis and solution of AC faults,DC line faults,and transient energy balance control in flexible DC transmission systems.Firstly,an equivalent circuit for AC system faults is established,and the analytical expressions for arm bridge power under AC single-phase faults,phase-phase short-circuit faults,and three-phase short-circuit faults are derived using the symmetric component method.Meanwhile,the variation characteristics of bridge arm power under AC faults are analyzed.Then,from the energy transferring point of view,a DC fault equivalent circuit is established,based on which the analytical expressions for the arm bridge power under DC line faults are derived and the changing characteristics of the arm bridge power under DC faults are analyzed.Finally,a flexible DC transmission system is established on the PSCAD/EMTDC simulation platform,and the analytical results are compared with simulation results to verify the accuracy and reliability of the proposed analytical method.KEY WORDS:flexible HVDC transmission;fault circuit equivalent;faults analysis;arm bridge power analysis;arm bridge power characteristics 摘要：该文从能量传递角度对柔性直流输电系统故障进行解析，提出了基于换流阀桥臂功率的柔性直流输电系统故障解析方法与新思路，为柔性直流输电系统交流故障、直流线路故障分析及瞬时能量平衡控制提供了解析基础和实用工具。首先，建立了交流系统故障等效电路，利用对称分量法推导在交流单相故障、双相短路故障以及三相短路故障下桥臂功率解析表达式，分析了交流故障下桥臂功率的变化特征；继而，从能量传递角度出发，建立了直流故障等效电路，推导了直流线路故障下桥臂功率解析表达式，分析了直流故障下桥臂功率的变化特征；最后，在 PSCAD/EMTDC 仿真平台搭建了柔性直流输电系统，把解析结果与仿真结果进行了对比，验证了该文所提解析方法的准确性。关键词：柔性直流输电；故障电路等效；故障解析；桥臂功率解析；桥臂功率特征 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.1359 0 引言 基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)的柔性直流输电凭借其控制灵活、线路损耗低、无换相失败等优点1-3，在大规模新能源送出工程中得到了应用4-6。柔性直流输电相比于基于电网换相换流器(line commutated converter，LCC)的传统高压直流输电具有低惯性、弱阻尼特 性7-8，当直流输电线路发生故障时，故障电流发展迅速，在数毫秒内就能达到额定电流的数十倍9-10，对换流阀内功率器件造成不可逆损坏。换流阀作为连接交流系统和直流系统的关键设备，桥臂功率等电气量既能反映交流故障变化特征，又能反映直流故障变化特征，因此，研究基于桥臂功率的柔性直流系统故障解析，为柔性直流输电系统故障解析提供了新思路，为柔性直流输电系统交流故障、直流线路故障分析及故障检测提供解析基础和实用工具，为保护装置和电力设备定值计算提供了指导，具有重要意义。文献11-12提出了基于 LCC、MMC 和电压源型换流器(voltage source converter，VSC)高压直流换流器的故障分析方法，其中文献12考虑了控制对故障分析的影响；文献13提出了一种直流电网解析计算方法，但该方法忽略了与故障线不直接相连的 MMC 馈线，将直流电网简化为多个点对点网第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1491 络进行解析计算；文献14通过将 MMC 等效为恒压源，可以获得只有直流源、电阻和电感的低阶直流电网故障模型。然而，当故障发生在近端时，电压跌落大，线路之间的耦合会对该方法造成较大误差。文献11-14分析了换流阀的等效及故障，未对直流线路故障及交流系统故障进行分析。文献15提出了一种直流输电系统时域解析方法，该方法考虑了频变参数和直流控制对直流故障的影响；文献16提出了一种双端混合高压直流单极接地故障特性分析方法；文献17利用功率输出平衡原则，提出了能够全面反映风电并网系统交流故障下短路电流的解析方法，解决了换流器故障特征难以解析的问题；文献18提出了在故障限流器未投入阶段、投入的过渡阶段和完全投入后阶段故障电流的解析表达式；文献19提出了一种适用于三线双极结构的高压直流的故障电流计算方法；文献20提出了一种基于柔性直流电网简化模型的故障行波解析方法，文献21利用频域方法对多端柔性直流输电系统进行了故障电路叠加等效，提出了基于网络电感比的解耦方法的双极短路故障电流极端方法，但上述方法仅能分析直流侧故障，不能对交流故障进行解析计算。目前，针对柔性直流故障解析主要集中在直流线路故障，对柔性直流故障下换流阀内信息研究较少，换流阀作为连接交流系统和直流系统的关键设备，其电气量既能反映交流系统故障特征又能反映直流系统故障特征。文献22提出了基于桥臂电抗器电压的线路保护方案，该方案不同于传统利用线路电流电压故障信息的方案，从换流阀内部故障量新视角对故障进行了分析，提出的保护具有较强的耐过渡电阻能力，但该方案需要增加桥臂电抗器两端电压测量装置，增加了系统工程造价和运行风险。因此，本文从能量传递角度出发，以柔性直流换流阀内信息量桥臂功率为研究对象，对交流系统单相接地故障、双相短路接地故障、三相短路故障以及直流故障下的桥臂功率进行解析，并分析了桥臂功率的变化特征，为柔性直流输电系统故障解析提供了新思路，为柔性直流输电系统交流故障、直流线路故障分析及瞬时能量平衡控制提供解析基础和实用工具，为保护装置和电力设备定值计算及控制参数设计提供了指导。在 PSCAD/EMTDC 仿真平台搭建了柔性直流输电系统，把解析结果与仿真结果进行了对比，相关结果验证了本文所提解析方法的有效性。1 柔性直流输电系统结构 柔性直流输电系统主要由送端交流系统、受端交流系统、整流站、逆变站、直流线路、平波电抗器和直流断路器等组成，图1为柔性直流输电系统。f1f2f3CB1CB2CB3CB4f4 图 1 系统结构示意图 Fig.1 Flexible HVDC Transmission System 柔性直流双端换流站采用 MMC 拓扑结构，每个 MMC 由三相电路构成，每一相包含上、下桥臂和桥臂电抗器。本文针对正极接地故障 f1、负极接地故障 f2、双极短路故障 f3以及整流侧交流系统故障 f4下，对桥臂功率特性进行分析，为柔性直流故障解析提供了新思路，为柔性直流输电系统交流故障、直流线路故障分析及故障检测提供了解析基础和实用工具。2 正常运行时故障桥臂功率解析 系统正常运行时，交流功率通过整流阀将交流功率变换为直流功率。由于整流侧和逆变侧系统结构对称，忽略换流阀相间环流影响，以整流侧为例进行桥臂功率分析，图2为整流侧拓扑结构示意图。ijSM1SM2SMNSM1SM2SMNupj-+unj-+RRLLidcujoo+-ipjinjm2umm2um 图 2 整流侧结构示意图 Fig.2 Structure diagram of the rectifier side 根据基尔霍夫电流定律和电压定律，桥臂电流和桥臂电压可以表示为 pnnjpjjjjjiiiiii(1)pmppoonmnnood2+dd2+djjjjjjjjiuuLi RuutmiuuuLi Rutm(2)1492 雷顺广等：柔性直流输电系统的桥臂功率解析 Vol.47 No.4 其中：j=(a,b,c)，ipj为正极桥臂电流；inj为负极桥臂电流；sin()jjiIt；jI为第 j 相相电流幅值；sin(+)jjuUt；jU为第 j 相相电压幅值；L 为桥臂等效电感；m 为调制比；mu为交流侧三相电压峰值平均值；oou为桥臂虚拟中性点与交流侧接地中性点的压差。由于 MMC 结构正负极桥臂对称，在不考虑系统环流的情况下，正极桥臂电流和负极桥臂电流表达式为 pnsin(+)/2sin(+)/2jjjjiItiIt(3)由式(1)(3)可得，第 j 相正极、负极桥臂功率分别为 pp ppmpoonn nnmnood2+sin(+)/2dd2+sin(+)/2djjjjjjjjjjjjjjPu iiuLi RuuIttmPu iiuuLi RuIttm(4)由式(4)可知，桥臂功率与交流侧电流、交流侧电压和直流侧电压等相关。在稳态时，桥臂功率