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柔性直流输电阀短路故障分析及其保护策略探讨暂无评价|0人阅读|0次下载|举报文档柔性输配电138价值工程柔性直流输电阀短路故障分析及其保护策略探讨Valve Fault Analysis of HVDC Flexible and Its Protection Strategies吴翠朋 Wu Cuipeng；周永旺 Zhou Yongwang；陈少华 Chen Shaohua（广东工业大学， 广州 510006 ） （Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China ） 摘要： 柔性直流输电技术 （HVDC Flexible 采用电压源型换流器 ） （VSC 以及 PWM 技术， ） 其中全控型 IGBT 换流阀是 VSC 换流站的核心器件。 本文主要根据柔性直流输电换流桥阀的工作过程， 分析了 VSC 换流站整流侧发生阀短路故障时系统交直流侧的故障特征。 总结故障特征并与传 统 HVDC 系统发生类似故障时的故障特征进行比较， 分析传统 HVDC 的保护策略应用于柔性直流输电的可行性。 Abstract ： HVDC Flexible transmission technology uses the Voltage Source Converter(VSC) and PWM technology. The whole controlled valve IGBTs are the key devices of the VSC converter. This paper analyses the characteristics mainly based on the working process of valves when the valve fault happens.Summed all the characteristics, compared with the traditional HVDC when the same fault happens, the paper analyses whether the protection strategies of traditional HVDC can be applied to the HVDC Flexible or not. 关键词： 柔性直流输电； 传统 HVDC； 阀短路； 桥臂直通； 保护策略 Key words ： HVDC Flexible； traditional HVDC； valve fault； bridge straight-leg； protection strategy中图分类号：TM0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311 （2010 10-0138-02 ）0 引言 柔 性 直 流 输 电 是 基 于 电 压 源 型 换 流 器 （Voltage Source Converter， ） VSC 和全控型器件绝缘栅双极晶体管 IGBT， 以及脉宽调 制技术 （PWM 的一种新型的高压直流输电技术。它克服了传统 ） HVDC 应用的缺点1， 继承了它的优点， 依据其自身的特点2-4,13， 具有 1,3 广泛的应用前景 。 目前， 全球虽已有多项 HVDC Light 工程建成投 但对于柔性直流输电的研究主要集中在其技术本身以及控 产1-2,4， 制器的研究方面。而对于它的保护配置问题， 涉足尚少。文献5中提 到， 工程的控制保护系统与传统直流输电系统基本相同。本文 CSC 从原理上分析柔性直流输电系统换流桥短路时与传统 HVDC 故障 特征的区别， 由此讨论传统 HVDC 的保护策略应用于柔性直流输电 的可行性。 1 VSC 换流站的工作过程 VSC 换流站采用全控型高频 IGBT 器件以及 PWM 技术。其工 作过程为：将正弦调制信号与三角载波比较而输出的信号，作为 IGBT 的开关信号以控制其导通和关断。 整流侧将交流转变为直流， 逆变侧将直流转变为交流， 实现两端电网之间的功率传送。 VSC 工作过程中，任何瞬间有三个开关管导通 （全为 IGBT 器 ， 件， 或为 IGBT 和二极管续流） 所以理论上三相 VSC 有 23=8 种开 关模式。 “零模式13” 即三个上桥臂全导通或三个下桥臂全导通 时， 的开关模式时， 交流侧经开关器件形成三相短路， 若柔性直流输电 系统向无源网络供电， VSC 直流电压和直流电流为零， 则 若连接两 端有源网络， 则整流侧运行与零模式时， 逆变侧的功率倒送， 潮流反 转。 实际运行时， 只采用 6 中开关模式， 每个瞬间导通的三个开关管 一个下桥臂或两个下桥臂、 一个上桥臂。 阀的导通顺 为两个上桥臂、 序如图 2 所示。 作者简介：吴翠朋 （1982- ， 河北晋州人， ） 女， 硕士研究生， 主要研究方向为电 力系统安全运行与控制； 周永旺 （1966- ， 浙江诸暨人， ） 男， 讲师， 主要研究方向为电网分析及高压直流输电； 陈少华 （1952- ， ） 女， 广东广州人， 教授， 硕士生导师， 主要从事电力系统智能保护与自 动装置的教学和研究工作。 对外经济贸易大学出版社， 2004： 241-250. 2李雅萍.采购物流M.北京： 3鲁耀斌.项目管理 过程、 方法与实务M.大连： 东北财经大学出版 社， 2008： 319-376. 4J.Rodney Turner, 戚安邦， 耿岚岚， 于玲译.项目中的合同管理M， 天2 柔性直流输电换流阀短路故障分析 高频开关器件 IGBT 是 VSC 换流站最核心、 也是最容易发生故 开关器件 （IGBT 或反并联二极管 被短接、 ） 内外部绝缘损 障的元件。 坏或管子阴阳极间击穿等原因都会造成阀短路故障。 当某开关器件 因阴极和阳极间击穿而形成永久短路时， 与其同一相上的另一个器 件只要一导通便会构成桥臂直通故障9。 2.1 系统模型 在图 1 中做如下假设： 交流系统三相对称、 且为纯正弦基波电动势； 滤波器及换流电抗器均为线性， 不考虑其饱和； 1、 1 等效整流 R L 侧换流电抗器的损耗和电抗值； 功率开关器件等效成理想开关与电阻 Rg 串联， g 表示功率开 R 关器件的损耗； 直流输电电缆用 R 和 L 等效； 据以上假设， 可推得系统交直流侧各电气量之间的联系， 如下： 交流系统三相平衡， 仅考虑 a 相， 可列方程： dia1 -usa +R1 ia1 +L +uca =0， dt di 整理得： a1 =usa -R1 ia1 +uca L dt 因此交流侧三相暂态数学模型可表示为： c c c c i c u c i c u c c al c c sa c c al c c ca c d ci c= 1 cu c- R ci c- 1 cu c c c c c c c c c （1 ） c c c c c c c c dt c b1 c L c sb c L c b1 c L c cb c c c c c c c c c c c c c c c c ic1 c usc c ic1 c ucc c c c c c c 换流站阀侧交流系统向换流输送的功率:津： 南开大学出版社， 2005： 185-194. 5Amir M. Sharif. Benchmarking performance management systems, An International Journal of Benchmarking,2002,9(1):62-85. 6焦媛媛.项目采购管理M.天津： 南开大学出版社， 2006:3-4.Value Engineering 2 139别为直流线路电流反向。 2.3 阀短路保护判据 柔性直流输电系统与传统 HVDC 原理相 似， 但在结构、 传输容量、 控制方式等方面仍有所区别2。 这导致两者 在发生类似故障时的故障特征存在一定差别， 从而可能导致阀短路 保护判据的不同。对于连接有源网络的柔性直流输电系统与传统 HVDC 阀短路保护的判据具体分析如下： 对于传统 HVDC 系统， 正常运行时， 交流侧和直流侧的电流平 衡7。 而当阀短路故障时， 交流电流增大、 直流电流减小， 因此可将故 障时换流器交流侧电流大于直流侧电流的故障现象作为保护的判 传统 HVDC 直流侧采用串联电感 （平波电抗器 ， ） 直流侧 据7。同时， 电流与直流线路电流相等， 因此对于上述的判据也可以理解为交流 直流线路电流减小。 电流增大、 而对于柔性直流输电系统， 由于直流侧采用并联电容而似的其 如式 ） 阀侧直流电流 idc1 与直流线路电流 idcline 不同， （10 所示。 柔性直流输电系统正常运行时，整流站阀侧直流电流 idc1 可表 示为交流电流 ia1、 、 与开关函数 sk 构成的函数表达式表示为 ib1 ic1 idc1=ia1sk+ib1sk+ic1sk11 （11 ） 由此可见， 正常运行时， 柔性直流输电阀侧直流电流与交流电 流平衡， 这与传统 HVDC 相似。 故障后， 逆变侧的有源交流网络功率 倒送， 阀侧直流电流将出现负值且具周期性， 故障瞬间， 阀侧直流电 流及输电线路电流都有很大的冲击电流。此时， 若将传统 HVDC 比 较阀侧交流与阀侧直流电流有效值的保护动作策略应用于柔性直 流输电系统， 则其定制不易整定， 且可能导致保护拒动。 据式 ） 式 ） 系统正常运行时， （10 、 （11 知， 直流线路电流可表示 为： du idcline =ia1 sk+ib1 sk+ic1 sk-C1 dc1 （12 ） dt 由此得， 直流线路电流与交流电流存在恒定差值。因此故障时 可取交流侧电流增大和直流线路电流减小 （反向 作为其保护判据， ） 这与传统 HVDC 阀短路保护的保护判据类似。 3 结论 传统 HVDC 系统阀短路保护可应用于柔性直流输电系统， 但必 传统 HVDC 直流电路电流与阀侧直流电流 须注意数据采集的位置。 相等， 而柔性直流输电系统直流线路电流与阀侧直流电流不等。对 于柔性直流输电系统， 应取阀侧交流电流与直流线路电流的变化特 此外， 根据发生阀短路故障时， 征作为反应阀短路故障的保护判据。 柔性直流输电系统直流电流反向， 而传统 HVDC 直流电流不反向的 特点， 也可进一步完善柔性直流输电的阀短路保护。 参考文献：PC1 = usa -uca u -u u -u u u -u ca + sb cb cb + sc cc cc =3 sa ca ca u u u Z Z Z Z1（2 ） 式中 Z1=R1+jL1 直流侧功率： Pdc=udc1idc1 （3 ） 即： 忽略换流元件的损耗， 根据功率平衡原理， Pdc=PC1， 有 udc1 idc1 =3 usa uca -uca Z1 2（4 ） 由于三相系统平衡， 可求得整流侧： uAN1 +uBN1 +uCN1 u0N1 = 3 u +u +u uca =uAN1 -u0N1 =uAN1 - AN1 BN1 CN1 3 定义采用开关函数 sk11 1 上桥臂导通， 下桥臂关断 Sk = 0 上桥臂关断， 下桥臂导通 （k=a， c b， ） uAN1 =udc1 sa（5 ） （6 ）!（7 ） （8 ） （6 ， 将式 ） （7 带入式 ） 得 2sa -sb -sc uca= udc1 3 同理可求得 ucb ，cc 。 u 直流线路电流： = idcline udc1 -udc2 Z（9 ） 式中 Z=R+jL， 对直流电容采用基尔霍夫电流定律则有： du du idcline =idc1 -C1 dc1 =idc2 +C2 dc2 （10 ） dt dt 式中， 下标 1 表示整流侧值； 下标 2 表示逆变侧值。 2.2 故障特征分析 VSC1 中阀 1 发生瞬时短路且不形成桥臂 直通故障时 （可考虑为阀 1 只在 T5、 6、 1， 6、 1、 2， 1、 2、 3 的过程 T T T T T T T T 中短路 ， 1 的开关阻抗 Rg=0， ）阀 其他桥臂的开关损耗电阻为 Rg， 换 流站存在很小的不对称情况，直流电压和直流电流的波动较小， 短 路故障消除后，由于定直流电压和定直流电流控制环节起作用， 将 直流电压和直流电流重调至稳态运行值。 当阀 1 发生永久性短路故障时， 4 一导通便形成桥臂直通故 阀 若忽略开关器件的损耗 Rg， 则直流侧被短路， 直流侧电容电压 u 障。 下降到零， 不足以为逆变侧提供电压支撑， （2 、 （3 及式 由式 ） 式 ） dc1 （8 可知， ） 整流站交流侧送入换流站的功率降为零。由式 ） （9 得直流 线路电流 idcline 反向， 潮流反转。 同时， 整流站阀侧三相交流经换流阀1文俊， 张一工， 韩民晓等.轻型直流输电 一种新一代的 HVDC 技 2003， （1 ： 27 ） 47-51. 术J.电网技术， 形成三相短路， T1 短路， 3,T4,T5 导通时为例， （以 T 如图 3 所示 ， ） 交流 2吕鹏飞， 李庚银， 李广凯.轻型高压直流输电技术简介J.华中电力， 2002， （5 ： 15 ） 69-73. 电流增大。 3李永坚， 周有庆， 宋强.轻型直流输电 （HVDC Light 技术的发展和应 ） 用J.高电压技术， 2003， （10 ： 29 ） 26-28. 郭贺宏， 李广凯.电压源型换流器直流输电的技术发展前景J. 4郭丽， 中国电力教育.2005 年研究综述与技术论坛专刊： 12-15. 5陈凌云.美国康涅狄格至长岛轻型直流跨海电缆工程J.中国电力， 2008， （10 ： 41 ） 80-83. 中国电力出版社， 2004. 7赵畹君.高压直流输电工程技术M.北京： 8袁