电阻型超导故障电流限制器应用于VSC-HVDC系统的位置优选研究

李旭，陈树勇，唐晓骏，张鑫，申旭辉，吕思卓

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市132012；2.中国电力科学研究院，北京市 100192)

电阻型超导故障电流限制器应用于
VSC-HVDC系统的位置优选研究

李旭1，陈树勇2，唐晓骏2，张鑫2，申旭辉2，吕思卓2

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林省吉林市132012；2.中国电力科学研究院，北京市 100192)

由于能独立控制有功、无功功率，无换相失败等优点，基于电压源换流器的高压直流输电系统 (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)系统被认为是未来电网的发展方向。但是，直流故障与交流故障快速有效隔离，成为影响VSC-HVDC系统发展的重要技术难题之一。为了解决VSC-HVDC系统故障隔离问题和限制故障线路过大的短路电流，应用超导故障限流器逐渐被人们重视。提出基于电阻型超导限流器的故障限流方法，并用所设计的两端双极性VSC-HVDC系统，分别在直流线间短路、直流线路接地短路和三相交流短路情况下，比较电阻型超导限流器可行的安装位置并证明所提限流方法的有效性。最后，利用PSCAD/EMTDC仿真提出在VSC-HVDC系统中电阻型超导限流器的最优安装位置。

基于电压源换流器的高压直流输电 (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)系统;故障隔离;故障限流;电阻型超导限流器

0 引 言

随着一次能源短缺和环境恶化问题的不断加剧，世界各国已经认识到能源的利用与开发必须从传统能源向绿色可再生能源等清洁能源过渡[1]。基于电压源换流器的高压直流输电系统 (voltage source converter based high-voltage direct current，VSC-HVDC)具有有功无功功率独立调节、无源供电能力以及易于构建直流电网等特点，并且克服了传统高压直流输电的本质缺陷，因此被认为是清洁能源并网的有效手段[2-4]，而VSC-HVDC系统的故障处理和保护技术是限制其发展的主要因素之一[5]。

为了解决VSC-HVDC系统故障处理和保护的技术难点，提高系统供电可靠性，国内外学者进行了深入的研究。文献[6]提出了适合于VSC-HVDC系统的控制保护功能配置原则以及控制保护与换流阀设备的接口方案。文献[7]提出通过在交流侧增加双向晶闸管来转移交流侧馈入电流的保护方案。但是当VSC-HVDC直流线路故障时，该方案无法抑制电容放电产生的电流，而且在三相短路故障时流过晶闸管的故障电流也较大，对晶闸管的过流能力要求较高。文献[8]提出通过在直流线路两端增加电感的方案来限制短路电流，同时利用电感两端正常运行时电压降低、故障期间很大的特点提出了单端电压差保护，但该方法提高了投资成本，并使得保护策略复杂化。文献[9]对于双极VSC-HVDC系统，从交流系统故障、直流系统故障及换流器故障3个方面分析其无保护故障特征，为保护方案的设计和故障恢复提供了理论依据。

VSC-HVDC系统的故障不仅仅只从直流侧分析，其保护方法和隔离技术应综合分析直流故障以及交流故障对交流侧电网及直流系统的影响。本文使用电阻型超导限流器并分析电阻型超导限流器对VSC-HVDC系统的影响，为分析应用电阻型超导限流器后的故障特征，仿真直流线间短路、直流线路接地和三相交流短路3种类型的故障，并对应用电阻型超导限流器后的交流和直流系统进行分析，最后提出电阻型超导限流器安装的最优位置。

1 电阻型超导限流器

随着电力系统规模的逐渐增大，近年来我国很多电网短路电流水平也快速上升。短路电流超过一定水平后会给电力系统的建设和运行带来一系列的问题[10]。为了解决短路电流超标问题，超导限流器成为研究热点。超导故障限流器(superconducting fault current limiter，SFCL)集检测、触发、限流于一身，响应时间快，可自动恢复，具备了其他限流装置没有的优越性，成为目前最理想的限流装置之一[11]。

临界电流Ic、临界磁场Hc和临界温度Tc是超导体的3个临界参量。这3个物理量中任何一个超过了其临界值，超导体就会立即进入失超状态，即超导体只有在图1(a)所示的曲面内才是超导态，曲面外则为正常态。电阻型超导限流器(以下简称R-SFCL)正是利用超导体内电流超过临界值时会失超变成常态(高阻)的特性而构建的新型电力设备[12]。R-SFCL增大了故障回路电阻值使得直流保护方案隔离故障线路的动作时间可以大大延后，降低了系统对直流断路器隔离故障的动作速度和开断容量要求，也降低了直流故障保护方案的设计难度[13]。

图1 电阻型超导限流器原理Fig.1 Principle of resistive-type superconducting current limiter

R-SFCL中，令RSFCL为超导限流器的电阻，在失超后短时间内，可模拟为时间的指数函数[14]，即

RSFCL(t)=Rm(1-e-t/TSC)

(1)

式中：Rm为超导限流器失超后最终限流电阻；Tsc为超导态过渡到正常态的时间。R-SFCL由超导态过渡到正常态的超导特性，如图1(b)所示。

目前实际工程应用中，利用交流侧断路器隔离直流故障是较为常见的应对措施，但是该方案存在动作速度慢、停电范围大、降低系统供电安全性和可靠性等弊端[15]。理论上要求直流保护能够在几ms之内完成全套动作(包括故障检测、断路器跳闸)，但是交流断路器的跳闸动作时间一般在2～3个周波，因此即使不考虑故障检测所需花费的时间，基于交流断路器跳闸的直流故障隔离方法也是无法满足动作时间要求的[16]。就目前的超导技术而言，R-SFCL的常阻态电阻值已经可以达到几十，并且过渡过程所需的时间仅需2～3 ms。动作时间比继电保护措施快很多，在故障清除前已经变为正常态，可以对短路电流起到较好的抑制效果。

2 系统建模与故障电流特征

2.1 系统建模

VSC-HVDC系统仿真模型的额定电压为±110 kV，额定功率为75 MW。在本项研究中只评估R-SFCL的作用，不考虑断路器和其他故障保护设备。直流线路接地故障和线间短路发生在高压直流输电电缆的中点处。此外，三相交流故障发生在VSC-HVDC系统的逆变侧，如图2所示。搭建交流和直流R-SFCL模型，为了给AC和DC电网提供足够的电流限制效果，设其电阻为10 Ω，过渡时间Tsc为2 ms。发电厂R-SFCL的安装位置标记为AC，逆变侧交流的R-SFCL也要考虑并标记为INV。此外，设直流输电线路上R-SFCL安装位置为DC。为了对比发现在各种类型故障下R-SFCL的效果，需要分别测量直流输电线路电流和交流发电厂输出电流。

图2 柔性直流系统故障发生处和R-SFCL安装处Fig.2 Fault position and locations of R-SFCLs inVSC-HVDCsystem

2.2 VSC-HVDC系统的故障电流特征

由于IGBT 具有可靠的自保护功能，VSC-HVDC变流控制器会在很短的时间内检测到故障电流并立即关闭IGBT。然而，与IGBT并联的反向二极管和线路构成一个不可控桥式整流电路。因此，即使关掉IGBT，换向过程仍在继续。由文献[13]研究得出直流故障时依次进入直流电容放电阶段，二极管自然换相导通阶段和二极管同时导通阶段。最后，二极管的自然换相导通阶段和同时全导通阶段将保持一个不断交替的状态。所以故障发生时，交流侧和直流侧将同时向故障点馈入故障电流。图3(a)和(b)代表了VSC-HVDC换流站2种直流故障类型的电流流向。直流输电线路线间短路时电流流向，如图3(a)所示。此外，如果发生三相交流故障，将形成一个不可控桥式整流电路使得故障电流从整流侧进入逆变侧，如图3(c)所示。因此，故障电流始终经过VSC-HVDC系统到交流故障位置处。

3 仿真结果与讨论

在设计的电力系统中，在2 s时分别发生3种故障的情况下对不同R-SFCL安装位置进行分析。首先，我们假定一个R-SFCL是位于INV；第二，一个R-SFCL位于AC；最后，2个R-SFCL位于DC。图4(a)—(c)显示了发电厂输出交流电流，图5(a)—(c)代表了直流输电线路电流。

3.1 无R-SFCL

如图4所示，如果发生直流线间短路和直流线路接地故障，逆变侧发电厂输出电流会迅速增加，并且发电厂交流输出电流通过逆变站直接流向故障发生点。若逆变侧交流电网发生三相故障，则发电厂交流电流突然增加。如图5所示，在这3个故障发生的情况下直流线路电流都增加。

图3 VSC-HVDC换流站故障电流流通路径Fig.3 Fault current directions in VSC-HVDC converter station

3.2 R-SFCL设在逆变侧换流站(INV)

设R-SFCL在INV，如图4(a)和(b)所示，如果发生直流线间短路和直流线路接地故障，R-SFCL对逆变侧发电厂交流电流有限制作用。这是因为由于发电厂交流输出电流流通路径中有R-SFCL，抑制了发电厂交流电流流向直流故障点。如果发生三相交流短路，R-SFCL将阻止来自VSC-HVDC系统的电流流过。然而，如图4(c)所示，发电厂交流输出电流并没有受到限制，这是因为R-SFCL没有位于从发电厂到三相交流故障点的电流流通路径中。如图5(a)和(b)所示，当发生直流线间短路和直流线路接地故障时R-SFCL没有改变直流线路电流。但是如图5(c)所示，对于三相交流短路，VSC-HVDC直流线路电流通过R-SFCL得到限制。

所以当R-SFCL位于INV时，只保护直流线路故障时的交流线路和抑制三相交流短路时直流线路的电流。然而，它不能保护发电厂免受三相交流短路侵害以及直流系统免受直流线路故障的侵害。

图4 发电厂输出电流Fig.4 Output current of power plant

图5 直流输电线路电流Fig.5 HVDC transmission line current

3.3 R-SFCL设在直流线路(DC)

设R-SFCL位于DC，如图4可知输出发电厂交流电流在3种故障情况下均没有被限制，因为发电厂到直流故障点和交流故障点的电流流通路径中不存在R-SFCL。如图5所示直流输电线路存在R-SFCL，直流电流得到有效的限制。对于三相交流短路，直流系统向交流故障点馈入电流，但是所馈入的电流并不能大到足以迫使直流R-SFCL进入失超态状态。

R-SFCL在DC只能保护直流系统免受直流线路故障的侵害。它不能保护发电厂免受直流线短路和三相交流短路的侵害。由于高额定功率的直流R-SFCL，它也无法抑制直流故障电流馈入三相交流侧。

3.4 R-SFCL设在交流负荷线路(AC)

设R-SFCL位于AC，如图4所示直流电流线间短路和线路接地故障时，观察到发电厂交流输出电流没有减小，因为R-SFCL没有出现在从发电厂到直流故障点的电流路径中。如果发生三相交流短路，R-SFCL在故障电流的直接路径上，发电厂交流电流受到明显抑制。如图5所示观察到对于直流线间短路电流和直流线路接地故障电流没有限制作用。如果发生三相交流短路，R-SFCL在故障电流的直接路径上，使得直流电流成功被抑制。

R-SFCL在AC时，如果发生三相短路，能保护交流线路和直流线路，然而如果发生直流线路故障，它既不能保护发电厂交流电网也不能保护直流系统。仿真结果总结在表1中，表中清晰展示了故障类型、测量位置和是否降低故障电流。

表1 安装R-SFCL后对测量电流的影响
Table 1 Influence on measuring currentafter R-SFCLinstalled

4 结 论

本文对安装R-SFCL后VSC-HVDC系统进行了分析，利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了VSC-HVDC系统模型，并评估了R-SFCL在直流故障和三相交流短路时不同安装位置的限流效果。结果表明，当R-SFCL位于直流系统内部时，可以成功限制直流故障电流。R-SFCL位于INV处时，可以阻碍直流线路与逆变侧交流间的电流流通。R-SFCL在AC负荷侧时，效果虽然显著，但是多负荷交流电网的安装位置多、占地面积大、不够经济而且装置利用率不高。为了全面保护VSC-HVDC系统，结合直流线路和逆变站交流侧安装R-SFCL，是兼顾经济实用和保护VSC-HVDC系统免受直流系统故障和交流系统故障侵害的最佳解决方案。

[1]汤广福, 罗湘, 魏晓光，等 . 多端直流输电与直流电网技术[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(10): 8-17. TANG Guangfu, LUO Xiang, WEI Xiaoguang，et al.Multi-terminal HVDC and DC-grid technology[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(10): 8-17.

[2]刘剑,邰能灵,范春菊,等.柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述[J].电力系统自动化,2015,39(20):158-167. LIU Jian,TAI Nengling,FAN Chunju, et al. Comments on fault handing and protection technology for VSC-HVDC transmission lines[J].Automation of Electric Power Systems,2015,39(20):158-167.

[3]马为民, 吴方劼, 杨一鸣，等. 柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J]. 高电压技术, 2014, 40(8): 2429-2439. MA Weimin, WU Fangjie, YANG Yiming，et al .Flexible HVDC transmission technology’s today and tomorrow[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(8): 2429-2439.

[4]胡航海,李敬如,杨卫红，等.柔性直流输电技术的发展与展望[J].电力建设,2011,32(5):62-66. HU Hanghai, LI Jingru, YANG Weihong，et al .The development and prospect of HVDC flexible technology[J].Electric Power Construction, 2011, 32(5): 62-66.

[5]周杨,贺之渊,庞辉,等.双极柔性直流输电系统站内接地故障保护策略[J].中国电机工程学报,2015,35(16):4062-4069. ZHOU Yang, HE Zhiyuan, PANG Hui, et al.Protection of converter grounding fault on MMC based bipolar HVDC systems[J].Proceedings of the CSEE, 2015,35(16):4062-4069.

[6]梁少华,田杰,曹冬明,等.柔性直流输电系统控制保护方案[J].电力系统自动化,2013,37(15):59-65. LIANG Shaohua, TIAN Jie, CAO Dongming，et al.A control and protection scheme for HVDC system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(15): 59-65.

[7] ELSEROUGI A A,ABDEL-KHALIK A S,MASSOUD A M，et al.A new protection scheme for HVDC converters against DC-side faults with current suppression capability[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2014,29(4):1569-1577.

[8]DESCLOUX J, RAISON B,CURIS J B.Protection algorithm based on differential voltage measurement for MTDC grids[C]//12th IET International Conference on Developments in Power System Protection, Copenhagen: 2014：1-5.

[9]杨洁,刘开培,秦亮.柔性直流输电系统无保护故障特征及保护策略研究[J].陕西电力,2015,43(4):5-10. YANG Jie, LIU Kaipei, QIN Liang.Fault feature and protection strategy for flexible HVDC system[J]. Shaanxi Electric Power, 2015, 43(4): 5-10.

[10]秦玥,顾洁,金之俭，等.电阻型超导限流器对电力系统暂态稳定的影响分析[J].华东电力,2013,41(5):1031-1036. QIN Yue, GU Jie, JIN Zhijian，et al. Influence of resistive superconducting fault current limiter on power system transient stability[J]. East China Electric Power, 2013,41(5):1031-1036.

[11]陈妍君,顾洁,金之俭，等.电阻型超导限流器仿真模型及其对10 kV配电网的影响[J].电力自动化设备,2013,33(2):87-91. CHEN Yanjun, GU Jie,JIN Zhijian，et al .Resistive-type superconducting current limiter simulation model and the effect on the 10 kV distribution network[J]. Electric Power Automation Equipment, 2013, 33(2): 87-91.

[12]XIN Y, GONG H, WANG J Z .Performance of the 35 kV/90MVA SFCL in live-grid fault current limiting tests[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3): 1294-1297.

[13]李斌,何佳伟.柔性直流配电系统故障分析及限流方法[J].中国电机工程学报,2015,35(12):3026-3036. LI Bin, HE Jiawei.DC fault analysis and current limiting technique for VSC-based DC distribution system[J].Proceedings of the CSEE, 2015,35(12):3026-3036.

[14] LIN Ye, KLANS-PETER J .Modeling and simulation of high temperature resistive superconducting fault current limiters[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2004, 14(2): 839-842.

[15] TANG L X, OOI B T .Locating and isolating DC faults in multi-terminal DC system[J]. IEEE Transaction on Power Delivery, 2007, 22(3): 1877-1884.

[16]李斌,何佳伟.多端柔性直流电网故障隔离技术研究[J].中国电机工程学报,2016,36(1):87-95. LI Bin, HE Jiawei.Research on the DCfault isolating technique in multi-terminal DC system[J].Proceedings of the CSEE, 2016,36(1):87-95.

吕思卓( 1989) ，男，硕士，工程师，主要研究方向为电力系统稳定与控制。

(编辑 刘文莹)

Optimal Location Selection of Resistive-Type Superconducting Fault Current Limiter in VSC-HVDC System

LI Xu1，CHEN Shuyong2，TANG Xiaojun2，ZHANG Xin2，SHEN Xuhui2，LYU Sizhuo2

(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Due to the independent control of active and reactive power and no commutation failure, etc., voltage source converter based high-voltage direct current (VSC-HVDC) system is considered to be the development direction of the future power grid.However, the problem which quickly and efficiently isolates DC fault or AC fault becomes one of the important technical problems of VSC-HVDC system.In order to solve the problem of fault isolation and limit short-circuit current in VSC-HVDC system, the application of superconducting fault current limiter is considered seriously by people gradually. This paper proposes fault current limiting technique based on the resistive-type superconducting fault current limiter (R-SFCL). Then, with utilizing the designed bipolar VSC-HVDC systems, this paper compares the feasible locations of R-SFCLs, when DC line-to-line, DC line-to-ground and three-phase AC faults are occurred, and proves the effectiveness of the proposed current limiting method. Finally, based on the simulation tests in PSCAD/EMTDC, this paper suggests the optimum locations of SFCLs in VSC-HVDC transmission systems.

voltage source converter based high-voltage direct current (VSC-HVDC); fault isolation; fault limitation; resistive-type superconducting fault current limiter

国家电网公司科技项目(XT71-15-048)

TM 75

A

1000-7229(2016)07-0078-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.011

2016-03-01

李旭(1990)，男，硕士研究生，通信作者，本文主要研究方向为柔性直流输电；

陈树勇(1960)，男，博士，教授，研究方向为含新能源的电力系统分析与规划；

唐晓骏(1979)，男，高级工程师，研究方向为电力系统分析；

张鑫(1981)，男，高级工程师，研究方向为电力系统规划与可靠性、电力系统分析与控制等；

申旭辉(1979)，男，博士研究生，研究方向为交直流系统的仿真与分析；