断路器动作延时时间对GAMMA-KICK功能影响的仿真分析

方 苇，宁 晗

（1.国网湖北省电力有限公司直流运检公司，湖北 宜昌 443000；2.国网湖北省电力有限公司检修公司1000千伏荆门特高压站，湖北 宜昌 443000）

0 引言

通常直流工程功能规范书要求，投切滤波器或电容器引起的换流母线暂态电压波动不允许超过1.5%～2%，稳态电压波动不超过1%，保证无功设备投切引起的换相母线电压变化不能引起换流变分接头的调节动作[1-2]。为了抑制交流滤波器投切时的暂态电压波动，在直流控制系统中引入快速无功功率控制（GAMMA-KICK），通过与交流滤波器投切实时配合，在投入瞬间增大熄弧角，增加换流器无功消耗，即可降低投切时的暂态电压波动。

本文依据GAMMA-KICK原理，分析其对交流滤波器断路器配合的要求，并参考实际系统现行控制策略，基于PSCAD/EMTDC建立典型±500 kV直流输电系统模型，对受端换流站所引入的GAM⁃MA-KICK抑制交流滤波器投切波动的效果进行仿真研究。

1 GAMMA-KICK原理

当换流站无功补偿装置投切时暂态电压变化较大，不能满足换流母线暂态电压变化要求时，可以采用GAMMA-KICK方法来降低暂态电压变化[3-4]。GAMMA-KICK的逻辑如下：

（1）当换流站无功控制器检测到投入无功补偿装置的要求时，在发出投入滤波器合闸信号后的一定时间内（30～50 ms），将关断角γ整定值突然提高，使换流器吸收无功突然增加，以抵消无功补偿装置突然投入的影响。然后在数秒钟之内，将γ整定值逐渐降低到正常值。

（2）当换流站无功控制器检测到切除无功补偿装置的要求时，在数秒钟之内，将γ逐渐增加，在发出切除设备断路器合闸信号后一定时间（30～50 ms）内，将γ整定值突然降低到正常值，使换流器吸收无功突然降低，抵消无功补偿装置突然切除的影响[5-7]。

GAMMA-KICK的控制原理示意图如图1所示。

2 GAMMA-KICK对交流滤波器断路器配合要求

GAMMA-KICK是为了降低换流母线暂态电压变化而采取的一种快速改变换流器触发角的控制手段，是配合交流滤波器投入与切除的辅助控制手段，只有当换流站无功补偿装置的投切，不能满足换流母线暂态电压变化小于2%的要求时，才会考虑该无功控制方式[8-10]。

我国直流工程的交流滤波器通常为500 kV[11]，本文以LW10B-550/4000-63型SF6断路器为例，分析典型500 kV交流滤波器接入换流母线电压情况，该断路器主要参数如表1所示。该断路器每极为单柱双断口结构，每个断口上并联均压电容器，根据需要可带合闸电阻或不带电阻[12]。每台断路器由3个独立的单极组成，单极主要由灭弧组件、支柱、液压弹簧机构及密度继电器等组成。其操作机构采用ABB公司生产的HMB-8.3型弹簧贮能液压操作机构。每极均为独立的液压系统。可分极操作，实现单极自动重合闸，通过电气联动也可完成三极联动操作，实现三极自动重合闸[13]。

表1 LW10B-550/4000-63型SF6断路器主要参数

由表1可见，该SF6断路器的分闸时间约为20 ms，合闸时间为62 ms，从而使全开断时间小于40 ms。

由图1可知，一旦直流控制系统发出滤波器合闸信号，SF6断路器将在62 ms后投入换流母线，而GAMMA-KICK通常可在信号发出后的30～50 ms就已将触发角由正常值突然增大。因此，两者存在12～32 ms的时间差，如果时间配合不合适，换流器吸收的无功功率会更加高于滤波器的总发出无功功率，将导致换流母线电压更低。为了避免开关操作与GAMMA-KICK功能启动配合不好造成滤波器合闸前换流母线电压短时过低，GAMMA-KICK宜在滤波器合闸信号发出后的60 ms左右再突然增大触发角。

同理，一旦直流控制系统发出滤波器切除信号，SF6断路器将在20 ms后分闸，滤波器切出换流母线，而GAMMA-KICK则延迟至信号发出后的30～50 ms才会将过大的触发角快速降低到正常值。因此在10～30 ms内，换流器吸收的无功功率会高于滤波器的总发出无功功率，导致换流母线的电压降低[14-16]。

由此可见，为了避免滤波器切除前换流母线电压短时过低，快速无功功率控制宜在滤波器切除信号发出后的20 ms左右快速将过大的触发角降低到正常值。

3 GAMMA-KICK仿真研究

参考三常直流输电系统，在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立典型双桥12脉动HVDC输电系统，其中以受端换流站为研究对象，建立GAMMA-KICK模型。

3.1 GAMMA-KICK功能仿真

对以下4种控制类型进行仿真对比。

（1）无GAMMA-KICK：受端换流站投入1组190 Mvar滤波器，之后切除该组滤波器。整个滤波器的投切过程均不考虑GAMMA-KICK。

（2）GAMMA-KICK（Δγ=2°）：受端换流站投入1组190 Mvar滤波器，之后切除该组滤波器。GAM⁃MA-KICK使γ在正常值和增加2°范围之内变化。

（3）GAMMA-KICK（Δγ=5°）：受端换流站投入1组190 Mvar滤波器，之后切除该组滤波器。GAM⁃MA-KICK使γ在正常值和增加5°范围之内变化。

（4）延时GAMMA-KICK（Δγ=5°，断路器动作延时时间Δt=0.5 s）：受端换流站投入1组190 Mvar滤波器，之后切除该组滤波器。GAMMA-KICK使γ在正常值和增加5°范围之内变化。

上述4种控制方式换流母线电压的计算数据如表2所示。

表2 4种控制方式下滤波器投切引起的换流母线电压变化率

由表2可见：

（1）当滤波器投入或切除时，如果不采取GAMMA-KICK，则换流母线电压变化率最大，而当采取GAMMA-KICK后，均能有效减小换流母线电压的暂态变化。

（2）投切滤波器时，γ改变越大，抑制换流母线电压暂态变化的能力越强。

（3）当考虑GAMMA-KICK与滤波器投切的断路器配合之间的延时作用时，相对于不加延时时换流母线电压的暂态变化率有所增大。

3.2 滤波器断路器投切时间影响

交流滤波器及无功补偿设备均通过断路器实现与电网的接入与断开，由于机械开关设备不可避免地存在投切误差，因此采用GAMMA-KICK时，不能不考虑其与断路器开关的配合误差。分别就配合误差为±10 ms和±20 ms进行PSCAD仿真。

（1）不考虑投切时间差，2.5 s投入滤波器组，同时γ增加；4.5 s切除该滤波器组，同时γ恢复原值时，仿真曲线如图2所示。

图2 GAMMA-KICK仿真波形（不计投切时间差）

由图2可见，换流母线电压由1.0（p.u.）增加为1.003（p.u.）（即ΔU=0.3%）时，γ的变化为：19.03°～23.45°～19.03°。相较于无GAMMA-KICK情况下，电压变化幅度减小0.7%。

（2）2.5 s投入滤波器组，延时10 ms使γ增加5°；4.5 s切除该滤波器组，延时10 ms使γ恢复原值时，仿真曲线如图3所示。

由图3可见，换流母线电压由1.0（p.u.）增加为1.005（p.u.）（即ΔU=0.5%），在2.5 s时刻电压上升到1.005（p.u.），γ的变化为：19.03°～23.45°～19.03°。

（3）2.5 s投入滤波器组，超前10 ms使γ增加5°；4.5 s切除该滤波器组，超前10 ms使γ恢复原值时，仿真曲线如图4所示。

由图4可见，换流母线电压由1.0（p.u.）增加为1.003 5（p.u.）（即ΔU=0.35%），γ的变化为：19.03°～23.45°～19.03°。

图4 GAMMA-KICK仿真波形（延迟时间-10 ms）

（4）2.5 s投入滤波器组，延时20 ms使γ增加5°；4.5 s切除该滤波器组，延时20 ms使γ恢复原值时，仿真曲线如图5所示。

由图5可见，换流母线电压由1.0（p.u.）增加为1.006（p.u.）（即ΔU=0.6%），γ的变化为：19.03°～23.45°～19.03°。

（5）2.5 s投入滤波器组，超前20 ms使关断角增加5°；4.5 s切除该滤波器组，超前20 ms使关断角恢复原值时，仿真曲线如图6所示。

图5 GAMMA-KICK仿真波形（延迟时间20 ms）

图6 GAMMA-KICK仿真波形（延迟时间-20 ms）

由图6可见，换流母线电压由1.0（p.u.）增加为1.004 5（p.u.）（即ΔU=0.45%），在4.5 s时刻电压上升到1.004 5（p.u.），γ的变化为：19.03°～23.45°～19.03°。

上述5种情况仿真计算结果汇总数据见表3。

3.3 结论

综合分析图2—图6及表3可知，与不计GAM⁃MA-KICK比较，考虑了该控制后，换流母线电压波动可减少0.7%，且γ改变越大，抑制换流母线电压暂态变化的能力越强。采用GAMMA-KICK时，该控制与断路器开关的配合时间差越大，则换流母线电压的暂态变化越大，即采用GAMMA-KICK的效果变差，开关投切后恢复稳态的时间也越长。控制与断路器开关的配合时间差越大，则换流母线电压的暂态变化越大。

表3 考虑不同延时时的GAMMA-KICK仿真结果

4 结语

为了抑制交流滤波器投切时的暂态电压波动，在直流控制系统中引入GAMMA-KICK是一种比较经济的方案。本文基于PSCAD/EMTDC对受端换流站GAMMA-KICK进行仿真研究，结果表明，该功能可以有效降低投切时的暂态波动，但在考虑交流滤波器开关配合误差后，控制的效果会变差。