具有故障限流功能的线间直流潮流控制器及其控制方法

黄昕昱，徐千鸣，拓超群，吕铭晟，谢 宁

（1. 湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心,湖南省长沙市 410082；2. 中国南方电网有限责任公司,广东省广州市 510000）

0 引言

与传统交流系统相比,多端柔性直流（voltage source converter based multi-terminal direct current,VSC-MTDC）系统在远距离大容量输电、非同步电网互联等领域有一定优势,是解决大规模新能源并网、传输和消纳问题的有效技术手段［1-3］。但目前VSC-MTDC 系统存在潮流调节和故障电流抑制等难题需要进一步研究和解决。

首先,为了解决VSC-MTDC 系统的潮流调节问题,需要引入直流潮流控制器（DC power flow controller,DCPFC）,提高系统的潮流控制灵活性［4-7］。在现有不同种类的DCPFC 中,线间直流潮流控制器（interline DC power flow controller,IDCPFC）因其体积小、成本低、效率高的特点,具有较大优势和发展前景［4,8］。文献［9］提出双H 桥型IDCPFC,结构简单、成本低廉、易于控制。文献［10-12］针对文献［9］的拓扑结构进行了详细介绍,并分别提出了不同的控制方法,但控制自由度有限,不能自主控制电容电压。文献［13-15］提出的IDCPFC 在2 条线路中分别串联一个电容,通过电感或直流变换器实现两侧的功率交换。由于文献［9-15］的单模块IDCPFC 在电压和功率等级上存在局限性,文献［16-17］提出了基于模块化多电平换流器 （modular multilevel converter, MMC） 的IDCPFC,利用变压器实现功率交换,适用于较高电压、大容量的直流系统。文献［18］提出了双H 桥型IDCPFC 的级联结构,为了实现电压的隔离而采用了大量数目的高压隔离开关,大大增加了成本和损耗。综合已有文献中的IDCPFC 可知：①单模块IDCPFC 潮流控制能力不足；②多模块IDCPFC 通过增设变压器或大量高压功率器件实现2 个等效电压源间的隔离变换,结构复杂,成本和损耗较大。因此,有必要研究新的潮流控制方案,在提升潮流调节能力的同时,还需要在成本和效率等方面作进一步优化。

此外,VSC-MTDC 系统还存在故障电流上升快、峰值高、抑制难的问题［19-20］。DCPFC 作为串联设备,在短路故障工况下容易损坏,导致电流中断甚至影响整个直流系统［21］,而现有的DCPFC 大多关注其稳态工况,对故障工况考虑较少。因此,有必要研究DCPFC 的故障运行特性及其保护措施。与此同时,由于直流短路电流上升速度快而断路器动作较慢,导致断路器开断难度大,所以,如何降低开断电流是直流电网短路故障的研究重点之一［22-23］。DCPFC 的基本原理是改变线路阻抗或电压,与限流器具有拓扑相似性,如果能利用DCPFC 在故障工况下的阻抗或电压特性使其发挥限流功能,则可以在不增加装置复杂度的前提下实现一定程度的故障电流抑制,有利于降低断路器的开断电流。文献［19,22］提出故障限流型潮流控制器,利用拓扑结构中的电感限制故障电流,仅适用于部分含有大电感元件的DCPFC。文献［24］提出利用子模块电容发挥限流作用,但缺少详尽的暂态过程分析和参数选取方法。

为此,本文提出一种故障限流型IDCPFC,主要工作如下：①提出一种模块化级联型IDCPFC,有利于提供更大的潮流调节能力,与现有的多模块IDCPFC 相比,具有体积小、成本低的优势；②提出一种电压、电流分时控制方法,可以实现外部线路电流和内部电容电压的独立控制；③利用闭锁降压限流方法降低断路器的开断电流,给出了故障工况的等效模型、参数选取以及控制策略,并且可以通过旁路保护方法实现限流后的自保护。

1 IDCPFC 结构与工作原理

1.1 拓扑结构

IDCPFC 拓扑结构如图1 所示,由N个级联的子模块、隔离开关IS、旁路开关BS 组成。子模块包含左右2 个全桥结构,其中,将左侧称为A 侧,右侧称为B 侧,Uai、Ubi（i=1,2,…,N）分别为A、B 两侧子模块的输出电压。IS 和BS 是由2 个集成门极换流晶闸管（integrated gate-commutated thyristor,IGCT）构成的双向开关。IS 主要作用是电压隔离,这是由于子模块中两侧的全桥模块与同一个电容直接相连,所以级联时为了保证2 条线路电流的流通路径相互独立,需要实现A、B 两侧的电压隔离。文献［18］在功率器件与电容的连接点插入高压隔离开关,每个子模块需要插入4 个双向隔离开关,即8 个功率器件,则N个子模块需要8N个高压功率器件。隔离开关的耐压值随着子模块数的增多而增加,第1 个子模块中隔离开关的电压应力为UC,第2 个子模块的则为2UC,以此类推,第N个子模块中隔离开关的耐压值为NUC。在相同输出电压等级下,本文隔离开关中的功率器件数目为8 个,电压应力最大不超过NUC,按照NUC选择电力电子器件,本文所有隔离开关的成本仅相当于文献［18］中第N个模块的成本,因此具有更好的经济性。旁路开关BS主要用于实现故障工况下IDCPFC 的自保护,此外还可以用作正常工况下实现模块的外部旁路。

图1 IDCPFC 拓扑结构Fig.1 Topology of IDCPFC

故障限流型IDCPFC 有2 种工作模式：潮流控制模式和故障限流模式。在正常工况下,IDCPFC只需起到分配线路电流的作用,处于潮流控制模式；当系统发生短路故障时,IDCPFC 处于故障限流模式来抑制线路电流的上升。

1.2 工作原理

IDCPFC 可以安装在直流系统的其中一个节点上,如在附录A 图A1 的三端直流系统中安装在节点1,用于调整与之连接的2 条支路电流I12和I13。通过控制功率器件的通断,使得一侧全桥模块以较高的频率在输出正电压和输出零电压（即输出旁路）2 种状态不断切换,而另一侧全桥模块在输出负电压和输出零电压2 种状态切换,等效于2 条输电线路分别串入正、负电压,从而实现线路电流重新分配,同时电容电压也在不断充放电的过程中达到稳定。潮流控制模式下的稳态等效电路如图2 所示。由于每个全桥模块可输出+UC、−UC、0 这3 种电压电平,所以N个模块级联后输出电压峰值为±NUC,可以将左右两侧的结构分别看作2 个可控电压源,通过控制各自的电容投入系数D1、D2,可以调节其输出电压平均值Ua和Ub,进而控制线路电流,其中,Ua、Ub满足：

式中：D1、D2分别为A、B 两侧的电容投入系数。根据图2 的等效电路,可得式（2）—式（4）。

图2 潮流控制模式下的稳态等效电路Fig.2 Steady-state equivalent circuit in power flow control mode

除了自身的潮流控制需求,根据式（1）可知,为了保证IDCFPC 的正常工作,需要维持内部功率平衡,以保证电容电压的稳定,即还需要满足式（5）。

2 潮流控制模式下的控制策略

2.1 电压、电流分时控制策略

在IDCPFC 中,线路电流和电容电压可以分别由2 个全桥模块进行独立控制：一个全桥模块用于将线路电流调节到期望值,另一个全桥模块用于补偿电容中吸收或发出的功率,维持电容电压的稳定。由于某一时刻不可能既对电容充电又对电容放电,因此为了避免电压指令与电流指令的冲突,必须使A、B 两侧全桥模块分时工作,将其中一侧的载波相位后移周期的50%,等效为将一个控制周期分为前后2 个控制进程T1和T2,前半周期用于控制线路电流,后半周期用于控制电容电压。这种控制方法要求当一侧全桥模块处于脉宽调制（PWM）模式、起调节作用时,另一侧全桥模块旁路,所以左右两侧的电容投入系数绝对值均不能超过50%,则式（1）应改写为式（6）。因此,A 侧模块用于潮流控制的最大电压为0.5NUC,如果仍不能满足调节需求,则需要上调电容电压。

图3（a）给出了线路电流控制框图和一个子模块SM1的电压控制框图,其他子模块与之相同,图3（b）给出了相应调制方法。图3 中：Iref12为线路电流I12的给定值；UC,SM1为子模块SM1的电容电压,UrefC,SM1为其给定 值；PI 表 示比例-积分控 制器；SI和SU,SM1分别为线路电流和电容电压的调制信号；ST为载波的峰值；PWMI和PWMU,SM1分别为用于控制线路电流和电容电压的PWM 波。

图3 潮流控制模式下的控制策略与调制方法Fig. 3 Control strategy and modulation method in power flow control mode

由图3 不难看出,电容电压可控是通过增加旁路冗余状态从而增加控制自由度实现的。传统的控制方法设定了D1+D2=1［11-12］,因此在一个开关周期内,电容不是投入一条线路就是投入另一条线路,导致控制自由度有限,无法自主控制电容电压。在本文的控制方法中,增加了一种输出状态：两侧模块均旁路,即2 条线路都没有电容投入。该旁路状态的增加使D1、D2不再相互关联,变为2 个独立可控的变量,控制自由度增加,因此电容电压不再受电流调节的影响。

2.2 潮流控制模式的开关状态

在一个开关周期t0～t5内,开关特性如表1 所示,根据电流流向和调节方向不同可以分为8 种工况,每种工况对应控制不同的功率器件,以第1 种工况为例进行详细说明。2 条支路电流均为正向,控制系统发送潮流调节指令给IDCPFC,要求将线路电流I12调低,为了响应该指令,必须将正电压串入线路l12,需要控制的功率器件为BS1、BS2、T22、T23。附录A 图A2 给出了一个子模块的开关状态,其他子模块与之原理相同。

表1 IDCPFC 的开关特性Table 1 Switch characteristics of IDCPFC

在前半周期T1,A 侧全桥模块处于PWM 模式来调节线路电流,B 侧输出旁路,线路电流调节过程如下：t0～t1和t2～t3时段内,调制波SI小于载 波,仅BS2导通,电流I12流经全桥模块中的二极管D11和D14,电流I13流经BS2。此时,线路12 串入正电压的同时对电容充电,I12减小,电容电压增加。t1～t2时段内,调 制波SI大 于 载波,T13、BS2导通,电 流I12流经D11、T13,I13流经BS2,A、B 两侧输出均旁路,此时电流自然分配,I12会升高,I13会降低。在后半周期T2,B 侧全桥模块处于PWM 模式来调节电容电压,A 侧输出旁路,子模块SM1的电容电压调节过程如下：t3～t4和t5～t6时 段 内,调 制 波SU,SM1小 于 载 波,BS1、T22和T23导通,I12流经BS1,I13流经T22和T23,此时线路13 串入负电压的同时对电容放电,电容电压减小,以平衡上一阶段T1内增大的电容电压。t4～t5时段 内,调 制 波SU,SM1大 于 载 波,BS1、T22导通,I12和I13分别流经BS1和T22、D24,A、B 两侧输出端均旁路,此时电容电压不变。经过若干周期的调节可以达到稳态,线路电流达到给定值,并且电容电压达到平衡。

值得注意的是,在后半周期T2,虽然各子模块的控制方法相同,电容电压给定值也相等,但由于每个子模块的电容值和电路杂散参数不可能完全相同,因此会导致其电容投入时间根据子模块参数而稍有不同,各子模块无法完全同步工作。而在前半周期T1,线路电流是外部量,在电容电压稳定的前提下,IDCPFC 对外可以视作一个可控电压源,其外特性不受内部参数影响,因此控制线路电流的A 侧全桥可以采用相同的驱动信号,所有模块同步工作。

3 故障限流与自保护控制策略

3.1 故障限流与自保护原理

基于图1 的故障限流型IDCPFC 拓扑结构,分析其故障工况下的暂态特性、限流机理和自保护方案。由于A、B 两侧全桥模块分别串联在2 条支路中,可以分别用于抑制线路12 和线路13 的故障电流,当只有一侧发生过流故障时,另一侧可以在闭锁全桥模块功率器件的同时直接导通旁路开关将自身旁路。假设在真双极直流系统中,线路12 发生单极接地故障,IDCPFC 的限流和自保护功能分别通过以下2 个阶段实现：

1）故障限流阶段：潮流控制器接收到自身的过电流保护或者上层控制下发的过流保护指令后,立即闭锁A 侧全桥模块中的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,使所有子模块处于不控整流状态,直流侧的电容通过续流二极管由故障电流充电,吸收部分故障能量。该阶段故障电流流通路径如图4（a）所示,等效电路如图4（c）所示。由等效电路可知,IDCPFC 通过在线路中串入反向电压uC,降低了IDCPFC 出口侧的压降,从而抑制了故障电流的上升。

2）旁路保护阶段：发挥限流作用后,为了保证电容器的安全,一旦电容电压达到上限值,使用旁路开关进行强制换向,从而实现自保护功能。该阶段故障电流流通路径如图4（b）所示,等效电路如图4（d）所示,其中：Rcon、Lcon、Ccon分别为换流站的等效电阻、电感和电容；LT为直流线路上的平波电抗器；R12、L12分别为直流线路的等效电阻和电感。

图4 故障限流模式工作原理示意图Fig. 4 Schematic diagram of operation principle of fault current limiting mode

基于上文的故障限流原理,建立等效模型分析IDCPFC 的限流能力。本文主要研究从故障发生到断路器动作的暂态过程,现阶段工程上较为成熟的混合式断路器可以在3～5 ms 内切除故障［25］。在这段几毫秒的时间内换流站电压跌落幅度很小,可以将换流站的电容电压视作不变,用Ucon表示［26］。实际工程中,为了减小线路电流纹波和限制故障电流,VSC-MTDC 系统通常在线路中安装百毫亨级的平波电抗器。

没有限流措施的等效电路与图4（d）旁路保护阶段等效电路相同,满足：

式中：C1为子模块电容值,由于N个子模块的电容串联,故容值变为C1/N。

设定故障发生到切除的时延为Δt,则无故障限流和有故障限流时断路器开断电流分别为i12(Δt)和i′12(Δt),则IDCPFC 的限流能力可以表示为：

在实际应用中,确定了系统参数和需要IDCPFC 提供的限流能力Δilim12,结合式（8）、式（11）即可求解所需电容值。根据式（11）中uC的表达式可以求得Δt时刻的电容电压值,如果电容电压保护阈值Ulim的选取大于uC（Δt）,则IDCPFC 在断路器动作后被旁路；反之,如果Ulim＜uC（Δt）,IDCPFC 在断路器动作前就已被旁路保护。

3.2 故障限流影响因素

由于在旁路保护后潮流控制器的限流功能即失效,所以从故障检测到旁路保护之前为有效限流时间。根据3.1 节的分析可得到影响限流效果的2 个因素：电容值影响故障电流上升率,电容耐压值影响限流时间。说明如下：电容越小,在有限时间内电容电压的上升速度越快,抑制短路电流的效果越好；电容耐压值越大,旁路保护越延后,有效限流时间越长。直流系统参数与附录A 图A1 保持一致,IDCPFC 中子模块个数为8 个,得到不同器件参数下限流能力的解析图像。附录A 图A3（a）为Ulim=5 kV 时不同电容值的限流效果,图A3（a）的短路故障在t=0 ms 时发生并且在t=3.5 ms 时被断路器清除。图A3（b）为C1=4 mF 时不同电压上限的有效限流时间,为了更清晰地显示出限流作用的失效时刻,不考虑断路器的作用。从图A3 可以看出,适当减小电容值和增大电容耐压值可以提高IDCPFC 的限流能力。

3.3 故障限流模式下的控制策略

IDCPFC 在故障限流模式下的控制策略如图5所示。一旦检测到短路故障则立即闭锁子模块中的所有功率器件T11至T24,进入不控整流阶段,发挥限流作用。根据IDCPFC 能否在整个故障过程中发挥限流作用,之后的过程可分为以下2 种情况。

情况1：如果在故障清除前电容电压达到上限Ulim,IDCPFC 将首先限制故障电流,然后在电容电压达到Ulim时旁路,限流功能也将失效。由于此时断路器尚未动作,因此电流将继续以较大的速率上升,直到故障被清除。短路电流曲线见图5（a）。

情况2：如果在故障清除之前电容电压没有达到Ulim,则可以在整个短路故障过程中发挥限流功能,短路电流曲线见图5（b）。

基于以上2 种情况,IDCPFC 在故障限流模式下的动作顺序如图5（c）所示。由于第2 种情况是普遍期望的,所以在实际应用中,确定了系统参数后,可以通过合理选择电容值和电容耐压值使潮流控制器在整个故障过程中发挥限流作用。

图5 故障限流模式下的控制策略Fig. 5 Control strategy in fault current limiting mode

4 仿真与实验验证

在PLECS 软件中搭建如附录A 图A1 所示的三端直流系统仿真模型,其中换流站1 作为平衡节点,采用定电压控制,其电压U1为200 kV,换流站2和换流站3 采用定功率控制,分别向系统注入−75.5 MW、−162.0 MW 的有功功率,输电线路主要参数 见表2［19,26］。IDCPFC 中子 模块数为8 个,电容值为4 mF,在IDCPFC 未投入使用时,各线路电流分配关系为：I12=0.68 kA,I13=0.52 kA,I23=0.30 kA。

表2 直流输电系统线路参数Table 2 Line parameters of DC transmission system

4.1 潮流控制与功率阶跃仿真结果

设定线路12 的电流给定值为0.6 kA,子模块电容电压给定值为500 V,线路电流和电容电压仿真波形如图6 所示。1 s 时IDCPFC 投入使用,系统稳定时有：I12=0.60 kA,I13=0.60 kA,I23=0.22 kA,与给定值一致,验证了IDCPFC 的潮流控制功能；电容电压经过调节达到稳定值500 V,说明IDCPFC 可以保证内部功率平衡。3 s 时换流站3 注入系统的功率变为−200.0 MW,端口电流I1跳变为1.4 kA,线路12 的电流给定值和电容电压给定值不变。由图6 可知,线路电流和电容电压经过短暂波动快速回到稳定状态,系统稳定时有：I12=0.60 kA,I13=0.80 kA,I23=0.22 kA。I12依然等于给定值,电容电压稳定在500 V,说明IDCPFC 在换流站发生功率阶跃时可以维持正常的潮流控制和功率平衡功能。

图6 潮流控制与功率阶跃仿真波形Fig. 6 Simulation waveforms of power flow control and power step change

4.2 故障工况仿真结果

IDCPFC的子模块个数为8个,电容值为3.5 mF,电压限值Ulim为3.5 kV,3 s 前直流系统正常工作,且IDCPFC 处于潮流控制模式,3 s 时线路12 发生如图4 所示的单极接地故障,线路电流I12的仿真结果如图7 所示。可以看出,短路故障发生后,在没有限流措施的情况下,线路电流迅速上升,远超额定工作电流,在故障清除前,I12持续上升到3.47 kA。在有故障限流作用的系统中,IDCPFC 检测到故障电流后闭锁全桥模块并输出负电压,故障发生后3.5 ms被清除,此时I12为2.95 kA,相比于没有限流措施,短路电流下降了14.99%。故障发生后3.8 ms 电容电压上升到设定保护值,IDCPFC 被旁路。仿真结果证明了所提IDCPFC 能够实现故障限流和自保护。

图7 短路故障工况仿真波形Fig. 7 Simulation waveforms under short-circuit fault condition

为了进一步研究限流特性,验证3.2 节的理论分析,对不同电容值和不同电容耐压值下的限流效果进行了仿真。当Ulim设为5 kV 时,不同电容对应的限流效果如附录A 图A4（a）所示。当电容值设为4 mF 时,不同Ulim对应的有效电流限制时间如图A4（b）所示。可以看出,电容越小,限流效果越好,电容限压越大,有效限流时间越长,这与理论分析一致。

4.3 实验验证

为了验证本文所提IDCPFC 的功能和控制方法,研制了如附录A 图A5 所示的IDCPFC 实验样机,并在实验室搭建了一个小型实验系统,系统参数为：换流站1 电压U1=250 V,换流站2 有功功率P2=−1.25 kW,换流站3 有功功率P3=−1.25 kW。样机参数为：子模块数目为1,电容值为500 μF。正常工况的实验结果如附录A 图A6 所示,线路电流I12和电容电压的参考值分别为3 A 和25 V,可以看出,当系统达到稳定时,线路电流和电容电压等于各自的参考值。电容值为500 μF,Ulim=150 V,得到故障工况下的实验结果,如附录A 图A7 所示。在无故障限流的系统中,I12在故障发生后3.5 ms 上升到15.63 A。在有故障限流作用的系统中,短路故障在发生后0.3 ms 被检测到,由于实验室的系统电压水平较低,随着电容电压的升高,线路电流不仅上升速率减小,而且开始下降,在故障发生3.5 ms 后下降到10.93 A,相比于没有故障限流作用下降了30.03%。在故障发生后6.2 ms,电容电压达到极限值被旁路,此时I12已经降至7.08 A,由于没有断路器,线路电流将继续上升,实际系统中的故障会在3～5 ms 内被断路器清除［25］。

5 结语

本文提出了一种IDCPFC,采用模块化级联结构,具有故障限流功能,得到如下结论：

1）所提IDCPFC 具有较强的可拓展性,有利于提供更大的潮流调节能力,避免使用变压器和大量隔离开关,可以降低体积和成本,提高效率。

2）针对该拓扑提出的控制方法增加了控制自由度,可以自主控制电容电压。

3）系统发生故障时,通过闭锁降压机制可以抑制故障电流上升,降低断路器的开断电流,并且通过减小电容值和增加电容耐压值可以提高限流能力,发挥限流作用后通过将电容旁路能够实现自保护。

4）通过在PLECS 仿真软件中搭建三端直流系统和小型样机实验,验证了所提IDCPFC 的潮流控制和故障限流功能。

在复杂的多端直流系统中,单台IDCPFC 可能无法满足系统的潮流控制需求,多台IDCPFC 的协同控制仍需要深入研究。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。