直流電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)的重合閘策略優(yōu)化分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23470直流電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)的重合閘策略優(yōu)化分析案例 190261.1分級(jí)重合方法 1242521.1.1原理 1118691.1.2過電壓沖擊 5202921.1.3適用性分析 6152011.2仿真分析 6204801.2.1重合于瞬時(shí)性故障 7304421.2.2重合于永久性故障 10176061.3本章小結(jié) 12盡管同步重合是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)的有效手段，但也造成了過電壓沖擊的產(chǎn)生。針對(duì)這一問題，本章將通過設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)移支路投入方式來(lái)嘗試降低過電壓沖擊，首先分析該種轉(zhuǎn)移支路分級(jí)投入方法的基本原理，隨后研究其重合過程中產(chǎn)生的過電壓沖擊，最后搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。1.1分級(jí)重合方法1.1.1原理將混合式直流斷路器的轉(zhuǎn)移支路和耗能支路MOV組分成n級(jí)，重合閘時(shí)，一級(jí)一級(jí)依次投入。其各級(jí)轉(zhuǎn)移支路及主支路的重合閘時(shí)序如圖1.1所示。圖1.1轉(zhuǎn)移至路分級(jí)投入重合閘時(shí)序這一過程中，將通過檢測(cè)耗能支路電流是否正常來(lái)判斷故障清除狀況，并進(jìn)行下一步動(dòng)作。如果線路出現(xiàn)的是暫時(shí)性故障，此時(shí)故障已清除，線路絕緣已恢復(fù)，耗能支路中僅有通過導(dǎo)通的MOV組從母線流入直流線路的充電電流，因此繼續(xù)投入轉(zhuǎn)移支路，最后將電流轉(zhuǎn)移回主支路，重合閘完成，成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恢復(fù)。如果線路出現(xiàn)的是永久性故障，此時(shí)，接地故障點(diǎn)仍存在，將聯(lián)通系統(tǒng)接地點(diǎn)，在線路中形成閉合回路，延續(xù)故障電流。故障電流會(huì)流經(jīng)未被投入的耗能支路MOV組，此時(shí)耗能支路中檢測(cè)到故障電流，停止重合過程，不在投入轉(zhuǎn)移支路級(jí)，已經(jīng)投入的轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊關(guān)斷，使故障電流再次流回耗能支路MOV組，能量泄放，電流歸0。直流斷路器關(guān)斷。分級(jí)重合是通過檢測(cè)耗能支路電流來(lái)判斷故障類型進(jìn)而決定下一步動(dòng)作。由于耗能支路上的金屬氧化物電阻MOV的存在，混合式直流斷路器在關(guān)斷狀態(tài)下，其兩端電壓基本可以看成使金屬氧化物MOV組承受的電壓。MOV組兩端電壓將在達(dá)到啟動(dòng)電壓后才投入線路進(jìn)行能量泄放的工作。通常啟動(dòng)電壓UQ取決于混合式直流斷路器自身的性能參數(shù)，UQ表達(dá)式為：（4-1）UN為斷路器額定電壓，通常與系統(tǒng)的額定電壓保持一致。α為一個(gè)常數(shù)，代表了直流斷路器的限電壓能力。將轉(zhuǎn)移支路與耗能支路組分為ｎ級(jí)，那么單級(jí)MOV的啟動(dòng)電壓Uq0就是整體MOV組啟動(dòng)電壓的n分之一，Uq表達(dá)式為：（4-2）在重合閘過程中，直流斷路器兩端電壓實(shí)際上是未投入重合的轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的接入線路的MOV組兩端電壓。設(shè)已投入了x級(jí)轉(zhuǎn)移支路，即剩余的未投入的轉(zhuǎn)移支路為n-x級(jí)，對(duì)應(yīng)的線路中承受電壓的MOV組也是n-x級(jí)。同理，接入線路的耗能支路MOV組的啟動(dòng)電壓Uq為整體MOV組啟動(dòng)電壓的n分之n-x，表達(dá)式為：（4-3）1）若線路發(fā)生暫時(shí)性故障，在重合閘過程中，故障已清除，系統(tǒng)內(nèi)沒有故障電流，只有母線通過已投入的轉(zhuǎn)移支路和未投入轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組流向直流線路的充電電流。母線電壓UM不變，充電電流使得直流線路的電壓Ux不斷增大，則同時(shí)，直流斷路器兩端電壓UD，即未投入的轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的MOV組兩端電壓，也隨之減小。此時(shí)若投入了x級(jí)轉(zhuǎn)移支路，那么n-x級(jí)未投入的耗能支路相應(yīng)的MOV組兩端電壓UD與其啟動(dòng)電壓Uq有兩種關(guān)系：當(dāng)UD<Uq時(shí)，n-x級(jí)MOV耗能支路不導(dǎo)通；此時(shí)對(duì)耗能支路電流進(jìn)行檢測(cè)，無(wú)電流。當(dāng)UD>Uq時(shí)，n-x級(jí)MOV耗能支路導(dǎo)通。此時(shí)對(duì)耗能支路電流進(jìn)行檢測(cè)，由于故障已清除，只能檢測(cè)到母線流過來(lái)的線路充電電流。因此，重合過程中不會(huì)檢測(cè)到電流異常，依次投入剩下的n-x級(jí)，最后電流轉(zhuǎn)移到主支路，重合閘成功，系統(tǒng)恢復(fù)實(shí)現(xiàn)。2）若線路發(fā)生永久性故障，在重合閘過程中，故障接地點(diǎn)仍然存在，系統(tǒng)中將出現(xiàn)故障電流回路，其流通路徑如圖1.2所示，故障電流流經(jīng)故障接地點(diǎn)、大地、系統(tǒng)中性接地點(diǎn)、換流站、混合式直流斷路器已投入的轉(zhuǎn)移支路、未投入轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路已達(dá)啟動(dòng)電壓的MOV組、直流故障線路，再到故障接地點(diǎn)，形成閉合回路。直流線路故障接地點(diǎn)會(huì)限制直流線路電壓恒定為0，故重合閘過程中斷路器兩端電壓，也就是未投入的轉(zhuǎn)移支路級(jí)對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組所承受的電壓，也恒等于母線電壓UM。由公式4-3可以看出，隨著轉(zhuǎn)移支路的不斷投入，x的增大使剩余未投入轉(zhuǎn)移支路級(jí)對(duì)應(yīng)的耗能之路MOV組啟動(dòng)電壓逐漸減小。此時(shí)接入線路的n-x級(jí)MOV組啟動(dòng)電壓Uq與實(shí)際承受電壓UD有以下兩種關(guān)系：當(dāng)Uq>UD時(shí)，n-x級(jí)MOV耗能支路不導(dǎo)通；此時(shí)耗能支路檢測(cè)不到故障電流，繼續(xù)投入之后的轉(zhuǎn)移支路，直到剩余MOV組啟動(dòng)電壓降低到斷路器兩端電壓（母線電壓）以下，形成Uq<UD的情況。當(dāng)Uq<UD時(shí)，n-x級(jí)MOV耗能支路導(dǎo)通；系統(tǒng)內(nèi)形成故障電流流通的閉合回路。如圖11，故障電流流經(jīng)混合式直流斷路器內(nèi)部已投入的轉(zhuǎn)移支路和達(dá)到啟動(dòng)電壓的未投入轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組。在耗能支路中檢測(cè)到故障電流，停止重合閘過程，不再投入剩余轉(zhuǎn)移支路，關(guān)斷已投入轉(zhuǎn)移支路的電力電子器件，故障電流重回耗能支路，斷路器進(jìn)行能量泄放，進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。圖1.2故障電流的流通回路圖1.3直流斷路器內(nèi)部電流流通回路分級(jí)投入轉(zhuǎn)移支路的重合閘方法同樣可以做到識(shí)別故障類型從而做出相應(yīng)的動(dòng)作，同步重合是通過檢測(cè)轉(zhuǎn)移支路的電流，分級(jí)重合是通過檢測(cè)耗能支路的電流。分級(jí)重合滿足基本的系統(tǒng)恢復(fù)要求，接下來(lái)將分析分級(jí)重合在重合瞬間引發(fā)的過電壓沖擊情況。1.1.2過電壓沖擊前文分析過，轉(zhuǎn)移支路同步投入重合時(shí)，引發(fā)過電壓沖擊的原因在于母線與故障隔離后的直流線路之間存在較大電壓差，重合瞬間相當(dāng)于直流系統(tǒng)突然串入了階躍直流電壓源-U，該電壓源幅值大小U正是未重合之前母線電壓與直流線路電壓之差，也是斷路器兩端電壓UD。在進(jìn)行分級(jí)重合時(shí)，該UD即未投入的n-α級(jí)轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組兩端電壓。1)發(fā)生暫時(shí)性故障時(shí)，隨著轉(zhuǎn)移支路的逐級(jí)投入，當(dāng)斷路器兩端電壓UD高于未投入的轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組啟動(dòng)電壓時(shí)，母線通過投入的轉(zhuǎn)移支路和導(dǎo)通的MOV組向無(wú)故障的直流線路輸送充電電流，使得線路的電壓升高，逐漸逼近母線電壓相應(yīng)的斷路器兩端電壓UD也隨之減小，并逐漸接近于0。而重合完成瞬間串入直流線路的階躍直流電壓源-U的幅值U正等于UD。在最后一級(jí)轉(zhuǎn)移支路重合瞬間，該直流電壓源-U=-UD突然串入系統(tǒng)，幅值也接近于0，故幾乎不會(huì)引起電壓突變。可以看出，分級(jí)重合于暫時(shí)性故障時(shí)，是通過母線流向直流線路的充電電流將母線與直流線路的電壓差逐漸削減至0，從而避免了過電壓沖擊的產(chǎn)生。2）發(fā)生永久性故障時(shí)，直流線路電壓受故障接地點(diǎn)限制恒為0，故斷路器兩端電壓恒為母線電壓UM。在轉(zhuǎn)移支路逐級(jí)投入的過程中，未投入的轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組啟動(dòng)電壓Uq逐漸減小，當(dāng)Uq仍高于UM時(shí),這些MOV組不導(dǎo)通。繼續(xù)投入，當(dāng)合下某一級(jí)轉(zhuǎn)移支路使得Uq小于UM時(shí)，斷路器兩端電壓達(dá)到MOV組導(dǎo)通啟動(dòng)電壓，斷路器瞬間進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)線路中將出現(xiàn)反向直流電壓源，分析可知，其幅值為-（Uq-UM），幅值極小，幾乎不會(huì)引起電壓突變。分級(jí)重合于永久性故障時(shí)，將同步重合會(huì)產(chǎn)生的電壓突變轉(zhuǎn)化成了一個(gè)逐漸增大的（Uq-UM）緩慢電壓變化，同樣避免了過電壓沖擊的產(chǎn)生。1.1.3適用性分析前文已分析過，同步重合閘會(huì)產(chǎn)生過電壓沖擊，因此當(dāng)線路兩端的斷路器都需要進(jìn)行重合時(shí)，為避免雙倍的過電壓沖擊，應(yīng)由一側(cè)斷路器先進(jìn)行重合閘，并通過檢測(cè)耗能支路電流判斷故障類型，隨后通過站間通信通知另一側(cè)斷路器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。而分級(jí)重合閘極大地減小了過電壓沖擊，并能實(shí)現(xiàn)合閘的自檢測(cè)自分?jǐn)?，線路兩側(cè)斷路器可以同時(shí)進(jìn)行重合閘，省去了站間通信的過程，避免了通信過程可能出現(xiàn)的干擾，減少了重合閘所需時(shí)間。1.2仿真分析在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中，搭建了如圖1.4所示的±500kV柔性直流電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型。其中，仿真模型參數(shù)采用如表1.1所示的系統(tǒng)參數(shù)，直流斷路器采混合式直流斷路器，直流線路采樣頻率響應(yīng)模型，換流站S1、S3、S4為功率恒定的控制站，換流站S2為直流電壓恒定的控制站。將混合式直流斷路器的轉(zhuǎn)移支路平均分成10組，每組轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊并聯(lián)的MOV組的觸發(fā)閾值電壓UMOV均為6kV。圖1.4四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)表1.1柔性直流電網(wǎng)主參數(shù)參數(shù)S1S2S3S4運(yùn)行方式雙極雙極雙極雙極運(yùn)行模式定功率定電壓定功率定功率額定直流電壓/kV±500±500±500±500換流站容量/MVA1600160032003200運(yùn)行功率/MW1250/2500-30002s時(shí)，在S3換流站和S4換流站之間的直流線路DL34中點(diǎn)位置處設(shè)置正極金屬接地故障。2.003s時(shí)，直流線路DL34兩側(cè)的混合式直流斷路器DB34、DB43接收跳閘動(dòng)作指令，執(zhí)行分?jǐn)嗖僮鳌?.006s時(shí)，故障電流開始減小并在15-20ms內(nèi)衰減至零。經(jīng)過300ms去游離過程，故障線路恢復(fù)絕緣，隨后位于S4換流站側(cè)的直流斷路器DB43進(jìn)行重合操作。直流斷路器DB43成功重合后100ms時(shí)刻，位于S3換流站側(cè)的直流斷路器DB34進(jìn)行重合操作。1.2.1重合于瞬時(shí)性故障2s時(shí)刻，設(shè)置S3換流站和S4換流站之間的直流線路DL34中點(diǎn)位置處發(fā)生瞬時(shí)性正極接地故障，故障持續(xù)時(shí)間小于300ms的去游離時(shí)間。兩種不同重合閘策略的混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊施加的控制信號(hào)如圖1.5所示。采用優(yōu)化前的傳統(tǒng)重合閘策略時(shí)，混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)處于同步工作模式；采用優(yōu)化重合閘策略時(shí)，混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)處于分步工作模式。圖1.5發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)給轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊施加的通斷信號(hào)仿真結(jié)果如圖1.6所示：圖1.6(a)中，優(yōu)化前，混合式直流斷路器DB43p兩端電壓從系統(tǒng)額定電壓瞬間降為零；優(yōu)化后，S4換流站通過未投入的轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組對(duì)正極直流線路DL34p進(jìn)行充電，DL34p的電壓逐漸升高至系統(tǒng)額定電壓，DB43p兩端電壓從系統(tǒng)額定電壓逐級(jí)降為零。圖1.6(b)中，優(yōu)化前，混合式直流斷路器DB43p的重合閘瞬間，直流電網(wǎng)系統(tǒng)突然串入反極性階躍直流電壓源，其幅值大小為系統(tǒng)額定電壓，因此故障線路DL34p出現(xiàn)幅值較大的電壓振蕩，最大振蕩幅值約為系統(tǒng)額定電壓的1.72倍；優(yōu)化后，由于充電電流的存在，直流線路的電壓不斷逼近系統(tǒng)額定電壓，最終串入直流電網(wǎng)系統(tǒng)的反極性階躍直流電壓源幅值大小近似為零，因此故障線路DL34p出現(xiàn)幅值較小的電壓振蕩。圖1.6(c)中，優(yōu)化前，位于正極直流線路的混合式直流斷路器DB34p重合時(shí)刻，由于其左端電壓處于系統(tǒng)額定直流電壓水平，而右端電壓為因DB43p重合而產(chǎn)生的較大振蕩電壓，因此DB34p的端口電壓呈現(xiàn)為幅值較大的振蕩電壓；優(yōu)化后，混合式直流斷路器DB34p重合時(shí)刻，由于其左端電壓處于系統(tǒng)額定直流電壓水平，且右端電壓為因DB43p重合而產(chǎn)生的幅值較小的振蕩電壓，因此DB34p的端口電壓呈現(xiàn)為幅值較小的振蕩電壓。圖1.6(d)中，優(yōu)化前，與因DB43p重合而產(chǎn)生的較大振蕩電壓相適應(yīng)，故障線路DL34p出現(xiàn)幅值相對(duì)較大的振蕩電流；優(yōu)化后，同理，與因DB43p重合而產(chǎn)生的較小振蕩電壓相適應(yīng)，故障線路DL34p出現(xiàn)幅值相對(duì)較小的振蕩電流。圖1.6(e)中，優(yōu)化前，距故障線路DL34p較遠(yuǎn)的S1換流站和S2換流站之間的正極直流線路DL12p出現(xiàn)較大電壓振蕩；優(yōu)化后，該條正極直流線路上沒有出現(xiàn)較大電壓振蕩。圖1.6(f)中，優(yōu)化前，距故障線路DL34p最近的S3換流站和S4換流站之間的負(fù)極直流線路DL34n出現(xiàn)較大電壓振蕩；優(yōu)化后，該條負(fù)極直流線路沒有出現(xiàn)較大電壓振蕩。圖1.6(g)和圖1.6(h)中，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的各換流站正、負(fù)極出口電流振蕩幅值較小。直流斷路器DB43p端口電壓正極直流線路DL34p電壓直流斷路器DB34p端口電壓正極直流線路DL34p兩側(cè)電流正極直流線路DL12p電壓負(fù)極直流線路DL34n電壓換流站正極出口電流換流站負(fù)極出口電流圖1.6瞬時(shí)性故障情況下的仿真結(jié)果1.2.2重合于永久性故障2s時(shí)刻，設(shè)置S3換流站和S4換流站之間的直流線路DL34中點(diǎn)位置處發(fā)生永久性正極接地故障。兩種不同重合閘策略的混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊施加的控制信號(hào)如圖1.7所示。采用優(yōu)化前的傳統(tǒng)重合閘策略時(shí)，檢測(cè)到故障后，處于同步工作模式的混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)立即全部關(guān)斷；采用優(yōu)化重合閘策略時(shí)，檢測(cè)到故障后，處于分步工作模式的混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)立即全部關(guān)斷。圖1.7發(fā)生永久性故障時(shí)給轉(zhuǎn)移支路電力電子模塊施加的通斷信號(hào)仿真結(jié)果如圖1.8所示：圖1.8(a)中，優(yōu)化前，轉(zhuǎn)移支路同步投入后會(huì)因檢測(cè)到故障未消除而再次關(guān)斷，混合式直流斷路器DB43p兩端電壓從系統(tǒng)額定電壓瞬間降為零并經(jīng)短暫振蕩后再次恢復(fù)為系統(tǒng)額定電壓；優(yōu)化后，轉(zhuǎn)移支路逐級(jí)投入的過程中會(huì)因檢測(cè)到故障未消除而關(guān)斷已投入的級(jí)數(shù)，但這一過程中，S4換流站將通過未投入的轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組對(duì)正極直流線路DL34p進(jìn)行短暫的放電，混合式直流斷路器DB43p兩端電壓從系統(tǒng)額定電壓降為某一大于零的值并經(jīng)短暫振蕩后恢復(fù)為系統(tǒng)額定電壓。圖1.8(b)中，優(yōu)化前，混合式直流斷路器DB43p轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)的同步導(dǎo)通時(shí)刻，雖然幅值為系統(tǒng)額定直流電壓水平的反極性直流電壓源突然串入直流電網(wǎng)，但是由于檢測(cè)到故障后混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)立即關(guān)斷，故障線路DL34p未出現(xiàn)較大的振蕩電壓；優(yōu)化后，混合式直流斷路器DB43p轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)的分步導(dǎo)通過程中，未投入的轉(zhuǎn)移支路對(duì)應(yīng)的耗能支路MOV組被觸發(fā)導(dǎo)通，DB43p兩端電壓為因小于系統(tǒng)額定直流電壓而觸發(fā)導(dǎo)通的金屬氧化物限壓器MOV的兩端電壓，伴隨因檢測(cè)到故障混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)的立即關(guān)斷，故障線路DL34p上出現(xiàn)幅值相對(duì)較小的振蕩電壓。圖1.8(c)中，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的位于正極直流線路的混合式直流斷路器DB34p的端口電壓振蕩幅值較小。圖1.8(d)中，不論是優(yōu)化前還是優(yōu)化后，伴隨混合式直流斷路器轉(zhuǎn)移支路電力電子開關(guān)模塊控制信號(hào)的導(dǎo)通與關(guān)斷，檢測(cè)到故障電流后，故障線路DL34p被再次阻斷。圖1.8(e)中，優(yōu)化前后，距故障線路DL34p較遠(yuǎn)的S1換流站和S2換流站之間的正極直流線路DL12p電壓振蕩幅值相近。圖1.8(f)中，與圖1.8(e)類似，優(yōu)化前后，距故障線路DL34p最近的負(fù)極直流線路DL34n電壓振蕩幅值相近。圖1.8(g)和圖1.8(h)中，因故障線路DL34p被快速再次阻斷，優(yōu)化前后，各換流站正、負(fù)極出口電流幾乎沒有電壓振蕩。直流斷路器DB43p端口電壓正極直流線路DL34p電壓直流斷路器DB34p端口電壓正極直流線路DL34p兩側(cè)電流正極直流線路DL12p電壓負(fù)極直流線路DL34n電壓