高壓直流緩沖器的建模分析范文

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《電網技術雜志》2015年第七期

基于常規直流及柔性直流的多端直流輸電和直流電網技術是解決中國新能源并網和消納問題的有效技術手段之一。然而，直流輸電系統的阻尼相對較低，相對于交流輸電系統，其故障電流發展更快，控制保護難度更大。中國大容量遠距離直流輸電系統中，直流側故障約占直流系統故障的50%。為快速限制并切斷故障電流，以維持直流輸電系統的安全穩定運行并保護輸電系統中的關鍵設備，高壓直流斷路器成為有效的技術手段。高壓直流斷路器可分為機械式高壓直流斷路器(mechanicalHVDCcircuitbreaker)、固態高壓直流斷路器(solid-stateHVDCcircuitbreaker)與混合式高壓直流斷路器(hybridHVDCcircuitbreaker)這3種形式。除直接采用直流斷路器開斷短路電流的方式以外，還可增加直流限流器以配合直流斷路器開斷短路電流。高壓直流緩沖器是一種類變壓器的直流短路電流抑制裝置，其利用鐵磁材料的渦流損耗和磁滯損耗來消耗短路電流的故障能量。

緩沖器的FBO模型由美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Fink、Baker和Owern三位學者建立，在緩沖器鐵心不飽和的假設下，給出了緩沖器非線性等效電阻的計算方法，但該模型將緩沖器非線性等效電感視為無窮大而進行忽略。文獻[17-18]通過消除FBO模型對于實際渦流等效電阻是其計算值2.5倍的假設，設計出更加緊湊的緩沖器。文獻[19-21]給出了緩沖器非線性等效電感的計算公式，基于變壓器理論并結合FBO模型，建立了時變電阻和時變電感并聯的緩沖器非線性等效電路，并成功運用于先進實驗超導托卡馬克(experimentaladvancedsuperconductingTokamak，EAST)裝置中性束注入系統的高壓直流緩沖器設計。本文首先基于鐵心材料的優化平行四邊形磁滯回線和變壓器基本理論，建立非線性電阻和非線性電感并聯的高壓直流緩沖器非線性等效模型。接著，分別進行實驗驗證和仿真驗證，驗證高壓直流緩沖器對短路電流的抑制性能。然后，利用高壓直流緩沖器非線性等效模型，分析其非線性等效電路的動態響應。最后，提出了一種高壓直流緩沖器和高壓直流斷路器混合的高壓直流短路保護方案。

1高壓直流緩沖器的模型

高壓直流緩沖器通過N個鐵心磁環套在高壓直流輸電線上以實現對短路電流的抑制，類似于原邊為單匝繞組的變壓器，該單匝繞組為高壓直流輸電線，其結構示意如圖1所示。圖中：iA為短路電流；U0為雜散電容的初始電壓；W為單個鐵心疊片寬度；NC為串聯的鐵心疊片數；NL為單個鐵心疊片層數；NT為傳輸線的匝數；r為傳輸線半徑；r1、r0分別為鐵心的內外半徑。

1.1高壓直流緩沖器的等效電路正常情況下，由于高壓直流輸電線上傳輸直流電，高壓直流緩沖器對系統不產生影響；一旦發生短路，鐵心的激磁電感將抑制短路電流峰值，并將故障能量消耗在激磁電阻上。如鐵心的渦流損耗和磁滯損耗不足以消耗大部分故障能量，則可在鐵心上增加一副邊繞組，利用該繞組串聯電阻消耗能量。根據變壓器非線性模型的基本原理，高壓直流緩沖器在沒有副邊繞組的情況下的等效電路如圖2(a)所示。圖中R1、X1分別為高壓直流緩沖器原邊繞組的電阻和漏電抗，分別代表輸電線路的電阻和電抗；Rs、Xs分別為高壓直流緩沖器鐵心的激磁電阻和激磁電抗。激磁電阻和激磁電感均不是常量，其大小隨著鐵心磁路的飽和程度而變化。由于原邊繞組阻抗比激磁阻抗小得多，因此可以將其忽略進而得到高壓直流緩沖器的簡化等效電路見圖2(b)。

1.2高壓直流緩沖器的數學模型由高壓直流緩沖器的簡化等效電路可知，對其進行數學建模只需確定高壓直流緩沖器鐵心的非線性電阻和非線性電感。

1.2.1高壓直流緩沖器的非線性電阻高壓直流緩沖器是一種利用鐵磁材料渦流損耗和磁滯損耗消耗故障能量的保護裝置。趨膚效應會降低鐵心疊片的渦流電阻，并進一步地削弱鐵心對故障能量的消耗能力。為減小趨膚效應的影響，提高鐵心的渦流損耗，以增加鐵心對故障電流的抑制能力，高壓直流緩沖器將單個鐵心疊片需分成NL層，如圖1所示。文獻[16-18]對每層疊片的飽和深度進行了分析。

1.2.2高壓直流緩沖器的非線性電感高壓直流緩沖器的激磁電感為非線性時變電感，其值與鐵心磁路的飽和程度有關。鐵心材料的平行四邊形優化磁滯回線如圖3所示。當緩沖器反向偏置電源通入反向偏置電流時，緩沖器鐵心進入反向深度飽和點R；在系統正常工作時，傳輸線上的工作電流使得鐵心的狀態回到淺飽和區S；當發生故障時主回路電流會增大，使鐵心由點S沿B-H曲線中的S-X-N-T-Y-Z-X-S移動。在Y-Z階段，鐵心的磁導率比較大，會產生很大的電感，對短路電流具有較大的抑制能力。

2高壓直流緩沖器的驗證

為驗證高壓直流緩沖器非線性模型的準確性及其工作性能，分別進行了短路實驗和建模仿真，通過結果對比進行模型及性能驗證。其中，高壓直流緩沖器短路實驗的配置如圖4所示。在Matlab/Simulink中建立高壓直流緩沖器的仿真模型，如圖5所示。對高壓直流緩沖器處于過阻尼和欠阻尼這2種狀態，分別進行實驗驗證和仿真驗證。鐵心的詳細參數如表1所示。

2.1高壓直流緩沖器工作于過阻尼狀態進行過阻尼實驗驗證和仿真驗證時，系統的雜散電容為16.5nF，雜散電容的初始電壓為42.1kV。短路電流的波形對比如圖6所示。進一步地，將高壓直流緩沖器短路電流的特征參數進行對比，如表2所示。由圖6及表2所示，高壓直流緩沖器工作于過阻尼狀態時，仿真結果與實驗結果基本吻合，從而驗證了高壓直流緩沖器模型的準確性。并且，高壓直流緩沖器能夠在很短的時間內較好地抑制短路電流。

2.2高壓直流緩沖器工作于欠阻尼狀態進行欠阻尼實驗驗證和仿真驗證時，系統的雜散電容為4nF，雜散電容的初始電壓為120kV。短路電流的波形對比如圖7所示。由圖7可知，高壓直流緩沖器工作于欠阻尼狀態時，仿真結果與實驗結果基本吻合，從而驗證了高壓直流緩沖器模型的準確性。但是，短路電流出現振蕩，短路故障沒有得到有效的抑制。

3高壓直流緩沖器的分析

直流輸電系統發生短路故障時，若將系統的短路故障能量等效為雜散電容的儲存能量，即2s0CU/2，并考慮到高壓直流緩沖器的等效電路為非線性電阻與非線性電感并聯，整個電路在忽略傳輸線阻抗的情況下為RLC并聯電路。由于雜散電容具有初始電壓，高壓直流緩沖器等效電路的動態響應類似于RLC電路的零輸入響應，如圖8所示。

4高壓直流緩沖器的應用

機械式直流斷路器可以關斷較大的電流，并具有成本低、損耗小等優點，但其開斷速度較慢。固態直流斷路器開斷速度迅速，但其相關損耗較高，且價格昂貴。為克服兩者的缺點，通過將機械式直流斷路器和固態直流斷路器集成在一個裝置上，從而形成混合式斷路器。混合式直流斷路器結合了機械開關良好的靜態特性與電力電子器件良好的動態性能，用快速機械開關來導通正常運行電流，用固態電力電子器件來分斷短路電流，具有通態損耗小、開斷時間短、無需專用冷卻設備等優點，是目前高壓直流斷路器研發的新方向，有著廣闊的應用前景。

除直接采用直流斷路器開斷短路電流的方式以外，還可以增加高壓直流緩沖器以配合直流斷路器開斷短路電流。一種高壓直流緩沖器和高壓直流斷路器混合的高壓直流短路保護方案如圖10所示。在正常情況下，高壓直流緩沖器對直流輸電系統不產生影響，保持在一低阻態，機械開關承載主回路電流，固態開關支路沒有電流流過。當發生短路故障時，高壓直流緩沖器的激磁電感將抑制短路電流的峰值，并將部分故障能量消耗在激磁電阻上。其余的短路電流由混合式直流斷路器的固態開關斷開。當機械開關打開以提供電流隔離時，在下一個電流過零點關斷固態開關，其余的故障能量被能量吸收裝置吸收。該高壓直流緩沖器和高壓直流斷路器混合的高壓直流短路保護方案，能夠先將短路電流限制在某一較低的值，再將較低的短路電流開斷。這將降低機械開關的熄弧難度和制造難度，減小功率半導體器件因關斷大電流而引起的動態過壓，同時可以提高開斷容量。

5結語

本文對高壓直流緩沖器的建模、分析及應用進行了研究。1）基于鐵心材料的平行四邊形優化磁滯回線和變壓器基本理論，采用非線性電阻和非線性電感并聯，建立高壓直流緩沖器的模型，并分別在過阻尼及欠阻尼狀態下進行實驗驗證和仿真驗證，驗證了高壓直流緩沖器模型的準確性及對直流短路電流的抑制能力。2）利用高壓直流緩沖器的模型，對其非線性等效電路進行了動態響應分析。緩沖器等效電路的動態響應類似于RLC電路的零輸入響應。由分析結果可知，若使鐵心具有明顯的緩沖器效應，緩沖器等效電路應處于過阻尼狀態，從而利用電阻效應消耗回路的短路能量，并使RLC回路無法形成振蕩。3）提出了一種高壓直流緩沖器和高壓直流斷路器混合的高壓直流短路保護方案。該方案能夠有效地抑制短路電流，減小開關的制造難度，并提高開斷容量。在下一步的工作中，將深入開展相關研究和開發工作，并爭取進行相關工程應用。

作者：屈魯 李格 單位：中國科學院等離子體物理研究所