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中压直流配电系统暂态特性的仿真研究

关键词：中压直流配电系统，直流断路器，电磁暂态，仿真分析

摘要：本文重点研究了plusmn;10 kV / 1 kA中压直流配电系统的仿真分析。首先，提出了中压直流系统仿真模型的参数和拓扑结构。 然后，应用直流断路器，分析了PSCAD / EMTDC中直流系统的极间故障瞬态情况。最后，讨论了各种系统参数的影响。结果表明，系统参数对故障瞬态电压和电流的变化有较大影响。并且直流断路器将立即限制故障电流的峰值。这将为系统参数设置和设备选择的有价值的参考。

1 引言

电压等级低于plusmn;20 kV（中压直流配电等级）的直流配电系统在大容量电力传输，分布式能源接入，交流系统无功补偿供电等方面具有突出的优势。在城市电网供电和消费应用中，当前直流系统，尤其是柔性直流系统的研究是重要领域。研究安全、可靠、经济、稳定的直流配电网络具有巨大的市场价值和经济价值。直流电源配电系统拥有未来前景广阔。但是，现有的直流配电网络中的例子很少。由于直流主设备运行能力的限制，直流配电网的研究也主要针对低压直流电压水平。5 kV及以上直流电压缺乏适当的研究、模拟和测试结果的分析。本研究主要集中在AC / DC网络性能对比，直流配电网拓扑结构和控制方法，关键设备参数研究等方面。如果由于大容量和大电流直流配电网的应用于实际场合的中压直流配电系统，初步模拟演示是必不可少的。设备运行可靠性也与极端工作条件密切相关。系统在故障的情况下的瞬态特性必须在设备模型选择过程中进行模拟，特别是短路故障。短路故障电流、过电压和增加率对设备要求很高。因此，应讨论系统侧配电网参数对故障暂态的影响。本文建立了中压直流输电系统模型。研究了快速断路器对系统故障的影响。分析了系统参数对故障暂态的影响。

2仿真系统建模
2.1仿真模型设计

中压直流输电系统在交流侧和直流侧可大致分为两部分，其中交流侧主要由电流逆变器部分和交流网络侧部分组成。要选择灵活的AC系统进行仿真分析。电流逆变器结构如图1所示。上桥臂和下桥臂由可控电源电子开关元件和桥臂电感组成。交流网络侧包括交流侧电感和变压器。直流侧主要由电流转换器出口、电路或负载部分的限流电感组成。

图1：MMC-HVDC系统换流站的结构

这个系统按额定容量510 MW，额定电压10 kV，额定电流1 kA设计时满足中压直流配电系统的参数要求。设置参数时，应采用类似直流电压等级的参数和实际操作系统，包括Hellsjon、CNOOC Wenchang HVDC系统、IEEE AC标准系统等作为主要参考。单端系统仿真的关键组件参数如表1所示。

表1：直流系统的仿真参数。

选择较大的电极电容值和负载电抗值，以确保相对平滑的波形和较低的高频噪声。系统额定功率为20兆瓦。此外，该系统应配合混合直流断路器。分析了实际的运动过程和微观结构。 建立了混合直流断路器（机械开关和固态开关支路）两个主支路的动力学模型，用于分析瞬态下组件的动态电阻变化趋势。通过与建模过程中的数据相结合来设置相应的基准值。最后，采用动作顺序进行协作，保证在断路器短路故障时能够准确分离短路电流。

2.2简化仿真模型

在仿真过程中，简化了直流断路器外部的系统部分，主要包括交流侧和阀侧控制系统的两个简化方向。其中，由于故障过程主要与电极电容放电过程有关，因此AC侧影响较小，可以适当简化。此外，瞬态时间相对较短，阀侧桥臂的开关部件不能在不同阶段立即切换，使完整的控制系统比较复杂，也可以简化。 在控制系统简化方面，认为可以在故障过程中使用带消除AC / DC电源等效。相应的等效分支在故障时切换到模型中。模型简化示意图如图2所示。

图2：故障中模型等效简化

阀侧桥臂上下的四个分支模型也可以用于模拟当前柔性直流配电中经常采用的MMC系统。它可以模拟与单管开路进行比较PWM控制下的系统。由于在较小的模拟步长期间MMC系统中的模拟数据量和模拟时间较大，如果在一般分析过程中不需要具有非常高精度的仿真结果，则可以在控制部分中采用PWM控制进行仿真。本文采用PWM控制进行后续仿真控制。

3模拟结果分析
3.1直流断路器对系统故障暂态的影响

仿真分析软件采用PSCAD / EMTDC软件。对于plusmn;10 kV / 1 kA单端直流系统，最极端的情况是要考虑在内的。在电流转换器出口处设置了Interpoles，故障时间为0.6 s。故障在0.05秒后消失。在包含断路器（系统侧具有限压装置）和断路器动作的两种情况下的故障瞬变是对比的。波形如图3和图4所示。系统故障电压峰值出现在不包括断路器的故障切除时刻，约35kV；故障后10 ms出现故障电流峰值。目前的峰值接近9 kA。断路器内部波形如图5所示。故障通过断路器迅速排除。流过断路器的总电流峰值约为3.6kA。在故障识别后约135mu;s开始电流传输过程。电流传输过程约25mu;s左右结束。失效后，固态开关支路分离1.70 ms。RC缓冲分支和MOV限压吸收分支开始工作。4.50 ms后，电流首次降至0。整个动作过程持续时间为6毫秒。很明显，断路器可以快速断开故障电流，并限制故障电流峰值，从而保护系统设备不被破坏。

图3：没有直流断路器的系统的故障曲线（a：总体，b：部分）

图4：带有直流断路器的系统的故障曲线（a：总体，b：部分）

图5：直流断路器的故障电流曲线（a：总体，b：当前转移，c：能量吸收）

系统在单端系统仿真的基础上扩展到三端系统。系统模型如下所示：多端系统在故障阶段的电力变化情况下不同于单端系统。 电极短路故障时的电流增加率较高，主要是因为电极电容放电产生极间故障电流。单端系统中只有一对电极电容。多端系统通过多对电极电容放电。流过故障的电流增加率更高。此外，电压和电流波形变化基本相同。

3.2系统参数对故障瞬态的影响

电极电容的影响

接下来，分析系统参数对故障瞬态的影响。系统交流侧参数的功能，主要包括电极电容，限流电感等。首先，分析电极电容的影响。电极电容值分别设定为1500,3000,4500和3000mu;F。故障过程波形如图6和图7所示。电极电容在电极短路故障过程中通过故障点放电。因此，电极电容较大，短路峰值电流较高。相应的电流增加率也较大，电压下降率较小，恢复瞬态时的电压峰值较高。

限流电感的影响

考虑限流电感的作用。为了获得如图8和图9所示的故障处理波形，限流电感值分别设置为1、2、4、20和200mH。故障期间的限流电感类似于高频电抗。它可以限制短路电流峰值。通过降低短路电流增加率，短路电流峰值出现时间可以推迟。但是，故障排除后的恢复电压峰值将非常高。

图6：不同电极电容的故障电流比较

图7：不同电极电容的故障电压比较

图8：不同限流电感的故障电流比较

图9：不同限流电感的故障电压比较

负载电阻的影响

分析直流侧参数的功能，主要包括负载电阻，电路参数等。首先，要分析负载电阻的影响。负载电阻值分别设置为10、15、20和25Omega;，以获得如图10和图11所示的故障处理波形。如果不考虑恒定系统稳态电压或电流，则负载电阻较大，系统稳态电流较小，稳态电压较小;无论稳态电流大小如何，故障电流峰值在故障后为79 kV。达到峰值的时间约为10 ms，因为负载电阻在发生短路故障后对系统没有影响。然而，故障电压和电流增加率随负载电阻逐渐增加。故障电流峰值逐渐增加。在故障排除时，电压和电流增加率随着负载电阻的逐渐增加而增加。恢复电压产生振荡过程，振幅逐渐增大。

图10：不同负载电阻的故障电流比较。

图11：不同负载电阻的故障电压比较。

电路长度的影响

分析电路长度的影响。电路长度值分别设定为5、10、20和30米。故障过程波形如图12和图13所示。电路长度的微小变化几乎不影响稳态电压和稳态电流。对系统的影响应该是故障发生和排除后综合电路电阻，电感和电容的综合影响在根据各种影响因素在各种条件下对结果影响的比例确定的。总之，电路更长，故障电压和电流增加率更小。电压和电流峰值较低。达到故障后，稳态需要更长的时间。故障排除时恢复电压和电流增加率较小，电压和电流峰值较小。

图12：不同线长的故障电流比较。

图13：不同线长的故障电压比较。

4结论

在包含直流断路器的直流配电系统上实现了建模和仿真分析。观察到了故障过程中电路烧杯的内部电力变化情况。分析了瞬态过程中各阶段影响因素的作用。在对仿真精度要求较低的情况下，可采用故障过程中带消除交流电源支路等效电流变换器的系统外部特性和带阻DC源等效分支来模拟断路器的内部特性。考虑计算时间和计算能力有限的条件下，在模拟精度要求较低的情况下，可采用PWM控制下的电流变换器系统等效MMC系统。直流断路器可用于快速隔离故障电路，从而限制系统的短路电流峰值。电极电容值与故障电流峰值和恢复电压峰值成正比；限流电感可以限制短路电流峰值，但可以增加恢复电压峰值。负载电阻较大，故障电压和电流增加率较高。电路参数对系统瞬态特性的影响较小。当设计系统参数或提出断路器性能要求时，可以根据上述结论调整参数设置。可以保证故障瞬态过程中设备或设备的安全。

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资料编号：[4361]