高压直流缓冲器的建模分析范文

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《电网技术杂志》2015年第七期

基于常规直流及柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决中国新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一。然而，直流输电系统的阻尼相对较低，相对于交流输电系统，其故障电流发展更快，控制保护难度更大。中国大容量远距离直流输电系统中，直流侧故障约占直流系统故障的50%。为快速限制并切断故障电流，以维持直流输电系统的安全稳定运行并保护输电系统中的关键设备，高压直流断路器成为有效的技术手段。高压直流断路器可分为机械式高压直流断路器(mechanicalHVDCcircuitbreaker)、固态高压直流断路器(solid-stateHVDCcircuitbreaker)与混合式高压直流断路器(hybridHVDCcircuitbreaker)这3种形式。除直接采用直流断路器开断短路电流的方式以外，还可增加直流限流器以配合直流断路器开断短路电流。高压直流缓冲器是一种类变压器的直流短路电流抑制装置，其利用铁磁材料的涡流损耗和磁滞损耗来消耗短路电流的故障能量。

缓冲器的FBO模型由美国劳伦斯伯克利国家实验室的Fink、Baker和Owern三位学者建立，在缓冲器铁心不饱和的假设下，给出了缓冲器非线性等效电阻的计算方法，但该模型将缓冲器非线性等效电感视为无穷大而进行忽略。文献[17-18]通过消除FBO模型对于实际涡流等效电阻是其计算值2.5倍的假设，设计出更加紧凑的缓冲器。文献[19-21]给出了缓冲器非线性等效电感的计算公式，基于变压器理论并结合FBO模型，建立了时变电阻和时变电感并联的缓冲器非线性等效电路，并成功运用于先进实验超导托卡马克(experimentaladvancedsuperconductingTokamak，EAST)装置中性束注入系统的高压直流缓冲器设计。本文首先基于铁心材料的优化平行四边形磁滞回线和变压器基本理论，建立非线性电阻和非线性电感并联的高压直流缓冲器非线性等效模型。接着，分别进行实验验证和仿真验证，验证高压直流缓冲器对短路电流的抑制性能。然后，利用高压直流缓冲器非线性等效模型，分析其非线性等效电路的动态响应。最后，提出了一种高压直流缓冲器和高压直流断路器混合的高压直流短路保护方案。

1高压直流缓冲器的模型

高压直流缓冲器通过N个铁心磁环套在高压直流输电线上以实现对短路电流的抑制，类似于原边为单匝绕组的变压器，该单匝绕组为高压直流输电线，其结构示意如图1所示。图中：iA为短路电流；U0为杂散电容的初始电压；W为单个铁心叠片宽度；NC为串联的铁心叠片数；NL为单个铁心叠片层数；NT为传输线的匝数；r为传输线半径；r1、r0分别为铁心的内外半径。

1.1高压直流缓冲器的等效电路正常情况下，由于高压直流输电线上传输直流电，高压直流缓冲器对系统不产生影响；一旦发生短路，铁心的激磁电感将抑制短路电流峰值，并将故障能量消耗在激磁电阻上。如铁心的涡流损耗和磁滞损耗不足以消耗大部分故障能量，则可在铁心上增加一副边绕组，利用该绕组串联电阻消耗能量。根据变压器非线性模型的基本原理，高压直流缓冲器在没有副边绕组的情况下的等效电路如图2(a)所示。图中R1、X1分别为高压直流缓冲器原边绕组的电阻和漏电抗，分别代表输电线路的电阻和电抗；Rs、Xs分别为高压直流缓冲器铁心的激磁电阻和激磁电抗。激磁电阻和激磁电感均不是常量，其大小随着铁心磁路的饱和程度而变化。由于原边绕组阻抗比激磁阻抗小得多，因此可以将其忽略进而得到高压直流缓冲器的简化等效电路见图2(b)。

1.2高压直流缓冲器的数学模型由高压直流缓冲器的简化等效电路可知，对其进行数学建模只需确定高压直流缓冲器铁心的非线性电阻和非线性电感。

1.2.1高压直流缓冲器的非线性电阻高压直流缓冲器是一种利用铁磁材料涡流损耗和磁滞损耗消耗故障能量的保护装置。趋肤效应会降低铁心叠片的涡流电阻，并进一步地削弱铁心对故障能量的消耗能力。为减小趋肤效应的影响，提高铁心的涡流损耗，以增加铁心对故障电流的抑制能力，高压直流缓冲器将单个铁心叠片需分成NL层，如图1所示。文献[16-18]对每层叠片的饱和深度进行了分析。

1.2.2高压直流缓冲器的非线性电感高压直流缓冲器的激磁电感为非线性时变电感，其值与铁心磁路的饱和程度有关。铁心材料的平行四边形优化磁滞回线如图3所示。当缓冲器反向偏置电源通入反向偏置电流时，缓冲器铁心进入反向深度饱和点R；在系统正常工作时，传输线上的工作电流使得铁心的状态回到浅饱和区S；当发生故障时主回路电流会增大，使铁心由点S沿B-H曲线中的S-X-N-T-Y-Z-X-S移动。在Y-Z阶段，铁心的磁导率比较大，会产生很大的电感，对短路电流具有较大的抑制能力。

2高压直流缓冲器的验证

为验证高压直流缓冲器非线性模型的准确性及其工作性能，分别进行了短路实验和建模仿真，通过结果对比进行模型及性能验证。其中，高压直流缓冲器短路实验的配置如图4所示。在Matlab/Simulink中建立高压直流缓冲器的仿真模型，如图5所示。对高压直流缓冲器处于过阻尼和欠阻尼这2种状态，分别进行实验验证和仿真验证。铁心的详细参数如表1所示。

2.1高压直流缓冲器工作于过阻尼状态进行过阻尼实验验证和仿真验证时，系统的杂散电容为16.5nF，杂散电容的初始电压为42.1kV。短路电流的波形对比如图6所示。进一步地，将高压直流缓冲器短路电流的特征参数进行对比，如表2所示。由图6及表2所示，高压直流缓冲器工作于过阻尼状态时，仿真结果与实验结果基本吻合，从而验证了高压直流缓冲器模型的准确性。并且，高压直流缓冲器能够在很短的时间内较好地抑制短路电流。

2.2高压直流缓冲器工作于欠阻尼状态进行欠阻尼实验验证和仿真验证时，系统的杂散电容为4nF，杂散电容的初始电压为120kV。短路电流的波形对比如图7所示。由图7可知，高压直流缓冲器工作于欠阻尼状态时，仿真结果与实验结果基本吻合，从而验证了高压直流缓冲器模型的准确性。但是，短路电流出现振荡，短路故障没有得到有效的抑制。

3高压直流缓冲器的分析

直流输电系统发生短路故障时，若将系统的短路故障能量等效为杂散电容的储存能量，即2s0CU/2，并考虑到高压直流缓冲器的等效电路为非线性电阻与非线性电感并联，整个电路在忽略传输线阻抗的情况下为RLC并联电路。由于杂散电容具有初始电压，高压直流缓冲器等效电路的动态响应类似于RLC电路的零输入响应，如图8所示。

4高压直流缓冲器的应用

机械式直流断路器可以关断较大的电流，并具有成本低、损耗小等优点，但其开断速度较慢。固态直流断路器开断速度迅速，但其相关损耗较高，且价格昂贵。为克服两者的缺点，通过将机械式直流断路器和固态直流断路器集成在一个装置上，从而形成混合式断路器。混合式直流断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能，用快速机械开关来导通正常运行电流，用固态电力电子器件来分断短路电流，具有通态损耗小、开断时间短、无需专用冷却设备等优点，是目前高压直流断路器研发的新方向，有着广阔的应用前景。

除直接采用直流断路器开断短路电流的方式以外，还可以增加高压直流缓冲器以配合直流断路器开断短路电流。一种高压直流缓冲器和高压直流断路器混合的高压直流短路保护方案如图10所示。在正常情况下，高压直流缓冲器对直流输电系统不产生影响，保持在一低阻态，机械开关承载主回路电流，固态开关支路没有电流流过。当发生短路故障时，高压直流缓冲器的激磁电感将抑制短路电流的峰值，并将部分故障能量消耗在激磁电阻上。其余的短路电流由混合式直流断路器的固态开关断开。当机械开关打开以提供电流隔离时，在下一个电流过零点关断固态开关，其余的故障能量被能量吸收装置吸收。该高压直流缓冲器和高压直流断路器混合的高压直流短路保护方案，能够先将短路电流限制在某一较低的值，再将较低的短路电流开断。这将降低机械开关的熄弧难度和制造难度，减小功率半导体器件因关断大电流而引起的动态过压，同时可以提高开断容量。

5结语

本文对高压直流缓冲器的建模、分析及应用进行了研究。1）基于铁心材料的平行四边形优化磁滞回线和变压器基本理论，采用非线性电阻和非线性电感并联，建立高压直流缓冲器的模型，并分别在过阻尼及欠阻尼状态下进行实验验证和仿真验证，验证了高压直流缓冲器模型的准确性及对直流短路电流的抑制能力。2）利用高压直流缓冲器的模型，对其非线性等效电路进行了动态响应分析。缓冲器等效电路的动态响应类似于RLC电路的零输入响应。由分析结果可知，若使铁心具有明显的缓冲器效应，缓冲器等效电路应处于过阻尼状态，从而利用电阻效应消耗回路的短路能量，并使RLC回路无法形成振荡。3）提出了一种高压直流缓冲器和高压直流断路器混合的高压直流短路保护方案。该方案能够有效地抑制短路电流，减小开关的制造难度，并提高开断容量。在下一步的工作中，将深入开展相关研究和开发工作，并争取进行相关工程应用。

作者：屈鲁 李格 单位：中国科学院等离子体物理研究所