可控避雷器基本控制策略的仿真研究及动模验证

张向龙，闫 鑫，户永杰，张良儒

(许继电气股份有限公司，河南 许昌 461400)

0 引 言

基于电网换相换流器(Line Commutated Converter，LCC)的常规直流输电系统由于晶闸管的半控特性，导致逆变站存在换相失败的风险[1-4]。采用全控型电力电子器件的电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)作为逆变站，形成LCC-VSC混合直流输电系统，不仅可以彻底解决换相失败的问题，而且具有独立的无功功率、有功功率控制等优势，成为近年来直流输电领域的研究热点[5-8]。但由于VSC过电压水平较低，因此，需要引入一定的辅助措施来限制系统故障时产生的直流过电压，保护VSC不受损坏[9-12]。文献[13]阐述了混合直流输电系统中VSC电气应力的产生机理，并提出加装泄能装置可以有效抑制VSC电气应力；文献[14]阐述了可控避雷器的工作原理，并通过仿真验证了可控避雷器限制过电压的效果。上述研究大多基于理论和仿真分析，没有涉及到可控避雷器动作时的实际物理过程。

为验证可控避雷器在实际系统中抑制过电压的基本控制逻辑和保护水平，搭建了基于可控避雷器的混合直流输电动模试验系统，通过模拟受端系统网侧电压跌落故障，来验证可控避雷器的控制逻辑和抑制过电压的物理过程。

1 混合直流输电动模试验系统设计

LCC-VSC混合直流输电动模试验系统采用单极高低端阀组串联结构[15-16]，送端高低端阀组均采用6脉动LCC(LCC1/LCC2)；受端高端阀组采用6脉动LCC(LCC3)，低端阀组采用3组21电平VSC并联(VSC1-3)，系统拓扑结构如图1所示。系统运行方式为：送端LCC1/LCC2运行在定直流电流模式，LCC3运行在定直流电压模式，VSC1运行在定直流电压模式，VSC2-3运行在定功率模式。系统额定直流电压4 kV，额定直流电流10 A。

2 可控避雷器动模试验拓扑设计

可控避雷器主电路由避雷器可控部分、避雷器固定部分、电力电子开关K及快速机械开关组成，其拓扑结构如图2所示。在系统正常运行时，电力电子开关K断开，避雷器固定部分和可控部分共同承受母线电压；系统故障时，当检测到VSC子模块电压大于保护阈值时，开关K闭合，避雷器可控部分被短接，系统母线最高电压仅为避雷器固定部分的残压，可以深度降低系统的过电压水平，保护VSC设备不受损坏。当避雷器固定部分吸收的能量达到其保护值后，快速机械开关闭合，以保证避雷器固定部分不受损坏。可控避雷器动模试验的具体参数如表1～2所示。

图1 LCC-VSC混合直流输电动模试验系统拓扑结构

图2 可控避雷器拓扑结构

表1 避雷器可控部分参数

表2 避雷器固定部分参数

3 可控避雷器控制保护策略

3.1 可控避雷器动模系统控制保护架构

动模控制保护系统采用许继HCM3000机箱，基于分层配置的原则，送端配置极控机箱1台，阀组控制机箱2台，采样接口机箱1台；受端配置极控机箱1台，阀组控制机箱4台。系统架构如图3所示。

图3 控制保护系统架构

图中，PCP表示极控制机箱，CCP表示阀组控制机箱，BCP表示可控避雷器控制机箱，VCU表示MMC阀控机箱，VBE表示LCC阀控机箱，PPR表示极保护机箱，CPR表示阀组保护机箱。

图3预估了不同装置的处理时间及装置之间的通讯延时。各个阀组的控制和保护机箱是独立配置的，因此在某个VSC发生故障后，故障VSC会迅速进行保护动作，而非故障VSC则需等待故障VSC阀组保护机箱向极控制机箱发送故障信息通讯、极控制机箱逻辑处理、极控制机箱向非故障VSC下发保护动作等一些系列延时后才有效进行动作。

可控避雷器能量通过积分计算实现，当检测到避雷器固定部分两端电压大于2.4 kV时，开始计算可控避雷器能量，计算式如下。

式中：UCA为避雷器固定部分端电压；ICA为通过避雷器固定部分的电流；WCA为避雷器固定部分吸收的能量。

3.2 可控避雷器动模系统保护策略

可控避雷器动模系统保护策略如图4所示。

可控避雷器投入判据为：任一VSC的任一桥臂子模块平均电压达到130 V。其中每个VSC阀控MVCE计算6个桥臂的子模块电容电压判据值，如果某个桥臂子模块电容电压判据值大于阈值，则向极控上传子模块电容电压越限信号。极控收集3个VSC阀控MVCE上送的子模块电容电压越限信号，综合处理发出可控避雷器投切信号。可控避雷器投入后，极控实时计算避雷器固定部分吸收的能量值，若吸收能量值大于越限值，则闭合快速BPS，闭锁VSC阀组，系统低端阀组退出系统运行。

4 仿真及动模试验结果

图5为VSC网侧电压跌落期间动模试验波形。可以看出，当VSC桥臂电压达到2 600 V(子模块电压130 V)时，避雷器可控部分切除，避雷器固定部分端电压瞬间上升至VSC阀组端口电压，避雷器固定部分导通，吸收盈余能量，VSC阀组端口电压被限制在一定水平，最高达到约2 755 V。整个过程流经避雷器固定部分的最大电流约5.36 A，避雷器固定部分吸收能量约1 872 J。图6为VSC网侧电压跌落期间PSCAD仿真波形。与动模试验波形对比，二者相关电气量波形变化趋势一致性较高，有效验证了可控避雷器的控制逻辑和限制过电压的能力。

图4 动模系统保护策略

图5 VSC交流电压跌落故障时动模试验波形

图6 VSC交流电压跌落故障时PSCAD仿真波形

5 结 语

可控避雷器能够有效限制系统故障所产生的过电压，降低VSC子模块电容电压，保证VSC阀子模块在系统故障时不受损坏。

可控避雷器的控制保护逻辑是合理有效的，在检测到子模块电压达到阈值后，避雷器可控部分能够可靠投入；检测到子模块电压恢复到正常水平后，避雷器可控部分能够合理退出。