如何满足工程过电压与绝缘配合设计阶段的建模需要？

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孙燕冉

2021-11-5 09:45:10

柔性直流电网中的高压直流断路器在分断时会产生较大的操作过电压，这是工程设计时换流站和线路绝缘配合的关键参数。计算操作过电压的常用方法是进行电磁暂态仿真，直流断路器模型是仿真的基础。根据调研，在文献中最常采用的直流断路器模型是详细模型或集成模型。这两种模型具有较高的仿真精度，但是在建模时必须知道断路器具体的内部组件结构和各元件参数。在柔性直流电网工程过电压与绝缘配合设计阶段，可能断路器也处于研制阶段，所以建模时无法得到准确的断路器内部参数，导致设计和研究人员很难准确建立上述两种模型。在这种情况下应考虑建立断路器的端口等效模型。但是目前直流断路器端口等效模型的电路结构与参数确定方法均存在不足，难以满足工程过电压与绝缘配合设计阶段的建模需要。为解决这一问题，本文提出了一种新的端口等效模型，并详细阐述了本文模型的结构、动作策略以及参数确定方法。
要点
本文针对主流的混合式高压直流断路器，提出了用于柔性直流电网操作过电压仿真的断路器端口等效模型，如图1所示。S1、S2为时控开关，断路器闭合时2 个开关也闭合。当断路器开始分断后，S1的动作时刻为T1，T1约等于电网故障判断时间与断路器内部机械开关动作时间之和。S2则在S1分断后检测Ct支路电流it降为0时分断。Ct为电容，用于等效转移支路子模块中的电容，Ct可由断路器第2 次换流时间、断路器最大分断电流、断路器内避雷器残压计算得到。模型中用非线性电阻等效了耗能支路避雷器。

  图1 本文提出的端口等效模型
在实验室开展了断路器的短路电流分断试验，并利用提出方法建立了试验断路器的仿真模型，仿真结果与试验结果如图2所示。对比图中本文模型仿真结果和试验结果可知，本文提出的建模方法在仿真直流断路器操作过电压时具有较高的仿真精度，过电压峰值误差最大仅为3.1%。此前研究中常用的详细模型仿真结果基本与试验结果基本吻合。

图2 仿真结果与试验结果对比
最后，利用张北柔性直流电网验证了本文模型在柔直电网仿真中的适用性。多次仿真中，本文模型仿真得到的过电压峰值与详细模型仿真结果最大仅相差3.3%。

图3不同模型对康保站母线电压的仿真结果对比
主要结论
1)针对3种主流的混合式直流断路器——二极管全桥型、整流型和IGBT串联型，本文提出了1种建模便利的端口等效模型，该模型仅用2个时控开关、1个电容和1个非线性电阻即还原了整台断路器的端口特性。 2)本文模型的1个突出优点是，在建模时不需要断路器内部结构参数，直接降低了工程在进行过电压与绝缘配合设计时的参数获取难度。 3)在实验室开展了500 kV直流断路器的短路电流分断试验和张北工程的仿真。试验和仿真结果均证明了本文建模方法的有效性。在所有试验与电网仿真中，本文模型仿真过电压时的最大误差仅为3.3%。因此本文模块可以较为准确地仿真直流断路器的操作过电压。

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