馬 鋆

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

時(shí)代飛速發(fā)展伴隨著環(huán)境破壞和能源匱乏問(wèn)題的日益突出。在城市配電網(wǎng)系統(tǒng)中，相對(duì)于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)逐漸體現(xiàn)出造價(jià)成本低、供電可靠性高、線路傳輸損耗小等優(yōu)勢(shì)[1]。與此同時(shí)，直流配電網(wǎng)也面臨著發(fā)生故障時(shí)，故障電流大且上升速度快等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)直流配電網(wǎng)的研究尚處于起步階段，因此對(duì)于直流配電網(wǎng)故障保護(hù)策略研究的需求愈發(fā)迫切[2-3]。

直流配電網(wǎng)保護(hù)主要有兩種形式，其一是基于固定區(qū)域的單元式保護(hù)，如傳統(tǒng)的過(guò)電流和差動(dòng)保護(hù)；其二是基于非固定區(qū)域的非單元式保護(hù)，如微分欠壓保護(hù)、行波保護(hù)和電流變化率保護(hù)等[4]。國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)也對(duì)上述各種保護(hù)策略做過(guò)研究和改進(jìn)。文獻(xiàn)[5]根據(jù)處于不同母線處的換流器并聯(lián)電容之間的放電特征差異，設(shè)計(jì)出以電流微分變化限值為判據(jù)的方法；文獻(xiàn)[6]提出適用于雙端直流配電網(wǎng)的基于本地測(cè)量的反時(shí)限電流方差保護(hù)方案，以電流方差代替電流值作為故障判據(jù)；文獻(xiàn)[7]通過(guò)判定單端電流最大微分量是否達(dá)到限值以及電流方向信息來(lái)區(qū)分各種故障類型；文獻(xiàn)[8]以電壓突變量和電流突變量方向特征結(jié)合構(gòu)成保護(hù)原理；文獻(xiàn)[9]通過(guò)比較相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)電流極性實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障定位；文獻(xiàn)[10]以電流突變量斜率方向作為故障表征量，區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障；文獻(xiàn)[11]提出先閉鎖后隔離故障的順序，閉鎖后由于直流線路只存在流向故障點(diǎn)的放電電流，根據(jù)放電電流方向可判斷故障線路，但只對(duì)輻射狀系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，且缺乏發(fā)生換流器無(wú)法閉鎖時(shí)保護(hù)拒動(dòng)的保護(hù)手段。

本文在此基礎(chǔ)上提出基于電流方向信息為主保護(hù)和電流變化率信息為后備保護(hù)的三端環(huán)形直流配電網(wǎng)保護(hù)策略，主保護(hù)系統(tǒng)在故障暫態(tài)下，以電流方向信息為啟動(dòng)判據(jù)，判斷并隔離故障線路；當(dāng)主保護(hù)出現(xiàn)閉鎖故障拒動(dòng)時(shí)，后備保護(hù)根據(jù)線路兩端電流變化率極性關(guān)系區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，實(shí)現(xiàn)故障判別和隔離。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本器件

1.1 直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種形式:單端輻射狀、雙端手拉手狀以及多端環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，單端輻射狀配電網(wǎng)由于只有單端電源供電，當(dāng)直流母線或高電壓等級(jí)線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大面積停電和電網(wǎng)癱瘓，供電可靠性低；而雙端手拉手狀配電網(wǎng)在一端發(fā)生故障時(shí)，可由另一端電源作為備用電源，保證正常線路的供電。隨著社會(huì)發(fā)展，新型用電設(shè)備層出不窮，用電負(fù)荷增長(zhǎng)和城市配電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對(duì)供電的可靠性要求更高，此時(shí)多端型直流配電網(wǎng)便具有良好的應(yīng)用前景[12]。目前，國(guó)內(nèi)外研究較多的是的雙端配電網(wǎng)，對(duì)于多端型配電網(wǎng)的研究相對(duì)較少，故本文選擇三端環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)作為研究對(duì)象。該系統(tǒng)由三端交流源經(jīng)MMC換流器與直流母線相連接，線路首末端配備分段器、直流斷路器和電流信息檢測(cè)模塊等設(shè)備，電源電壓等級(jí)為10 kV，直流母線極間電圧為20 kV，構(gòu)成可以穩(wěn)定運(yùn)行的三端環(huán)形直流配電網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 三端環(huán)形直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 1 Topology structure of three-terminal annular DC distribution network

1.2 MMC的基本工作原理和故障暫態(tài)過(guò)程

1.2.1 MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖2(a)所示為常見(jiàn)的三相MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ABC三相接入三相電壓電網(wǎng)，每相由上、下兩個(gè)橋臂組成，共6個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)結(jié)構(gòu)相同的子模塊和一個(gè)橋臂電感串聯(lián)而成，橋臂電感可進(jìn)一步改進(jìn)成電抗器，以減少諧波和抑制故障暫態(tài)下的沖擊電流，提高系統(tǒng)可靠性。Udc為直流側(cè)電壓。圖2(b)為三相MMC子模塊半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，子模塊主要由兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管和一個(gè)儲(chǔ)能電容組成。

(a) MMC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(b) MMC子模塊結(jié)構(gòu)圖2 MMC主電路及子模塊結(jié)構(gòu)Fig. 2 MMC main circuit and sub-module structure

1.2.2 MMC的基本工作原理

MMC的工作原理主要根據(jù)子模塊IGBT開(kāi)關(guān)方式組合可分為3種工作模式:

T1，T2都處于閉鎖狀態(tài)，正向電流通過(guò)時(shí)，對(duì)子模塊電容充電，反向電流通過(guò)時(shí)，電容處于旁路狀態(tài)，此模式稱為閉鎖模式。

T1處于導(dǎo)通、T2處于閉鎖狀態(tài)，正向電流通過(guò)時(shí)，對(duì)子模塊電容充電，反向電流通過(guò)時(shí)，子模塊電容放電，此模式稱為投入模式。

T1處于閉鎖、T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，正向和反向電流通過(guò)時(shí)，子模塊電容都處于旁路狀態(tài)，此模式稱為切除模式。

在MMC工作時(shí)，通過(guò)控制每相上下橋臂子模塊的工作模式和使用數(shù)量，疊加各子模塊輸出電壓和調(diào)整上下橋臂電壓間的比率，再通過(guò)NLM控制策略以達(dá)到在交流側(cè)得到期望的多電平階梯電壓輸出，并且實(shí)現(xiàn)在直流側(cè)得到幅值約為恒定不變的Udc電壓值[15]。

1.2.3 MMC故障暫態(tài)過(guò)程

MMC子模塊在故障時(shí)主要經(jīng)歷3個(gè)階段狀態(tài)，分別為電容放電階段、不受控整流階段和不受控整流穩(wěn)定階段。

電容放電階段:電容放電階段主要為閉鎖前處于投入模式下的子模塊電容放電，子模塊電容以及線路電感電阻構(gòu)成二階RLC放電電路，此時(shí)直流電流都上升迅速，電壓迅速下降。

不受控整流階段：不受控整流階段開(kāi)始時(shí)，IGBT閉鎖，交流測(cè)電源通過(guò)反并聯(lián)二極管續(xù)流與橋臂電抗殘存能量以及子模塊電容同時(shí)向故障點(diǎn)放電。

不受控整流穩(wěn)定階段：經(jīng)歷不受控整流穩(wěn)定階段時(shí)，因?yàn)樽幽K電容和橋臂電抗殘存能量放電逐漸衰減為0，此時(shí)僅有交流側(cè)電源放電，形成穩(wěn)態(tài)故障電流。由于直流配電網(wǎng)不論發(fā)生單極接地故障或者極間短路故障時(shí)，故障電流都上升迅速，交流側(cè)相當(dāng)于三相短路，對(duì)電力系統(tǒng)危害極大，所以應(yīng)當(dāng)在換流器閉鎖后，在短時(shí)間內(nèi)，通過(guò)直流斷路器將故障線路切斷隔離，保護(hù)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

2 保護(hù)策略原理及啟動(dòng)判據(jù)

2.1 基于電流方向的主保護(hù)

根據(jù)換流器故障暫態(tài)下的放電特性，先將換流器閉鎖，停止各端功率傳輸，設(shè)計(jì)主保護(hù)系統(tǒng)。如圖3，圖3中有1，2，3三個(gè)換流站，1為送端，2和3為受端，設(shè)定電流從電源側(cè)流入線路電流方向?yàn)檎?，反之，從線路流向電源側(cè)方向?yàn)樨?fù)。

設(shè)檢測(cè)到的線路電流分為首端IF和末端IE，電流方向?yàn)檎O(shè)為A，為負(fù)設(shè)為B，則可設(shè)立主保護(hù)判據(jù)：

(1)

(2)

如果

(DIF)·(DIE)=1x∈{A,B}

(3)

則為區(qū)內(nèi)故障，斷路器動(dòng)作；反之為-1，則為區(qū)外故障斷路器不動(dòng)作。

圖3 故障線路電流流向Fig. 3 Current flow of fault line

系統(tǒng)正常運(yùn)行下，線路L3首端電流方向DIF經(jīng)檢測(cè)為從母線M1流入線路L3，由式(1)得DIF值為1；末端電流方向DIE為從線路L3流入母線M3，由式(2)得DIE值為-1。此時(shí)式(3)值為-1，依照保護(hù)判據(jù)，斷路器不動(dòng)作，系統(tǒng)正常運(yùn)行。如圖3所示，假設(shè)線路L3上F處發(fā)生極間短路故障，此時(shí)三端換流器閉鎖，換流器電容向故障點(diǎn)放電，流入負(fù)極形成故障電流回路。線路L3的DIF值為1，而DIE值也為1，此時(shí)式(3)值DIE為1，依照保護(hù)判據(jù)，斷路器動(dòng)作，并且啟動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)。由于線路L1和線路L2電流流向都從換流器2流向故障點(diǎn)，式(3)值都為-1，故線路L1和線路L2上的斷路器不動(dòng)作，從而切斷并隔離故障線路，待故障恢復(fù)后，可保持非故障線路正常運(yùn)行。

2.2 基于電流變化率的后備保護(hù)

當(dāng)發(fā)生換流器閉鎖故障時(shí)，主保護(hù)拒動(dòng)，此時(shí)線路中不僅只有故障電流，為方便分析，僅分析雙端系統(tǒng)，根據(jù)疊加原理得到等效電路如圖4所示。

(a) 正常運(yùn)行下雙端等效電路 (b) 區(qū)內(nèi)故障

(c) 整流側(cè)區(qū)外故障 (d) 逆變側(cè)區(qū)外故障

與主保護(hù)原理相似，參考方向都以電源側(cè)流向線路電流方向?yàn)檎O(shè)故障電流突變量變化率極性為故障表征量，如圖4(a)所示，正常運(yùn)行情況下，IR=-II，兩側(cè)為等效整流側(cè)和逆變側(cè)電源。

則不同故障暫態(tài)下有:

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)，兩側(cè)突變電流方向相同，ΔIR和ΔII都為正值，即ΔIR>0，ΔII>0；當(dāng)整流側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，兩側(cè)突變電流方向相反，即ΔIR<0，ΔII>0；當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，兩側(cè)突變電流方向仍相反，即ΔIR>0，ΔII<0。

由于電氣量較集中于低頻帶，故對(duì)信號(hào)做低頻處理后，得到電流突變量變化率。

整流側(cè)電流變化率:

逆變側(cè)電流變化率:

根據(jù)電流變化率的實(shí)際數(shù)值，只取其正負(fù)值符號(hào)即可對(duì)應(yīng)極性關(guān)系，故可設(shè)判據(jù):若

則為區(qū)內(nèi)故障，斷路器動(dòng)作；反之為-1，則為區(qū)外故障，斷路器不動(dòng)作。

由于主保護(hù)和后備保護(hù)都以電流信號(hào)為判據(jù)來(lái)源，可得到保護(hù)策略流程圖(圖5)。

圖5 保護(hù)策略流程圖Fig. 5 Protection policy flow chart

3 仿真驗(yàn)證

本文在PSCAD/EMDTC環(huán)境中搭建三端環(huán)形直流配電網(wǎng)，三端換流站各相距20 km，仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s，故障發(fā)生在6 s時(shí)刻。

3.1 主保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障仿真

設(shè)6 s時(shí)刻在換流站2—3之間線路上10 km處發(fā)生極間短路故障，由于主保護(hù)判據(jù)根據(jù)故障電流方向?yàn)楸碚髁?，而在?shí)際仿真中方向可以通過(guò)規(guī)定參考方向與故障電流波形極性相對(duì)應(yīng)，從而表達(dá)電流方向，當(dāng)故障電流為正值時(shí)即為正向，為負(fù)值時(shí)為負(fù)向。當(dāng)換流站2—3發(fā)生故障時(shí)，主保護(hù)仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) 站2—3首端雙極電流

如圖6所示，當(dāng)換流站1—3線路發(fā)生故障時(shí)，2—3 線路首端和末端雙極電流值大小同極性，即與設(shè)定參考方向相對(duì)應(yīng)，首末端正負(fù)極電流方向同為正，根據(jù)保護(hù)判據(jù)，DIF與DIE乘值都為1，主保護(hù)能在 2 ms 內(nèi)判斷故障線路為區(qū)內(nèi)故障，啟動(dòng)保護(hù)，跳閘相關(guān)斷路器隔離故障線路；此時(shí)換流站1—2間非故障線路正負(fù)極電流方向?qū)?yīng)相反，則DIF與DIE乘值都為-1，為區(qū)外故障，主保護(hù)不啟動(dòng)，有效保證其他線路不會(huì)誤動(dòng)和故障線路的切除。

3.2 后備保護(hù)區(qū)內(nèi)外故障仿真

當(dāng)系統(tǒng)中換流器出現(xiàn)無(wú)法閉鎖的情況下啟動(dòng)后備保護(hù)。同主保護(hù)工況，發(fā)生故障后，線路兩端通過(guò)檢測(cè)計(jì)算電流變化率，判別其極性從而實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)，如圖7所示。

(a) 站2—3首末端正極電流變化率

如圖7所示，當(dāng)換流站2—3發(fā)生故障時(shí)，首末端正負(fù)極電流變化率極性相同，故障識(shí)別判定為1，根據(jù)保護(hù)判據(jù)判別故障為區(qū)內(nèi)故障，后備保護(hù)啟動(dòng)，切斷隔離故障線路；而此時(shí)換流站1—2間非故障線路首末端正極電流變化率極性相反，故障識(shí)別判定為-1，根據(jù)保護(hù)判據(jù)判別故障為區(qū)外故障，保護(hù)不啟動(dòng)。同時(shí)也有效區(qū)分了區(qū)內(nèi)外故障，且其他正常線路不啟動(dòng)，彌補(bǔ)了換流閉鎖故障下主保護(hù)拒動(dòng)的不足。本文驗(yàn)證了在極間短路的情況下保護(hù)策略的有效性，同理在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障暫態(tài)下也能有效動(dòng)作。

4 結(jié) 論

由于直流配電技術(shù)的不斷發(fā)展，直流配電網(wǎng)的保護(hù)研究也愈發(fā)需要人們的關(guān)注，本文在直流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出了一種基于電流方向信息為主保護(hù)和基于電流變化率極性為后備保護(hù)的三端環(huán)形直流配電網(wǎng)保護(hù)策略。主保護(hù)先將換流器閉鎖，通關(guān)判斷三端換流站之間故障電流流向來(lái)區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障；后備保護(hù)在主保護(hù)發(fā)生換流器閉鎖故障拒動(dòng)時(shí)，根據(jù)各站雙端電流變化率來(lái)判別區(qū)內(nèi)外故障。仿真結(jié)果表明：主后備保護(hù)可以有效識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障，主保護(hù)可以在2 ms內(nèi)完成故障判別，由于主后備保護(hù)都基于電流信息的檢測(cè)，也在設(shè)備和結(jié)構(gòu)上節(jié)約了一定的成本。