戴志輝 陳思琦 李毅然 焦彥軍

復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性分析

戴志輝 陳思琦 李毅然 焦彥軍

（新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 保定 071003）

故障分析是制定保護(hù)方案的基礎(chǔ)。環(huán)狀柔性直流配電網(wǎng)不同位置發(fā)生單極斷線故障后，部分正、負(fù)極電壓/電流處于不平衡狀態(tài)，危害系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，但目前對(duì)其研究較少。為此，對(duì)環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性進(jìn)行研究。首先，建立典型復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)模型，明確其中關(guān)鍵設(shè)備及各端口的協(xié)調(diào)控制策略。其次，通過建立故障前后系統(tǒng)等效模型，分析單極斷線故障分別發(fā)生在直流線路、送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線，以及受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上時(shí)的電壓、電流特性。然后，討論系統(tǒng)接地方式對(duì)單極斷線故障特性的影響。結(jié)果表明，故障電流的流通路徑與單極斷線故障發(fā)生的位置有關(guān)；直流線路上發(fā)生單極斷線故障的電壓特性與換流站的功率流向有關(guān)；送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障的電壓特性與換流器的控制方式有關(guān)；系統(tǒng)接地方式幾乎不影響單極斷線故障特性。此外，負(fù)荷突變會(huì)影響故障發(fā)生在直流線路和送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上時(shí)，突變負(fù)荷所在換流站與為其傳輸功率的送端換流站之間正、負(fù)極線路的電流特性。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建環(huán)狀柔直配電網(wǎng)模型，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

環(huán)狀柔直配電網(wǎng) 單極斷線故障 故障分析 故障電流 接地方式

0 引言

隨著大型數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車充電站、城市軌道交通等直流負(fù)荷日益增長(zhǎng)[1-2]，以及光伏等直流型分布式電源的高比例、大容量分散接入，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)面臨挑戰(zhàn)。作為交流配電網(wǎng)的重要補(bǔ)充，直流配電網(wǎng)功率轉(zhuǎn)換損耗低[3-4]、供電能力強(qiáng)[5]、電能質(zhì)量?jī)?yōu)[6]，有利于降低配電網(wǎng)運(yùn)行成本和促進(jìn)分布式電源高比例接入[7-8]。因此，交直流協(xié)同發(fā)展是未來城市配電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。作為交直流配電網(wǎng)的重要“橋梁”，換流器的選擇尤為重要。其中，模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）具有開關(guān)損耗低、波形質(zhì)量高、易于擴(kuò)展、故障處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9-11]，但也存在所用元器件數(shù)量多、子模塊電容電壓難均衡等問題[12-13]；兩/三電平電壓源型換流器（Voltage Source Converter, VSC）所用元器件數(shù)量相對(duì)較少，但其在電能質(zhì)量等方面沒有優(yōu)勢(shì)。因此，復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)中，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合采用MMC與VSC并存的形式。在此背景下，為合理地設(shè)計(jì)直流故障的保護(hù)策略、避免不必要的直流停運(yùn)，對(duì)直流配電網(wǎng)故障特性進(jìn)行全面深入的研究，具有重要的理論意義和工程價(jià)值[14]。

直流故障主要分為短路故障和斷線故障兩大類，其中，針對(duì)短路故障特性的研究已較為完善。文獻(xiàn)[15]將單極接地故障和雙極短路故障分別分為三個(gè)不同的故障階段，并對(duì)各個(gè)故障階段的故障特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。文獻(xiàn)[16]考慮了換流器不閉鎖時(shí)的故障特性，指出單極接地故障后，直流側(cè)會(huì)出現(xiàn)不平衡電壓，致使交流側(cè)電流出現(xiàn)直流分量；對(duì)于雙極短路故障，換流器閉鎖與否對(duì)故障特性的影響不大。文獻(xiàn)[17]分析了系統(tǒng)在不同接地方式下的短路故障特性，并對(duì)比了不同接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)。以上文獻(xiàn)從不同角度對(duì)短路故障的特性進(jìn)行了較全面的分析，既為短路保護(hù)方案制定奠定了基礎(chǔ)，又為斷線故障分析中需考慮的因素提供了借鑒。

與具有故障沖擊電流特征的短路故障相比，單極斷線故障后電氣量特征不明顯，是直流系統(tǒng)故障分析的難點(diǎn)。其中，文獻(xiàn)[18]定性分析了雙端直流輸電系統(tǒng)單極斷線故障后的故障特性并進(jìn)行了仿真分析，但未建立完整的理論分析方法。對(duì)此，文獻(xiàn)[19]對(duì)單極斷線故障后故障電流產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)出故障電流的表達(dá)式。文獻(xiàn)[20]針對(duì)海上風(fēng)電直流輸電系統(tǒng)，在分析該系統(tǒng)永久性直流斷線故障特性的基礎(chǔ)上，提出了一種將閉鎖電壓源型換流器與斷開直流隔離開關(guān)相互配合的故障保護(hù)策略。文獻(xiàn)[21]分析了多端直流輸電系統(tǒng)在發(fā)生斷線故障后產(chǎn)生直流側(cè)過電壓和非故障線路過電流的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于控制的保護(hù)策略。以上文獻(xiàn)為直流配電網(wǎng)單極斷線故障特性研究提供了思路，但雙端柔性直流輸電系統(tǒng)故障后系統(tǒng)功率傳輸中斷，換流器子模塊充電，使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的過電壓和過電流；而多端直流配電系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移路徑具備多樣性，故障后兩端功率傳輸不會(huì)終止，換流器子模塊不會(huì)充電。且柔性直流輸電系統(tǒng)是根據(jù)換流器不同工作模式分別對(duì)其斷線故障特征進(jìn)行分析，而多端直流配電系統(tǒng)可通過建立故障前后系統(tǒng)的等效模型進(jìn)行分析，兩者故障特征及故障分析方法均有所不同。對(duì)于直流配電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[22]分析了開環(huán)與閉環(huán)運(yùn)行方式下環(huán)網(wǎng)斷線故障的特征，但未考慮故障后的電壓特性及系統(tǒng)在不同接地方式、故障發(fā)生在不同位置時(shí)的故障特性。除此之外鮮見文獻(xiàn)對(duì)環(huán)狀直流配電網(wǎng)單極斷線故障特性進(jìn)行分析，尤其是環(huán)狀直流配電網(wǎng)單極斷線故障特性與故障發(fā)生的位置密切相關(guān)，有待進(jìn)一步深入研究。

為此，本文對(duì)復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性進(jìn)行詳細(xì)分析，得出了系統(tǒng)中不同位置故障后故障電壓、電流特性。首先，通過建立故障前后系統(tǒng)的等效模型，對(duì)直流線路中單極斷線故障的電壓、電流特性進(jìn)行了分析；其次，分析了送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障的電壓、電流特性，其中，電壓特性根據(jù)換流器不同控制方式分別進(jìn)行分析；然后，分析受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障的電壓、電流特性；接著，討論系統(tǒng)接地方式對(duì)單極斷線故障特性的影響，分析負(fù)荷突變對(duì)單極斷線故障特性的影響；最后，在PSCAD/EMTDC中搭建環(huán)狀柔直配電系統(tǒng)模型，對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)架構(gòu)及控制策略

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，直流線路額定電壓為±10kV。換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用MMC和兩電平VSC兩種。其中，T1、T2端口為MMC，每個(gè)橋臂上子模塊的個(gè)數(shù)為，兩側(cè)交流有源電網(wǎng)依次經(jīng)110kV/10kV變壓器、換流站T1、T2分別與直流線路相連，向直流線路持續(xù)輸送功率。T4、T6端口為兩電平VSC，其中，端口T4依次通過10kV/0.38kV變壓器、0.38kV交流母線與交流負(fù)荷相連，T6端口依次通過10kV/0.69kV變壓器、0.69kV交流母線與交流負(fù)荷相連。T3、T5端口為直流變壓器，其中，T3端口通過±750V直流母線與直流負(fù)荷及分布式電源光伏相連；T5端口通過±400V直流母線與交、直流負(fù)荷相連。T3端口的功率雙向流動(dòng)，T4～T6端口的功率單向流動(dòng)。本文采用的接地方式為MMC直流側(cè)經(jīng)電阻接地，換流變壓器閥側(cè)角接，網(wǎng)側(cè)星形直接接地（YNd11）。

圖1 復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 關(guān)鍵設(shè)備控制策略及端口的協(xié)調(diào)控制策略

T1、T2端口的MMC采用雙閉環(huán)矢量控制，外環(huán)控制功率（直流電壓），內(nèi)環(huán)控制電流；T3、T5端口的雙有源橋式直流變壓器，采用單移相控制，通過控制移相比來穩(wěn)定負(fù)荷側(cè)電壓；T4、T6端口的兩電平VSC采用定交流側(cè)電壓控制；分布式電源光伏采用最大功率跟蹤控制。正常運(yùn)行時(shí)，T1端口為系統(tǒng)的平衡節(jié)點(diǎn)，采用定直流電壓、定無功功率控制，穩(wěn)定系統(tǒng)的直流電壓；T2端口為系統(tǒng)的功率節(jié)點(diǎn)，采用定有功功率、定無功功率控制，整個(gè)直流系統(tǒng)的電壓由T1端口單點(diǎn)控制，T3～T6端口負(fù)責(zé)控制負(fù)荷側(cè)電壓，端口之間互相協(xié)調(diào)配合從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 單極斷線故障特性分析

單極斷線故障一般分為正極斷線故障和負(fù)極斷線故障。由于正、負(fù)極斷線故障的分析方法相同，故以正極斷線故障為例，負(fù)極斷線故障可進(jìn)行類似分析。此外，同一線路不同點(diǎn)處發(fā)生單極斷線故障時(shí)的故障特性相同，但在電網(wǎng)中不同位置發(fā)生單極斷線故障的故障特性有明顯差異。對(duì)此，本節(jié)針對(duì)單極斷線故障分別發(fā)生在直流線路、送端換流器與直流母線之間的聯(lián)絡(luò)線及受端換流器與直流母線之間的聯(lián)絡(luò)線上時(shí)的電壓、電流特性進(jìn)行詳細(xì)研究。本文規(guī)定電流的正方向?yàn)橹绷髂妇€指向線路。

2.1 直流線路單極斷線故障特性分析

2.1.1 直流線路單極斷線故障電流特性

復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)直流線路上發(fā)生單極斷線故障時(shí)，由于故障特性與故障發(fā)生在直流線路位置無關(guān)，故以k點(diǎn)處（線路Line23中點(diǎn)）發(fā)生正極斷線故障為例分析，如圖1所示。此時(shí)，故障線路上功率傳輸被迫中斷，但由于環(huán)網(wǎng)潮流轉(zhuǎn)移具備多種選擇性，故障線路上的功率在多數(shù)情況下被轉(zhuǎn)移到其他支路，兩端功率傳輸繼續(xù)進(jìn)行，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成太大影響，與具有故障沖擊電流特征的短路故障和雙端直流輸電系統(tǒng)單極斷線故障相比，其故障后的電流變化并不明顯；但較之正常運(yùn)行時(shí)電流的大小及流向又有明顯差異。對(duì)于故障前穩(wěn)態(tài)電氣量的分析，可忽略開關(guān)特性。在分析斷線故障前后的電流特性時(shí)，可利用疊加原理，將系統(tǒng)分為故障前和故障后兩個(gè)過程進(jìn)行分析。

單極斷線故障發(fā)生前，將復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)進(jìn)行等效，由于T1為平衡節(jié)點(diǎn)，采用定直流電壓和定無功功率控制，T2為功率節(jié)點(diǎn)，采用定有功功率和定無功功率控制，光伏電源采用最大功率跟蹤控制，故將換流站T1等效為電壓源，換流站T2及光伏電源等效為電流源，建立復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)的等效模型如圖2所示。圖2中：①～⑥為換流站端口編號(hào)，DC1為直流電壓源電壓，DC2為直流電流源電流，PV為光伏端直流電流源；Zp、Zn分別為換流站端口和端口之間正、負(fù)極線路阻抗，Ip和In分別為正極線路從換流端口流出、從換流端口流入的電流以及負(fù)極線路從換流端口流出、從換流端口流入的電流（1,…,6），Z（3,4,5,6）為等效后的負(fù)荷阻抗。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電流流向如圖2所示，換流站T1和T2均為整流站，兩個(gè)換流器閥側(cè)的交流系統(tǒng)均向直流線路輸送功率，故障前從換流端口流出并流入換流端口的正、負(fù)極線路電流分別為

圖2 故障前環(huán)狀柔直配網(wǎng)的等效模型

式中，Up(0)和Up(0)分別為故障前端和端正極線路電壓；Un(0)和Un(0)分別為故障前端和端負(fù)極線路電壓。

系統(tǒng)發(fā)生單極斷線故障后，相當(dāng)于在故障點(diǎn)疊加了一個(gè)電流源，可得故障后系統(tǒng)附加網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。故障極線路的潮流重新分布，部分端口功率流向反轉(zhuǎn)，根據(jù)疊加定理，附加網(wǎng)絡(luò)中故障電流為

式中，I32p(0)和I23p(0)為故障前線路Line23的正極電流。

實(shí)際直流配網(wǎng)中正、負(fù)極線路較短，各端口負(fù)荷阻抗Z遠(yuǎn)大于正、負(fù)極線路阻抗，故障后每條非故障極線路（負(fù)極線路）分流要遠(yuǎn)小于故障極線路（正極線路），故可忽略不計(jì)，附加網(wǎng)絡(luò)中的故障電流僅在故障極線路（正極線路）閉環(huán)流通。因此，故障后，非故障點(diǎn)所在的故障極線路均疊加了一個(gè)故障電流I，即

綜上，當(dāng)環(huán)狀柔直配網(wǎng)直流線路上發(fā)生單極斷線故障時(shí)，故障點(diǎn)所在線路電流降為零，故障極線路均疊加了一個(gè)故障電流，其大小等于故障前故障點(diǎn)所在線路的電流；非故障極線路電流保持不變，正、負(fù)極電流不平衡。

2.1.2 直流線路單極斷線故障電壓特性

直流線路上發(fā)生單極斷線故障，若故障發(fā)生在與送端換流站T1、T2相連的線路上時(shí)（如Line14、Line16、Line23和Line25，此處以線路Line23正極中點(diǎn)斷線為例），在定有功功率控制器的作用下，交流側(cè)傳輸?shù)挠泄β时３趾愣?，由于與T1（或T2）相連側(cè)的故障極（正極）線路上功率傳輸中斷，使與送端換流站相連側(cè)故障極（正極）線路上的電壓短暫升高后基本保持穩(wěn)定，與受端換流站相連側(cè)故障極線路（即③端）上的電壓短暫下降后基本保持穩(wěn)定，非故障極線路（負(fù)極）電壓保持不變。

若故障發(fā)生在兩個(gè)受端換流站之間的線路上時(shí)（如Line34和Line56，此處以線路Line34正極中點(diǎn)斷線為例），由于與T1、T2距離較遠(yuǎn)且就近轉(zhuǎn)移潮流，所有線路上正、負(fù)極電壓均保持不變。

綜上所述，環(huán)狀柔直配網(wǎng)直流線路上發(fā)生單極斷線故障時(shí)的電壓特性與換流站的功率流向有關(guān)：若故障發(fā)生在送端與受端換流站之間的線路上，與送端換流站相連側(cè)故障極線路電壓升高，與受端換流站相連側(cè)故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變；若故障發(fā)生在兩個(gè)受端換流站之間的線路上，正、負(fù)極電壓均保持不變。

2.2 送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線單極斷線故障特性分析

2.2.1 送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線單極斷線故障電流特性

故障發(fā)生在送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上時(shí)的電流特性分析方法與故障發(fā)生在直流線路上類似，由于不同控制方式的送端換流站與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障時(shí)，均可將故障點(diǎn)處等效為一個(gè)電流源，且故障電流的流通路徑不變，故以k1點(diǎn)正極斷線為例，得故障后系統(tǒng)的附加網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

故障后，正、負(fù)極線路上均疊加了一部分故障電流。故障電流從換流器出口負(fù)極線路分別流入Line23和Line25負(fù)極線路，再經(jīng)換流站T1流回?fù)Q流器出口正極線路，形成兩個(gè)閉環(huán)回路。故障電流在環(huán)網(wǎng)中的流向如圖4所示。在實(shí)際運(yùn)行中，各端口的負(fù)荷阻抗一般遠(yuǎn)大于正、負(fù)極線路阻抗，故障后流入每個(gè)負(fù)載線路的故障電流很小，可忽略不計(jì)。附加網(wǎng)絡(luò)中故障電流可計(jì)算為

圖4 k1點(diǎn)故障后故障電流的等效回路

式中，k11為故障后Line25一側(cè)疊加的故障電流；k12為故障后Line23一側(cè)疊加的故障電流，線路上疊加的故障電流與線路阻抗成反比；2p(0)為故障前T2端口換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線流過的電流。

綜上所述，當(dāng)送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障時(shí)，故障極聯(lián)絡(luò)線上電流降為0，與直流母線相連的兩側(cè)直流線路上分別疊加了一部分故障電流，且兩者之和等于故障前送端換流器與直流母線間故障極聯(lián)絡(luò)線上的電流。

2.2.2 送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線單極斷線故障電壓特性

送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障如圖1中k1、k2點(diǎn)所示。故障后故障點(diǎn)兩側(cè)的電壓特性與換流器控制方式有關(guān)，以下分別討論。

當(dāng)故障發(fā)生在定有功功率控制的送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上（即k1點(diǎn)）時(shí)，故障點(diǎn)所在的送端換流器與直流母線間的故障極（正極）線路功率傳輸中斷，由于恒功率控制器的作用，換流器子模塊電容持續(xù)充電，電壓持續(xù)升高，時(shí)刻子模塊電容電壓為[22]

式中，Δ為k1點(diǎn)故障后對(duì)所有換流器子模塊電容充電的額外能量之和；Δ為k1點(diǎn)故障后換流站T2內(nèi)換流器增加的功率；為任意時(shí)刻換流器每相上下橋臂投入的子模塊個(gè)數(shù)之和；為子模塊電容的值；eq為換流器的等效電容；U0(0)為故障前子模塊電容電壓，整理可得

由于故障使定有功功率控制的送端換流器與直流母線間的故障極線路功率傳輸中斷，故以斷點(diǎn)為界，與直流母線相連側(cè)的故障極線路電壓下降。

當(dāng)故障發(fā)生在定直流電壓控制的送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上（即k2點(diǎn)）時(shí)，故障點(diǎn)所在的故障極（正極）線路功率傳輸中斷，故障極（正極）聯(lián)絡(luò)線電壓上升，但由于定直流電壓的控制作用，換流器內(nèi)部的能量不改變，子模塊電容沒有充放電現(xiàn)象，極間電壓保持不變，故非故障極（負(fù)極）聯(lián)絡(luò)線電壓下降。

綜上所述，送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障時(shí)的電壓特性與送端換流器的控制方式有關(guān)：若為定有功功率控制的換流器，故障后，與送端換流器相連側(cè)故障極線路電壓升高，與直流母線相連側(cè)故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變；若為定直流電壓控制的換流器，故障后，故障極線路電壓升高，非故障極線路電壓降低，極間電壓保持不變，正、負(fù)極電壓不對(duì)稱。

2.3 受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線單極斷線故障特性分析

2.3.1 受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線單極斷線故障電流特性

當(dāng)故障發(fā)生在受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上時(shí)，即圖1中T3～T6端口換流器與直流母線間的聯(lián)絡(luò)線斷線，以典型的T4端口換流器與直流母線間的正極聯(lián)絡(luò)線斷線為例，即故障發(fā)生在k3點(diǎn)，其余情況類似。由于故障發(fā)生在受端換流器與直流母線間的聯(lián)絡(luò)線上，不同于送端換流器會(huì)通過其向整個(gè)直流配網(wǎng)輸送功率，受端換流器所連接的均為交直流負(fù)荷或分布式電源，原本線路上傳輸?shù)墓β瘦^小，故障后，原來線路上傳輸?shù)墓β手荒苻D(zhuǎn)移到相鄰的兩側(cè)換流站，因此，故障電流僅在相鄰兩個(gè)換流端口間的正、負(fù)極線路上流動(dòng)，其余線路上的電流幾乎保持不變。將故障點(diǎn)等效為恒流源，故障發(fā)生在k3點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)的附加網(wǎng)路如圖5所示，圖中箭頭方向?yàn)楣收想娏髟诟郊泳W(wǎng)絡(luò)中的流向。

圖5 k3點(diǎn)故障后故障電流的等效回路

由圖5可知附加網(wǎng)絡(luò)中故障電流為

式中，k31為故障后Line14正、負(fù)極疊加的故障電流；k32為故障后Line34正、負(fù)極疊加的故障電流，線路上疊加的故障電流與線路阻抗成反比；4p(0)為故障前T4端口換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線流過的電流。

綜上所述，當(dāng)受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障時(shí)，故障極聯(lián)絡(luò)線上電流降為0，與其相鄰的兩個(gè)換流端口間的線路上均疊加了一部分故障電流，兩者大小之和等于故障前受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上流過的電流，且疊加的故障電流的大小與線路阻抗成反比。

2.3.2 受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線單極斷線故障電壓特性

當(dāng)受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障時(shí)，以k3點(diǎn)正極斷線為例，受端換流器與直流母線間故障極（正極）聯(lián)絡(luò)線的電流通路被切斷，會(huì)使直流線路上故障極（正極）電壓上升，由于定直流電壓的控制作用，極間電壓保持不變，故非故障極（負(fù)極）電壓下降。

綜上所述，當(dāng)受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障時(shí)，故障極電壓上升，非故障極電壓下降，極間電壓保持不變，正、負(fù)極電壓不對(duì)稱。

2.4 系統(tǒng)接地方式對(duì)單極斷線故障特性的影響

目前，柔性直流配電系統(tǒng)的接地方式主要分為換流器接地和換流變壓器接地兩種。本文中，與交流系統(tǒng)相連的換流站采用的是模塊化多電平換流器，故換流器接地方式指的是MMC直流側(cè)經(jīng)鉗位電阻接地，換流變壓器接地分為MMC交流側(cè)換流變壓器閥側(cè)星形直接接地和MMC交流側(cè)換流變壓器閥側(cè)星形經(jīng)電阻接地（網(wǎng)側(cè)均三角形聯(lián)結(jié)）。為敘述方便，將上述三種接地方式分別稱為直流側(cè)接地、交流側(cè)直接接地及交流側(cè)經(jīng)電阻接地。

環(huán)狀柔直配電網(wǎng)的功率流動(dòng)具備多種選擇性，當(dāng)直流線路發(fā)生單極斷線故障時(shí)，故障線路上功率傳輸被迫中止，故障前線路上流過的功率被迫轉(zhuǎn)移到其他支路。若不考慮線路對(duì)地電容，無論采用哪一種接地方式，只要是有效的接地點(diǎn)，故障后，交流側(cè)或者直流側(cè)接地點(diǎn)均不會(huì)與故障點(diǎn)形成故障回路，故系統(tǒng)的接地方式不會(huì)對(duì)環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性產(chǎn)生影響。

3 仿真分析

在PSCAD/EMTDC平臺(tái)搭建如圖1所示的六端環(huán)狀柔性直流配電系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證理論分析的正確性，相關(guān)參數(shù)詳見附錄。故障發(fā)生在0.6s，分析單極斷線故障分別發(fā)生在直流線路、送端換流器與直流母線之間的聯(lián)絡(luò)線和受端換流器與直流母線之間的聯(lián)絡(luò)線上時(shí)的電壓、電流特性，最后，討論并驗(yàn)證負(fù)荷突變、系統(tǒng)接地方式對(duì)單極斷線故障特性的影響。

3.1 單極斷線故障發(fā)生在直流線路上

3.1.1 電流特性

當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到線路Line23、Line34以及Line14正、負(fù)極電流波形如圖6所示。

圖6 k點(diǎn)故障時(shí)直流線路的電流特性

由圖6可知，故障后，故障線路Line23和非故障線路Line34、Line14負(fù)極電流幾乎保持不變，故障線路Line23正極電流迅速降為零，非故障線路Line34和Line14正極均疊加了一個(gè)大小為0.13kA故障電流，其大小與故障前線路Line23上流過的電流相等，方向相反，與2.1.1節(jié)理論分析相符。

3.1.2 電壓特性

k點(diǎn)發(fā)生正極斷線時(shí)，仿真得到故障線路Line23上靠近②側(cè)及靠近③側(cè)的正極電壓波形如圖7所示。

由圖7可知，故障后，故障線路Line23上靠近②側(cè)正極電壓在短暫升高后基本保持穩(wěn)定，靠近③側(cè)的正極電壓在短暫下降后基本保持穩(wěn)定，與2.1.2節(jié)理論分析相符。

圖7 k點(diǎn)故障時(shí)直流線路Line23兩側(cè)的電壓特性

當(dāng)k′點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到故障線路Line34上的正、負(fù)極電壓波形如圖8所示。由圖8可知，故障后故障線路Line34的正、負(fù)極電壓基本保持不變，仿真波形與2.1.2節(jié)理論分析相符。

圖8 k′點(diǎn)故障時(shí)直流線路Line34正、負(fù)極電壓特性

3.2 單極斷線故障發(fā)生在送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上

3.2.1 電流特性

當(dāng)k1點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到非故障線路Line23、Line25正、負(fù)極電流及送端換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線電流，如圖9所示。

圖9 k1點(diǎn)故障時(shí)的電流特性

由圖9可知，故障后，換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線電流立即降為0，非故障線路Line23和Line25正、負(fù)極分別疊加了0.1kA的故障電流，兩者之和與故障前換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線電流相等，與2.2.1節(jié)理論分析相符。

3.2.2 電壓特性

當(dāng)k1點(diǎn)正極線路發(fā)生斷線故障時(shí)，仿真得到換流站T2內(nèi)換流器子模塊電容電壓波形如圖10所示。由圖10可知，故障后，換流器子模塊電容充電，電壓升高。已知=24，=10mF，Δ=2MW，故障前子模塊電容電壓為0.85kV，由式（7）可得故障1s時(shí)子模塊電容電壓為1.8kV，與圖中1s時(shí)子模塊電容電壓相同。

圖10 k1點(diǎn)故障時(shí)子模塊電容電壓

仿真得到②端正極直流母線對(duì)地電壓如圖11所示，由圖11可知，②端正極直流母線對(duì)地電壓持續(xù)下降，與2.2.2節(jié)理論分析相符。

圖11 k1點(diǎn)故障時(shí)②端正極直流母線對(duì)地電壓

當(dāng)k2點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到T1端口換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上的電壓波形，如圖12所示。由圖12可知，故障后，T1端口換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線正極電壓上升，負(fù)極電壓下降，極間電壓基本保持不變，仿真波形與2.2.2節(jié)理論分析相符。

圖12 k2點(diǎn)故障時(shí)的電壓特性

3.3 單極斷線故障發(fā)生在受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上

3.3.1 電流特性

當(dāng)k3點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到T4端口換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線電流及相鄰兩側(cè)非故障線路Line34和Line14正、負(fù)極電流，如圖13所示，不相鄰非故障線路Line23和Line25正、負(fù)極電流如圖14所示。

圖13 k3點(diǎn)故障時(shí)的電流特性

圖14 k3點(diǎn)故障時(shí)線路Line23、Line25正、負(fù)極電流

由圖13、圖14可知，故障后，T4端口換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線電流降為零，相鄰兩側(cè)非故障線路Line34和Line14正、負(fù)極上分別疊加了0.03kA、0.14kA故障電流，兩者之和與故障前換流器與直流母線間正極聯(lián)絡(luò)線電流相等，不相鄰非故障線路Line23和Line25正、負(fù)極電流基本保持不變，仿真波形與2.3.1節(jié)理論分析相符。

3.3.2 電壓特性

當(dāng)k3點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到非故障線路Line34正、負(fù)極電壓和極間電壓波形，如圖15所示。

圖15 k3點(diǎn)故障時(shí)線路Line34的電壓特性

由圖15可知，故障后，非故障線路Line34正極電壓上升，負(fù)極電壓下降，極間電壓基本保持不變，仿真波形與2.3.2節(jié)理論分析相符。

3.4 負(fù)荷突變對(duì)單極斷線故障特性的影響

復(fù)雜柔直配電網(wǎng)中出現(xiàn)較大負(fù)荷突變會(huì)直接影響突變負(fù)荷所在換流站附近的潮流分布，從而影響單極斷線故障的電流特性。為對(duì)比負(fù)荷突變對(duì)單極斷線故障特性的影響，假設(shè)故障發(fā)生在0.6s，且0.8s時(shí)與換流站T4相連的10kV交流母線上投入了6MW的交流負(fù)荷。當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到線路Line23、Line34及Line14正、負(fù)極電流波形如圖16所示；當(dāng)k1點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到線路Line23、Line25及Line14正、負(fù)極電流波形如圖17所示；當(dāng)k3點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到線路Line34、Line14、Line23及Line25正、負(fù)極電流波形如圖18所示。

由圖16可知，若k點(diǎn)故障，負(fù)荷突變后，送端換流站T1與負(fù)荷突變所在換流站T4之間的線路Line14正、負(fù)極電流升高，其余線路正、負(fù)極電流均與負(fù)荷突變前相同；由圖17可知，若k1點(diǎn)故障，負(fù)荷突變后，送端換流站T1與負(fù)荷突變所在換流站T4之間的直流線路Line14正、負(fù)極電流升高，其余線路正、負(fù)極電流均與負(fù)荷突變前相同；由圖18可知，若k3點(diǎn)故障，負(fù)荷突變后，相鄰兩側(cè)非故障線路Line34、Line14正、負(fù)極電流和不相鄰非故障線路Line23和Line25正、負(fù)極電流均與負(fù)荷突變前相同。

圖16 k點(diǎn)故障后發(fā)生負(fù)荷突變時(shí)的電流特性

圖17 k1點(diǎn)故障后發(fā)生負(fù)荷突變時(shí)的電流特性

圖18 k3點(diǎn)故障后發(fā)生負(fù)荷突變時(shí)的電流特性

綜上所述，由于為突變負(fù)荷所在換流站輸送功率的主要是與其相連的送端換流站，故負(fù)荷突變僅會(huì)使兩者之間直流線路的潮流發(fā)生改變；而受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障后，故障電流只在與其相連的兩側(cè)線路上流通。因此，負(fù)荷突變主要對(duì)故障發(fā)生在直流線路和送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上時(shí)的電流特性產(chǎn)生影響。負(fù)荷突變會(huì)使突變負(fù)荷所在換流站與為其傳輸功率的送端換流站之間的線路上的電流發(fā)生突變，此線路的正、負(fù)極電流均會(huì)疊加一個(gè)電流，其大小和方向與投入或切除負(fù)荷的大小有關(guān)：投入負(fù)荷會(huì)使線路上電流增大，切除負(fù)荷會(huì)使線路上電流減小，且投入或切除負(fù)荷的大小與疊加的電流大小成正比。若恰好故障發(fā)生時(shí)刻受端換流站內(nèi)發(fā)生負(fù)荷突變，則疊加的電流與故障產(chǎn)生的故障附加電流就會(huì)有相互抵消的可能，增加了后續(xù)故障識(shí)別的難度。

3.5 系統(tǒng)接地方式對(duì)單極斷線故障特性的影響

環(huán)狀柔直配電網(wǎng)三種典型位置（直流線路、送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線和受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線）發(fā)生單極斷線故障時(shí)的故障回路分別為：①所有故障極線路形成一個(gè)閉環(huán)故障回路；②送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線分別到與直流母線相連的兩側(cè)直流線路，再分別經(jīng)另一端換流站回到送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線，形成兩個(gè)閉環(huán)故障回路；③與故障點(diǎn)所在換流端相鄰的兩個(gè)換流端口間的正、負(fù)極線路上形成兩個(gè)閉環(huán)故障回路。

三種接地方式（直流側(cè)接地、交流側(cè)直接接地及交流側(cè)經(jīng)電阻接地）下，交流側(cè)或直流側(cè)接地點(diǎn)均沒有與故障點(diǎn)形成故障回路，故系統(tǒng)接地方式幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性產(chǎn)生影響。對(duì)此，以其中一種典型位置為例（k點(diǎn)正極斷線故障）進(jìn)行仿真，其余位置結(jié)論相同，不再贅述。

仿真過程中，三種接地方式中直流側(cè)接地的鉗位電阻阻值、交流側(cè)經(jīng)電阻接地的電阻阻值均設(shè)置為2 500Ω。假設(shè)故障發(fā)生在0.6s，當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生正極斷線故障時(shí)，仿真得到三種不同接地方式下線路Line23、Line34和Line14正、負(fù)極電流波形分別如圖19、圖20、圖21所示，得到三種不同接地方式下故障線路Line23上靠近②側(cè)及靠近③側(cè)的正極電壓波形分別如圖22、圖23、圖24所示。

圖20 交流側(cè)直接接地方式下k點(diǎn)故障時(shí)直流線路的電流特性

圖21 交流側(cè)經(jīng)電阻接地方式下k點(diǎn)故障時(shí)直流線路的電流特性

由圖19～圖21可知，系統(tǒng)不同接地方式下，故障后故障線路Line23和非故障線路Line34、Line14負(fù)極電流幾乎保持不變，故障線路Line23正極電流迅速降為零，非故障線路Line34和Line14正極電流均疊加了一個(gè)大小為0.13kA的故障電流，其大小與故障前線路Line23上流過的電流大小相等，方向相反。由圖22～圖24可知，系統(tǒng)不同接地方式下，故障后，故障線路Line23上靠近②側(cè)正極電壓在短暫升高后基本保持穩(wěn)定，靠近③側(cè)的正極電壓在短暫下降后基本保持穩(wěn)定。

圖22 直流側(cè)接地方式下k點(diǎn)故障時(shí)直流線路Line23兩側(cè)的電壓特性

圖23 交流側(cè)直接接地方式下k點(diǎn)故障時(shí)直流線路Line23兩側(cè)的電壓特性

圖24 交流側(cè)經(jīng)電阻接地方式下k點(diǎn)故障時(shí)直流線路Line23兩側(cè)的電壓特性

綜上，系統(tǒng)在三種不同接地方式下，k點(diǎn)故障后的電流、電壓特性均分別與3.1.1節(jié)、3.1.2節(jié)的仿真結(jié)果相同，驗(yàn)證了系統(tǒng)的接地方式幾乎不會(huì)對(duì)單極斷線故障特性產(chǎn)生影響，與2.4節(jié)理論分析相符。

4 結(jié)論

對(duì)復(fù)雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)中三個(gè)典型位置發(fā)生單極斷線故障的電壓、電流特性進(jìn)行了詳細(xì)分析和仿真驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

1）直流線路上發(fā)生單極斷線故障。故障后，僅所有故障極線路電流疊加了故障電流，其電壓特性與換流站的功率流向有關(guān)：送端與受端換流站之間線路發(fā)生故障后，與送端換流站相連側(cè)故障極線路電壓升高，與受端換流站相連側(cè)故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變。兩個(gè)受端換流站之間線路發(fā)生故障后，正、負(fù)極電壓均保持不變。

2）送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障。故障后，所有正、負(fù)極線路電流分別疊加一部分故障電流，其電壓特性與送端換流器的控制方式有關(guān)：當(dāng)定有功功率控制時(shí)，與送端換流器相連側(cè)故障極線路電壓升高，與直流母線相連側(cè)故障極線路電壓降低，非故障極線路電壓保持不變；當(dāng)定直流電壓控制時(shí)，故障極線路電壓升高，非故障極線路電壓降低，極間電壓保持不變。

3）受端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生單極斷線故障。故障后，僅相鄰兩個(gè)換流端口間的線路上各疊加一部分故障電流，且疊加的故障電流與線路阻抗成反比；故障極線路電壓上升，非故障極線路電壓下降，極間電壓保持不變。

4）當(dāng)故障發(fā)生在直流線路或送端換流器與直流母線間聯(lián)絡(luò)線上時(shí)，負(fù)荷突變會(huì)使突變負(fù)荷所在換流站與為其傳輸功率的送端換流站之間的正、負(fù)極線路上疊加一個(gè)電流，其大小和方向與投入或切除負(fù)荷的大小有關(guān)，這將改變此線路上的電流，增加了后續(xù)故障識(shí)別的難度。

5）線路單極斷線故障后，交流側(cè)或直流側(cè)接地點(diǎn)均不會(huì)與故障點(diǎn)形成故障回路，故系統(tǒng)接地方式幾乎不會(huì)對(duì)單極斷線故障特性產(chǎn)生影響。

針對(duì)復(fù)雜環(huán)狀柔直配網(wǎng)單極斷線故障特性的分析考慮了各種典型情況，只要環(huán)網(wǎng)閉環(huán)運(yùn)行，對(duì)不同環(huán)狀柔直配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方式，本文所提的故障電壓、電流特征分析方法均適用。此外，通過本文分析，除了兩個(gè)受端換流站之間線路發(fā)生故障時(shí)無明顯電壓變化以外，其余線路發(fā)生單極斷線故障相較于正常運(yùn)行時(shí)電壓的大小和方向均有明顯差異，后續(xù)可依此再聯(lián)合故障電流特征構(gòu)造保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)。同時(shí)，單極斷線故障后的電流特征較為明顯，尤其是直流線路故障后正、負(fù)極線路電流出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象，后續(xù)可依此構(gòu)造保護(hù)識(shí)別判據(jù)，制定單極斷線故障的保護(hù)方案。

附 錄

附表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

App.Tab.1 Related parameters of system

參數(shù)數(shù)值 系統(tǒng)額寶直流電壓/kV±10 子模塊個(gè)數(shù)N24 子模塊電容/mF10 橋臂電感/mH10 鉗位電阻/Ω2 500 直流線路線路長(zhǎng)度Line14、Line16、Line23、Line25長(zhǎng)5kmLine34、Line56長(zhǎng)15km 線路電阻/(Ω/km)0.083 線路電感/(mH/km)0.78 線路電容/(μF/km)3.37×10-3

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Characteristic Analysis of Single-Pole Breakage Fault in Complex Ring Flexible DC Distribution Systems

Dai Zhihui Chen Siqi Li Yiran Jiao Yanjun

（State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Resources North China Electric Power University Baoding 071003 China）

The fault characteristic analysis is the basis of designing protection schemes. Some positive and negative voltages/currents present long-term unbalance after single-pole breakage faults in the ring flexible DC distribution network, which endangers the safe and stable operation of the system, whereas little research on it has been implemented. Therefore, characteristics of single-pole breakage fault in ring flexible DC distribution network are studied. First, a typical complex ring flexible DC distribution network model was established, and the coordinated control strategy of key equipment and each port was defined. Second, by establishing the equivalent model of the system before and after the fault, the voltage and current characteristics of the single-pole breakage fault on the DC line,the link line between the sending-end converter and the DC bus, and the link line between the receiving-end converter and the DC bus were analyzed. Then, the influence of system grounding mode on the characteristics of the single-pole breakage fault was discussed. It shows that, the flow path of the fault current is related to the location of the single-pole breakage faults; the voltage characteristics of single-pole breakage fault on DC line are related to the power flow direction of converter station; the voltage characteristics of single-pole breakage fault on the link line between the sending-end converter and the DC bus are related to the control mode of converter; the system grounding mode has little effect on the fault characteristics. In addition, sudden load change will affect the current characteristics of the positive and negative lines between the converter station where the sudden load occurs and the sending-end converter station for which the power is transmitted when the fault occurs on the DC line and the link line between the sending-end converter and the DC bus. Finally, the model of the ring flexible DC distribution system was built in PSCAD/EMTDC, and the result confirmed the validity of the theoretical analysis.

Ring flexible DC distribution network, single-pole breakage fault, fault analysis, fault current, grounding mode

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210150

TM77

國家自然科學(xué)基金（51877084）和河北省自然科學(xué)基金（E2018502063）資助項(xiàng)目。

2021-01-29

2021-05-06

戴志輝 男，1980年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。E-mail：daihuadian@163.com（通信作者）

陳思琦 女，1994年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。E-mail：13785381821@163.com

（編輯 赫蕾）