童 威

(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

近年來(lái)，直流輸電技術(shù)一直是電力系統(tǒng)研究的重要方向，這符合解決全球?qū)δ茉慈找嬖鲩L(zhǎng)需求的問(wèn)題。一直以來(lái)，各國(guó)政府致力于可再生能源的發(fā)掘，雖然可再生能源資源豐富，但是將其轉(zhuǎn)化為電能接入電網(wǎng)卻是一個(gè)難點(diǎn)，而直流輸電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以大規(guī)模將可再生能源接入電網(wǎng)，并且維持電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在直流輸電技術(shù)的發(fā)展上，模塊化多電平換流(Modular Multilevel Converter)具有很好的應(yīng)用前景。圍繞MMC建立的鏈?zhǔn)?、兩端式、環(huán)式電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于技術(shù)不成熟，運(yùn)行時(shí)的故障檢測(cè)以及系統(tǒng)保護(hù)一直是個(gè)難點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]提出利用線(xiàn)路正常運(yùn)行和故障時(shí)的電流動(dòng)態(tài)偏差值來(lái)檢測(cè)直流側(cè)的故障線(xiàn)路，能夠準(zhǔn)確定位故障位置，但是處理數(shù)據(jù)時(shí)，函數(shù)計(jì)算步驟復(fù)雜，降低了整個(gè)保護(hù)措施的速動(dòng)性；文獻(xiàn)[2]提出利用換流器閉鎖釋放電流，檢測(cè)電流的變化率作為保護(hù)判據(jù)，能夠快速檢測(cè)到線(xiàn)路故障的具體位置，提高了檢測(cè)速度，但是沒(méi)有考慮線(xiàn)路中過(guò)渡電阻的影響；文獻(xiàn)[3]提出利用直流電壓變化率實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，當(dāng)線(xiàn)路的電壓變化率超過(guò)線(xiàn)路的整定值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)線(xiàn)路的保護(hù)裝置，快速識(shí)別故障位置，但是線(xiàn)路中電壓的時(shí)刻采集容易受到其他頻率波段以及線(xiàn)路過(guò)渡電阻的影響，降低了故障識(shí)別的可靠性；文獻(xiàn)[4]提出利用混合式直流斷路器對(duì)線(xiàn)路實(shí)施保護(hù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速、有選擇性地隔離故障，但是現(xiàn)在直流技術(shù)不夠完善，線(xiàn)路中大量裝備混合式直流斷路器會(huì)提高整個(gè)工程的成本和后期維護(hù)成本；文獻(xiàn)[5]提出換流器閉鎖時(shí)，換流器電容放電，通過(guò)分析放電曲線(xiàn)的特征，來(lái)判斷線(xiàn)路的區(qū)內(nèi)外故障以及線(xiàn)路故障的具體位置以確保故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，但是沒(méi)有考慮換流器不能正常閉鎖時(shí)，線(xiàn)路的保護(hù)措施，降低了保護(hù)措施的可靠性。

針對(duì)已有故障檢測(cè)和保護(hù)方案，本文提出利用在線(xiàn)路兩端安裝電感的方法。當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，線(xiàn)路故障電流上升，電感感應(yīng)電壓極性突變，以此確定故障線(xiàn)路位置并快速切開(kāi)故障路線(xiàn)，提高主保護(hù)的靈敏性；其次，當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)后備保護(hù)，設(shè)定電壓整定值，檢測(cè)電感電壓是否超過(guò)整定值，確定故障線(xiàn)路并切開(kāi)故障線(xiàn)路，提高保護(hù)方法的可靠性；最后利用設(shè)計(jì)的BPI，吸收故障回路中的過(guò)電流，提高了故障切除后線(xiàn)路的安全性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與故障分析

1.1 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行中，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)起著關(guān)鍵的作用，根據(jù)生產(chǎn)生活的需要，電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有鏈?zhǔn)?、兩端式、環(huán)式，由于基本結(jié)構(gòu)不同，其中的優(yōu)缺點(diǎn)也有所差別。

鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單一的電能只能從一條支路獲取，系統(tǒng)中交流源和故障發(fā)生時(shí)的電壓衰減問(wèn)題會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，兩端式在鏈?zhǔn)降幕A(chǔ)上加裝一個(gè)交流系統(tǒng)，有效解決了電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的不穩(wěn)定問(wèn)題，提高電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性，環(huán)式系統(tǒng)，不僅提了高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在發(fā)生故障時(shí)，也保證了所受影響的支路盡可能少，如圖1所示，由于系統(tǒng)的器件增多，增加了線(xiàn)路的復(fù)雜程度，維修成本和造價(jià)高昂，但總體上更符合現(xiàn)在電力系統(tǒng)建設(shè)的要求。

圖1 環(huán)式結(jié)構(gòu)

選擇不同的結(jié)構(gòu)會(huì)影響電力系統(tǒng)的不同工作特性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)用電模式比較復(fù)雜，覆蓋影響用戶(hù)比較廣，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，需要盡可能保障系統(tǒng)其他部分的穩(wěn)定性，以確保電力系統(tǒng)供電的可靠性，所以本文選擇如圖2所示的三端環(huán)式直流系統(tǒng)建模。

圖2 三端環(huán)式直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

模型由換流站1、2、3構(gòu)成，直流電源電壓等級(jí)為10 kV，每條線(xiàn)路兩端由直流斷路器(DCCB)連接，線(xiàn)路上兩側(cè)連接由電感BPI并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，BPI下文做具體分析。

1.2 基于MMC直流側(cè)故障分析

直流電網(wǎng)直流側(cè)故障主要是線(xiàn)路短路故障和斷路故障，短路故障包括單極接地短路故障和雙極短路故障，斷路故障概率極低，這里不做分析。

基于MMC柔性直流電網(wǎng)，由于換流器結(jié)構(gòu)的特性，在故障出現(xiàn)的時(shí)候換流器會(huì)發(fā)生閉鎖，換流器中的電容會(huì)向故障形成的通路中放電，分析此時(shí)放電的暫態(tài)特征。

單極接地短路故障和雙極短路故障發(fā)生時(shí)，由于故障的通路相同，因此分析單極接地短路故障即可。結(jié)合本文所使用的拓?fù)淠Ｐ停?dāng)線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，整個(gè)放電通路如圖3(a)所示，為了簡(jiǎn)化模型，其整個(gè)等值電路圖如圖3(b)所示。

(a) 放電通路圖

從圖3(a)中可以看出：當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，故障側(cè)換流器發(fā)生閉鎖，換流器電容釋放電流依次流過(guò)橋臂電感、線(xiàn)路電感，線(xiàn)路電感形成故障回路；正常工作線(xiàn)路兩側(cè)換流器釋放電流，流過(guò)正常線(xiàn)路再達(dá)故障點(diǎn)。

結(jié)合圖3(b)各部分的等值參數(shù)，計(jì)算出故障發(fā)生時(shí)電感Lx的電壓uLx的暫態(tài)表達(dá)式：

(1)

式(1)中：Rarm和Larm是換流器橋臂等效電阻和電抗，LTM為線(xiàn)路中的電抗，CSM為換流器中每個(gè)子模塊的電容值。

對(duì)圖3(b)，有式(2)：

(2)

將式(2)求解，得特征根如式(3)：

p1=-σ+iω，p2=-σ-iω

(3)

當(dāng)故障發(fā)生時(shí),設(shè)uC(0+)=U0，iL(0+)=I0，計(jì)算電感Lx電壓變化：

(4)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到uLx的瞬時(shí)值表達(dá)式如式(5)：

uLx(0+)=-ALxCsin(θ-2β)

(5)

利用式(5)求解的uLx，研究電感電壓的動(dòng)態(tài)變化，為后文后備保護(hù)確定電壓整定值。

2 保護(hù)原理和啟動(dòng)判據(jù)

2.1 基于電感電壓方向的主保護(hù)

根據(jù)故障發(fā)生時(shí),換流器閉鎖電容放電導(dǎo)致的線(xiàn)路電感電壓變化,識(shí)別電感電壓方向,設(shè)計(jì)主保護(hù)。

正常運(yùn)行時(shí),由于線(xiàn)路中通過(guò)的是直流電，忽略線(xiàn)路中的波動(dòng),將電感視為通路處理。如圖2，假設(shè)正常運(yùn)行時(shí)電流方向是由換流站1流向換流站2，當(dāng)換流站1、2之間線(xiàn)路f1處發(fā)生故障時(shí)，由于換流器閉鎖，各個(gè)換流器電容開(kāi)始向故障點(diǎn)放電，形成如圖4(a)所示的故障電流走向。由于線(xiàn)路兩端加裝的電感受到突變的電流變化會(huì)感應(yīng)出相反的電動(dòng)勢(shì)，圖4(a)中ux12和ux21感應(yīng)的電壓方向相對(duì)于正常運(yùn)行時(shí)規(guī)定的電流正方向，分別為負(fù)方向和正方向。

圖4 不同故障點(diǎn)換流站1、2之間電流走向圖

當(dāng)換流站1、3之間線(xiàn)路f2處發(fā)生故障時(shí)，換流站1、2之間線(xiàn)路的電流走向如圖4(b)所示。換流站1、2電容放電會(huì)經(jīng)過(guò)非故障區(qū)向故障區(qū)域放電，此時(shí)由于故障電流的形成，電感電壓發(fā)生突變，與所設(shè)正常電流的正方向相比，ux12和ux21感應(yīng)的電壓方向都為正方向。

假設(shè)正方向?yàn)?，負(fù)方向?yàn)?1，通過(guò)比較可知：當(dāng)f1處發(fā)生故障時(shí),線(xiàn)路中各個(gè)電感感應(yīng)的電壓方向如表1所示。

表1 f1處故障各電感電壓方向

將線(xiàn)路兩端電感電壓分別設(shè)為U1和U2，設(shè)正方向?yàn)棣粒?fù)方向設(shè)為β，則有式(6)：

(6)

將線(xiàn)路兩側(cè)的電感電壓方向相乘,如式(7)，結(jié)果如為-1,就是故障所在區(qū)段，線(xiàn)路兩端斷路器動(dòng)作；結(jié)果如為1，就是正常區(qū)段，線(xiàn)路兩端斷路器不動(dòng)作。通過(guò)識(shí)別電感兩端的電壓方向作為線(xiàn)路的主保護(hù)判據(jù)。

(7)

2.2 基于電感電壓峰值的后備保護(hù)

當(dāng)線(xiàn)路故障主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，線(xiàn)路由于短路電流持續(xù)上升，加裝在線(xiàn)路兩端的電感感應(yīng)電壓會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，根據(jù)式(5)可知在某一時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)峰值。

故障線(xiàn)路電感所流過(guò)的短路電流由故障線(xiàn)路兩端的換流器所釋放的電流和非故障線(xiàn)路換流器釋放的電流構(gòu)成；非故障線(xiàn)路電感所流過(guò)的電流只有非故障線(xiàn)路換流器所釋放的電流。因此，當(dāng)線(xiàn)路f1處發(fā)生故障時(shí)，會(huì)有

|UMAX12|>|UMAX13|,|UMAX12|>|UMAX23|

設(shè)定整定值：

(8)

根據(jù)式(8)，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，斷路器設(shè)定啟動(dòng)判據(jù)：

|uL(t)|>UTH

(9)

當(dāng)斷路器動(dòng)作后，并聯(lián)在電感兩端的BPI動(dòng)作將會(huì)吸收線(xiàn)路的過(guò)電流。圖5是BPI的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)斷路器動(dòng)作后，電感中儲(chǔ)存的電能會(huì)在(圖6)BPI中形成回路，將過(guò)電流轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)掉。

圖5 BPI裝置結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)主保護(hù)和后備的判據(jù)信息，得到線(xiàn)路保護(hù)策略的流程圖(圖6)。

圖6 保護(hù)策略流程圖

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證方法的可行性，在PSCAD/EMTDC上搭建三端環(huán)狀直流電網(wǎng)模型，每個(gè)換流站電壓等級(jí)均為20 kV，仿真步長(zhǎng)為8 s，3 s為故障發(fā)生時(shí)刻。

3.1 主保護(hù)電感電壓極性仿真

設(shè)置故障點(diǎn)在換流站1、2之間f1處，檢測(cè)各個(gè)電感的電流變化，通過(guò)觀察電感電流的突變情況，判斷電感電壓的方向，以上文正常運(yùn)行時(shí)電流走向?yàn)橐?guī)定正方向，進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7仿真結(jié)果來(lái)看：當(dāng)換流站1、2之間f1處發(fā)生故障時(shí)，換流站1、2線(xiàn)路兩端電感電流相反，這樣感應(yīng)的電壓極性也會(huì)相反，所以電壓乘積為-1，根據(jù)表1判定故障發(fā)生在換流站1、2之間。而換流站1、3之間和換流站2、3之間線(xiàn)路電感電流均為同向，感應(yīng)的電壓乘積為1，判定為區(qū)外故障；由于是電壓極性突變，所以在20 ms內(nèi)完成故障判斷，保證了動(dòng)作的靈敏性，提高了檢測(cè)速度。

(a) 換流站1、2間線(xiàn)路兩端電感電流

3.2 后備保護(hù)電感電壓動(dòng)態(tài)變化仿真

當(dāng)系統(tǒng)的主保護(hù)不能正常動(dòng)作時(shí)，后備保護(hù)啟動(dòng)。設(shè)置換流站1、2之間線(xiàn)路f1處發(fā)生故障，基于電感電壓的動(dòng)態(tài)變化仿真結(jié)果如圖8。

(a) 換流站1、2間線(xiàn)路Lx21電壓

圖8仿真結(jié)果表明：換流站1、2之間電感電壓峰值大于非故障路線(xiàn)電感電壓的絕對(duì)值，根據(jù)式(9)所設(shè)定的電壓判據(jù)整定值，啟動(dòng)閾值UMAX12>UTH>UMAX13，UMAX12>UTH>UMAX23，檢測(cè)出換流站1、2之間線(xiàn)路發(fā)生故障，換流站1、2之間線(xiàn)路兩端斷路器動(dòng)作，斷開(kāi)故障線(xiàn)路；在主保護(hù)不能正常工作的情況下動(dòng)作，提高了整個(gè)保護(hù)方法的可靠性。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)交流輸電技術(shù)與直流輸電技術(shù)相比，還不夠成熟，隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，直流系統(tǒng)的故障檢測(cè)和保護(hù)也需要不斷完善。本文提出的基于電感電壓極性方向突變的主保護(hù)能夠迅速判斷線(xiàn)路的故障所在，并在20 ms內(nèi)完成保護(hù)動(dòng)作，保證了主保護(hù)的靈敏性；基于檢測(cè)電感電壓整定值的后備保護(hù)，能夠在主保護(hù)不能正常動(dòng)作的情況下完成故障判斷并動(dòng)作，提高了整個(gè)保護(hù)方法的可靠性；在完成故障切除的同時(shí)，通過(guò)將故障線(xiàn)路的過(guò)電流流向BPI裝置，降低了線(xiàn)路所受沖擊電流的影響，保護(hù)了線(xiàn)路，提高了整個(gè)線(xiàn)路的安全性。本文所提出的保護(hù)方法基于換流器正常閉鎖的情況，當(dāng)換流器不能正常閉鎖時(shí)，這種情況還有待研究。