中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中柔性環(huán)網控制裝置接地故障分析

姜田貴，謝曄源, 李洪濤,連建陽, 邱德鋒

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市 211002；2. 國網北京市電力公司，北京市 100031)

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中柔性環(huán)網控制裝置接地故障分析

姜田貴1，謝曄源1, 李洪濤2,連建陽1, 邱德鋒1

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，南京市 211002；2. 國網北京市電力公司，北京市 100031)

中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)采用無連接變壓器接線方式的柔性環(huán)網控制裝置與交流系統(tǒng)共用接地支路，裝置的接地故障特性不同于常規(guī)有連接變壓器的換流裝置，需要對其接地故障特性進行分析，為裝置故障診斷、保護的設計提供依據。分析了基于模塊化多電平換流器的柔性環(huán)網控制裝置交流側單相接地故障時的故障機理，闡述了故障后裝置故障側和非故障側換流器的電氣量特征，分析了柔性環(huán)網控制裝置直流單極接地故障特性，推導了故障后換流器在不同工作模式下故障電流的解析方程，指出在消弧線圈接地支路增加阻尼電阻可以加快故障電流衰減。通過建立的基于模塊化多電平換流器的柔性環(huán)網控制裝置PSCAD/EMTDC仿真模型，驗證了本文故障特性分析的正確性和有效性。

柔性環(huán)網控制裝置；消弧線圈接地；模塊化多電平換流器；單相接地故障；直流單極接地故障

0 引 言

電壓源型換流器(voltage source converter，VSC)可以實現AC/DC變換，其有功、無功可以獨立解耦控制，是柔性環(huán)網控制裝置的核心組成部分。基于VSC的柔性環(huán)網控制裝置連接配電網多個交流分段母線，可以實現交流配電網的閉環(huán)運行，改善交流配電系統(tǒng)的功率和電壓控制能力，提高配電網的供電可靠性[1-3]。柔性環(huán)網控制裝置是交直流混合配電網的關鍵設備。

模塊化多電平換流器(modular multilevel converter，MMC)是電壓源型換流器的一種，采用子模塊級聯實現多電平輸出，無需器件直接串聯，具有損耗低、可靠性高等優(yōu)點，在國內外柔性直流工程中得到了廣泛的應用[4-7]。MMC是柔性環(huán)網控制裝置的優(yōu)選換流器方案。MMC多采用連接變壓器與交流電網相連接，連接變壓器可以實現交直流系統(tǒng)間的故障隔離，但也使得系統(tǒng)的整體占地和造價大幅增加。城市配電網對電力裝置的體積占地具有較高的要求，柔性環(huán)網控制裝置應用于城市配電網時需要采用緊湊型設計方案。若可以省去柔性環(huán)網控制裝置中換流器與交流系統(tǒng)的連接變壓器，則可以顯著減少系統(tǒng)的整體投資和占地。

接地故障是換流裝置常見的故障類型。換流裝置的故障特性與換流器拓撲、接地方式及其所接入的交流系統(tǒng)的接地方式相關。城市配電中普遍采用了中性點經消弧線圈接地方式。中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)中換流裝置采用無連接變壓器的接線方式時，換流器的交流輸出端直接連接至交流電網，裝置與交流系統(tǒng)共用接地支路。

采用無連接變壓器接線方式的換流裝置交流側和直流側接地故障特性不同于常規(guī)的有連接變壓器的換流裝置。對于常規(guī)的采用連接變壓器與交流電網連接換流器的接地故障特性，國內外學者已經做了較多的研究[4,8-11]。文獻[4]分析了MMC直流單極接地故障特性，文獻[8]分析了兩電平換流器交流接地故障對直流配電網電壓平衡的影響，文獻[9]分析了VSC-HVDC站內交流母線的故障現象及機制，文獻[10]分析了基于MMC的多端直流輸電系統(tǒng)直流側故障控制保護策略，文獻[11]分析了兩電平換流器的交流母線及直流線路故障性能。國內外未見對采用無連接變壓器接線方式的換流裝置接地故障特性分析的報道。

1 柔性環(huán)網控制裝置的基本結構

柔性環(huán)網控制裝置由背靠背連接的電壓源型換流器構成，電壓源型換流器的交流輸出連接至不同交流系統(tǒng)。采用無變壓器接線方式的兩端柔性環(huán)網控制裝置的拓撲結構如圖1所示，包含背靠背連接的MMC1和MMC2。MMC1的交流輸出端通過交流開關DL1連接到中壓配電系統(tǒng)AC1，MMC2通過DL2連接至另一中壓交流系統(tǒng)AC2，MMC1與交流系統(tǒng)AC1共用接地裝置，MMC2與交流系統(tǒng)AC2共用接地裝置。

圖1 無連接變壓器的柔性環(huán)網控制裝置拓撲結構圖Fig.1 Topology structure of flexible loop network control device without transformer connection

柔性環(huán)網控制裝置中MMC原理圖如圖2所示，其中Usj-k、isj-k分別為換流器k交流側系統(tǒng)的相電壓和線電流(j∈{a,b,c}，k∈{1,2}，下同)；Rj-eq-k、Lj-eq-k分別為交流系統(tǒng)的等效電阻和等效電感；Lxk為消弧線圈電感值；Lpj-k、Rpj-k為MMC的橋臂電感及等效內阻；udc-p、udc-n分別為MMC的直流正極對地電壓和負極對地電壓[12]。

圖2 MMC原理圖Fig.2 Schematic diagram of MMC converter

MMC可以控制各橋臂子模塊投入和切出數，輸出期望的交流電壓。橋臂輸出電壓可以用一個受控電壓源等效，橋臂電壓近似正弦變化，在換流器三相對稱，正、負極直流電壓幅值相等時，以A相為例上橋臂電壓upa-k和下橋臂電壓una-k分別為：

(1)

(2)

式中：Udc為MMC的直流輸出電壓；mk為MMCk的電壓調制比；ω0為基波角頻率；φk為初始相位角[13-15]。

柔性環(huán)網控制裝置的接地故障主要包括交流側接地故障和直流側接地故障，本文以發(fā)生概率較大的交流側單相接地故障和直流單極接地故障為例對中性點經消弧線圈接地交流系統(tǒng)中采用無連接變壓器接線方式的柔性環(huán)網控制裝置故障特性進行分析。

2 交流側單相接地故障特性分析

以圖1中柔性環(huán)網控制裝置中MMC1與交流系統(tǒng)AC1間的c相F1點發(fā)生單相接地(金屬性接地)故障為例分析裝置的故障特性。

(3)

兩種大米淀粉濕熱處理前后的 RDS、SDS、RS含量如表4所示。從結果中可以看到，經濕熱處理后二者的RS和SDS含量均增加，RDS含量均降低，且YF變化的程度更為顯著。研究表明，淀粉糊的消化性能主要與淀粉鏈結構有關，且發(fā)現直鏈含量越高，淀粉消化率越低[5,6]。如前所述，濕熱處理增加了二者的直鏈淀粉含量，這可能有消化速率降低有關。另一方面，淀粉的的糊化程度也會影響淀粉的消化性能，完整顆粒存在的越多，淀粉消化性能越低[15]。濕熱處理促進了淀粉分子的重排，加強了淀粉顆粒的穩(wěn)定性，可能有更多完整顆粒存在，且YF被加強的效果更為明顯，故YF的RS和SDS含量增加的程度更大。

(4)

對于交流側的零序分量，其以共模型式出現在直流側，由式(4)故障側MMC1直流側正極和負極對地共模波動值為交流側零序電壓分量。直流正負極線的差模電壓仍然為Udc不發(fā)生變化。

換流器正負極線共模分量會增加換流閥對地電壓，若要求換流器在交流接地故障時具有長時間運行能力，換流閥的絕緣設計時需要考慮該幅值，避免導致直流極線避雷器保護動作。

直流側對地電壓變化后，隨著非故障側MMC子模塊的開關器件動作，換流器2交流出口對地電壓uj-2為

(5)

柔性環(huán)網控制裝置一側換流器發(fā)生交流接地故障后，非故障側換流器三相交流端口對地出現工頻零序電壓分量。由式(5)換流器2的c相對地電壓可以表示為

(6)

若柔性環(huán)網控制裝置兩側MMC1和MMC2的調制比、相位角相近，則uc-2≈0，此時非故障側電壓特征與故障側類同。

MMC1的F1點發(fā)生單相接地故障，故障電流通路分為圖3中①、②、③、④這4個通路。故障電流通路①的情況類同于常規(guī)的交流系統(tǒng)接地故障分析，接地故障產生的零序電壓會造成零序電流經過接地點與消弧線圈形成回路。故障電流通路②、③為發(fā)生不對稱故障后，故障側交流系統(tǒng)AC1和非故障側AC2的電容電流通路。采用無連接變壓器的柔性環(huán)網控制裝置的特殊之處在于一側交流側發(fā)生單相接地故障后，非故障側交流系統(tǒng)將通過與故障點相連的換流器橋臂單元，經過接地點與非故障側消弧線圈形成零序電流回路，如圖3中電流支路④所示。

圖3 單相接地故障故障電流通路 Fig.3 Fault current path of single phase grounding fault

圖4 柔性環(huán)網控制裝置單相接地故障仿真波形Fig.4 Simulation waveform of single phase grounding fault of flexible loop network control device

3 直流單極接地故障特性分析

柔性環(huán)網控制裝置與交流系統(tǒng)共用消弧線圈接地方式時，換流器的直流單極接地故障特性將與文[4]所述有較大差異。以圖1中MMC1直流側負極F2點發(fā)生單極接地(金屬性接地)故障為例分析柔性環(huán)網控制裝置直流側接地故障特性。

在直流單極接地故障情況下，換流器交流端會通過換流器的橋臂、接地點、消弧線圈構成故障電流通路，柔性環(huán)網控制裝置的故障通路如圖5所示。

根據換流器控制保護動作時序，故障后換流器有下述3種模式：(1)換流器維持觸發(fā)導通；(2)換流器閉鎖，交流開關未分斷；(3)交流開關分斷。

圖5 柔性環(huán)網控制裝置單極接地故障故障電流通路Fig.5 Fault current path of flexible loop network control device under monopolar grounding fault

(7)

模式2 ：換流器檢測識別出直流側發(fā)生單極接地故障后，換流器觸發(fā)脈沖閉鎖，同時下發(fā)分斷交流側斷路器命令，交流斷路器分斷通常需要數10 ms分斷時間。換流器閉鎖后，交流電網將通過換流器子模塊IGBT2的二級管、接地點以及消弧線圈支路構成故障電流通路，換流器閉鎖、交流斷路器分斷前的故障回路如圖6所示。換流器中對交流系統(tǒng)中性點n電壓最小那相的換流閥續(xù)流二極管導通，其他兩相截止。1個工頻周期內，a、b、c三相與故障極線連接的換流閥的續(xù)流二極管將輪流導通。換流器閉鎖后，負極沒有故障電流流過，直流電流降低為0。消弧線圈

圖6 閉鎖后的裝置單極接地故障電流通路Fig.6 Fault current path of flexible loop network control device after blocked under monopolar grounding fault

為大電抗器，由于二極管的鉗位，消弧線圈兩端電壓為單極性電壓，消弧線圈中電流將快速增加。

模式3：交流側斷路器接受到分閘命令后開始分斷。因換流器的a、b、c三相中正常僅有一相導通(換流時刻除外)，非導通相因沒有故障電流流過，非導通相的斷路器可以正常分斷。導通相因流過較大幅值的帶直流偏置的故障電流，且故障電流無過零點，超過斷路器的分斷能力，斷路器無法正常分閘。換流器交流側兩相分斷后故障電流通路如圖7所示。

圖7 換流器1交流斷路器兩相分斷后的故障電流通路Fig.7 Fault current path of converter 1 after AC breaker breaking

(8)

故障電流非周期分量從開關分斷前的最大電流按指數函數衰減，時間常數為(Lx-1+Lj-eq-1)/Rj-eq-1，因故障回路阻尼較小，消弧線圈上非周期分量衰減時間較長。消弧線圈、換流閥二極管中將長期流過較大的故障電流，將引起消弧接地系統(tǒng)及換流閥等設備的損環(huán)。

圖8給出柔性環(huán)網控制裝置直流側發(fā)生單極接地故障后(負極)的換流器仿真波形。負極單極接地后，換流器10 ms左右閉鎖，下發(fā)交流斷路器跳閘命令，交流斷路器的a、b兩相延時約60 ms后跳開，60 ms 后c相電流達到1.9 kA，超過斷路器分斷直流電流能力無法分斷，c相維持導通，如圖8(b)所示。圖8(c)為消弧線圈上電壓的波形。因故障回路阻尼較小，消弧線圈上電流iL-X-1呈現緩慢衰減，如圖8(d)所示。

在消弧線圈接地支路增加阻尼電阻可以減少非周期分量的衰減時間常數，加快故障電流衰減。增加阻尼電阻RZ-1后的衰減時間常數為

圖8 柔性環(huán)網控制裝置直流單極接地故障波形Fig.8 DC monopolar grounding fault waveform of flexible loop network control device

(9)

圖9(a)給出消弧接地支路增加阻尼電阻(6 Ω)后的換流器1的三相交流電流仿真波形，交流斷路器的a、b兩相延時60 ms后跳開，c相電流震蕩衰減，在123 ms后c相電流衰減至0，斷路器分斷。圖9(a)給出消弧接地支路增加阻尼電阻后流過消弧線圈的故障電流波形。增加阻尼電阻后使消弧線圈上非周期分量電流快速衰減，從而為交流斷路器分斷故障電流提供條件。阻尼電阻另一方面還可以限制故障電流峰值。

4 結 論

本文針對中性點經消弧接地的配電網中采用無連接變壓器接線方式的柔性環(huán)網控制裝置，分析了交流單相接地故障和直流單極接地故障時裝置的故障特性。

圖9 增加阻尼電阻后流過消弧線圈的故障波形Fig.9 Fault waveform of the arc suppression coil with the damping resistance

(1)當柔性環(huán)網控制裝置的一側發(fā)生單相接地不對稱故障時，交流側的零序分量以共模形式出現在直流側，并通過直流極線傳輸影響非故障側的換流器，非故障交流系統(tǒng)會出現故障特征，產生零序電壓柔性環(huán)網控制裝置可以傳遞零序分量。

(2)一側交流側發(fā)生單相接地故障后，非故障側交流系統(tǒng)將通過與故障點相連的換流器橋臂、接地點與非故障側的消弧線圈形成零序電流回路。

(3)對于中性點采用消弧接地的配電網，如果柔性環(huán)網控制裝置不采用連接變壓器，在直流單極接地故障情況下，交流電網會通過換流器的續(xù)流二極管、消弧線圈構成故障電流通路，將出現交流相電流缺少過零點而導致斷路器無法分斷的狀況。

(4)在消弧線圈接地支路增加阻尼電阻后，阻尼電阻可以使直流單極接地故障時流過消弧線圈的非周期電流分量快速衰減，從而為交流斷路器分斷故障電流提供條件。

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(編輯 蔣毅恒)

Grounding Fault Analysis of Flexible Loop Network Control Device in Neutral Point Grounding System with Arc Suppression Coil

JIANG Tiangui1，XIE Yeyuan1, LI Hongtao2, LIAN Jianyang1, QIU Defeng1

(1. Nari-Relays Electric Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031, China)

Flexible loop network control device without transformer shares the same ground branch with the AC system, whose neutral point is grounded by arc suppression coil. The grounding fault characteristic of the device is different from that of the conventional device with transformer. It is necessary to analyze the characteristics of the grounding fault, which provides the basis for fault diagnosis and protection design. This paper analyzes the fault mechanism of the single phase grounding fault in the AC side of the flexible loop network control device based on the modular multilevel converter, and describes the electrical characteristics of the fault side and the non-fault side of the converter. Then, this paper analyzes the characteristics of DC monopolar grounding fault in the flexible loop network control device, derives the analytical equations of fault current in different operating modes of the converter, and points out that the increase of damping resistance of arc suppression coil grounding branch can speed up the fault current attenuation. Finally, this paper constructs the PSCAD/EMTDC simulation model of the flexible loop network control device based on the modular multilevel inverter, and verifies the correctness and validity of the fault characteristic analysis.

flexible loop network control device; arc suppression coil grounding; modular multilevel converter; single phase grounding fault; DC monopolar grounding fault

國家高技術研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2015AA050102)

TM 721

A

1000-7229(2016)05-0146-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.05.016

2016-03-07

姜田貴(1984)，男，通信作者，碩士，研發(fā)工程師，研究方向為柔性直流輸電及電力電子技術；

謝曄源(1978)，男，碩士，高級工程師,研究方向為柔性直流輸電及大功率電力電子技術；

李洪濤(1975)，男，碩士，高級工程師，國家電網公司專業(yè)領軍人才，主要從事配電網設備和運維技術研究工作；

連建陽(1987)，男，碩士，工程師，研究方向為柔性直流輸電及電力電子技術；

邱德鋒(1986)，男，碩士，工程師，研究方向為柔性直流輸電控制保護技術。

Project supported by the National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2015AA050102 )