基于直流電抗器電壓的多端柔性直流電網(wǎng)邊界保護(hù)方案

周家培, 趙成勇, 李承昱, 許建中, 安 婷

(1. 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)), 北京市 102206; 2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 北京市 102209)

基于直流電抗器電壓的多端柔性直流電網(wǎng)邊界保護(hù)方案

周家培1, 趙成勇1, 李承昱1, 許建中1, 安 婷2

(1. 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)), 北京市 102206; 2. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 北京市 102209)

直流故障的快速可靠識別是多端柔性直流電網(wǎng)亟須突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于線路邊界元件直流電抗器的特征,提出了一種新型的多端柔性直流電網(wǎng)線路邊界保護(hù)方案。利用故障線路和非故障線路直流電抗器電壓大小和方向的不同,實(shí)現(xiàn)故障線路的快速識別;利用故障線路正、負(fù)極直流電抗器電壓大小的差異進(jìn)行故障類型和故障極的判別。該方案僅通過單端直流電抗器的電壓即可實(shí)現(xiàn)對故障的快速檢測、識別,不僅能夠滿足直流電網(wǎng)對保護(hù)的要求,而且保護(hù)方案簡單易實(shí)現(xiàn),對硬件要求較低,無需通信。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流電網(wǎng)模型,仿真結(jié)果驗(yàn)證了該保護(hù)方案在不同直流故障和運(yùn)行情況下的有效性。

多端柔性直流電網(wǎng); 邊界保護(hù); 直流電抗器電壓; 故障識別

0 引言

基于模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流輸電,具有高度模塊化、有功無功靈活控制、可向無源負(fù)荷供電等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于風(fēng)電場并網(wǎng)、孤島和弱電網(wǎng)供電以及城市供電等領(lǐng)域。近年來,新能源發(fā)電迅速發(fā)展,但卻給電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來了諸多難題,不斷出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光等問題[1-3]。基于柔性直流輸電的多端直流電網(wǎng)技術(shù)是解決這一問題的有效技術(shù)手段之一[1-4]。中國已經(jīng)建設(shè)并投運(yùn)了南澳三端和舟山五端柔性直流輸電示范工程,并計(jì)劃于2019年投運(yùn)世界首個(gè)±500 kV多端柔性直流電網(wǎng)——張北直流電網(wǎng)示范工程[5],以提升新能源并網(wǎng)及消納能力。因此,多端柔性直流電網(wǎng)將在未來的電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用。

直流電網(wǎng)是一個(gè)“低阻尼”系統(tǒng),故障電流發(fā)展更快，故障影響范圍更廣[6],這就要求直流電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)能在2 ms內(nèi)檢測出故障,并在5 ms內(nèi)隔離故障線路[3]。已有兩端直流系統(tǒng)的保護(hù)因存在動作速度慢、線路成網(wǎng)后失去選擇性等問題而不能滿足多端直流電網(wǎng)對線路保護(hù)的要求。

針對多端柔性直流電網(wǎng)直流線路保護(hù)的研究,國內(nèi)外學(xué)者都在積極地開展相關(guān)研究。文獻(xiàn)[7-9]提出了基于不同故障隔離手段的“握手法”直流線路保護(hù)方法,文獻(xiàn)[10]提出了多端直流系統(tǒng)分區(qū)保護(hù)策略,只在連接不同保護(hù)區(qū)域的直流線路上安裝直流斷路器,從而大大降低了投資成本。但受限于“握手法”和分區(qū)保護(hù)策略本身的缺陷,保護(hù)并不具有絕對的選擇性,非故障線路也會短時(shí)停電,供電可靠性差。文獻(xiàn)[11-12]分別利用平波電抗器線路側(cè)和兩端的電壓變化率來檢測直流線路故障,但該方法在功率反轉(zhuǎn)的情況下保護(hù)閾值可能需要重新整定,這有可能造成保護(hù)的誤動和拒動,而且對采樣率要求較高。文獻(xiàn)[13-14]分別利用短時(shí)能量和小波時(shí)間熵對單極接地故障進(jìn)行檢測。文獻(xiàn)[15-16]均提出了基于單端量的直流電網(wǎng)線路快速保護(hù)方案。上述文獻(xiàn)為多端柔性直流電網(wǎng)線路保護(hù)提供了新的思路,但是采用的算法較復(fù)雜,對硬件要求較高,不利于故障的快速檢測。

文獻(xiàn)[16]指出,直流電網(wǎng)在每條直流線路兩端安裝直流電抗器對線路保護(hù)具有重要的意義。同時(shí),規(guī)劃中的直流電網(wǎng)工程也采用這種配置方案?；谝陨戏治龊凸こ虒?shí)際,本文以直流電網(wǎng)中線路兩端的直流電抗器為邊界元件,分析了直流故障下直流電抗器電壓的暫態(tài)特征,提出了一種新型的多端柔性直流電網(wǎng)線路邊界保護(hù)方案。該方案僅利用單端直流電抗器電壓即可實(shí)現(xiàn)故障線路和故障極的快速、可靠識別。最后,在仿真平臺PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流電網(wǎng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明，該保護(hù)方案能快速、可靠地檢測出直流故障,具有一定的耐過渡電阻能力,而且在區(qū)外故障和潮流反轉(zhuǎn)的情況下保護(hù)均不會誤動。

1 柔性直流系統(tǒng)故障暫態(tài)特征

直流故障暫態(tài)特征分析是直流保護(hù)的基礎(chǔ),因此下文對直流線路雙極短路和單極接地故障的暫態(tài)特征進(jìn)行分析。

1.1 雙極短路故障暫態(tài)特征分析

當(dāng)直流電抗器線路側(cè)出口處雙極短路故障時(shí),在換流器閉鎖前,子模塊電容迅速放電[17-19],其放電通路如圖1(a)所示。此時(shí)的故障等值電路如圖1(b)所示。

圖1 MMC雙極短路故障放電回路Fig.1 Discharge circuit under MMC pole-to-pole short-circuit fault

圖1(b)故障等值電路中的等值參數(shù)如式(1)所示。

(1)

式中:Re,Le和Ce分別為雙極短路故障下MMC等值電阻、電感和電容;Rarm和Larm分別為MMC橋臂等效電阻和橋臂電抗;LT為直流電抗器;CSM為子模塊電容值;n為MMC每個(gè)橋臂的子模塊數(shù)目。

由KVL可得式(2),其特征根如式(3)所示。

(2)

(3)

假設(shè)故障瞬間的初始條件為uC(0+)=U0,iL(0+)=I0,由此可得直流電抗器電壓為:

(4)

故障瞬間,直流電抗器電壓瞬時(shí)值為:

uLT(0+)=-ALTCsin(θ-2β)

(5)

當(dāng)柔性直流系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí),若忽略直流電流的波動,直流電抗器上的電壓近似為0。由式(4)可知,直流線路發(fā)生雙極短路故障后,電抗器電壓瞬間達(dá)到峰值,如式(5)所示,隨后將逐漸衰減。

1.2 單極接地故障暫態(tài)特征分析

當(dāng)正極電抗器線路側(cè)出口處發(fā)生接地故障時(shí),其放電通路和故障等值電路如圖2(a)和(b)所示,本文以交流側(cè)星形電抗經(jīng)電阻接地[20]為例進(jìn)行分析。

圖2 MMC單極接地故障放電回路Fig.2 Discharge circuit under MMC pole-to-ground fault

圖2(b)中等值參數(shù)如式(6)所示。

(6)

式中:Re′,Le′和Ce′分別為單極接地故障下MMC等值電阻、電感和電容;Rg為交流側(cè)的接地電阻;Lg為交流側(cè)的接地電感。

由KVL可得式(7),其特征根如式(8)所示。

(7)

(8)

式中:α=R/(2L);ε=1/(LC)。

根據(jù)uC(0+)=U1,iL(0+)=I1,可得直流電抗器電壓為:

(9)

故障瞬間,正極直流電抗器電壓的瞬時(shí)值為:

(10)

由式(9)可知,直流系統(tǒng)發(fā)生正極接地故障時(shí),正極直流電抗上的電壓會從穩(wěn)態(tài)時(shí)的近似為0突變,在故障瞬間達(dá)到最大值,如式(10)所示,隨后逐漸衰減;負(fù)極直流電抗器沒有在故障回路中,其電抗器電壓最大值遠(yuǎn)低于正極直流電抗器電壓。

由1.1節(jié)和1.2節(jié)分析可知,無論柔性直流系統(tǒng)發(fā)生雙極短路還是單極接地故障,直流電抗器的電壓變化都一致,即故障線路兩端的直流電抗器電壓會突變增大達(dá)到峰值,而非故障線路兩端的直流電抗器電壓最大值遠(yuǎn)低于故障線路兩端的直流電抗器電壓。因此,可以利用直流電抗器上的電壓值這一特征來實(shí)現(xiàn)柔性直流系統(tǒng)中直流故障的檢測。根據(jù)直流故障后對直流電抗器電壓值的分析,為下文中保護(hù)方案設(shè)計(jì)及保護(hù)閾值的整定提供了理論依據(jù)。

2 保護(hù)方案原理及流程

本文設(shè)計(jì)的基于直流電抗器電壓的保護(hù)方案包括故障線路判據(jù)、故障類型判據(jù)和故障極判據(jù)。

2.1 故障線路判據(jù)

故障線路判據(jù)由直流電抗器電壓的大小和方向共同構(gòu)成。假設(shè)正極電抗器電壓正方向?yàn)閺哪妇€指向線路,負(fù)極電抗器電壓正方向?yàn)閺木€路指向母線,本文均以該規(guī)定的正方向?yàn)槔M(jìn)行分析。由文獻(xiàn)[16]可知,故障線路兩端的直流電抗器電壓均為正方向。因此,設(shè)計(jì)保護(hù)啟動判據(jù)為:

uLTl(t)>UTH1

(11)

式中:uLTl(t)為當(dāng)前采樣時(shí)刻t下的本極電抗器電壓值;UTH1為保護(hù)啟動閾值。

本保護(hù)啟動判據(jù)簡單易實(shí)現(xiàn),而且采用單端單極的電壓量進(jìn)行故障檢測,不受通信延時(shí)的影響,能夠快速檢測出故障的發(fā)生,滿足直流電網(wǎng)保護(hù)靈敏性的要求。

2.2 故障類型判據(jù)

當(dāng)直流線路上發(fā)生雙極短路故障時(shí),故障線路同端的本極電抗器電壓和對極電抗器電壓的大小相等,正負(fù)相同;而當(dāng)直流線路發(fā)生單極接地故障時(shí),故障線路同端的本極電抗器電壓與對極電抗器電壓相差較大。根據(jù)這一差異,可以利用本極和對極電抗器電壓的差值來判別故障類型。為了增強(qiáng)保護(hù)的抗干擾能力,延時(shí)Δt后再判斷本極、對極電抗器電壓差值,以保證保護(hù)的可靠性。因此,本文設(shè)計(jì)的故障類型判據(jù)如下:

|uLTl(t)-uLTo(t)|

(12)

|uLTl(t+Δt)-uLTo(t+Δt)|

(13)

式中:uLTo(t)為當(dāng)前采樣時(shí)刻t下的對極電抗器電壓值;uLTl(t+Δt)和uLTo(t+Δt)分別為為采樣時(shí)刻t+Δt下的本極和對極電抗器電壓值;UTH2為故障類型判據(jù)的整定值。

該故障類型判據(jù)利用本時(shí)刻和延時(shí)Δt后的電抗器電壓差值進(jìn)行雙重判斷,使保護(hù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力,能實(shí)現(xiàn)故障類型的可靠識別。

2.3 故障極判據(jù)

經(jīng)過2.2節(jié)的判斷,可以確定故障類型為雙極短路故障還是單極接地故障。若為單極接地故障,仍需判斷故障極。由于系統(tǒng)的交流側(cè)接地,單極接地故障時(shí),故障接地點(diǎn)與交流側(cè)接地點(diǎn)之間形成電容的放電通路,故障極線的電流會迅速增大,故障極上的電抗器電壓值比非故障極上的電抗器電壓值更大。因此,利用本極、對極電抗器電壓值的差異,設(shè)計(jì)故障極判據(jù)如下:

uLTl(t+Δt)>uLTo(t+Δt)

(14)

該故障極判據(jù)利用線路單端數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,不存在通信延時(shí)的影響,可以可靠區(qū)分故障極與非故障極,滿足保護(hù)選擇性的要求。

2.4 保護(hù)整定原則

故障線路判據(jù)用于區(qū)分區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障,因此保護(hù)啟動閾值應(yīng)在區(qū)外故障的最大電抗器電壓值與區(qū)內(nèi)故障的最小電抗器電壓值之間選取。一般情況下,直流電抗器線路側(cè)出口處單極接地故障是區(qū)內(nèi)直流電抗器電壓值最小的故障類型,而該最小直流電抗器電壓值可按式(10)進(jìn)行計(jì)算。由式(10)可知,該直流電抗器電壓值與直流電抗值、橋臂等效電阻和橋臂電抗、交流側(cè)接地電阻和電抗以及故障瞬間的初始電壓和電流均有關(guān)。因此,保護(hù)啟動閾值可以根據(jù)計(jì)算得到的直流電抗器電壓值作為上限值,并結(jié)合仿真進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

故障類型判據(jù)用于判斷故障為雙極短路故障還是單極接地故障。從理論上分析,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直流電流恒定,UTH2設(shè)為0即可。但考慮到實(shí)際的直流輸電工程穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),直流電流中會有諧波存在,直流電抗器電壓的實(shí)時(shí)值不嚴(yán)格等于零,UTH2的整定原則為大于穩(wěn)態(tài)時(shí)的正極和負(fù)極電抗器電壓差值。

2.5 保護(hù)方案

根據(jù)2.1節(jié)至2.3節(jié)所述保護(hù)原理及故障判據(jù),本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的多端柔性直流電網(wǎng)直流線路保護(hù)方案流程圖。

圖3 直流線路的保護(hù)方案流程圖Fig.3 Flow chart of protection scheme for DC line

3 仿真測試

基于PSCAD/EMTDC仿真平臺,搭建了如圖4所示的三端柔性直流電網(wǎng)模型,采用MMC,直流線路采用架空線的依頻模型。為了限制直流故障電流、清除故障,直流線路兩端均裝設(shè)直流電抗器和直流斷路器。附錄A表A1給出了圖4中三端直流電網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)。仿真的故障發(fā)生在0.6 s時(shí)刻,所設(shè)故障位置如圖4中所示,其中f2,f8,f10均為線路的中點(diǎn)位置。數(shù)據(jù)采樣頻率為25 kHz。

圖4 三端柔性直流電網(wǎng)Fig.4 Three-terminal flexible DC grid

本文以正極保護(hù)12作為觀測點(diǎn)來測試保護(hù)的動作性能,電抗器電壓的方向均以2.1節(jié)中規(guī)定的方向?yàn)檎较颉?/p>

3.1 保護(hù)定值整定

由2.4節(jié)的分析可知,區(qū)內(nèi)故障時(shí)最小電抗器電壓值可由式(10)進(jìn)行計(jì)算,以保護(hù)12為例(LT=0.2 H,Larm=48 mH,Lg=3 H,Rg=1 200 Ω,U1=500 kV,I1=-1.264 kA),可得計(jì)算的最小電抗器電壓值uLTl2(0+)=331.9 kV,該計(jì)算值作為保護(hù)啟動閾值的上限值。附錄A表A2給出了圖4中不同位置故障時(shí)保護(hù)12所在端的直流電抗器電壓值。

由附錄A表A2可知,f1處單極接地故障仿真得到的直流電抗器電壓與計(jì)算得到的電抗器電壓值基本一致,這驗(yàn)證了式(10)的正確性,可用于計(jì)算區(qū)內(nèi)近端故障電抗器電壓最小值。由該計(jì)算值并結(jié)合附錄A表A2中區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的仿真結(jié)果,同時(shí)還需要考慮一定的裕度,本文選取保護(hù)啟動閾值UTH1=220 kV。

根據(jù)2.4節(jié)的分析,并結(jié)合穩(wěn)態(tài)情況下的仿真,本文選取保護(hù)閾值UTH2=5 kV,延時(shí)時(shí)間Δt=200 μs。

3.2 區(qū)內(nèi)故障

3.2.1 雙極短路故障

在線路Line 1上保護(hù)12近端(f1)設(shè)置金屬性雙極短路故障,保護(hù)12端的直流電抗器電壓波形如圖5所示。

圖5 區(qū)內(nèi)雙極短路故障時(shí)直流電抗器電壓波形Fig.5 DC reactor voltage waveforms under internal pole-to-pole fault

圖5中,雙極短路故障時(shí)正極保護(hù)12檢測故障的過程可分為如下步驟。

附錄B圖B1為雙極短路故障時(shí)的電流波形,由直流線路故障后的電流水平可以看出,目前直流斷路器的切斷能力可以切斷該故障電流[21-22],該保護(hù)方案可與直流斷路器相配合,在識別出故障后跳開相應(yīng)的直流斷路器,以快速隔離故障。附錄B圖B1(b)中換流站橋臂電流小于換流站閥控保護(hù)的閉鎖水平,因此換流站在故障檢測過程中不會閉鎖,保證了該保護(hù)方案的可靠檢測不受影響。

3.2.2 單極接地故障

在線路Line 1上保護(hù)12遠(yuǎn)端(f3)設(shè)置正極接地故障,過渡電阻為100 Ω。附錄B圖B2為保護(hù)12端的直流電抗器電壓波形圖。

附錄B圖B2中,正極接地故障時(shí)正極保護(hù)12檢測故障的過程可分為如下步驟。

附錄B圖B3為正極接地故障時(shí)的電流波形,可以看出,直流線路上的電流和橋臂電流均小于直流斷路器的切斷水平和換流站閥控保護(hù)閉鎖的電流,因此該保護(hù)方案的檢測不受影響,并且可與直流斷路器配合實(shí)現(xiàn)故障的隔離。

3.3 區(qū)外故障

分別在區(qū)外近端f7(即換流站S2出口母線)和換流站S1交流側(cè)系統(tǒng)(f6)設(shè)置金屬性單極接地故障和三相短路故障,相關(guān)仿真結(jié)果如附錄B圖B4和圖B5所示。

如附錄B圖B4所示,當(dāng)換流站S2出口母線發(fā)生區(qū)外單極接地故障時(shí),正極保護(hù)12端測得的直流電抗器電壓小于保護(hù)啟動閾值,保護(hù)不會啟動,因此本文的保護(hù)方案能夠判定該故障為區(qū)外故障。

類似地,當(dāng)交流系統(tǒng)故障時(shí),如附錄B圖B5所示,正極保護(hù)12端測得的電抗器電壓遠(yuǎn)小于保護(hù)啟動閾值,因此保護(hù)方案能夠可靠地判定該故障為區(qū)外故障,保護(hù)不會誤動。

3.4 功率反轉(zhuǎn)

設(shè)置換流站S2在1.25～1.55 s之間,有功功率定值由1 500 MW變?yōu)?1 500 MW,此時(shí)線路1上的直流電流也會改變方向,如附錄B圖B6所示。附錄B圖B7為正極保護(hù)12端測得的電抗器電壓波形。仿真結(jié)果表明,潮流反轉(zhuǎn)時(shí),直流電抗器電壓遠(yuǎn)小于保護(hù)啟動閾值,不會引起保護(hù)啟動,對保護(hù)方案沒有影響。

4 結(jié)論

本文在多端柔性直流電網(wǎng)直流線路兩端均裝設(shè)直流電抗器構(gòu)成邊界的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于直流電抗器電壓的新型邊界保護(hù)方案,得到了以下結(jié)論。

1)對直流線路雙極短路和單極接地故障下的故障暫態(tài)特征進(jìn)行分析,結(jié)果表明直流電抗器電壓可以作為識別直流故障的特征量。

2)基于直流電抗器電壓的保護(hù)方案包括故障線路判據(jù)、故障類型判據(jù)和故障極判據(jù),該方案僅利用單端直流電抗器電壓的變化特征就能有效地識別故障,原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高,而且無需通信。

3)大量的仿真結(jié)果表明,該保護(hù)方案能夠靈敏、快速、可靠地識別故障線路和故障極,具有一定的耐過渡電阻能力。

4)本文所提保護(hù)方案適合用做多端柔性直流電網(wǎng)線路的主保護(hù),下一步工作將針對后備保護(hù)進(jìn)行研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Boundary Protection Scheme for Multi-terminal Flexible DC Grid Based on Voltage of DC Reactor

ZHOUJiapei1,ZHAOChengyong1,LIChengyu1,XUJianzhong1,ANTing2

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China; 2. Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing 102209, China)

Fast and reliable DC fault detection is one of the key techniques to break through for multi-terminal flexible DC grid. According to the characteristics of the DC reactors on the line, a novel boundary protection scheme is proposed to quickly detect the fault line using the voltage magnitude and direction of the DC reactors. And the fault type and fault pole can be judged with the difference in the voltage of DC reactor between the positive and negative poles of the fault line. The scheme can provide fast DC fault detection and identification just by the voltage of the single-ended DC reactor，thereby meeting the protection requirement of the DC grid while simplifying implementation. For the local fault detection of the proposed scheme, no telecommunication is needed. A three-terminal flexible DC grid model is built in PSCAD/EMTDC for simulation results to demonstrate the effectiveness of the scheme proposed under different DC faults and operating conditions.

This work is supported by “Thousands of People Plan” Special Support Project of State Grid Corporation of China (No. SGRIzlsdgcjsyjsJS 〔2014〕264).

multi-terminal flexible DC grid; boundary protection; DC reactor voltage; fault identification

2017-03-31;

2017-06-26。

上網(wǎng)日期: 2017-08-22。

國家電網(wǎng)公司“千人計(jì)劃”科技專項(xiàng)(SGRIzlsdgcjsyjsJS 〔2014〕264)。

周家培(1993—),女,通信作者,碩士研究生,主要研究方向:直流電網(wǎng)線路保護(hù)。E-mail： Cathy_Zhou0411@163.com

趙成勇(1964—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:高壓直流輸電與柔性直流輸電技術(shù)。E-mail: chengyongzhao@ncepu.edu.cn

李承昱(1991—),男,博士研究生,主要研究方向:直流電網(wǎng)等值及故障分析。E-mail: chengyu0216@foxmail.com

(編輯 孔麗蓓)

( continued on page 146)( continuedfrompage94)