考慮直流斷路器的MMC－HVDC系統(tǒng)直流電壓保護(hù)誤動(dòng)分析

李國(guó)慶，婁 劍，邊 競(jìng)，王 鶴，譚 龍

(1．東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2．黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱150036)

近年來(lái)，隨著直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展和日臻完善，柔性直流輸電因可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到快速發(fā)展．柔性直流輸電與采用電流源型換流器的常規(guī)直流輸電相比，具有有功和無(wú)功可獨(dú)立快速調(diào)節(jié)、占地和環(huán)境影響較小、不存在換相失敗問(wèn)題、可作為黑啟動(dòng)電源、易于構(gòu)建多端直流系統(tǒng)等特點(diǎn)［1～2］．采用電壓源型高壓直流輸電來(lái)構(gòu)成直流輸電系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)受電和多落點(diǎn)供電，在大規(guī)模分布式可再生能源接入、海上風(fēng)電場(chǎng)群并網(wǎng)送出、新型城市電網(wǎng)構(gòu)建等應(yīng)用領(lǐng)域都具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)［3～5］．

基于模塊化多電平換流器的高壓直流輸電技術(shù)(MMC－HVDC)作為一種新型的柔性直流輸電技術(shù)，研究時(shí)間較短，實(shí)際工程應(yīng)用較匱乏，需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行深入研究．當(dāng)前可供參考的文獻(xiàn)資料主要側(cè)重于MMC－HVDC系統(tǒng)的建模仿真、調(diào)制策略等穩(wěn)態(tài)控制機(jī)理，對(duì)于保護(hù)方面的研究也多關(guān)注在直流側(cè)的故障分析．文獻(xiàn)［6］分別以交流系統(tǒng)側(cè)、閥側(cè)和直流側(cè)接地故障為例，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型基礎(chǔ)上，針對(duì)聯(lián)結(jié)變壓器繞組不同接線(xiàn)方式，分析其不同故障特性以及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響，并提出了應(yīng)對(duì)策略．文獻(xiàn)［7］在由MMC－HVDC和交流線(xiàn)路構(gòu)成的交直流并列簡(jiǎn)化系統(tǒng)中，基于等面積法則，對(duì)3種直流故障處理方法的暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行理論分析，并提出評(píng)價(jià)指標(biāo)．

由于直流系統(tǒng)的阻尼相對(duì)較低，相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)的故障發(fā)展更快，控制保護(hù)難度更大［8］．同時(shí)對(duì)基于IGBT的柔性直流輸電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一旦直流側(cè)發(fā)生故障，由于IGBT中反并聯(lián)二極管的存在，通常無(wú)法采用閉鎖換流器的方法來(lái)限制短路電流，必須采用斷開(kāi)交流側(cè)斷路器的方法來(lái)分?jǐn)喙收想娏鳎虼藶榭焖傧拗撇⑶袛喙收想娏?，以維持直流電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行并保護(hù)電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備，直流斷路器成為有效的技術(shù)手段．

在直流斷路器研究方面，國(guó)外公司和研究機(jī)構(gòu)的研究工作開(kāi)展較早，并且已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了理論設(shè)計(jì)向工程實(shí)踐的轉(zhuǎn)化．在基于常規(guī)交流斷路器的機(jī)械式直流斷路器研制方面，日立公司和ABB公司分別研制了250 kV/8 kA(額定電壓/額定開(kāi)斷電流，下同)和500 kV/4 kA的產(chǎn)品并成功應(yīng)用于多端CSCHVDC工程，但開(kāi)斷用時(shí)約為35 ms，無(wú)法滿(mǎn)足基于VSC－HVDC的直流電網(wǎng)的需求．國(guó)內(nèi)方面，西安交通大學(xué)、南方電網(wǎng)公司、中國(guó)電力科學(xué)研究院等高校、企業(yè)和科研院所均在積極推進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展．因此，本文的研究將在設(shè)定直流保護(hù)以閉鎖直流斷路器為保護(hù)手段的前提下進(jìn)行研究．

在模塊化多電平高壓柔性直流輸電系統(tǒng)中，交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)分別配置保護(hù)．當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，直流保護(hù)迅速切除故障，以保證直流設(shè)備免于損壞［9］;同理，交流保護(hù)在交流系統(tǒng)發(fā)生故障后迅速工作，同時(shí)直流保護(hù)應(yīng)該不動(dòng)作．但是，由于交流故障引起的直流暫態(tài)響應(yīng)和直流故障具有相似性，在引入直流斷路器的系統(tǒng)中直流保護(hù)原理與整定方法具有不完善性，交流故障發(fā)生時(shí)可能引起直流保護(hù)誤動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成了威脅．

本文研究各種交、直流系統(tǒng)故障時(shí)直流系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)，分析MMC－HVDC直流側(cè)在交流系統(tǒng)故障和直流系統(tǒng)故障下的暫態(tài)響應(yīng)的相似性，研究有可能造成的直流電壓保護(hù)誤動(dòng)，并針對(duì)引起誤動(dòng)的保護(hù)特征給出避免保護(hù)誤動(dòng)的改進(jìn)建議．在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中，搭建含MMC－HVDC的交直流混合系統(tǒng)，仿真驗(yàn)證所作分析的正確性．

1 MMC－HVDC數(shù)學(xué)模型

模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)單站等效電路圖，如圖1所示．每個(gè)換流器由6個(gè)橋臂組成，其中上、下橋臂均由橋臂電抗L0、橋臂電阻R0和n個(gè)子模塊(SM)串聯(lián)而成，每一相的上、下橋臂合在一起稱(chēng)為一個(gè)相單元．從中引出輸出端，與電網(wǎng)側(cè)交流電阻Rs、電網(wǎng)側(cè)交流電感Ls以及交流電源Us相連．圖中N為交流側(cè)中性電位參考點(diǎn)，T1、T2為 IGBT，D1、D2為反并聯(lián)二極管．只要對(duì)每個(gè)子模塊上下兩個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)投入或者切除該子模塊．

觀(guān)察圖1MMC－HVDC單站系統(tǒng)拓?fù)洌芍獡Q流站與交流系統(tǒng)之間的功率交換可以通過(guò)改變上、下橋臂電壓來(lái)調(diào)節(jié)，得出下式:

圖1 MMC－HVDC單站系統(tǒng)拓?fù)?/p>

其中:Upj、Unj分別為上、下橋臂電壓;Udc為直流電壓;Ipj、Inj分別為上、下橋臂電流;L0為橋臂電抗;j=a，b，c．

MMC的電路結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，上、下橋臂的等效阻抗值在相同工頻周期內(nèi)近似相等，每相總串聯(lián)阻抗也相等，交流網(wǎng)側(cè)電流在上、下橋臂均勻分配，直流電流也在三相均勻分配，得出下式:

其中:isj為交流電流;idiffj為j相間環(huán)流分量．

根據(jù)電路原理分析，橋臂投入的總電容電壓公式如下:

其中:usj為交流電壓;udiffj為第j相內(nèi)部不平衡電壓降．

2 交流母線(xiàn)故障下直流系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)特征

圖2 網(wǎng)側(cè)交流母線(xiàn)故障示意圖

由于MMC－HVDC系統(tǒng)故障發(fā)生位置多樣化，并且故障類(lèi)型多樣化，故障有很多不同的分類(lèi)方法．但按照設(shè)備相對(duì)的空間位置，大致可以分為外部交流系統(tǒng)故障、換流站內(nèi)部故障、直流側(cè)故障、其他故障等．相對(duì)于網(wǎng)側(cè)換流母線(xiàn)，閥側(cè)線(xiàn)路很短、絕緣保護(hù)較好，故障的發(fā)生率較?。员疚闹饕跃W(wǎng)側(cè)換流母線(xiàn)故障為研究對(duì)象，分析交流系統(tǒng)故障對(duì)直流保護(hù)的影響．故障示意圖，如圖2所示．其中，1為單相接地短路故障，2為兩相接地短路故障，3為三相接地短路故障．

2.1 單相接地短路故障分析

以A相為故障相，MMC系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)生單相接地故障的等值電路如圖3所示．

圖3 MMC交流側(cè)單相接地短路故障等值電路

由圖3可知，當(dāng)A相發(fā)生單相接地故障后，A相交流電源短路，A相橋臂子模塊電容不斷放電的同時(shí)得不到充電，子模塊電容電壓下降導(dǎo)致A相橋臂電壓下降．同時(shí)非故障相子模塊電容對(duì)故障相放電，橋臂電壓隨之下降．A相子模塊電容電壓持續(xù)下降，在均壓控制PI調(diào)節(jié)器的作用下，故障相子模塊切除，整流側(cè)輸出的直流電壓等同于故障相橋臂電壓，直流電壓基本保持穩(wěn)定．

2.2 兩相接地短路故障分析

以A、B兩相為故障相，MMC系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)生兩相接地故障的等值電路如圖4所示．

圖4 MMC交流側(cè)兩相接地故障等值電路

由圖4可知，當(dāng)A、B兩相發(fā)生接地故障后，A、B兩相交流電源短路，A、B兩相橋臂子模塊電容不斷放電的同時(shí)得不到充電，子模塊電容電壓下降導(dǎo)致A、B兩相橋臂電壓下降．同時(shí)非故障相子模塊電容對(duì)故障相放電，橋臂電壓隨之下降．A、B兩相子模塊電容電壓持續(xù)下降，均壓控制PI調(diào)節(jié)器作用，故障相子模塊切除，因故障嚴(yán)重，直流電壓超過(guò)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍．整流側(cè)輸出的直流電壓等同于故障相橋臂電壓，下降．

2.3 三相短路故障分析

交流側(cè)三相短路故障等值電路如圖5所示．發(fā)生三相短路故障時(shí)，嚴(yán)重破壞了輸入功率與輸出功率之間的平衡，進(jìn)而影響子模塊電容電壓以及直流電壓．如果接收功率一側(cè)發(fā)生故障，能量由非故障側(cè)持續(xù)流入MMC－HVDC系統(tǒng)，直流電壓隨之上升;如果發(fā)出功率一側(cè)發(fā)生故障，非故障側(cè)不斷從MMCHVDC系統(tǒng)內(nèi)部吸收能量，直流電壓隨之下降．

2.4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述結(jié)論，參考國(guó)內(nèi)外實(shí)際柔直工程參數(shù)以及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)中搭建了容量為600 MVA，電壓等級(jí)220 kV的MMC－HVDC雙端系統(tǒng)仿真模型．但受仿真條件限制，子模塊數(shù)量為30．具體仿真參數(shù)，如表1所示．系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行5．0 s后，整流側(cè)交流側(cè)發(fā)生故障，故障持續(xù)時(shí)間 0．5 s．

圖5 MMC交流側(cè)三相短路故障等值電路

表1 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)

(1)單相接地故障仿真結(jié)果分析

如圖6所示，MMC－HVDC系統(tǒng)整流側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，對(duì)直流側(cè)直流電壓無(wú)明顯影響．

(2)兩相接地故障仿真結(jié)果分析

如圖7所示，MMC－HVDC系統(tǒng)整流側(cè)交流側(cè)發(fā)生兩相接地故障時(shí)，直流電壓下降．

圖6 整流側(cè)單相接地短路時(shí)直流電壓波形圖

圖7 整流側(cè)兩相接地短路時(shí)直流電壓波形圖

(3)三相短路故障仿真結(jié)果分析

如圖8所示，發(fā)出功率端故障時(shí)，直流電壓下降．

如圖9所示，接收功率端故障時(shí)，直流電壓上升較明顯．

圖8 三相短路故障時(shí)直流電壓波形圖(發(fā)出功率端故障)

圖9 相短路故障時(shí)直流電壓波形圖(接收功率端故障)

3 直流電壓保護(hù)誤動(dòng)分析

3.1 直流電壓保護(hù)原理與整定原則

MMC－HVDC系統(tǒng)主要的保護(hù)配置，如圖10所示．主要分為交流場(chǎng)區(qū)保護(hù)、閥區(qū)內(nèi)保護(hù)和直流場(chǎng)區(qū)保護(hù)，其中:1－交流斷路器的過(guò)流保護(hù);2－不正常交流電壓保護(hù);3－接地故障保護(hù);4－差動(dòng)保護(hù);5－換流站過(guò)流保護(hù);6－子模塊保護(hù);7－不正常直流電壓保護(hù);8－直流放電保護(hù)．

本文著重研究直流場(chǎng)區(qū)的直流電壓不正常保護(hù)，直流電壓不正常保護(hù)主要分為:直流欠壓及過(guò)流保護(hù)、直流過(guò)壓保護(hù)、直流低電壓保護(hù)及直流電壓不平衡保護(hù)．下面對(duì)這四種保護(hù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹．其中報(bào)警定值和控制系統(tǒng)切換定值的參考依據(jù)為實(shí)際工程中配置參數(shù)．

(1)直流欠壓及過(guò)流保護(hù)

保護(hù)邏輯及定值:

圖10 MMC－HVDC系統(tǒng)保護(hù)配置示意圖

其中:Ud為直流正負(fù)極電壓;Ud_set為欠壓整定值;t為保護(hù)動(dòng)作時(shí)間;t_set為動(dòng)作時(shí)間整定值;Id為直流正負(fù)極電流;Id_set為過(guò)流整定值．保護(hù)動(dòng)作后，閉鎖觸發(fā)脈沖，觸發(fā)晶閘管，直流斷路器跳閘．

(2)直流過(guò)壓保護(hù)

保護(hù)邏輯及定值:

其中:Udp為直流正極電壓;Udn為直流負(fù)極電壓;Ud_set為過(guò)壓整定值．

①報(bào)警定值:

②控制系統(tǒng)切換定值:

③閉鎖觸發(fā)脈沖，直流斷路器跳閘定值:

(3)直流低電壓保護(hù)

保護(hù)邏輯及定值:

①報(bào)警定值:

②控制系統(tǒng)切換定值:

③閉鎖觸發(fā)脈沖，直流斷路器跳閘定值:

(4)直流電壓不平衡保護(hù)

其中Udp+Udn＞Δ＆t＞t_set為電壓不平衡整定值．

保護(hù)邏輯及定值:

①報(bào)警定值:

②控制系統(tǒng)切換定值:

③閉鎖觸發(fā)脈沖，直流斷路器跳閘定值:

3.2 交流故障引起直流保護(hù)誤動(dòng)分析

由于電壓保護(hù)原理本身并無(wú)選擇性，不僅可以反映閥區(qū)接地故障，也能反映線(xiàn)路對(duì)地故障和交流系統(tǒng)故障．因此交流故障引起的直流系統(tǒng)的直流電壓異常特征在原理上可能會(huì)引起直流電壓保護(hù)的動(dòng)作．網(wǎng)側(cè)發(fā)生單相故障直流電壓變化不大，不會(huì)引起直流電壓保護(hù)動(dòng)作，但是發(fā)生兩相接地短路以及三相接地短路時(shí)會(huì)引起直流電壓下降，可能造成直流電壓保護(hù)動(dòng)作．以三相接地短路為例分析保護(hù)誤動(dòng)情況．

圖11為發(fā)生直流斷線(xiàn)故障時(shí)直流電壓波形圖，系統(tǒng)發(fā)生斷線(xiàn)故障時(shí)直流電壓有較大幅度的升高，對(duì)比圖9三相短路故障時(shí)直流電壓波形圖(接收功率端故障)，發(fā)現(xiàn)兩種故障下直流電壓具有相似性．在已知的柔性直流輸電系統(tǒng)中，當(dāng)直流斷線(xiàn)故障發(fā)生直流電壓保護(hù)動(dòng)作，故三相短路故障可能引起直流電壓保護(hù)誤動(dòng)．

圖11 直流斷線(xiàn)故障時(shí)直流電壓波形圖

圖12 交直流混合系統(tǒng)圖

圖 12 為交直流混合系統(tǒng)圖，其中 KM1、KM2、KM7、KM8 為交流斷路器，KM3、KM4、KM5、KM6 為直流斷路器．在傳統(tǒng)的柔性直流系統(tǒng)中，如果直流系統(tǒng)發(fā)生故障，直流電壓保護(hù)動(dòng)作于切斷交流斷路器KM1、KM2、KM7、KM8，即切斷交流系統(tǒng) S1、S2、S3、S4，不利于故障后系統(tǒng)快速恢復(fù)運(yùn)行．在引進(jìn)直流斷路器的柔性直流輸電系統(tǒng)中，直流電壓保護(hù)動(dòng)作于切斷直流斷路器，換流站內(nèi)部以STATCAM方式運(yùn)行，有利于故障后系統(tǒng)快速恢復(fù)運(yùn)行．假設(shè)交流系統(tǒng)S1發(fā)生三相接地短路故障，直流電壓異常，引起直流電壓保護(hù)誤動(dòng)，斷開(kāi)直流斷路器KM3、KM4、KM5、KM6，整個(gè)換流系統(tǒng)被切斷，將造成經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性．

圖13 直流斷線(xiàn)故障時(shí)交流電壓波形圖

圖14 三相接地短路故障時(shí)交流電壓波形圖

通過(guò)對(duì)交流故障與直流故障差異性進(jìn)行分析可知，交流側(cè)三相接地短路故障不僅能引起直流電壓異常，同時(shí)能引起交流電壓下降，但是直流故障不會(huì)引起交流電壓下降，如圖13、圖14所示．故建議以交流電壓為切入點(diǎn)，通過(guò)交流電壓響應(yīng)的差異性避免直流電壓保護(hù)誤動(dòng)．

4 結(jié) 論

(1)在考慮直流斷路器的MMC－HVDC系統(tǒng)中分析了交流故障與直流故障具有相似性，而且現(xiàn)有的直流保護(hù)整定方法并不完善，造成了直流保護(hù)在交流故障下容易發(fā)生誤動(dòng)．基于PSCAD/EMTDC構(gòu)建了MMC－HVDC模型，驗(yàn)證了網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相接地短路故障時(shí)引發(fā)的直流暫態(tài)過(guò)程造成直流電壓波動(dòng)，容易引起直流電壓保護(hù)誤動(dòng)．

(2)對(duì)比分析直流故障與交流故障的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)了交流故障引起交流電壓下降，但是直流故障不會(huì)引起交流電壓下降．針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)提出了可以以交流電壓響應(yīng)差異性為切入點(diǎn)的直流電壓保護(hù)改進(jìn)建議．

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