基于MMC的柔性直流配電網(wǎng)雙極短路故障測(cè)距

王喜靖 張慧芬 趙錫彬

【摘 要】柔性直流配電網(wǎng)的直流側(cè)配電線路發(fā)生雙極短路故障后，電流短時(shí)間內(nèi)上升迅速，電壓急劇下降，在故障暫態(tài)數(shù)據(jù)較少的情況下，完成故障測(cè)距對(duì)直流配電網(wǎng)的保護(hù)和發(fā)展十分重要。本文提出一種利用等效電容暫態(tài)放電特征的雙極短路故障測(cè)距方法。直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，將換流器等效成一個(gè)振蕩放電電容，提取發(fā)生故障時(shí)到換流器閉鎖前的暫態(tài)電壓、暫態(tài)電流數(shù)據(jù)，列寫含有故障位置參數(shù)的方程式，通過求解方程得出故障位置。PSCAD/EMTDC仿真驗(yàn)證所提故障測(cè)距的可行性。

【關(guān)鍵詞】柔性直流配電網(wǎng);雙極短路故障;測(cè)距;等效電容;暫態(tài)放電過程

中圖分類號(hào)：TM726

0 引言

隨著清潔能源的不斷開發(fā)，電力電子技術(shù)的進(jìn)步，柔性直流配電技術(shù)引起學(xué)者的重視。柔性直流配電網(wǎng)相較于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)具有供電質(zhì)量高，能量損耗小，控制簡(jiǎn)單靈活等優(yōu)點(diǎn)，在分布式電源并網(wǎng)，構(gòu)建直流微電網(wǎng)等方面的優(yōu)勢(shì)顯露無疑。然而，當(dāng)直流配電網(wǎng)的直流線路發(fā)生雙極短路故障時(shí)，故障電流大，嚴(yán)重危害直流配電網(wǎng)及其設(shè)備的安全運(yùn)行，因此，測(cè)距技術(shù)對(duì)直流配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行和故障及時(shí)恢復(fù)具有重要意義。

交流配電系統(tǒng)故障測(cè)距技術(shù)十分成熟，而直流電網(wǎng)的線路故障測(cè)距方法多適用長(zhǎng)距離的高壓直流輸電系統(tǒng)，在用電線路較短的直流配電網(wǎng)中使用輸電線路測(cè)距的方法時(shí)，容易受配電網(wǎng)自身網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響，造成測(cè)距誤差較大，難以滿足故障測(cè)距精度要求。學(xué)者借鑒行波法在高壓直流輸電線測(cè)距的原理，應(yīng)用于直流配電網(wǎng)線路故障測(cè)距，行波測(cè)距原理簡(jiǎn)單，但行波波頭識(shí)別困難，對(duì)于行波波頭的識(shí)別算法要求高和數(shù)據(jù)采集的成本昂貴。聯(lián)電容的情況，對(duì)于直流側(cè)并聯(lián)電阻的直流配電網(wǎng)具有局限性。在直流線路附加測(cè)距電容的測(cè)距方法，需要附加額外的測(cè)距電容，使得測(cè)距成本較高。本文以MMC的故障暫態(tài)過程為基礎(chǔ)進(jìn)行柔性直流配電網(wǎng)的雙極短路故障測(cè)距研究。在分析雙極短路故障暫態(tài)特征的基礎(chǔ)上，提出一種利用等效電容暫態(tài)放電特征的故障測(cè)距方法。根據(jù)子模塊電容通過故障點(diǎn)放電，造成直流電壓迅速下降，以換流器子模塊是否閉鎖為界限，將故障暫態(tài)過程分段，通過提取閉鎖前的暫態(tài)放電電壓、電流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)柔性直流配電網(wǎng)的雙端故障測(cè)距。最后在仿真軟件PSCAD/EMTDC下搭建基于MMC的柔性直流配電網(wǎng)仿真模型，驗(yàn)證所提測(cè)距方法的可行性。

1雙極短路故障電流特性

典型模塊化多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，換由3個(gè)相單元組成，每個(gè)相單元中的上、下橋臂均由n個(gè)相同子模塊與橋臂電抗器串聯(lián)而成，其子模塊由上部絕緣柵雙極晶體管（IGBT）T1、上部二極管、下部IGBT、下部二極管及子模塊電容器組成。直流配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，換流器內(nèi)部共投入n個(gè)子模塊，維持直流側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定。

根據(jù)換流器子模塊內(nèi)IGBT是否閉鎖，將整個(gè)故障過程分為2個(gè)階段。

1）子模塊IGBT閉鎖前：故障電流主要是子模塊內(nèi)部電容器放電電流，還有一部分極小的交流側(cè)流入的短路電流，在進(jìn)行分析計(jì)算的時(shí)候，認(rèn)為故障電流主要是子模塊電容放電電流。以圖1典型柔性直流配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)搭建的±10kV直流配電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真，雙極短路故障發(fā)生在5.0s，在此期間，極間電壓迅速下降，電壓波形如圖1所示。

2）子模塊IGBT閉鎖后：在IGBT閉鎖后橋臂電抗器的放電電流逐漸衰減為0，此時(shí)只有交流側(cè)電源提供的穩(wěn)態(tài)故障電流。

2 子模塊閉鎖前等效電容振蕩放電過程

在直流配電網(wǎng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，子模塊IGBT在1～2ms內(nèi)閉鎖，抑制故障電流上升以保護(hù)子模塊的內(nèi)部元器件和其它設(shè)備。

在發(fā)生短路故障后，換流器的直流電壓Uc（t）、電流I0（t）大小均不為0，換流器內(nèi)部雜散電阻總和Rs通常遠(yuǎn)小于2 ，因此換流器閉鎖前的放電過程是一個(gè)已知電壓、電流初始條件的振蕩放電過程，其中初始電壓為故障初始時(shí)刻的極間電壓Uc，初始電流為故障初始時(shí)刻的電流I0。等效電容電壓的計(jì)算公式為：

式中：δ為二階電路的衰減系數(shù);ω0為二階電路的固有角頻率;ω為振蕩放電電流的角頻率; 為由初始電流引起的放電電流的初相角。這些變量的大小由振蕩放電電路決定：

計(jì)算回路的電流公式為：

3.雙極短路故障測(cè)距原理

直流配電網(wǎng)線路長(zhǎng)度比輸電網(wǎng)較短，一般在3-10km以內(nèi)，線路的分布電容小到可以忽略;本文采用的是雙端故障測(cè)距方法，利用故障暫態(tài)信息，以直流網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，列寫包含故障位置參數(shù)的微分方程，進(jìn)行故障測(cè)距。

根據(jù)子模塊等效電容放電計(jì)算用等效電路模型，進(jìn)一步將雙極短路故障測(cè)距等效示意圖化簡(jiǎn)為等效電容放電計(jì)算用的電路模型，如圖2所示。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列寫電路的回路方程公式（7）、（8）：

表示等效電容6C0/n在故障時(shí)刻的極間電壓，i1（t），i2（t）表示等效電容6C0/n故障后放電電流;其大小可由下列公式（9）、（10）表示：

R1、R2、L1、L2是線路的電阻和電感，以LS表示線路全長(zhǎng)，x表示故障點(diǎn)距離左側(cè)換流器采集裝置的距離，r、l表示直流配電線路單位長(zhǎng)度電阻、電感的大小，Rf 表示故障的過渡電阻與Rs之和。其中R1、R2、L1、L2的表達(dá)式為：

聯(lián)立公式（7）～（14）便可得到故障距離x的表達(dá)式（15）：

本文利用兩側(cè)換流器的暫態(tài)電壓、暫態(tài)電流信息計(jì)算故障距離，聯(lián)立（7）、（8）方程可以消除過渡電阻，理論上故障測(cè)距不受過渡電阻的影響。

4 仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中設(shè)置故障點(diǎn)和故障時(shí)刻進(jìn)行仿真驗(yàn)證，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行計(jì)算。

仿真設(shè)置直流側(cè)極間電壓20kV，換流器閥電感值為4.3mH，子模塊電容為5000?，故障時(shí)刻為5.0s，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)0.5s，換流器閉鎖時(shí)間為故障發(fā)生后的1.20ms。雙極短路故障仿真時(shí)，分別設(shè)置過渡電阻為1.0Ω，5.0Ω，10.0Ω，為描述故障測(cè)距精度，采用誤差δ進(jìn)行表述如公式（16）所示，故障測(cè)距仿真結(jié)果如表2所示。

基于MMC的故障測(cè)距方法，，從表3以下指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析：

所用的故障測(cè)距法僅適用于VSC側(cè)并聯(lián)大電容的情況下，對(duì)于MMC并聯(lián)鉗位電阻的情況不適用，其故障測(cè)距誤差小于1%。注入法是利用二階電路的振蕩放電過程的電氣信息，列寫方程計(jì)算故障距離，適用于MMC直流配電網(wǎng)，因其注入裝置需要額外附加，成本較高。注入法故障測(cè)距誤差在1%以內(nèi)。

本文所提出的基于等效電容暫態(tài)測(cè)距方法，適用于MMC的直流配電網(wǎng)，無需額外增加測(cè)距模塊，本方法的故障測(cè)距誤差在1.5%以內(nèi)，故障測(cè)距結(jié)果也相對(duì)較為準(zhǔn)確，屬于雙端同步測(cè)距類型。

5 結(jié)論

針對(duì)柔性直流配電網(wǎng)雙極短路故障測(cè)距的問題，本文提出了基于故障暫態(tài)特征的測(cè)距方法，其核心是將雙極短路故障暫態(tài)過程分段，在換流器閉鎖前將換流器等效成一個(gè)振蕩放電電容，通過提取暫態(tài)電氣數(shù)據(jù)，根據(jù)RLC放電電路相關(guān)知識(shí)列寫方程，求解含有故障位置信息的方程，得到故障位置。由于本文方法利用雙端的暫態(tài)電壓，暫態(tài)電流信息，在求解故障位置時(shí)，消除過渡電阻的影響，具有較好的耐過渡電阻的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋強(qiáng)，趙彪，劉文華，等.智能直流配電網(wǎng)研究綜述 [J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（25）：9-19.

作者簡(jiǎn)介：

王喜靖（1993-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹绷髋潆娋W(wǎng)故障測(cè)距，E-mail：18366103785@163.com;

張慧芬（1970-），女，博士，教授，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)故障檢測(cè)、配電網(wǎng)自動(dòng)化，E-mail：cse_zhhf@ujn.edu.cn;

趙錫彬（1991-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)過電壓研究，E-mail：somezhao1991@163.com。

（作者單位：濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院）