基于電流信息的三端環(huán)形直流配電網(wǎng)保護策略

馬 鋆

(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

時代飛速發(fā)展伴隨著環(huán)境破壞和能源匱乏問題的日益突出。在城市配電網(wǎng)系統(tǒng)中，相對于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)逐漸體現(xiàn)出造價成本低、供電可靠性高、線路傳輸損耗小等優(yōu)勢[1]。與此同時，直流配電網(wǎng)也面臨著發(fā)生故障時，故障電流大且上升速度快等問題。目前，國內(nèi)外對直流配電網(wǎng)的研究尚處于起步階段，因此對于直流配電網(wǎng)故障保護策略研究的需求愈發(fā)迫切[2-3]。

直流配電網(wǎng)保護主要有兩種形式，其一是基于固定區(qū)域的單元式保護，如傳統(tǒng)的過電流和差動保護；其二是基于非固定區(qū)域的非單元式保護，如微分欠壓保護、行波保護和電流變化率保護等[4]。國內(nèi)外大量文獻也對上述各種保護策略做過研究和改進。文獻[5]根據(jù)處于不同母線處的換流器并聯(lián)電容之間的放電特征差異，設(shè)計出以電流微分變化限值為判據(jù)的方法；文獻[6]提出適用于雙端直流配電網(wǎng)的基于本地測量的反時限電流方差保護方案，以電流方差代替電流值作為故障判據(jù)；文獻[7]通過判定單端電流最大微分量是否達到限值以及電流方向信息來區(qū)分各種故障類型；文獻[8]以電壓突變量和電流突變量方向特征結(jié)合構(gòu)成保護原理；文獻[9]通過比較相鄰監(jiān)測點電流極性實現(xiàn)配電網(wǎng)故障定位；文獻[10]以電流突變量斜率方向作為故障表征量，區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障；文獻[11]提出先閉鎖后隔離故障的順序，閉鎖后由于直流線路只存在流向故障點的放電電流，根據(jù)放電電流方向可判斷故障線路，但只對輻射狀系統(tǒng)進行驗證，且缺乏發(fā)生換流器無法閉鎖時保護拒動的保護手段。

本文在此基礎(chǔ)上提出基于電流方向信息為主保護和電流變化率信息為后備保護的三端環(huán)形直流配電網(wǎng)保護策略，主保護系統(tǒng)在故障暫態(tài)下，以電流方向信息為啟動判據(jù)，判斷并隔離故障線路；當(dāng)主保護出現(xiàn)閉鎖故障拒動時，后備保護根據(jù)線路兩端電流變化率極性關(guān)系區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障，實現(xiàn)故障判別和隔離。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本器件

1.1 直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)

目前直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有3種形式:單端輻射狀、雙端手拉手狀以及多端環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)。其中，單端輻射狀配電網(wǎng)由于只有單端電源供電，當(dāng)直流母線或高電壓等級線路發(fā)生故障時，會導(dǎo)致大面積停電和電網(wǎng)癱瘓，供電可靠性低；而雙端手拉手狀配電網(wǎng)在一端發(fā)生故障時，可由另一端電源作為備用電源，保證正常線路的供電。隨著社會發(fā)展，新型用電設(shè)備層出不窮，用電負荷增長和城市配電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴大，對供電的可靠性要求更高，此時多端型直流配電網(wǎng)便具有良好的應(yīng)用前景[12]。目前，國內(nèi)外研究較多的是的雙端配電網(wǎng)，對于多端型配電網(wǎng)的研究相對較少，故本文選擇三端環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)作為研究對象。該系統(tǒng)由三端交流源經(jīng)MMC換流器與直流母線相連接，線路首末端配備分段器、直流斷路器和電流信息檢測模塊等設(shè)備，電源電壓等級為10 kV，直流母線極間電圧為20 kV，構(gòu)成可以穩(wěn)定運行的三端環(huán)形直流配電網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 三端環(huán)形直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig. 1 Topology structure of three-terminal annular DC distribution network

1.2 MMC的基本工作原理和故障暫態(tài)過程

1.2.1 MMC的拓撲結(jié)構(gòu)

如圖2(a)所示為常見的三相MMC主電路拓撲結(jié)構(gòu)，ABC三相接入三相電壓電網(wǎng)，每相由上、下兩個橋臂組成，共6個橋臂，每個橋臂由N個結(jié)構(gòu)相同的子模塊和一個橋臂電感串聯(lián)而成，橋臂電感可進一步改進成電抗器，以減少諧波和抑制故障暫態(tài)下的沖擊電流，提高系統(tǒng)可靠性。Udc為直流側(cè)電壓。圖2(b)為三相MMC子模塊半橋拓撲結(jié)構(gòu)，子模塊主要由兩個IGBT開關(guān)管和一個儲能電容組成。

(a) MMC主電路拓撲結(jié)構(gòu)

(b) MMC子模塊結(jié)構(gòu)圖2 MMC主電路及子模塊結(jié)構(gòu)Fig. 2 MMC main circuit and sub-module structure

1.2.2 MMC的基本工作原理

MMC的工作原理主要根據(jù)子模塊IGBT開關(guān)方式組合可分為3種工作模式:

T1，T2都處于閉鎖狀態(tài)，正向電流通過時，對子模塊電容充電，反向電流通過時，電容處于旁路狀態(tài)，此模式稱為閉鎖模式。

T1處于導(dǎo)通、T2處于閉鎖狀態(tài)，正向電流通過時，對子模塊電容充電，反向電流通過時，子模塊電容放電，此模式稱為投入模式。

T1處于閉鎖、T2處于導(dǎo)通狀態(tài)，正向和反向電流通過時，子模塊電容都處于旁路狀態(tài)，此模式稱為切除模式。

在MMC工作時，通過控制每相上下橋臂子模塊的工作模式和使用數(shù)量，疊加各子模塊輸出電壓和調(diào)整上下橋臂電壓間的比率，再通過NLM控制策略以達到在交流側(cè)得到期望的多電平階梯電壓輸出，并且實現(xiàn)在直流側(cè)得到幅值約為恒定不變的Udc電壓值[15]。

1.2.3 MMC故障暫態(tài)過程

MMC子模塊在故障時主要經(jīng)歷3個階段狀態(tài)，分別為電容放電階段、不受控整流階段和不受控整流穩(wěn)定階段。

電容放電階段:電容放電階段主要為閉鎖前處于投入模式下的子模塊電容放電，子模塊電容以及線路電感電阻構(gòu)成二階RLC放電電路，此時直流電流都上升迅速，電壓迅速下降。

不受控整流階段：不受控整流階段開始時，IGBT閉鎖，交流測電源通過反并聯(lián)二極管續(xù)流與橋臂電抗殘存能量以及子模塊電容同時向故障點放電。

不受控整流穩(wěn)定階段：經(jīng)歷不受控整流穩(wěn)定階段時，因為子模塊電容和橋臂電抗殘存能量放電逐漸衰減為0，此時僅有交流側(cè)電源放電，形成穩(wěn)態(tài)故障電流。由于直流配電網(wǎng)不論發(fā)生單極接地故障或者極間短路故障時，故障電流都上升迅速，交流側(cè)相當(dāng)于三相短路，對電力系統(tǒng)危害極大，所以應(yīng)當(dāng)在換流器閉鎖后，在短時間內(nèi)，通過直流斷路器將故障線路切斷隔離，保護直流配電網(wǎng)系統(tǒng)安全運行。

2 保護策略原理及啟動判據(jù)

2.1 基于電流方向的主保護

根據(jù)換流器故障暫態(tài)下的放電特性，先將換流器閉鎖，停止各端功率傳輸，設(shè)計主保護系統(tǒng)。如圖3，圖3中有1，2，3三個換流站，1為送端，2和3為受端，設(shè)定電流從電源側(cè)流入線路電流方向為正，反之，從線路流向電源側(cè)方向為負。

設(shè)檢測到的線路電流分為首端IF和末端IE，電流方向為正設(shè)為A，為負設(shè)為B，則可設(shè)立主保護判據(jù)：

(1)

(2)

如果

(DIF)·(DIE)=1x∈{A,B}

(3)

則為區(qū)內(nèi)故障，斷路器動作；反之為-1，則為區(qū)外故障斷路器不動作。

圖3 故障線路電流流向Fig. 3 Current flow of fault line

系統(tǒng)正常運行下，線路L3首端電流方向DIF經(jīng)檢測為從母線M1流入線路L3，由式(1)得DIF值為1；末端電流方向DIE為從線路L3流入母線M3，由式(2)得DIE值為-1。此時式(3)值為-1，依照保護判據(jù)，斷路器不動作，系統(tǒng)正常運行。如圖3所示，假設(shè)線路L3上F處發(fā)生極間短路故障，此時三端換流器閉鎖，換流器電容向故障點放電，流入負極形成故障電流回路。線路L3的DIF值為1，而DIE值也為1，此時式(3)值DIE為1，依照保護判據(jù)，斷路器動作，并且啟動隔離開關(guān)。由于線路L1和線路L2電流流向都從換流器2流向故障點，式(3)值都為-1，故線路L1和線路L2上的斷路器不動作，從而切斷并隔離故障線路，待故障恢復(fù)后，可保持非故障線路正常運行。

2.2 基于電流變化率的后備保護

當(dāng)發(fā)生換流器閉鎖故障時，主保護拒動，此時線路中不僅只有故障電流，為方便分析，僅分析雙端系統(tǒng)，根據(jù)疊加原理得到等效電路如圖4所示。

(a) 正常運行下雙端等效電路 (b) 區(qū)內(nèi)故障

(c) 整流側(cè)區(qū)外故障 (d) 逆變側(cè)區(qū)外故障

與主保護原理相似，參考方向都以電源側(cè)流向線路電流方向為正，但設(shè)故障電流突變量變化率極性為故障表征量，如圖4(a)所示，正常運行情況下，IR=-II，兩側(cè)為等效整流側(cè)和逆變側(cè)電源。

則不同故障暫態(tài)下有:

當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，兩側(cè)突變電流方向相同，ΔIR和ΔII都為正值，即ΔIR>0，ΔII>0；當(dāng)整流側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時，兩側(cè)突變電流方向相反，即ΔIR<0，ΔII>0；當(dāng)逆變側(cè)發(fā)生區(qū)外故障時，兩側(cè)突變電流方向仍相反，即ΔIR>0，ΔII<0。

由于電氣量較集中于低頻帶，故對信號做低頻處理后，得到電流突變量變化率。

整流側(cè)電流變化率:

逆變側(cè)電流變化率:

根據(jù)電流變化率的實際數(shù)值，只取其正負值符號即可對應(yīng)極性關(guān)系，故可設(shè)判據(jù):若

則為區(qū)內(nèi)故障，斷路器動作；反之為-1，則為區(qū)外故障，斷路器不動作。

由于主保護和后備保護都以電流信號為判據(jù)來源，可得到保護策略流程圖(圖5)。

圖5 保護策略流程圖Fig. 5 Protection policy flow chart

3 仿真驗證

本文在PSCAD/EMDTC環(huán)境中搭建三端環(huán)形直流配電網(wǎng)，三端換流站各相距20 km，仿真時長為10 s，故障發(fā)生在6 s時刻。

3.1 主保護區(qū)內(nèi)外故障仿真

設(shè)6 s時刻在換流站2—3之間線路上10 km處發(fā)生極間短路故障，由于主保護判據(jù)根據(jù)故障電流方向為表征量，而在實際仿真中方向可以通過規(guī)定參考方向與故障電流波形極性相對應(yīng)，從而表達電流方向，當(dāng)故障電流為正值時即為正向，為負值時為負向。當(dāng)換流站2—3發(fā)生故障時，主保護仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) 站2—3首端雙極電流

如圖6所示，當(dāng)換流站1—3線路發(fā)生故障時，2—3 線路首端和末端雙極電流值大小同極性，即與設(shè)定參考方向相對應(yīng)，首末端正負極電流方向同為正，根據(jù)保護判據(jù)，DIF與DIE乘值都為1，主保護能在 2 ms 內(nèi)判斷故障線路為區(qū)內(nèi)故障，啟動保護，跳閘相關(guān)斷路器隔離故障線路；此時換流站1—2間非故障線路正負極電流方向?qū)?yīng)相反，則DIF與DIE乘值都為-1，為區(qū)外故障，主保護不啟動，有效保證其他線路不會誤動和故障線路的切除。

3.2 后備保護區(qū)內(nèi)外故障仿真

當(dāng)系統(tǒng)中換流器出現(xiàn)無法閉鎖的情況下啟動后備保護。同主保護工況，發(fā)生故障后，線路兩端通過檢測計算電流變化率，判別其極性從而實現(xiàn)后備保護，如圖7所示。

(a) 站2—3首末端正極電流變化率

如圖7所示，當(dāng)換流站2—3發(fā)生故障時，首末端正負極電流變化率極性相同，故障識別判定為1，根據(jù)保護判據(jù)判別故障為區(qū)內(nèi)故障，后備保護啟動，切斷隔離故障線路；而此時換流站1—2間非故障線路首末端正極電流變化率極性相反，故障識別判定為-1，根據(jù)保護判據(jù)判別故障為區(qū)外故障，保護不啟動。同時也有效區(qū)分了區(qū)內(nèi)外故障，且其他正常線路不啟動，彌補了換流閉鎖故障下主保護拒動的不足。本文驗證了在極間短路的情況下保護策略的有效性，同理在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障暫態(tài)下也能有效動作。

4 結(jié) 論

由于直流配電技術(shù)的不斷發(fā)展，直流配電網(wǎng)的保護研究也愈發(fā)需要人們的關(guān)注，本文在直流配電網(wǎng)的基礎(chǔ)上提出了一種基于電流方向信息為主保護和基于電流變化率極性為后備保護的三端環(huán)形直流配電網(wǎng)保護策略。主保護先將換流器閉鎖，通關(guān)判斷三端換流站之間故障電流流向來區(qū)分區(qū)內(nèi)外故障；后備保護在主保護發(fā)生換流器閉鎖故障拒動時，根據(jù)各站雙端電流變化率來判別區(qū)內(nèi)外故障。仿真結(jié)果表明：主后備保護可以有效識別區(qū)內(nèi)外故障，主保護可以在2 ms內(nèi)完成故障判別，由于主后備保護都基于電流信息的檢測，也在設(shè)備和結(jié)構(gòu)上節(jié)約了一定的成本。