蘇州同里±10 kV柔性直流配電系統(tǒng)直流故障特性研究

楊景剛，劉洋，蘇偉，肖小龍，司鑫堯，張曉榮

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019；3.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；4.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

0 引言

隨著新能源分布式發(fā)電及電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，負(fù)荷日趨多樣化。直流配電系統(tǒng)可適用于分布式電源的廣泛接入，且具有傳輸容量大、電能質(zhì)量高、系統(tǒng)穩(wěn)定強(qiáng)等優(yōu)點，應(yīng)用前景廣泛[1—5]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter,MMC)相較于兩電平及三電平換流器，具有損耗成倍下降、階躍電壓降低、波形質(zhì)量高等優(yōu)點[6]。

國內(nèi)外陸續(xù)開展了對于柔性直流輸配電系統(tǒng)的研究。在柔性直流輸電方面，文獻(xiàn)[7]分析高壓柔性直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)3種故障類型的故障特性；文獻(xiàn)[8—9]將張北±500 kV四端柔直工程直流線路短路過程分為3個階段研究；文獻(xiàn)[10]對直流雙極短路故障時子模塊的過電壓應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)研究，對閉鎖前后2個階段的故障機(jī)理進(jìn)行理論分析；文獻(xiàn)[11]針對典型交流接地方式下系統(tǒng)的直流單極接地故障及換流站的故障恢復(fù)進(jìn)行研究，定性分析了避雷器動作對故障特性的影響。柔性直流配電系統(tǒng)相對于輸電系統(tǒng)，電壓等級低，輸送距離短，且多數(shù)接有分布式電源，過電壓機(jī)理及故障特性有所不同。文獻(xiàn)[12]分析偽雙極、真雙極和混合接線方式下?lián)Q流站內(nèi)部的過電壓；文獻(xiàn)[13]針對深圳±10 kV直流配電網(wǎng)示范工程進(jìn)行過電壓及絕緣配合分析，該工程采用兩端狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，偽雙極主接線方式；文獻(xiàn)[14]采用兩端狀主接線方式為深圳寶龍工業(yè)城直流配電系統(tǒng)提供技術(shù)方案支撐；文獻(xiàn)[15—19]針對±10 kV中壓柔性直流配電網(wǎng)，研究換流站和直流線路區(qū)域各類接地或短路的操作過電壓并分析過電壓的產(chǎn)生機(jī)理；文獻(xiàn)[20—26]分析了柔性直流配電系統(tǒng)的故障及保護(hù)特性。

目前，對于柔性直流配電系統(tǒng)故障特性的研究多數(shù)未考慮DC-DC變換器、光伏及儲能元件對故障的影響。文中針對蘇州同里±10 kV直流配電系統(tǒng)，采用PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件進(jìn)行直流側(cè)單極接地和極間短路故障暫態(tài)特性分析。系統(tǒng)采用偽雙極接線，交流系統(tǒng)聯(lián)接變壓器閥側(cè)經(jīng)電阻接地，換流站均為MMC，其過電壓、過電流特性可為器件參數(shù)設(shè)計及系統(tǒng)控制策略和保護(hù)方案提供重要依據(jù)。

1 基于MMC的柔性直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

蘇州同里±10 kV柔性直流配電網(wǎng)示范工程系統(tǒng)采用偽雙極接線，交流系統(tǒng)聯(lián)接變壓器閥側(cè)經(jīng)電阻接地，如圖1所示。九里和龐東2座交流變電站的電壓等級均為110 kV，分別經(jīng)過110 kV/10 kV的降壓變壓器以及10 kV/10 kV的聯(lián)接變壓器，接入容量為10 MW的MMC，換流器直流側(cè)輸出電壓等級為10 kV，經(jīng)過開閉所K1、K2及10 kV/0.375 kV DC-DC變換器并接入負(fù)荷。其中K1、K2開閉采用單母分段接線方式，每一段母線分別與一座換流站相連。系統(tǒng)主接線方式為偽雙極結(jié)構(gòu)，直流主干網(wǎng)采用雙端環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。正常工況下，九里變與龐東變分別出線構(gòu)成雙端環(huán)網(wǎng)，通過直流電纜線路與直流變壓器連接，各類工商民用負(fù)荷在負(fù)荷點處就近新建直流配電房，實現(xiàn)負(fù)荷接入。

圖1 示范工程示意Fig.1 Schematic diagram of the demonstration project

蘇州柔性直流配電網(wǎng)示范工程包含中、低壓2個電壓等級，滿足直流負(fù)荷、光伏、儲能多點分層接入，主要有居民負(fù)荷、數(shù)據(jù)中心負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、直流充電站、光伏電站和商業(yè)負(fù)荷。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)

基于蘇州柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，采用PSCAD搭建仿真模型。該系統(tǒng)主要由交流電源、聯(lián)接變壓器、MMC、直流變壓器、直流負(fù)荷及直流電纜組成，系統(tǒng)參數(shù)如下。

(1)換流站均采用MMC，參數(shù)如表1所示。

表1 換流站參數(shù)Table 1 Converter station parameters

(2)光伏電站由2個串聯(lián)的光伏陣列元件構(gòu)成，光伏陣列1由36個光伏電池串聯(lián)而成，光伏陣列2由10個光伏模塊構(gòu)成，均由36個光伏電池串聯(lián)。光伏電池等效電路見圖2。其中，Ig為光電流；Id，Vd分別為流過反并聯(lián)二極管的電流及其兩端電壓；Rsh為并聯(lián)電阻；Ish為流過Rsh的電流；Rsv為串聯(lián)電阻；I，V分別為光伏電池的輸出電流和輸出電壓。

圖2 光伏電池等效電路Fig.2 Equivalent circuit of photovoltaic cell

光伏電池等效電路中各部分電流的關(guān)系如下：

I=Ig-Id-Ish

(1)

其中，

(2)

式中：ISCR為參考照度GR和參考電池溫度TcR時的短路電流；αT為光電流的溫度系數(shù)；G，Tc分別為實際照度和實際電池溫度。

(3)DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，左邊為逆變電路，右邊為整流電路，兩邊結(jié)構(gòu)對稱。高壓側(cè)由開關(guān)管S1—S4及二極管組成，經(jīng)過高頻變壓器連接至低壓側(cè)；低壓側(cè)由開關(guān)管S5—S8及二極管組成，實現(xiàn)電氣隔離并改變直流電壓等級。

圖3 DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 DC-DC converter topology

采用單移相控制策略進(jìn)行仿真，開關(guān)管S1、S4驅(qū)動信號相同，其驅(qū)動信號的取反信號為S2、S3驅(qū)動信號，同樣適用于低壓側(cè)。通過控制開關(guān)管的驅(qū)動信號，使高頻變壓器兩側(cè)的電路產(chǎn)生頻率相同的方波，2個方波之間相位關(guān)系決定DC-DC變換器傳輸功率大小和方向。

(4)直流負(fù)荷包括居民負(fù)荷、數(shù)據(jù)中心負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、直流充電站、光伏電站和商業(yè)負(fù)荷等，采用受控直流電流源建模。

(5)直流電纜選用DC-YJV62-±10 kV型單芯交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，采用頻率相關(guān)模型建模，由內(nèi)至外分別是導(dǎo)體層、絕緣層、鎧裝層和表皮層，其中鎧裝層單側(cè)接地。

(6)直流斷路器拓?fù)湟妶D4。采用混合式結(jié)構(gòu)，主支路為快速機(jī)械開關(guān)S和少量電力電子模塊串聯(lián)，降低負(fù)荷電流的導(dǎo)通損耗，轉(zhuǎn)移支路為電力電子模塊串聯(lián)，耗能支路為金屬氧化物可變電阻，開斷時間短，通態(tài)損耗小，無需專用冷卻設(shè)備。

圖4 直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Topology of DC circuit breaker

1.3 MMC基本結(jié)構(gòu)及控制方式

圖5為MMC的基本結(jié)構(gòu)示意，每相分為上、下2個橋臂，每個橋臂均由多個子模塊SM、橋臂電抗器L0及等效電阻R0串聯(lián)而成。其中，usj(j=a，b，c)為交流側(cè)等效電源電壓；Ls，Rs分別為交流側(cè)等效電感及電阻；ipj，inj分別為上、下橋臂的通流電流；ij為換流器輸出電流；upj，unj分別為上、下橋臂子模塊電壓；uvj為換流器輸出電壓；Udc為直流母線正負(fù)極間電壓；O為零電位點。

圖5 MMC基本結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of MMC basic structure

換流器的數(shù)學(xué)模型分析是研究控制方式的前提，以a相為例，依據(jù)基爾霍夫電壓定律，交流側(cè)微分方程及上、下橋臂微分方程如下：

(3)

同理可得出b，c兩相基于基爾霍夫電壓定律的微分方程，結(jié)合基爾霍夫電流定律，經(jīng)過dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和拉氏變換，可得：

(4)

根據(jù)式(4)設(shè)計換流站控制，換流站級控制采用直接電流控制，九里換流站外環(huán)控制采用定直流電壓和定無功功率控制，龐東換流站外環(huán)控制采用定有功功率和定無功功率控制。忽略換流器內(nèi)部的有功損耗，有功及無功的直流分量P0，Q0可簡化為[27—29]：

(5)

對比有功功率或直流電壓的參考值Pref/Udcref和測量值P/Udc，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)可得有功電流參考值isdr，同理對比無功功率的參考值Qref和測量值Q，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)可得無功電流參考值isqr。內(nèi)環(huán)根據(jù)isdr和isqr值進(jìn)行消耦，直接電流控制框圖如圖6所示。

圖6 直接電流控制框圖Fig.6 Block diagram of direct current control

2 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性

設(shè)t=1.1 s時負(fù)荷全部投入，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時各節(jié)點電壓如表2所示，直流側(cè)電壓電流如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時直流側(cè)電壓和電流Fig.7 System voltage and current of DC side during steady-state operation

表2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時關(guān)鍵位置電壓Table 2 Voltage of key point during steady-state operation

穩(wěn)態(tài)直流母線電流為0.34 kA，極間最大電壓為20.36 kV，電壓偏移小于±3%，滿足系統(tǒng)要求。

3 直流側(cè)故障特性

3.1 單極接地故障電壓特性

設(shè)t=2.0 s時直流側(cè)正極發(fā)生接地故障，故障持續(xù)時間0.3 s，故障位置如圖1所示。單極接地故障時關(guān)鍵節(jié)點電壓如表3所示。

表3 直流側(cè)單極接地故障時關(guān)鍵位置電壓峰值Table 3 Peak voltage at key position during single-pole grounding fault on the DC side

系統(tǒng)單極接地故障時關(guān)鍵電壓如圖8所示。

圖8 單極接地故障時關(guān)鍵節(jié)點過電壓Fig.8 Overvoltage at key locations in the system under single-pole ground fault

直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時，聯(lián)結(jié)變壓器網(wǎng)側(cè)電壓幾乎不變，而閥側(cè)產(chǎn)生20.66 kV的過電壓。系統(tǒng)交流側(cè)出現(xiàn)直流偏置，產(chǎn)生10 kV左右的持續(xù)直流分量；橋臂電抗器端電壓近似正弦波形，電壓峰值為3.92 kV。直流側(cè)單極接地故障時，換流器直流電抗器和橋臂電抗器在故障瞬間分別產(chǎn)生6.91 kV和3.93 kV的過電壓，橋臂電抗器和直流電抗器可以抑制環(huán)流及直流側(cè)故障時流過橋臂的故障電流上升率。

系統(tǒng)采用偽雙極的接線方式，故障極電壓幾乎為0，健全極線路產(chǎn)生20.37 kV的過電壓，換流器閥底和閥頂電壓均升至原來的2倍，而極間電圧幾乎不變，DC-DC直流變壓器仍能依據(jù)控制策略輸出理想電壓，短時間內(nèi)系統(tǒng)仍能持續(xù)運(yùn)行。

3.2 單極接地故障電流特性

直流側(cè)單極接地故障時，設(shè)故障點電流為Ifault，接地故障點的電阻為Rf，聯(lián)接變壓器的接地電阻為RG。由于RG的取值與較多因素有關(guān)，阻值不能任意變化，因而文中不考慮RG對單極接地故障電流的影響，取RG為150 Ω。接地故障點的電阻Rf與故障點位置有關(guān)，故障點經(jīng)直流電抗器、MMC橋臂、聯(lián)接變壓器及接地電阻形成故障電容放電回路，如圖9所示，其中MMC單個子模塊由VD1、VD2、VT1、VT2和C0組成。

圖9 系統(tǒng)直流側(cè)單極接地故障電容放電回路Fig.9 Discharge path of capacitor during single pole ground fault on the DC side of system

直流側(cè)正極接地故障時，故障極與健全極對地電壓UP，UN如式(6)所示。

(6)

直流側(cè)單極接地故障時，接地故障點電阻較小，由式(6)可知，故障極電壓幾乎為0，非故障極電壓升至原來的2倍，極間電圧幾乎不變。單極接地故障時系統(tǒng)直流母線電流如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)直流側(cè)單極接地故障電流Fig.10 Single-pole ground fault current on DC side

由于DC-DC變換器的高壓側(cè)接有大電容，單極接地故障后電容放電，直流母線電流略有增大，短時間內(nèi)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

3.3 極間短路故障電壓特性

設(shè)t=2.0 s時系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生極間短路故障，故障持續(xù)時間0.15 s，系統(tǒng)極間短路故障時關(guān)鍵位置電壓峰值如表4所示。其中，聯(lián)接變壓器閥側(cè)交流電壓及系統(tǒng)直流電纜線路電壓如圖11所示。

表4 直流側(cè)極間短路故障時關(guān)鍵位置電壓峰值Table 4 Peak voltage at key position during pole-to-pole fault on DC side

圖11 極間短路故障時關(guān)鍵節(jié)點過電壓Fig.11 Overvoltage at key locations in the system during pole-to-pole fault

直流極間短路故障時，聯(lián)結(jié)變壓器網(wǎng)側(cè)電壓下降6.2%，閥側(cè)電壓下降34.8%，對系統(tǒng)交流側(cè)有一定影響；換流器橋臂電抗器和直流電抗器在故障瞬間產(chǎn)生較大過電壓。此時MMC閉鎖，故障瞬間直流側(cè)產(chǎn)生2.15 kV過電壓，隨后極間電壓幾乎為0，直流負(fù)荷無法正常運(yùn)行。極間短路故障嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行，實際工程中應(yīng)盡量避免，并配以相應(yīng)保護(hù)措施。

3.4 極間短路故障電流特性

故障發(fā)生瞬間，MMC仍處于正常工作狀態(tài)，將此時相單元電路進(jìn)行等效，等效電容值為2C0/n，等值電感為橋臂電抗器的2倍即2L0，將線路的等值電阻、橋臂電抗器、電容的等效電阻及開關(guān)器件的電阻損耗等效為Req，單個相單元的等效電路如圖12所示。

圖12 MMC單相等效電路Fig.12 Equivalent circuit of MMC single-phase

系統(tǒng)故障發(fā)生的瞬間，MMC子模塊仍處于正常的導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)，系統(tǒng)直流側(cè)極間電圧Udc和MMC上橋臂電流IL_1均不為0，電路的初始狀態(tài)為：

(7)

換流器閉鎖前，子模塊電容放電，流過換流器橋臂電流增大，超過絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)額定值的1.5倍后，換流器閉鎖，閉鎖后故障電流通過二極管VD2流通，隨后斷路器動作，電流逐漸下降為0，系統(tǒng)故障電流及直流線路電流如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)直流側(cè)極間短路故障電流Fig.13 Pole-to-pole fault current on DC side

故障發(fā)生的瞬間，交流側(cè)和直流側(cè)同時向故障點饋入電流，直流母線電流迅速上升至2.75 kA，IGBT閉鎖，交流側(cè)不再向故障點提供故障電流，故障電流主要由換流器橋臂電流和直流側(cè)電流組成，2.138 s斷路器動作，隨后直流母線電流下降為0。

3.5 接地電阻對直流側(cè)故障影響

單極接地的故障位置可能存在整個電纜區(qū)域，接地電阻阻值有所差別，單極接地故障下不同接地電阻的直流側(cè)電壓、電流如表5所示。

表5 不同接地電阻的直流側(cè)電壓電流Table 5 Voltage and current of DC side under different grounding resistance

由表5可知，接地電阻值越小，系統(tǒng)單極接地故障健全極過電壓和故障電流越大；隨著接地電阻增大，直流側(cè)健全極過電壓和故障電流均減小。接地電阻阻值較小時，健全極過電壓的變化相對速率較小，故障電流的變化速率相對較大；接地電阻阻值大于10 Ω時，對系統(tǒng)健全極過電壓的影響幾乎可以忽略；接地電阻阻值大于500 Ω時，系統(tǒng)故障電流值幾乎可以忽略。

4 結(jié)論

文中針對蘇州同里±10 kV直流配電系統(tǒng)，采用PSCAD，對直流單極接地和極間短路故障暫態(tài)特性進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)直流側(cè)單極接地故障時，閥側(cè)電壓出現(xiàn)持續(xù)直流分量，橋臂電抗器和直流電抗器出現(xiàn)較大過電壓。由于極間電壓幾乎不變，換流器將不閉鎖，系統(tǒng)可短時運(yùn)行。應(yīng)考慮DC-DC變換器高壓側(cè)電容對系統(tǒng)的影響。

(2)直流側(cè)極間短路故障時，直流母線產(chǎn)生較大過電流，觸發(fā)換流器過電流保護(hù)，MMC閉鎖，故障電流是形成過電壓的重要原因，直流電抗器兩端過電壓較大。極間短路對交流側(cè)影響較小。

(3)故障接地電阻對系統(tǒng)暫態(tài)過程產(chǎn)生影響。接地電阻值越小，系統(tǒng)單極接地故障健全極過電壓和故障電流越大，當(dāng)接地電阻阻值足夠大時，對系統(tǒng)的影響可忽略。

本文得到國網(wǎng)江蘇省電力有限公司科技項目“直流配用電系統(tǒng)過電壓產(chǎn)生機(jī)理及防護(hù)方法研究”(J2019043)資助，謹(jǐn)此致謝！