含分布式電源接入的直流配電網(wǎng)故障仿真*

李家旭, 夏 華, 包向宇

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 廣東 廣州 510010;2.國(guó)電南瑞用電技術(shù)分公司, 江蘇 南京 211100;3.南京郵電大學(xué), 江蘇 南京 210023)

0 引 言

隨著輸配電技術(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的運(yùn)行要求日益提高,配電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性也隨著其規(guī)模和容量的不斷拓展及電壓等級(jí)的不斷提高而面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-3]。此外,分布式能源由于其靈活性和便于可再生應(yīng)用等特點(diǎn),光伏、風(fēng)力等分布式電源陸續(xù)接入電網(wǎng),電力電子技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了負(fù)荷多樣化,以及配電網(wǎng)的架構(gòu)日益復(fù)雜,對(duì)供電穩(wěn)定性和高效性的要求日益提高,多端柔性直流技術(shù)更加適用于現(xiàn)代輸配電網(wǎng)絡(luò)[4-5]。應(yīng)用了模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性配電網(wǎng)更能滿足大規(guī)模分布式電源的接入,在提高供電質(zhì)量的同時(shí)還能降低系統(tǒng)損耗[6-7]。柔性直流配用電技術(shù)具有輸電供電損耗低、可控性好、供電質(zhì)量高等特點(diǎn),能夠提高配電網(wǎng)的可靠性,便于各類負(fù)載靈活接入,實(shí)現(xiàn)多端供電,能更好地滿足新能源入網(wǎng)及智能電網(wǎng)的發(fā)展需求,對(duì)于提升配電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。因此,多端柔性直流配電網(wǎng)逐漸成為配電網(wǎng)新的發(fā)展方向。

目前柔性直流配電網(wǎng)主要研究方向集中在直流配電網(wǎng)的功率控制與調(diào)度優(yōu)化、控制保護(hù)策略和關(guān)鍵設(shè)備的研究等[8]。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比較,多端柔性直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、接地方式等都有所變化,相應(yīng)地,系統(tǒng)中的故障特性和保護(hù)要求等也隨之改變。但目前的研究?jī)H考慮獨(dú)立分區(qū)線路,缺乏對(duì)各分區(qū)和線路之間配合保護(hù)的考慮。

綜上所述,本文首先明確了多端柔性直流配電網(wǎng)中需要進(jìn)行保護(hù)的范圍,對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行劃分;然后針對(duì)各保護(hù)區(qū)內(nèi)的典型故障進(jìn)行理論分析,總結(jié)其故障特性;最后通過PSCAD仿真軟件構(gòu)造了三端柔性直流配電網(wǎng)仿真模型,對(duì)前述各故障進(jìn)行仿真,對(duì)各故障特性加以驗(yàn)證。

1 多端柔性直流配電網(wǎng)分布式電源接入需求

分布式電源具有環(huán)境友好、靈活性高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn),在應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、能源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等問題發(fā)揮著重要作用,常見的分布式電源包括風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及儲(chǔ)能等[9-10]。這些能源可以通過簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換變?yōu)橹绷麟?接入相應(yīng)的直流配電網(wǎng)能夠節(jié)省一些換流器,一定程度上節(jié)省了配電網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)維成本和網(wǎng)絡(luò)損耗,從而提高了工作效率和供電質(zhì)量。

1.1 光伏發(fā)電

同傳統(tǒng)的火力發(fā)電系統(tǒng)相比,光伏發(fā)電具有充分的清潔性,發(fā)電過程安全可靠。光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)可以有效節(jié)省線路長(zhǎng)度和建設(shè)成本,降低系統(tǒng)損耗,提高系統(tǒng)的電能傳輸效率。

光伏發(fā)電的輸出為直流電,需經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換器和逆變器才能轉(zhuǎn)換為交流電。而光伏發(fā)電系統(tǒng)并入柔性直流配電網(wǎng),直接將其輸出電壓通過轉(zhuǎn)換器升壓后并網(wǎng),節(jié)省了成本,提高了配電網(wǎng)傳輸效率。

1.2 風(fēng)力發(fā)電

如今風(fēng)力發(fā)電已成為采集電能的常用方式,在全球范圍內(nèi)分布廣泛。風(fēng)力發(fā)電通過發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。再借助逆變器技術(shù)將發(fā)出的電能供給用戶,或者向大電網(wǎng)輸送。

風(fēng)力發(fā)電的輸出受環(huán)境、氣象等因素的影響較嚴(yán)重,具有較大的隨機(jī)性和不穩(wěn)定性。風(fēng)力發(fā)電在接入交流配電網(wǎng)時(shí),因其輸出為交流電,需要通過逆變器將交流轉(zhuǎn)直流再轉(zhuǎn)交流,才能得到穩(wěn)定的交流電。而當(dāng)風(fēng)力發(fā)電接入柔性直流系統(tǒng),只需要交流轉(zhuǎn)直流一次整流變換,省去直-交逆變器的使用,減少配電網(wǎng)電網(wǎng)成本和系統(tǒng)損耗,提高了輸電效率。

1.3 儲(chǔ)能裝置

儲(chǔ)能裝置是直流配電網(wǎng)的重要部分,通過儲(chǔ)能裝置能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)電和用電,保證系統(tǒng)無間隙性供應(yīng),同時(shí)還能彌補(bǔ)直流配電網(wǎng)并入的風(fēng)力、光伏發(fā)電等分布式電源輸出的不穩(wěn)定,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 多端柔性直流配電網(wǎng)典型故障特性分析

2.1 多端柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)區(qū)域劃分方案

配電網(wǎng)保護(hù)分區(qū)及故障位置示意圖如圖1所示,將配電網(wǎng)分為3部分:交流保護(hù)區(qū)、中壓直流保護(hù)區(qū)和低壓直流保護(hù)區(qū)。其中,交流側(cè)可能出現(xiàn)的故障有交流側(cè)單相接地故障F1、交流側(cè)兩相短路故障F2,交流側(cè)三相短路故障F3 、換流器橋臂接地故障F8;中壓直流側(cè)可能出現(xiàn)的故障有中壓側(cè)直流單極接地故障F4、中壓側(cè)直流雙極短路故障F5、 DAB橋臂接地故障F9;低壓直流側(cè)可能出現(xiàn)的故障有低壓側(cè)直流單極接地故障F6、低壓側(cè)直流雙極短路故障F7。

圖1 配電網(wǎng)保護(hù)分區(qū)及故障位置示意圖

2.2 多端柔性直流配電網(wǎng)典型故障特性分析

2.2.1 交流側(cè)故障特性分析

交流側(cè)故障常見的故障類型主要包括單相接地故障、兩相短路故障、兩相短路接地故障以及三相短路故障,本節(jié)針對(duì)其中最為常見的單相接地故障進(jìn)行詳細(xì)分析。

交流輸入側(cè)連接MMC部分的等效電路如圖2所示。ui(i=a、b、c)為電網(wǎng)相電壓瞬時(shí)值,upi、uni分別表示上、下橋臂等效電壓源電壓,ipi、ini(i=a、b、c)分別表示上、下橋臂等效電壓源電流,idc、udc分別為直流側(cè)電流、電壓。圖2中,P、N代表換流器直流正負(fù)極母線,O代表中性點(diǎn)。L0為橋臂等效電感。

圖2 交流輸入側(cè)連接MMC部分的等效電路圖

以A相為例,根據(jù)等效電路圖,可以得到MMC單相的數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中:U——交流系統(tǒng)相電壓有效值。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),正負(fù)極母線相對(duì)于中性點(diǎn)的電壓為

(2)

A相發(fā)生接地故障時(shí),ua=0,此時(shí)P、N正負(fù)極母線相對(duì)于O點(diǎn)的電壓為

(3)

由式(3)可知,當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時(shí),中壓直流側(cè)的正負(fù)極母線對(duì)地電壓會(huì)發(fā)生正弦波動(dòng)。

交流側(cè)某相單相接地故障時(shí),該相電壓值降至零。由于交流側(cè)為小電流接地[11],故障線路零序電流很小,允許系統(tǒng)短時(shí)運(yùn)行,這一段時(shí)間內(nèi)繼電保護(hù)報(bào)警,對(duì)系統(tǒng)中發(fā)生故障的線路進(jìn)行排除。

2.2.2 直流側(cè)故障特性分析

配電網(wǎng)中的雙有源全橋雙向(Dual Active Bridge,DAB)直流變換器將直流側(cè)分割為中、低壓兩部分,這兩部分的故障特性相似,每一部分故障類型主要分為單極接地故障和雙極短路故障,以下重點(diǎn)分析中壓直流側(cè)故障。

(1)單極接地故障:直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)放電回路及故障等效電路如圖3所示。由于故障時(shí)正負(fù)極母線情況類似,本文選取正極母線接地故障進(jìn)行分析。

圖3(b)故障等效電路中的各參數(shù)分別為

圖3 直流側(cè)發(fā)生單極接地故障時(shí)放電回路及故障等效電路圖

(4)

式中:N——MMC橋臂子模塊個(gè)數(shù);

Lg、Rg——接地變壓器等效電感和電阻;

C0——MMC各子模塊中的電容值;

L0、R0——橋臂等效電感和電阻;

Rf——故障點(diǎn)的接地電阻。

根據(jù)KVL,電容阻抗回路方程及其特征根為

(5)

式中:Iup——故障前MMC上橋臂電流。

由此可得電容電壓及故障電流為

系統(tǒng)處于正常運(yùn)行情況下正負(fù)極母線相對(duì)于中性點(diǎn)的電壓為

(7)

發(fā)生單極接地故障,正極母線電壓UPO降至0,負(fù)極直流母線電壓為

(8)

由式(8)可見,故障后交流側(cè)電壓降低了Udc/2 ,直流側(cè)接地極電壓跌落至零,正常極的電壓則升高至正常情況下的2倍[12]。

(2)雙極短路故障：雙極短路故障是中壓直流側(cè)故障中最嚴(yán)重的故障類型。直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障時(shí)放電回路及故障等效電路如圖4所示。

圖4 直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障時(shí)放電回路及故障等效電路圖

圖4(b)故障等效電路中的各參數(shù)分別為

(9)

式中:Re——MMC等值電阻;

M——隔離級(jí)級(jí)聯(lián)數(shù)。

等效電路回路方程及其特征根為

(10)

(11)

由此可得電容電壓及故障電流為

(12)

此外,低壓側(cè)電容也會(huì)通過故障點(diǎn)放電,放電回路方程為

(13)

最終得到中壓直流側(cè)雙極短路故障時(shí)的放電電流為

(14)

由式(14)可知,雙極短路故障后的短路電流將持續(xù)振蕩,經(jīng)過一段時(shí)間的衰減最終會(huì)穩(wěn)定為一個(gè)定值。

綜上所述,中壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障會(huì)使得MMC上下橋臂均會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過電流并引起輸入過電流,交流側(cè)輸入電壓幅值下降,直流母線電壓迅速降至0,對(duì)系統(tǒng)危害極大。

3 算例分析

3.1 模型參數(shù)

仿真模型依據(jù)浙江杭州大江東柔性直流示范工程,配電網(wǎng)上級(jí)電源點(diǎn)電壓為110 kV,系統(tǒng)額定頻率50 Hz,變電站A變比為110/20 kV,低壓側(cè)與MMC換流站A交流側(cè)相連,換流站A的并網(wǎng)側(cè)交流電壓為20 kV,中壓直流母線電壓為正負(fù)10 kV;變電站B、變電站C變比均為110/10 kV,10 kV側(cè)分別與換流站B、換流站C的交流側(cè)相連,其交流母線電壓均為10 kV。正負(fù)10 kV的中壓直流母線經(jīng)過直流線路與長(zhǎng)風(fēng)換流站相接,并通過換流站降壓至正負(fù)0.35 kV的低壓直流母線,低壓直流母線上接入風(fēng)能、光能、儲(chǔ)能及充電樁等效負(fù)載。換流站均為MMC型換流站,其中換流站A采用定直流電壓、定交流電壓控制,換流站B、換流站C采用定有功,定交流電壓控制,有功參考值為-30 MW,長(zhǎng)風(fēng)換流站采用定直流母線電壓控制。

3.2 交流側(cè)故障仿真

交流側(cè)可能發(fā)生的故障位置包括交流側(cè)單相接地故障、交流側(cè)兩相短路故障、交流側(cè)三相短路故障以及換流器橋臂故障。本節(jié)針對(duì)其中最為常見的單相接地故障進(jìn)行詳細(xì)分析。

以A相為例,仿真運(yùn)行到2 s時(shí),設(shè)置故障點(diǎn)A相出現(xiàn)接地故障F1,持續(xù)0.1 s,仿真結(jié)果均選取故障前后0.5 s時(shí)段內(nèi)。A相單相接地故障F1時(shí)電氣量波形如圖6所示,A相單相接地故障F1時(shí)零序電流波形如圖7所示。

圖6 A相單相接地故障F1時(shí)電氣量波形

圖7 A相單相接地故障F1時(shí)零序電流波形

由圖6、圖7可得,交流側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí),三相電流都有所增高且增高幅度不同,發(fā)生故障相的相電壓為0,非故障相電壓小幅度增加,產(chǎn)生少量零序電流。

3.3 中壓直流側(cè)故障仿真

3.3.1 中壓側(cè)正極接地故障

設(shè)置仿真運(yùn)行到2 s時(shí),設(shè)置故障F4出現(xiàn)正極接地故障,持續(xù)0.1 s,正極故障F4時(shí)中壓直流側(cè)電流、電壓,不平衡電壓比值及縱差電流波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 正極接地故障F4時(shí)中壓直流側(cè)電流、電壓波形

由圖8、圖9得出,中壓直流側(cè)正極故障時(shí),正極電壓會(huì)跌落至0 kV,負(fù)極電壓從-10 kV跌至-20 kV,即幅值會(huì)提升至正常運(yùn)行情況下的兩倍;電流幅值有所上升,故障結(jié)束后0.1 s后趨于穩(wěn)定。正極電流縱差上升,負(fù)極電流縱差無變化,不平衡電壓比值從1變?yōu)?。

圖9 正極接地故障F4時(shí)不平衡電壓比值及縱差電流波形

3.3.2 中壓側(cè)雙極短路故障

設(shè)置仿真運(yùn)行到2 s時(shí),設(shè)置故障F5出現(xiàn)雙極短路故障,持續(xù)0.1 s,雙極短路故障F5時(shí)中壓直流側(cè)電流、電壓,不平衡電壓比值及縱差電流波形分別如圖10、圖11所示。

圖10 雙極短路故障F5時(shí)中壓直流側(cè)電流、電壓波形

由圖10、圖11得,中壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障,正負(fù)極對(duì)地電壓均降至零,線路電流有明顯上升,縱差電流變化明顯,不平衡電壓比值無變化。

圖11 雙極短路故障F5時(shí)不平衡電壓比值及縱差電流波形

4 結(jié) 語

本文針對(duì)交流側(cè)保護(hù)區(qū)和直流側(cè)保護(hù)區(qū)最常出現(xiàn)的幾種典型故障進(jìn)了理論分析和數(shù)值計(jì)算,并基于直流示范工程設(shè)計(jì)了三端柔性直流配電網(wǎng)仿真模型,通過仿真總結(jié)出的各故障特性如下:

(1)交流側(cè)單相接地故障:三相電流均有增加且幅度不一,故障相電壓降至0,非故障相電壓小幅度增加,產(chǎn)生少量零序電流,因此可采用過電流及零序電流保護(hù)。

(2)直流側(cè)正極故障:正極電壓跌落至零,負(fù)極電壓則會(huì)提至正常運(yùn)行情況下的兩倍;正負(fù)極電流故障瞬間均有上升,正極電流縱差上升,負(fù)極電流縱差無變化,不平衡電壓比值從1變?yōu)?,因此可采用直流縱差保護(hù)及電壓不平衡保護(hù)。

(3)直流側(cè)極間故障:正負(fù)極對(duì)地電壓跌落至零,線路電流有明顯上升,電流縱差有明顯變化,不平衡電壓比值無變化,因此可采用直流縱差保護(hù)及過電流保護(hù)。