基于開關(guān)函數(shù)的晶閘管整流器差動保護(hù)新方法

金恩淑,陳和平,夏國武

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2.國網(wǎng)通遼供電公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000)

0 引 言

近年來,高壓直流(High Voltage DC,HVDC)輸電技術(shù)快速發(fā)展,和傳統(tǒng)交流系統(tǒng)相比有著高可靠性、高效率、低成本和簡單性的優(yōu)點(diǎn)。其中,換流器作為HVDC的交直流轉(zhuǎn)換的樞紐,是直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件[1]。晶閘管換流器的優(yōu)點(diǎn)是容量大、控制靈敏、成本低廉和技術(shù)成熟,常被用在HVDC直流系統(tǒng)中,其工作狀態(tài)為多個換流閥按一定的順序輪流導(dǎo)通,導(dǎo)通回路因故障時刻和故障位置的差異而不同,且故障類型種類繁多。因此,換流器的保護(hù)配置也更為重要和復(fù)雜[2]。而換流器保護(hù)存在著保護(hù)范圍邊界不明確,一種故障可能有多個保護(hù)動作等問題,這成為了換流器保護(hù)的弊端[3-7]。

目前,在工程實(shí)踐中,換流器保護(hù)的主保護(hù)為直流差動保護(hù)[8-15],其研究現(xiàn)狀主要集中在直流差動保護(hù)誤動原因的分析以及保護(hù)的改進(jìn)上。文獻(xiàn)[8]利用電路解析,回路疊加等方法,將換流器不同類型的故障進(jìn)行電路分類,對換流器交流側(cè)故障的故障特性進(jìn)行分析,指出了交流側(cè)故障時保護(hù)邊界不明確的問題。文獻(xiàn)[9]分析了換流站內(nèi)幾種類型的交流側(cè)故障的故障特征以及對直流保護(hù)的影響,但未具體說明對換流器直流差動保護(hù)的影響。文獻(xiàn)[10]針對云廣特高壓直流系統(tǒng)發(fā)生的換相失敗現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的分析,提出了換相失敗發(fā)生過程中,會導(dǎo)致高壓端和低壓端出現(xiàn)差流,直流差動保護(hù)會發(fā)生誤動現(xiàn)象。文獻(xiàn)[11]研究了區(qū)外故障時直流差動保護(hù)的動作情況,并對換流器區(qū)域內(nèi)各個位置的故障進(jìn)行了詳細(xì)的分析,但未從原理上解決區(qū)外接地故障誤動的問題。文獻(xiàn)[12]分析了基于電流平衡思想的直流差動保護(hù),提出了其判據(jù)的不嚴(yán)格性是導(dǎo)致誤動于交流側(cè)區(qū)外接地故障的原因。文獻(xiàn)[13]對變壓器閥側(cè)單相接地故障進(jìn)行了故障機(jī)理分析,并提出了差動保護(hù)判定此類型故障存在的問題。文獻(xiàn)[14]對直流差動保護(hù)的動作特性進(jìn)行了分析,并提出了輔助判據(jù)對其進(jìn)行改進(jìn),但未從根本上解決保護(hù)存在的誤動問題。文獻(xiàn)[15]對柴達(dá)木換流站內(nèi)存在的幾處隱患進(jìn)行分析,提出了增加保護(hù)延時和考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式等措施對直流差動保護(hù)進(jìn)行了改進(jìn)。綜上所述,傳統(tǒng)的直流差動保護(hù)存在著只能動作于換流器的接地故障,不能正確動作相間短路故障,且會誤動于交流側(cè)區(qū)外接地故障的問題?，F(xiàn)有直流差動保護(hù)采用的改進(jìn)方案只局限在優(yōu)化上面,不能從根本上解決直流差動保護(hù)誤動的問題。

本文以整流器為研究對象,提出了一種基于開關(guān)函數(shù)的整流站晶閘管換流器差動保護(hù)新方法。首先,分析了基于換流閥導(dǎo)通特性的開關(guān)函數(shù)模型,建立了交流三相電流和直流電流的平衡關(guān)系,以區(qū)分換流器的內(nèi)部和外部故障;然后,利用交流側(cè)電流互感器兩側(cè)接地故障時零序電流的差異,明確了換流器保護(hù)的交流側(cè)邊界。最后,通過PSCAD仿真將該保護(hù)和傳統(tǒng)直流差動保護(hù)進(jìn)行了比較,結(jié)果表明:該保護(hù)可有效解決傳統(tǒng)直流差動保護(hù)拒動于區(qū)內(nèi)相間短路故障及誤動于變壓器引出線接地故障的問題。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

本文以工程中常見的CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)為研究對象,其主要結(jié)構(gòu)分為:換流變,直流線路和換流器,如圖1所示,系統(tǒng)模型為單極,采用接地回線的運(yùn)行方式,直流電壓等級為500 kV,直流額定電流為2 kA,換流器分為上下兩個6脈橋,其換流變分別采用Y/Y接線和Y/△接線,整流站換流變的額定電壓為345 kV/213.5 kV,控制方式采用恒電流和恒αmin。

圖1 高壓直流輸電系統(tǒng)圖Fig.1 HVDC transmission system diagram

2 換流器的故障類型及傳統(tǒng)直流差動保護(hù)

2.1 故障類型及其分布

換流器的故障分為交流側(cè)故障和直流側(cè)故障,如圖2所示,故障1～6分別表示交流側(cè)故障;故障7、8、9、12、13、14分別表示直流側(cè)故障;idH表示高壓直流電流;idN表示中性直流電流;VD1～VD6表示D橋換流器上的六個換流閥,VY1～VY6表示Y橋換流器上的六個換流閥。

圖2 換流器故障類型及分布Fig.2 Types and distribution of converter faults

2.2 直流差動保護(hù)原理及其存在的問題

換流器正常運(yùn)行時,對換流器的保護(hù)區(qū)域應(yīng)用基爾霍夫電流定律為公式(1),即

idH=idN

(1)

整流器區(qū)內(nèi)發(fā)生接地短路故障時,將在直流差動保護(hù)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)接地電流支路,idH和idN失去平衡關(guān)系,直流側(cè)電流關(guān)系為公式(2),即

idN=idH+if

(2)

公式中:if為故障點(diǎn)接地電流。

則直流差動保護(hù)的動作方程為

(3)

公式中:Δ為保護(hù)門檻值,其整定原則為躲過換流器正常運(yùn)行時額定直流電流值的0.3倍;實(shí)際工程中Δ的取值為

Δ=0.04idH+0.3idnom

(4)

公式中:idnom為額定直流電流,在CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中為2 kA。在高壓直流輸電系統(tǒng)中的動作時間與直流側(cè)的控制特性相互配合[16],一般取為5 ms。

由公式(2),換流器區(qū)內(nèi)發(fā)生相間短路故障時,不會出現(xiàn)if,即直流差動保護(hù)不能保護(hù)相間短路故障。

正常運(yùn)行時,根據(jù)換流閥的單向?qū)ㄐ?可得換流器交流側(cè)電流和直流側(cè)電流的關(guān)系:

(5)

公式中:j=a,b,c。

由公式(5),直流差動保護(hù)的邊界超過了直流側(cè)延伸至交流側(cè),即會誤動于變壓器引出線的接地故障。

綜上所述,傳統(tǒng)換流器直流差動保護(hù)的保護(hù)原理是利用直流側(cè)高壓端電流和中性端電流構(gòu)成的,只能動作于接地故障[17],其保護(hù)區(qū)域?yàn)橹绷鱾?cè)高壓端母線和中性端母線上電流互感器之間的電氣區(qū)域,且交流側(cè)至換流變的二次繞組處,即包括直流側(cè)但超出至交流側(cè),如圖2所示,其中,區(qū)外接地故障5、6發(fā)生時,保護(hù)會誤動。

3 換流器差動保護(hù)新方法

3.1 基于開關(guān)函數(shù)模型的保護(hù)主判據(jù)

由于傳統(tǒng)直流差動保護(hù)利用的只是直流側(cè)的電流,無法表示晶閘管換流器不同狀態(tài)時換流器的電氣特征。而基于調(diào)制原理形成的換流器開關(guān)函數(shù)模型,可以很好地表示晶閘管換流器的導(dǎo)通與關(guān)斷狀態(tài),被廣泛應(yīng)用于分析換流器兩側(cè)的電氣量的傳遞關(guān)系,由于其分析過程簡潔以及計(jì)算精度高等優(yōu)點(diǎn),而常被應(yīng)用在換流器的建模工作中[18-20]。圖3為D橋交、直流電流示意圖,iDa、iDb、iDc分別為交流側(cè)D橋三相電流瞬時值,直流側(cè)換流閥VD1～VD6依次觸發(fā),其開關(guān)函數(shù)周期都為2π,且相鄰換流閥間隔π/3。

圖3 D橋交、直流電流示意圖Fig.3 Schematic diagram of AC and DC current in D bridge

根據(jù)開關(guān)函數(shù)的調(diào)制傳輸原理,換流器的交流三相電流可由直流電流推導(dǎo)得出,從而得到換流器交流三相電流與直流電流的平衡關(guān)系[21-22](非換相過程中)為公式(6),即

(6)

(7)

公式中:Si(i=1,2,3,4,5,6)分別為D橋6脈橋換流閥的相對電流開關(guān)函數(shù);i1～i6分別為流經(jīng)D橋6脈橋換流閥的電流。

對公式(6)左右兩邊同時取絕對值的和得公式(8),即

(8)

為簡化分析,令

(9)

對于晶閘管換流器,換流閥按一定的順序?qū)?對于不同的導(dǎo)通順序組合,對應(yīng)著不同的線性電路。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,每個換流閥有兩種狀態(tài):導(dǎo)通狀態(tài)和不導(dǎo)通狀態(tài)。并且,對于整流器來說,同一橋臂的兩個閥不可能同時導(dǎo)通[23]。

根據(jù)上述導(dǎo)通原則,對于一個6脈橋換流器,共有6種導(dǎo)通狀態(tài):①閥V1和閥V6導(dǎo)通;②閥V1和閥V2導(dǎo)通;③閥V3和閥V4導(dǎo)通;④閥V3和閥V2導(dǎo)通;⑤閥V5和閥V4導(dǎo)通;⑥閥V5和閥V6導(dǎo)通。每種導(dǎo)通狀態(tài)下H=2。

由上述開關(guān)函數(shù),且直流側(cè)電流idH的瞬時值均為正值,可以得到D橋晶閘管整流器的開關(guān)模式在正常運(yùn)行期間產(chǎn)生直流和交流三相電流之間的匹配為

(10)

則,D橋晶閘管整流器發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時的保護(hù)判據(jù)為公式(11),即

(11)

公式中:K1為可靠系數(shù)取1.5;Iset1為保護(hù)整定值,其整定原則為:按照躲開直流側(cè)高壓端區(qū)外接地故障時的最大不平衡電流整定。

由于換流變引出線上沒有明顯的電氣邊界,電流互感器兩側(cè)發(fā)生接地故障時故障特征差異不明顯,保護(hù)特征量無法對其進(jìn)行區(qū)分,為使保護(hù)方案正確動作,下面將引入基于零序電流的保護(hù)輔助判據(jù)。

3.2 基于零序電流的保護(hù)輔助判據(jù)

當(dāng)換流器區(qū)內(nèi)發(fā)生接地故障時,如圖4中f1所示,電流互感器測得的電流是流經(jīng)換流變二次繞組最終流入故障接地點(diǎn)的電流,由D橋上的換流變二次側(cè)為角形接線形式,無法為零序電流提供流通的路徑。所以,電流互感器測得的D橋三相電流和接近于0,可得公式(12),即

(12)

圖4 D橋交流側(cè)接地故障示意圖Fig.4 Schematic diagram of ground fault on AC side of D bridge

當(dāng)換流器區(qū)外發(fā)生接地故障時,如圖4中f2所示,電流互感器測得的電流是閥側(cè)流入故障接地點(diǎn)的電流,因此,三相電流和不再為0,可得

(13)

公式中:K2為可靠系數(shù)取1.5;Iset2為保護(hù)整定值,其整定原則為:按照躲開換流變壓器和換流器交流連接線上的閥側(cè)單相接地故障的最大不平衡電流值整定。

3.3 保護(hù)流程圖

圖5 保護(hù)流程圖Fig.5 Protection flow chart

Y橋換流器和D橋換流器的保護(hù)原理類似,所得結(jié)論相同,此處不再贅述。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提保護(hù)方法的有效性,本文采用圖1所示的CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)參數(shù)的PSCAD模型,將本文所提保護(hù)方法和傳統(tǒng)直流差動保護(hù)在不同工況下進(jìn)行比較。仿真中,設(shè)置換流器故障開始時刻為0.5 s。其中,本文所提的保護(hù)方法主判據(jù)的門檻值Iset1取0.133 kA,輔助判據(jù)的門檻值Iset2取0.067 kA。

4.1 換流器區(qū)內(nèi)故障

算例1 D橋交流側(cè),發(fā)生區(qū)內(nèi)AB兩相短路故障

傳統(tǒng)直流差動保護(hù)的動作情況如圖6(a),左圖為高壓直流電流idH,中性直流電流idN,右圖為idH和idN間的差流及保護(hù)的動作信號。由圖6(a)所示,故障發(fā)生后,電流idH和idH的波形變化相同,均先增大到1.8 kA后急劇減小到0.3 kA,由于是相間短路故障,差流值很小,接近于0,未超過門檻值,直流差動保護(hù)拒動。

圖6 D橋交流側(cè),發(fā)生區(qū)內(nèi)AB兩相短路故障的電流、差流和動作信號Fig.6 The current,differential current and action signal of the A-B two-phase short-circuit fault in the area on the AC side of the bridge D

本文所提保護(hù)方法的動作情況如圖6(b),左圖為D橋三相交流電流的瞬時值iDa、iDb、iDc,idH,保護(hù)差流(KD1)和D橋零序電流(KD2),右圖為KD1的動作信號trip1,KD2的動作信號trip2,整個保護(hù)的動作信號trip3。由圖6(b)所示,故障發(fā)生后,iDa和iDb的幅值均在故障發(fā)生后的1/8個周期內(nèi)急劇增大,iDc在故障發(fā)生后的1/4個周期內(nèi)緩慢減小,但幅值和相位不同,因該故障為交流側(cè)不對稱性故障,iDa、iDb、iDc有輕微畸變。D橋零序電流小于其門檻值,差流在故障發(fā)生后1 ms時達(dá)到了0.89 kA,超過其門檻值,判定為換流器區(qū)內(nèi)故障,本文所提保護(hù)動作。

算例2 直流側(cè)高壓端母線區(qū)內(nèi)接地故障

傳統(tǒng)直流差動保護(hù)的動作情況如圖7(a)所示,左圖為idH,idN,右圖為idH和idN間的差流及直流差動保護(hù)的動作信號。和算例1相間短路故障不同的是,idH在故障發(fā)生后沒有增大的過程,直接急劇減小到-0.7 kA后又增大,idN的值在故障發(fā)生后急劇增大到峰值6 kA后又減小,差流在故障發(fā)生后0.25 ms達(dá)到了0.92 kA,超過門檻值,直流差動保護(hù)動作。

本文所提保護(hù)方法的動作情況如圖7(b)所示,左圖為iDa、iDb、iDc,idH,保護(hù)差流(KD1)和D橋零序電流(KD2),右圖為KD1的動作信號trip1,KD2的動作信號trip2,整個保護(hù)的動作信號trip3。在故障發(fā)生后,iDa、iDb、iDc均緩慢增大,但幅值和相位有所不同,D橋零序電流值小于其門檻值,差流在故障發(fā)生后1 ms達(dá)到2.25 kA,超過門檻值的11倍,判定為換流器區(qū)內(nèi)故障,本文所提保護(hù)動作。

由上述分析可知,傳統(tǒng)直流差動保護(hù),無法反應(yīng)相間短路故障,只能反應(yīng)接地短路故障,本文所提保護(hù)對于相間短路故障和接地短路故障均可反應(yīng),但對于接地短路故障,動作速度比傳統(tǒng)直流差動保護(hù)略慢。

4.2 換流器區(qū)外故障

交流側(cè)發(fā)生D橋區(qū)外單相接地故障:

圖7 高壓母線區(qū)內(nèi)接地故障時電流、差流和動作信號Fig.7 Current,differential current and action signals during ground faults in the high-voltage bus area

圖8 D橋區(qū)外單相接地故障時電流、差流和動作信號Fig.8 Current,differential current and action signals for single-phase ground faults outside the D-bridge area

傳統(tǒng)直流差動保護(hù)的動作情況如圖8(a)所示,左圖為idH,idN,右圖為idH和idN間的差流及直流差動保護(hù)的動作信號。故障發(fā)生后,idH急劇減小到0后又緩慢增大,idN急劇增大后減小又增大,差流和idN變化相同,超過門檻值,直流差動保護(hù)1 ms后誤動。

本文所提保護(hù)方法的動作情況如圖8(b)所示,左圖為iDa、iDb、iDc,idH,保護(hù)差流(KD1)和D橋零序電流(KD2),右圖為KD1的動作信號trip1,KD2的動作信號trip2,整個保護(hù)的動作信號trip3。故障發(fā)生后,iDa、iDb、iDc均緩慢增大,但幅值和相位有所不同,D橋零序電流,差流的波形變化趨勢相同,且值均超過門檻值,判定為換流器區(qū)外故障,本文所以保護(hù)可靠不動作。

由上述分析可知,變壓器引出線發(fā)生接地故障時,傳統(tǒng)直流差動保護(hù)會發(fā)生誤動,而本文所提保護(hù)可靠不動作。

5 結(jié) 論

本文通過分析晶閘管換流器的導(dǎo)通特性,利用調(diào)制理論下的開關(guān)函數(shù)模型,得出新的換流器差動保護(hù)判據(jù),并以零序電流作為輔助判據(jù),提出了一種整流站晶閘管換流器電流差動保護(hù)新方法,利用PSCAD進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明:本文所提保護(hù)既解決了換流器保護(hù)交流側(cè)電氣邊界模糊的問題,即在變壓器引出線發(fā)生接地故障時可靠不動作,又能正確反應(yīng)換流器內(nèi)部的所有接地短路故障和相間短路故障,進(jìn)而保證了換流器的安全可靠運(yùn)行。