基于柔性限流器的直流配電網(wǎng)繼電保護(hù)研究

曹磊, 葛飛, 高山, 姚碩, 解鵬飛

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司,河北,保定 071000)

0 引言

在實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)內(nèi)能源合理分配的同時(shí),導(dǎo)致配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)不可預(yù)測(cè),相鄰線(xiàn)路之間的故障特性邊界不明顯[1-2],發(fā)生故障時(shí)將產(chǎn)生沖擊性的暫態(tài)電流。在直流配電網(wǎng)的線(xiàn)路保護(hù)研究中,文獻(xiàn)[3]方法使用了交流斷路器配合直流隔離開(kāi)關(guān),線(xiàn)路發(fā)生故障后斷路器斷開(kāi)電源與直流系統(tǒng),有效地實(shí)現(xiàn)故障線(xiàn)路的隔離,該方法雖然具有一定的積極意義,但仍存在短暫的直流場(chǎng)停電現(xiàn)象,開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度較慢且供電可靠性差。文獻(xiàn)[4]提出基于行波電流極性的保護(hù)方法,通過(guò)小波變換方法提取出初始行波的模極大值,該方法通過(guò)人工智能的方式提高了行波電流極性分析能力,但應(yīng)用過(guò)程中相鄰保護(hù)區(qū)域的保護(hù)定值難以確定,邊界元件增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,系統(tǒng)使用繁冗,不易推廣。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)基于通信設(shè)備進(jìn)行電流差動(dòng)保護(hù),通過(guò)同步比較兩端的電流值,聯(lián)合控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,該方法雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)通信設(shè)備電流差動(dòng)保護(hù)功能,但通常忽略了分布丹絨暫態(tài)電流的影響,較小的時(shí)間差容易引起較大的誤差。

針對(duì)上述技術(shù)的不足,本文進(jìn)行以下技術(shù)研究。

1 多端柔性直流配電網(wǎng)繼電保護(hù)策略

為保證直流配電系統(tǒng)給城市居民或企業(yè)提供可靠的電力供應(yīng),本文設(shè)計(jì)出多端柔性直流配電網(wǎng)繼電保護(hù)策略,在已有的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上加入故障限流器設(shè)備[6],優(yōu)化配置多種故障限流器,設(shè)定合適的限流器參數(shù)平衡限流器的承壓和故障電流抑制效果。柔性直流配電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)架構(gòu)

本文中保護(hù)策略使用到的限流器包括源側(cè)限流設(shè)備主要包括MMC換流器、DC-DC換流器,并應(yīng)用具有故障穿越能力的全橋子模塊[7](FBSM),使用的網(wǎng)側(cè)限流器包括直流斷路器、故障限流器、直流鉗壓器和潮流控制器等[8]。

在圖1的電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中,其中1為直流電路器、2為故障限流器、3為直流鉗壓器、4為潮流控制器,T1端口為基于半橋子模塊的MMC換流器,T2和T3為VSC換流器,T2的低壓側(cè)連接風(fēng)力發(fā)電和交流負(fù)載,T3的低壓側(cè)連接通過(guò)10 kV/380 V交流變的交流負(fù)載,T4和T5為DC-DC直流變壓器,T4的低壓側(cè)連接正負(fù)400 V交直流混合負(fù)荷[9],并且負(fù)荷潮流只能單向流動(dòng),T5低壓側(cè)連接光伏發(fā)電的直流負(fù)荷,T6端口為為基于半橋子模塊的MMC換流器,換流器交流側(cè)經(jīng)過(guò)交流變壓器與交流系統(tǒng)連接[10]。

配電網(wǎng)架構(gòu)中T2、T3端口采用的換流器為兩電平電壓源換流器VSC,通過(guò)采用P1調(diào)節(jié)器的電壓、電流雙閉環(huán)控制,保證交流側(cè)的電壓穩(wěn)定。換流器交流側(cè)采用定交流電控制,通過(guò)電壓控制器獲取調(diào)制比,經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)后將參數(shù)發(fā)送給PWM脈沖調(diào)制發(fā)生器獲取任意的觸發(fā)脈沖。T4、T5采用的DC-DC變壓器將低壓側(cè)與直流側(cè)相連,兩個(gè)全橋通過(guò)中間的變壓器聯(lián)結(jié)。在柔性直流配電網(wǎng)架構(gòu)工作時(shí),超快速隔離開(kāi)關(guān)能在零電流時(shí)快速斷開(kāi)電路,負(fù)載轉(zhuǎn)移開(kāi)關(guān)由多個(gè)絕緣柵雙極晶體管單元串聯(lián)而成,故障發(fā)生時(shí)將故障電流轉(zhuǎn)移至主斷路器支路,主斷路器用來(lái)分?jǐn)喙收想娏?避雷器耗能支路用來(lái)消耗大量的故障能量。限流器由兩個(gè)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管反并聯(lián)并與電阻并聯(lián)組成,串聯(lián)在直流線(xiàn)路中,故障后阻抗增大,從而增加故障回路阻抗,抑制故障電流。

1.1 復(fù)合型直流潮流控制器設(shè)計(jì)

該研究在直流配電網(wǎng)的繼電保護(hù)策略中是使用了潮流控制器[11],利用電容電壓控制晶閘管的通斷完成切除故障線(xiàn)路。復(fù)合型直流潮流控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)合型直流潮流控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

控制器的限流部分包括線(xiàn)路上的串聯(lián)等效電容C1、C2,1個(gè)電感器L、8個(gè)IGBT和串聯(lián)的二極管、4組串聯(lián)的IGBT和反串聯(lián)的二極管。在正常狀態(tài)下,四組輔助開(kāi)關(guān)V1a、V1b、V2a、V2b開(kāi)通,8組晶閘管全部關(guān)斷,四組串聯(lián)的IGBT開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,控制器的潮流控制部分工作,故障限流和斷路功能關(guān)閉。發(fā)生接地故障時(shí),根據(jù)配電網(wǎng)故障線(xiàn)路和故障電流方向,控制器控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷,將控制器中電感串聯(lián)進(jìn)故障線(xiàn)路進(jìn)行限流,對(duì)應(yīng)的直流斷路部分進(jìn)入工作狀態(tài),進(jìn)行切除故障支路。

在具體控制過(guò)程中,換流站輸出電流為定值,當(dāng)電流i2增加時(shí),i1也隨之增加,當(dāng)8個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管全部關(guān)斷時(shí),電容C2向線(xiàn)路2放電,控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移,電感工作電流連續(xù),電容穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓的關(guān)系可表示為

(1)

其中,uC1為電容C1的電壓,uC2為電容C2的電壓,D為開(kāi)關(guān)管v1、v3的占空比,1-D為開(kāi)關(guān)管v5、v7的占空比。開(kāi)通開(kāi)關(guān)管v1、v3時(shí),電容C1與電感并聯(lián),C1向電感充電,電感的電流逐漸增加,電流方向從左向右。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)管v1、v3,開(kāi)通開(kāi)關(guān)管v5、v7,電容C2與電感并聯(lián),電感向電容充電,電感電流逐漸減小。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)經(jīng)過(guò)上述過(guò)程,等效于直流線(xiàn)路上各串聯(lián)一個(gè)電壓源,兩個(gè)電壓源進(jìn)行功能交換,通過(guò)這種方法進(jìn)而改變線(xiàn)路電壓控制線(xiàn)路潮流。

1.2 基于電流模量特征的配電線(xiàn)路保護(hù)

為方便分析發(fā)生線(xiàn)路故障時(shí)的電氣量特征,進(jìn)行解耦處理轉(zhuǎn)換到獨(dú)立的零模和線(xiàn)模網(wǎng)絡(luò)中,線(xiàn)模網(wǎng)絡(luò)表示線(xiàn)路之間構(gòu)成的回路,解耦公式可表示為

(2)

其中,i0、i1表示解耦后的零模與線(xiàn)模電流分量,ip、iN表示線(xiàn)路正負(fù)極電流分量,S表示解耦矩陣。直流配電網(wǎng)線(xiàn)路故障后,系統(tǒng)對(duì)故障線(xiàn)路的模量分量變化進(jìn)行分析,線(xiàn)路故障示意圖和模量變化如圖3所示。

圖3 線(xiàn)路故障示意圖和模量變化

當(dāng)配電網(wǎng)線(xiàn)路發(fā)生極間故障時(shí),MMC 1和MMC 2側(cè)都向故障點(diǎn)注入電流,MMC 1側(cè)電流方向不變并且幅值快速增加。線(xiàn)路保護(hù)方案的啟動(dòng)判據(jù)為零模和線(xiàn)模電流突變量分量,可表示為

|Δi0|>k0Iset0or|Δi1|>k1Iset1

(2)

其中,Δi0、Δi1表示零模、線(xiàn)模電流突變量,k0、k1表示零模與線(xiàn)模的可靠性系數(shù),Iset0、Iset1表示故障線(xiàn)路零模、線(xiàn)模的整定參考值。當(dāng)零?；蚓€(xiàn)模分量中任意兩個(gè)電流突變量滿(mǎn)足式(2),系統(tǒng)則啟動(dòng)線(xiàn)路保護(hù)方案,并設(shè)定當(dāng)前采樣點(diǎn)為故障發(fā)生時(shí)刻。為進(jìn)一步區(qū)分故障電流和雷電干擾出現(xiàn)的不正常線(xiàn)路動(dòng)作,直流線(xiàn)路的保護(hù)裝置出計(jì)算線(xiàn)模電流分量,可表示為

(3)

當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生雷電干擾時(shí),保護(hù)裝置不動(dòng)作,判斷依據(jù)為

sign(Δi0)≠0,sign(Δi1)=0

(4)

當(dāng)線(xiàn)模電流分量滿(mǎn)足式(4)時(shí),系統(tǒng)判定線(xiàn)路受到雷擊干擾,不滿(mǎn)足該公式則認(rèn)為線(xiàn)路發(fā)生短路故障。線(xiàn)路發(fā)生極間故障時(shí),對(duì)應(yīng)的電流零模分量為常數(shù),可表示為

sign(Δi0)=0,sign(Δi1)≠0

(5)

當(dāng)滿(mǎn)足式(5)時(shí),系統(tǒng)則認(rèn)為線(xiàn)路發(fā)生極間故障。由模量特性可知,故障線(xiàn)路對(duì)應(yīng)兩側(cè)突變量可表示為

(6)

2 應(yīng)用測(cè)試

為驗(yàn)證該研究直流配電網(wǎng)繼電保護(hù)策略的有效性,該研究搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行仿真測(cè)試,使用PSCAD/EMTDC軟件構(gòu)建柔性直流配電網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)配電網(wǎng)中MMC換流器采用基于半橋型的MMC,其中兩個(gè)為整流站,兩個(gè)為逆變站,直流線(xiàn)路兩端安裝有線(xiàn)路保護(hù)、直流斷路器和平波電抗器。配電網(wǎng)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 配電網(wǎng)參數(shù)

換流站的控制方式為定有功功率和定無(wú)功功率,換流站參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 換流站參數(shù)

使用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法作為對(duì)比實(shí)驗(yàn),文獻(xiàn)[3]方法中使用了交流斷路器和直流隔離開(kāi)關(guān),文獻(xiàn)[4]方法中使用了限流裝置和線(xiàn)路保護(hù)設(shè)備。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定換流站1與換流站2之間的直流線(xiàn)路上發(fā)生短路故障,進(jìn)行仿真分析,故障發(fā)生時(shí)刻為1 s。通過(guò)8個(gè)小時(shí)的試驗(yàn),得出如表3所示的數(shù)據(jù)信息表。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

在表3中,假設(shè)選定10組數(shù)據(jù)信息,假設(shè)需要隔離的故障點(diǎn)為1000個(gè),采用3種方法對(duì)故障線(xiàn)路進(jìn)行處理,定位故障點(diǎn)并啟動(dòng)保護(hù)方案,斷路器開(kāi)始動(dòng)作切斷故障線(xiàn)路,限流裝置和潮流控制器對(duì)故障電流進(jìn)行抑制。記錄到故障線(xiàn)路上的故障電流變化如圖5所示。

圖5 故障電流變化

該研究系統(tǒng)的保護(hù)策略下的故障電流不超過(guò)6 kA,在1.003 s時(shí)直流斷路器投入動(dòng)作,使主線(xiàn)路上的電流降低為0,故障電流轉(zhuǎn)移到支路,再轉(zhuǎn)移到設(shè)備的耗能支路上,短路電流快速低落到0,系統(tǒng)配合直流斷路器和限流裝置完成了故障電流分過(guò)程,避免輸電線(xiàn)路及電氣設(shè)備受過(guò)電流危害。

使用文獻(xiàn)[3]方法時(shí),故障線(xiàn)路上的故障電流峰值超過(guò)6 kA,在1.000 s時(shí)刻發(fā)生短路故障后,在1.005 s時(shí)故障電流下降到0,與該研究方法延長(zhǎng)了0.002 s,但仍具有較好的故障隔離作用。文獻(xiàn)[4]方法的故障保護(hù)效果較差,不能及時(shí)地隔離該故障線(xiàn)路,故障電流下降速度較慢,在1.003 s時(shí)故障電流幅值最大,故障電流最大超過(guò)7 kA,在1.015 s后才降低到0,對(duì)故障電流的限制效果較差。

為驗(yàn)證該研究系統(tǒng)對(duì)故障電流的抑制效果,繼續(xù)使用表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息,設(shè)定實(shí)驗(yàn)配電網(wǎng)中線(xiàn)路1在5.00 s時(shí)發(fā)生單極接地故障,系統(tǒng)耗時(shí)1 ms檢測(cè)到線(xiàn)路故障并發(fā)出故障信號(hào),在都進(jìn)行故障清除的前提下進(jìn)行了兩次仿真實(shí)驗(yàn),與不進(jìn)行故障限流進(jìn)行對(duì)比,保護(hù)策略中故障限流效果如圖6所示。

圖6 故障限流效果

發(fā)生線(xiàn)路故障后未進(jìn)行保護(hù)策略的故障電流超過(guò) 8 kA,線(xiàn)路上故障電流下降速度緩慢,在5.007 s時(shí)故障電流達(dá)到最大。使用該研究保護(hù)策略對(duì)故障電流進(jìn)行限制后,故障電流幅值降低了58.75%,在故障限流與斷路過(guò)程中,投入限流電感后故障電流峰值降低了17.78%,5.005 s后的故障電流最大不超過(guò)4.5 kA,該研究能夠有效對(duì)故障電流進(jìn)行限制和清除。

3 總結(jié)

本文提出直流配電網(wǎng)的繼電保護(hù)策略,應(yīng)用斷路器、換流器、限流器、潮流控制器等多種類(lèi)型的限流裝置,多種限流裝置協(xié)同配合完成了對(duì)故障線(xiàn)路的隔離和故障電流的抑制。并設(shè)計(jì)出一種具有故障限流和斷路復(fù)合功能的潮流控制器,在正常運(yùn)行時(shí)與電容并聯(lián)進(jìn)行潮流調(diào)節(jié),在故障狀態(tài)下串入故障限流進(jìn)行抑制。保護(hù)策略基于零模和線(xiàn)模電流突變量進(jìn)行判決,區(qū)分故障電流和雷電干擾。

本文搭建的直流配電網(wǎng)模型較為簡(jiǎn)單,未涉及到多種類(lèi)型的分布式電源的同時(shí)接入,在以后的研究中需要考慮不同因素對(duì)保護(hù)策略的影響,對(duì)配電網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行完善和研究。