柔性直流配電網(wǎng)中壓直流側(cè)典型故障仿真分析

柔性直流配電網(wǎng)中壓直流側(cè)典型故障仿真分析*

徐辰翔，高輝，張安越(南京郵電大學(xué)，江蘇南京210023)1引言隨著分布式能源發(fā)電的開發(fā)利用，電動汽車、家用電器、智能樓宇以及數(shù)據(jù)通訊等城市直流負荷占比的逐步升高，電力儲能的逐步推廣以及重要敏感負荷對高質(zhì)量供電的需求等諸多因素的影響，基于柔性直流技術(shù)的交直流混合配電網(wǎng)更適合現(xiàn)代城市配電網(wǎng)的發(fā)展[1-2]。使用模塊化多電平換流器(ModularMultilevelConverter，MMC)的柔性配電網(wǎng)可更好地接納分布式電源和直流負荷，可緩解城市電網(wǎng)站點走廊有限與負荷密度高的矛盾，不僅可以提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，還能降低系統(tǒng)損耗[3-4]。配置柔性直流裝置可優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的運行控制能力，并有效提升配電網(wǎng)可控性以及供電安全性，同時其運行控制模式和規(guī)劃決策方法對于提升配電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟性具有重要意義。然而現(xiàn)有的柔性直流技術(shù)同樣需要應(yīng)對許多現(xiàn)實面的挑戰(zhàn)，保護技術(shù)作為配電網(wǎng)絡(luò)的其中一個關(guān)鍵技術(shù)，對于其發(fā)展具有不小的阻礙。文獻[5-6]分析了多端柔直配電網(wǎng)不同拓撲結(jié)構(gòu)對保護策略的影響。文獻[7-8]分析了柔性直流配電網(wǎng)的不同保護分區(qū)和各分區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)的多種故障。文獻[9]分析了MMC換流器可能出現(xiàn)的內(nèi)部故障和保護策略。文獻[10-11]分析了柔直配電網(wǎng)交流側(cè)故障對直流側(cè)保護的影響。文獻[12]研究了柔直配電網(wǎng)對交流線路電流相位差動保護的影響。文獻[13]研究了柔直配電網(wǎng)不同分區(qū)的保護配合和定值整定。文獻[14]分析了風(fēng)電廠接入對柔直配電網(wǎng)系統(tǒng)特性及保護控制技術(shù)的影響。現(xiàn)有的保護技術(shù)研究對中壓直流側(cè)接入分布式電源的柔性直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中直流側(cè)保護尚有欠缺。本文分析了MMC的拓撲結(jié)構(gòu)、控制方式以及調(diào)制方式，研究包括包括MMC到DAB之間的中壓直流側(cè)線路上，單雙極故障后的電流電壓特性，并通過PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，由仿真加以驗證，同時分析故障后的縱差電流、不平衡電壓等相關(guān)參數(shù)，考慮上下級線路影響，提出適用于柔性直流配電網(wǎng)直流線路的保護配置方案。2模塊化多電平換流器控制模型2.1配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)采用MMC拓撲結(jié)構(gòu)的柔性直流配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。在交流側(cè)通過MMC完成AC/DC變換，經(jīng)過一段直流線路后，連接至中壓母線。在中壓直流側(cè)通過若干雙有源橋變換器完成降壓，接入低壓母線，最后連接交流逆變器，接入交流負載。圖1柔性直流配電網(wǎng)拓撲2.2MMC換流器模型2.2.1MMC拓撲結(jié)構(gòu)MMC的基本功能是實現(xiàn)交直流電壓電流轉(zhuǎn)換，輸入接高壓交流電網(wǎng)，輸出接DC/DC變換器原邊，MMC拓撲如圖1所示。該拓撲包含三相共六個橋臂，單個橋臂由N個相同的子模塊和一個橋臂電感串聯(lián)組成，其中子模塊如圖2所示。圖2三相MMC拓撲結(jié)構(gòu)當MMC在工作狀態(tài)時，子模塊通過圖3中的D1、D2確定其投入或切除。D1管開通D2管關(guān)斷則子模塊投入，反之則切除。在MMC處于故障或啟動階段等非正常狀態(tài)下，D1、D2兩管均關(guān)斷，子模塊閉鎖。圖3SM結(jié)構(gòu)2.2.2MMC控制方法MMC控制中，在dq坐標系下，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。1)電流內(nèi)環(huán)解耦控制(1)式中usd、usq分別為交流側(cè)電壓復(fù)矢量的d、q軸分量，p為微分算子，R0為橋臂電阻，L0為橋臂電感。將d軸方向的電流分量id定義為有功電流，超前于d軸90°的電流分量iq定義為無功電流。采用前饋解耦控制對d、q軸進行解耦。根據(jù)式(2)的數(shù)學(xué)模型得到(2)通過PI調(diào)節(jié)器進行解耦控制，可得控制方程(3)式中，ed為d軸輸出電壓；eq為q軸輸出電壓；Kip為電流比例系數(shù)，KiI為電流積分系數(shù)。由式(3)可實現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的解耦控制，其控制圖如圖4所示。圖4電流內(nèi)環(huán)解耦控制結(jié)構(gòu)圖2)電壓外環(huán)控制為了穩(wěn)定MMC整流得到的電壓，采用電壓外環(huán)控制。將直流電壓參考值與反饋回的實際值誤差通過PI控制器，調(diào)整電流控制器的輸入值，從而間接實現(xiàn)對直流電壓的控制，電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖電壓外環(huán)控制的表達式為(4)3柔性直流配電網(wǎng)直流側(cè)故障特性分析柔性直流配電網(wǎng)中的直流線路分為中壓直流側(cè)和低壓直流側(cè)，本文重點分析中壓直流側(cè)故障，其范圍包括MMC出線到DAB進線，以及光伏電源的進線。故障類型主要包括單極接地故障和雙極短路故障兩種，本節(jié)對兩種故障類型進行故障特性分析。3.1單極接地故障單極接地故障正負極母線分析情況類似，本節(jié)選取正極母線接地故障進行分析。在發(fā)生中壓直流母線正極接地故障情況下，放電回路以及故障等值電路如圖6所示。圖6單極接地故障MMC放電回路及等值電路圖圖6(b)故障等值電路中的各參數(shù)分別為(5)式中，N為MMC橋臂子模塊個數(shù)；Lg、Rg為接地變壓器等效電感和電阻；L0、R0為MMC橋臂等效電感和電阻；Rf為故障點接地電阻。運用疊加原理，將其分為電容阻抗回路和光伏電源阻抗回路，電容阻抗回路根據(jù)KVL可得回路方程及其特征根為(6)二階電路初始條件為(7)由此可得電容電壓及故障電流為(8)光伏電源阻抗回路根據(jù)KVL可得回路方程(9)在正常運行情況下，P、N正負極母線相對于0點的電壓為(10)而在發(fā)生單極接地故障后，正極母線電壓變?yōu)閁PO=uap+ua=0(11)結(jié)合式(12)和式(13)可得負極直流母線電壓為(12)3.2雙極短路故障中壓直流母線雙極短路故障是直流側(cè)故障中最嚴重的故障類型，故障后放電回路及故障等值電路如圖7所示。圖7雙極短路故障放電回路及故障等值電路圖圖7(b)故障等值電路中各參數(shù)分別為(13)式中：Re為MMC等值電阻，M為隔離級級聯(lián)數(shù)。等效電路根據(jù)KVL可得回路方程及其特征根為(14)(15)二階電路零輸入響應(yīng)初始條件為(16)由此可得電容電壓及故障電流為(17)此外，除了MMC側(cè)電容會通過故障點放電，隔離級一次側(cè)電容也會通過故障點放電。放電回路方程為(18)(19)結(jié)合式(17)和式(19)可知中壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障時放電電流為(20)由式(20)可知，雙極短路故障后的放電電流為振蕩放電過程，最終短路電流經(jīng)過衰減穩(wěn)定在一個定值。由分析可以總結(jié)，在發(fā)生雙極短路故障后，直流母線電壓迅速跌落為0，中壓直流母線和交流側(cè)電流會出現(xiàn)嚴重過電流，交流側(cè)輸入電壓幅值下降，故障特征與三相短路類似，危害極大。4柔性直流配電網(wǎng)直流側(cè)故障仿真構(gòu)建如圖1所示柔性直流配電網(wǎng)，仿真實際工程中的臨欣直流輸電系統(tǒng)，交直流配電網(wǎng)上端電源點是110kV電源，系統(tǒng)額定頻率50Hz，臨欣變變比110/20kV，經(jīng)過16km線路接MMC換流站，換流站采用定直流電壓、定交流電壓控制，控制中壓直流母線電壓為正負10kV，并網(wǎng)側(cè)交流電壓20kV，光伏電源輸出功率0.27MW。4.1正極接地故障如圖8所示，在MMC出線、DAB進線和光伏電源進線設(shè)置電流互感器i1、i2、i3和i4、i5、i6，在直流線路首端設(shè)置一組電壓互感器U1、U2用于檢測線路電壓。故障可能發(fā)生的地點為電流互感器之間的直流線路，對應(yīng)故障點F1。圖8中壓直流側(cè)保護范圍及故障點示意圖設(shè)置在0.12s時，故障點F1處發(fā)生正極接地故障，故障時中壓直流側(cè)電流如圖9所示。圖9正極接地故障時中壓直流側(cè)電流波形從圖中可以看到，光伏電源向電路中注入電流，由于子模塊電容向故障點放電，正極線路首端測得電流有輕微增大，線路末端電流經(jīng)短暫時間的波動之后趨于正常。正極接地故障時的中壓直流側(cè)電壓、不平衡電壓比值及縱差電流如圖10所示。圖10正極接地故障時中壓直流側(cè)電壓、不平衡電壓比值及縱差電流波形從圖中可以看到，中壓直流側(cè)發(fā)生正極單極接地故障，導(dǎo)致正極電壓跌落至0，負極電壓升高至極間電壓，正極縱差電流故障瞬間增大至8kA，非故障極線路縱差電流幾乎為0，而不平衡電壓比值由正常時的1降至0附近，故可采用直流縱差保護以及不平衡電壓保護。4.2雙極故障設(shè)置在0.12s時，故障點F1處發(fā)生雙極短路故障，故障時中壓直流側(cè)電流如圖11所示。圖11雙極短路故障時中壓直流側(cè)電流波形從圖中可以看到，光伏電源向故障點注入故障電流，故障電流幅值從2.5kA瞬間增大至15kA。雙極短路故障時的中壓直流側(cè)電壓、不平衡電壓比值及縱差電流如圖12所示。從圖中可以看到，中壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障，導(dǎo)致正負極電壓跌落至0，正負極縱差電流故障瞬間增大至32kA，一段時間之后穩(wěn)定在28kA，而不平衡電壓比值并沒有發(fā)生變化，因此考慮采用直流縱差保護。圖12雙極短路故障時中壓直流側(cè)電壓、不平衡電壓比值及縱差電流波形5直流線路保護方案配置根據(jù)前述的理論分析和仿真結(jié)果，可配置中壓直流側(cè)線路主保護為縱差保護，后備保護為低電壓保護和不平衡電壓保護?？v差保護采樣電流取自電流互感器i1、i2、i3和i4、i5、i6，有效識別發(fā)生在故障點F1的故障，縱差電流計算式為(21)其中，izczj1為中壓直流側(cè)正極縱差電流，izcfj1為中壓直流側(cè)負極縱差電流。保護啟動定值可由下式計算Izcdz1.set=KrelKctINKgfh(22)其中，Krel為可靠系數(shù)，取1.3到1.5；Kct為測量設(shè)備百分比誤差；IN為額定電流；Kgfh為直流系統(tǒng)的最大過負荷倍數(shù)。綜合考慮，縱差電流啟動定值取為0.2倍的額定電流。當直流線路發(fā)生故障時，會造成直流電壓無法維持，當直流電壓持續(xù)一段時間低于跳過交流側(cè)故障影響的低電壓定值，則判定為直流線路故障。低電壓保護電壓采樣值取自模塊化多電平換流器出線處電壓互感器，其保護判據(jù)如下ud<ulset<p>(23)低電壓保護能夠有效保護直流線路全長，低電壓定值可整定為正常線路電壓的70%。不平衡電壓保護采用和低電壓保護相同的電壓采樣值，正負極接地故障的保護判據(jù)分別如下(24)(25)其中Vp為線路正極電壓，Vn為線路負極電壓；Cset為不平衡電壓保護比值系數(shù)為，其為一個大于1的常數(shù)，此處根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)為1.2。不平衡電壓保護誤動可能性很低，比低電壓保護動作要迅速。6總結(jié)在當前面向柔性直流配電網(wǎng)研究基礎(chǔ)