電壓源換流器接地方式對(duì)直流配電系統(tǒng)的影響

魯國(guó)正，高 亮，梁智敏

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電壓源換流器接地方式對(duì)直流配電系統(tǒng)的影響

魯國(guó)正，高 亮，梁智敏

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

針對(duì)低壓直流(Low Voltage Direct Current, LVDC)配電系統(tǒng)分析比較了電壓源換流器不同接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)。分別在換流器電容中點(diǎn)直接接地和高阻接地方式下，對(duì)換流器交流出口處不對(duì)稱故障特性和直流線路單極接地故障特性進(jìn)行了分析，并建立LVDC電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了仿真研究。對(duì)比系統(tǒng)不同工況下的暫態(tài)性能可知，電壓源換流器電容中點(diǎn)高阻接地方式優(yōu)于直接接地方式。高阻接地的方式對(duì)限制故障電流更為有利，同時(shí)也有利于直流配電系統(tǒng)故障消除后的快速恢復(fù)，這為未來直流配電系統(tǒng)保護(hù)方案的配置奠定了基礎(chǔ)。

電壓源換流器；直流配電系統(tǒng)；故障特征；接地方式；換流器交流出口；直流母線；零序通路

0 引言

現(xiàn)有的交流配電網(wǎng)將面臨一些問題和挑戰(zhàn)，如城市用戶隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和轉(zhuǎn)型，對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，以及電壓波動(dòng)、電壓閃變、頻率波動(dòng)、諧波污染等電能質(zhì)量問題。隨著直流輸電技術(shù)以及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，之前被交流取代的低壓直流 (Low Voltage Direct Current, LVDC) 配電技術(shù)再次被提上日程。

直流配電系統(tǒng)是包括中壓配電網(wǎng)和用戶側(cè)配電網(wǎng)的公共配電網(wǎng)絡(luò)[1]。與交流配電網(wǎng)相比，直流配電有其明顯的優(yōu)勢(shì)[2-4]：①線路成本低，當(dāng)交直流電有效值相同時(shí)，交流電壓的峰值比直流電壓峰值大，因此對(duì)電纜的絕緣強(qiáng)度要求也更嚴(yán)格，所以直流電纜的成本也要低；②供電可靠性高，不存在頻率穩(wěn)定和無功功率等問題；③節(jié)能減排，直流配電網(wǎng)給直流設(shè)備供電時(shí)，減少了交流到直流的轉(zhuǎn)換次數(shù)，減少電能的傳輸與分配；④更方便各種分布式電源和電動(dòng)汽車充電站的接入。

實(shí)際上，直流供電方式早在列車牽引系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶用電以及直流輸電中得到廣泛的應(yīng)用[5]，這些特殊領(lǐng)域的配電技術(shù)為直流配電的更進(jìn)一步研究提供了基礎(chǔ)。文獻(xiàn)中Nuutinen等人開發(fā)了直流配電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，用于故障檢測(cè)和保護(hù)研究[6]，國(guó)內(nèi)也在研究可適用于直流配電系統(tǒng)的智能功率變換技術(shù)，直流配電系統(tǒng)有望更早地實(shí)現(xiàn)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)直流配電網(wǎng)的研究尚處于探索階段，主要集中在直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交直流配網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)比較、經(jīng)濟(jì)性比較、控制策略等方面。對(duì)于直流配電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，相比交流系統(tǒng)，直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)、運(yùn)行模式、故障類型均有不同。直流配電系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)涉及方向主要包括直流配電網(wǎng)的接地方式、直流配電網(wǎng)的故障判斷與定位、關(guān)鍵設(shè)備的研制。文獻(xiàn)[7]主要分析了低壓直流配電系統(tǒng)的故障類型、保護(hù)原則等問題，其中接地方式的確立對(duì)保護(hù)有重大影響，直接關(guān)系到接地故障時(shí)故障電流的大小以及系統(tǒng)恢復(fù)平衡的時(shí)間，從而影響配電保護(hù)的方案配置。

本文將針對(duì)雙極運(yùn)行方式下，電壓源換流器(Voltage Source Converter, VSC)電容中點(diǎn)接地方式對(duì)直流配電系統(tǒng)的影響進(jìn)行詳細(xì)的分析，分析中所采用的電壓源型換流器均為三相兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]，直流線路電纜采用π型等值模型。內(nèi)容主要包括不同接地方式對(duì)系統(tǒng)幾種主要故障下暫態(tài)特性以及故障消除后電壓恢復(fù)時(shí)間的影響。如無特別說明，本文所提及的直流接地以及高阻接地均指換流器電容中點(diǎn)接地方式。

1 直流配電系統(tǒng)接地方式

LVDC系統(tǒng)的運(yùn)行方式可以分為單極大地回線運(yùn)行方式和雙極運(yùn)行方式[9]。單極大地回線運(yùn)行方式只有一根極導(dǎo)線，利用大地或海水作為返回線。雙極運(yùn)行方式采用兩根導(dǎo)線傳輸，一正一負(fù)，換流器分裂電容通過接地系統(tǒng)可靠接地。直流配電系統(tǒng)不管采用哪種運(yùn)行方式，都涉及到VSC直流側(cè)接地方式的問題。

下面主要介紹直流系統(tǒng)中兩種比較常見的接地方式，如圖1所示[10-12]。其中圖1(a)是TN-S方式，即換流器電容中點(diǎn)連接到大地，并通過一條單獨(dú)線路將大地(T)、中性點(diǎn)(N)和保護(hù)線(PE)連接；圖1(b)是IT方式，即換流器電容中點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻抗接地，設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均經(jīng)接地裝置接地。

其中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生小電阻接地故障時(shí)，TN-S接地方式中漏電流和電壓瞬變較大，但在直流配電系統(tǒng)中，由于大量電力電子器件尤其是電壓源換流器，對(duì)過電流極其敏感，很容易對(duì)換流器造成危害，因此這種接地方式優(yōu)勢(shì)并不明顯。而系統(tǒng)采用IT 接地方式時(shí)，發(fā)生接地故障時(shí)產(chǎn)生的漏電流和電壓瞬變較小，可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[13]。

圖1直流系統(tǒng)接地方式

2 換流器交流出口處故障分析

交流電網(wǎng)是直流配電系統(tǒng)的主要電源，通過AC/DC換流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給直流配電系統(tǒng)。為增加電壓和功率的控制性能，本研究中換流器采用定直流電壓控制，具有雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。換流器交流出口處故障主要指聯(lián)結(jié)變壓器二次側(cè)與換流器之間的連接母線故障[14]，此處主要針對(duì)聯(lián)結(jié)變壓器換流器側(cè)即換流器交流出口側(cè)進(jìn)行分析，具體故障包括換流器交流端口單相短路、兩相短路及其他不正常運(yùn)行方式，如圖2所示。

圖2換流器交流出口側(cè)故障類型

當(dāng)換流器交流出口處發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，其不對(duì)稱接地故障的基頻分量能夠分解成正序分量、負(fù)序分量及零序分量，對(duì)于LVDC系統(tǒng)同樣如此，可以認(rèn)為故障點(diǎn)加入了基頻正序、負(fù)序、零序電源[15-16]。故障電壓和電流中的零序分量會(huì)通過VSC電容接地支路形成通路。本節(jié)主要討論換流器交流出口處發(fā)生單相接地故障，此時(shí)系統(tǒng)等效電路如圖3，虛線接線為短路電流通路。

圖3 換流器交流出口處單相接地故障等效電路

當(dāng)直流電容中點(diǎn)采用直接接地方式時(shí)，會(huì)造成很大的故障電流，絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)需要承受很高的電流，IGBT的過流倍數(shù)僅為額定電流的2倍左右，這對(duì)IGBT危害很大。換流器交流出口處單向接地故障中的零序分量將直接作用于兩條直流端口，并在直流側(cè)形成共?；l分量，使正負(fù)極電容電壓不平衡。

本文使用PSCAD軟件進(jìn)行仿真，仿真模型如圖4所示。模型中使用交流35?kV為L(zhǎng)VDC供電。聯(lián)結(jié)變壓器變比35?kV/10?kV，正序漏抗0.1?p.u.。等效相電抗為=0.5?Ω，=0.004?8?H。換流器直流電容1=2=20?000?μF。直流電壓為±5?kV。此處設(shè)置交流電源出口處單相接地故障，故障接地電阻設(shè)置為0.01?Ω。故障開始時(shí)間為1?s，故障持續(xù)時(shí)間為0.1?s。本文仿真中所有故障均按永久性故障處理。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 LVDC系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)

Fig. 4 LVDC system simulation structure

由仿真結(jié)果可以看出，交流電源側(cè)單相接地故障時(shí)，直流電容在接地故障下通過IGBT直接對(duì)地放電，換流器電容電壓1、2出現(xiàn)明顯的共模振動(dòng)，故障電流流經(jīng)的IGBT電流激增至4倍左右。故障在1.1 s消除后，正負(fù)極電容電壓仍有不平衡現(xiàn)象存在，導(dǎo)致直流電壓無法快速恢復(fù)穩(wěn)定。

當(dāng)LVDC系統(tǒng)換流器電容中點(diǎn)高阻接地時(shí)，接地電阻設(shè)為400? Ω，系統(tǒng)故障特性仿真結(jié)果如圖6所示。

可以看出，當(dāng)換流器電容中點(diǎn)高阻接地時(shí)，共模波動(dòng)現(xiàn)象消失，工頻零序電壓絕大部分加在接地電阻兩端，換流器正負(fù)極電容電壓保持穩(wěn)定。IGBT經(jīng)過電流漲幅很小，過流比換流器直接接地方式小得多。故障消除后，系統(tǒng)快速恢復(fù)平衡。

3 直流線路故障分析

直流線路故障類型可分為正負(fù)極間短路故障、單極接地故障以及斷線故障，其中正負(fù)極間短路故障是LVDC系統(tǒng)中最為嚴(yán)重的直流側(cè)故障類型[17]。故障發(fā)生后，直流側(cè)并聯(lián)電容放電，直流線路出現(xiàn)很大的浪涌電流，直流電壓下降。對(duì)應(yīng)于不同的故障距離，其波形的變化率也隨距離的增加而減小，其故障特征與換流器電容中點(diǎn)接地方式無關(guān)。相對(duì)于極間短路故障，直流配電系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)單極線路接地故障發(fā)生的概率更大一些，本節(jié)只針對(duì)直流線路發(fā)生單極接地故障時(shí)故障特征進(jìn)行分析。

發(fā)生單極接地故障時(shí)，直流側(cè)電容將通過接地點(diǎn)以及接地極形成通路，產(chǎn)生很大的浪涌電流[18]。閉鎖后的換流器將在交流側(cè)電壓的作用下成為一個(gè)非受控整流器，交流側(cè)電流將流過二極管。正極或負(fù)極接地故障的差異僅僅是故障電流的方向以及導(dǎo)通的二極管不同[19]。當(dāng)直流線路發(fā)生單極金屬性接地故障時(shí)，系統(tǒng)放電通路及仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7直接接地方式下系統(tǒng)單極接地故障等效電路

圖8直接接地方式下單極接地故障直流電壓波形

可以看出，此時(shí)由于故障極電容電壓無法建立，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成由負(fù)極電容支撐的單極傳輸系統(tǒng)，由于總電壓低于系統(tǒng)設(shè)定電壓，在直流電壓控制器控制直流電壓保持不變的情況下，導(dǎo)致故障極電壓將逐漸振蕩到接近零，非故障極電容電壓會(huì)上升到2.0?p.u.左右。故障消除后，直流正負(fù)極對(duì)地電壓無法恢復(fù)正常。同時(shí)，在單極接地故障情況下，單極電容快速放電，導(dǎo)致直流電壓暫時(shí)降低，可能會(huì)引起交流側(cè)的暫時(shí)性過流，這也與連接交流系統(tǒng)的強(qiáng)弱、系統(tǒng)功率傳輸潮流設(shè)定以及控制器所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)性能有很大的關(guān)系。

當(dāng)換流器電容中點(diǎn)高阻接地時(shí)，單極接地故障會(huì)引起直流正負(fù)極對(duì)地電壓的跳變，但電容電壓本身并沒有變化[20-21]。如圖9所示。

圖9高阻接地方式下單極接地故障仿真波形

可以看出，換流器電容中點(diǎn)高阻接地時(shí)，只是存在正負(fù)極對(duì)地電壓的跳變，直流線路電壓以及電容電壓在故障暫態(tài)過程中基本保持不變，而且故障消除后，直流正負(fù)極對(duì)地電壓能夠快速恢復(fù)正常。

由上述分析可得，不管是換流器交流出口不對(duì)稱故障還是直流線路單極接地故障，VSC直流側(cè)并聯(lián)的濾波電容首先在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)故障點(diǎn)放電，造成線路電流迅速上升，而換流器電容中點(diǎn)高阻接地方式都能夠在一定程度上限制故障電流，這對(duì)于對(duì)過電流敏感的電壓源換流器是非常重要的。并且，換流器高阻接地方式也有利于系統(tǒng)故障消除后的快速恢復(fù)。

4 結(jié)論

直流配電系統(tǒng)的設(shè)備多由電力電子裝置變換而來，系統(tǒng)的故障參數(shù)將很大程度上決定這些裝置能否正常穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是電壓源換流器對(duì)過電流敏感，限制故障電流顯得尤為重要。對(duì)比研究結(jié)果，綜合考慮換流器電容中點(diǎn)接地方式選擇高阻接地對(duì)系統(tǒng)更加有利。

[1] 江道灼, 鄭歡. 直流配電網(wǎng)研究現(xiàn)狀與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2012, 36(8): 98-104.

JIANG Daozhuo, ZHENG Huan. Research status and developing prospect of DC distribution network[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(8): 98-104.

[2] 周逢權(quán), 黃偉. 直流配電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(22): 62-67.

ZHOU Fengquan, HUANG Wei. Study on the key technology of DC distribution power network[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(22): 62-67.

[3] SALONEN P, KAIPIA T, NUUTINEN P, et al. A LVDC distribution system concept[C] // Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics. Helsinki, Finland: IEEE,2008: 1-7.

[4] 雍靜, 徐欣, 曾禮強(qiáng), 等．低壓直流供電系統(tǒng)研究綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(7): 42-52.

YONG Jing, XU Xin, ZENG Liqiang, et al. A review of low voltage DC power distribution system[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(7): 42-52.

[5] 丁明, 田龍剛, 潘浩, 等. 交直流混合微點(diǎn)網(wǎng)運(yùn)行控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(9): 1-8.

DING Ming, TIAN Longgang, PAN Hao, et al. Research on control strategy of hybrid AC/DC microgrid[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(9): 1-8.

[6] NUUTINEN P, SALONEN P, PELTONIEMI P, et al. Implementing a laboratory development platform for an LVDC distribution system[C] // IEEE International Conference on Smart Grid Communications. Brussels, Belgium: IEEE, 2011: 84-89．

[7] SALONEN P, NUUTINEN P, PELTONIEMI P, et al. LVDC distribution system protection solutions, implementationand measurements[C] // 13th European Conference on Power Electronicsand Applications. Barcelona, Spain: IEEE, 2009: 1-10.

[8] 姚致清, 于飛, 趙倩, 等. 基于模塊化多電平換流器的大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013, 33(36): 27-29.

YAO Zhiqing, YU Fei, ZHAO Qian, et al. Simulation research on large-scale PV grid-connected systems based on MMC[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(36): 27-29.

[9] 蔣冠前, 李志勇, 楊慧霞, 等. 柔性直流輸電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究綜述[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(15): 145-153.

JIANG Guanqian, LI Zhiyong, YANG Huixia, et al. Research review on topological structure of flexible HVDC system[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(15): 145-153.

[10] European Commission. Low voltage directive (LVD) 2006/95/EC[S]. Brussels: European Commission Directive, 2006．

[11] 李露露, 雍靜, 曾禮強(qiáng), 等. 低壓直流雙極供電系統(tǒng)的接地型式研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(13): 2210-2218.

LI Lulu, YONG Jing, ZENG Liqiang, et al. Researches on grounding types of low-voltage DC bipolar distribution systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(13): 2210-2218.

[12] HIROSE K, TANAKA T, BABASAKI T, et al. Grounding concept considerations and recommendations for 400 V DC distribution system[C] // 33rd International Telecommunications Energy Conference. Amsterdam: IEEE, 2011: 1-8.

[13] 管敏淵, 徐政．兩電平 VSC-HVDC 系統(tǒng)直流側(cè)接地方式選擇[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(5): 55-60.

GUAN Minyuan, XU Zheng. DC side grounding methodology for a two-level VSC-HVDC system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(5): 55-60.

[14] 楊杰, 鄭健超, 湯廣福, 等．電壓源換相 HVDC 站內(nèi)交流母線故障特性及保護(hù)配合[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2010, 30(16): 6-11．

YANG Jie, ZHENG Jianchao, TANG Guangfu, et al. Internal AC bus fault characteristics of VSC-HVDC system and protection coordination[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(16): 6-11.

[15] KAKIGANO H, MIURA Y, ISE T. Low voltage bipolar type DC microgrid for super high quality distribution[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(12): 3066-3075．

[16] 吳慶范, 黃金海, 張愛玲, 等. 溪洛渡-浙江±800 kV 特高壓直流輸電工程直流保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施策略及其仿真試驗(yàn)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(1): 115-121.

WU Qingfan, HUANG Jinhai, ZHANG Ailing, et al. DC protection system implementation strategy and simulation test study of ±800 kV UHVDC power transmission project from Xiluodu to Zhejiang[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(1): 115-121.

[17] JIN Y, FLETCHER J E, O'REILLY J. Short-circuit and ground fault analyses and location in VSC-based DC network cables[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(10): 3827-3837.

[18] 趙軍, 曹森, 劉濤, 等. 貴廣直流輸電工程直流線路故障重啟策略研究及優(yōu)化[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(23): 126-131.

ZHAO Jun, CAO Sen, LIU Tao, et al. Research and optimization on DC line fault recovery strategy used in Gui-Guang HVDC Project[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(23): 126-131.

[19] LAZAROIU C, BULAC C, POPESCU M. Control and protection of a multiterminal low voltage DC system based on VSC[J]. UPB Sci Bull Series C, 2012, 74(1): 173-180.

[20] SALOMONSSON D, SODER L, SANNINO A. Protection of low-voltage DC microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(3): 1045-1053.

[21] BYEON G, LEE H, YOON T, et al. A research on the characteristics of fault current of DC distribution system and AC distribution system[C] // 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia. Jeju, Korea: IEEE, 2011: 543-550.

(編輯 魏小麗)

Influence of voltage source converter grounding mode on DC distribution system

LU Guozheng, GAO Liang, LIANG Zhimin

(College of Electric Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

For the low voltage direct current (LVDC) distribution system, the advantages and disadvantages of the different grounding modes of the voltage source converter are analyzed and compared. In the converter capacitor directly grounding and high resistance grounding mode, the converter AC outlet of asymmetric fault characteristics and DC line pole grounding fault characteristics are analyzed, and the LVDC electromagnetic transient model is established and studied by simulation. Comparison of the system transient performance under different operating conditions shows that voltage source converter capacitor high resistance grounding mode is better than the direct grounding way. High resistance grounding to limit fault current is more favorable, and it is also beneficial to the rapid recovery after the DC power distribution system is eliminated, which lays the foundation for the protection scheme of DC power distribution system in the future.

This work is supported by Shanghai Engineering Research Center of Green Energy Grid Connected Technology (No. 13DZ2251900).

voltage source converter; DC distribution system; fault characteristics; grounding; converter AC outlet; DC bus; zero-sequence path

10.7667/PSPC151252

2015-07-20；

2015-08-21

魯國(guó)正(1991-)，男，通信作者，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、直流配電系統(tǒng)；E-mail: 471042184@qq.com

高 亮(1960-)，男，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及數(shù)字化變電站；

梁智敏(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、分布式發(fā)電。

上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心(13DZ2251900)