基于直流斷路器的多端柔性直流配電網(wǎng)智能化保護(hù)配置

徐玉韜，談竹奎，謝百明，黃輝，呂黔蘇，班國邦，袁旭峰

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽市 550002; 2. 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市100085)

0 引 言

直流配電網(wǎng)隨著柔性直流技術(shù)的發(fā)展、分布式新能源發(fā)電的開發(fā)利用和越來越多的城市直流負(fù)荷的接入，成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)并具有良好的發(fā)展前景[1-3]。直流配電網(wǎng)具有線路損耗小、供電質(zhì)量高、輸送容量大等特點(diǎn)，而且不會(huì)出現(xiàn)電磁環(huán)網(wǎng)現(xiàn)象，因此為基于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多端直流配電網(wǎng)的出現(xiàn)提供了可能。

文獻(xiàn)[3-5]對(duì)柔性直流配電網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)做了概括的研究介紹。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)目前的柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)及動(dòng)作策略做了綜合性介紹。文獻(xiàn)[8]研究了不同控制方式對(duì)柔性直流配電系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。文獻(xiàn)[9-10]主要提供了兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流配電網(wǎng)故障分析及限流方法的研究思路，并給出了基本保護(hù)分區(qū)及配置方法。文獻(xiàn)[11-12]在柔性高壓直流輸電的層面介紹了系統(tǒng)接地方式對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行及直流側(cè)故障特性的影響。文獻(xiàn)[13-14]在柔性直流配電網(wǎng)的拓?fù)湎路治隽瞬煌慕拥胤绞綄?duì)系統(tǒng)控制保護(hù)的影響，提出了更適用于直流配電網(wǎng)的換流變壓器閥側(cè)經(jīng)高電阻接地的方式。

可見，已經(jīng)有學(xué)者對(duì)柔性直流配電網(wǎng)進(jìn)行了探索性研究，提出了或改進(jìn)了故障情況下控制保護(hù)系統(tǒng)的響應(yīng)策略或解決思路。但是，對(duì)于環(huán)形拓?fù)涞亩喽巳嵝灾绷髋潆娋W(wǎng)的研究仍然較少。交流配電網(wǎng)中不存在環(huán)網(wǎng)運(yùn)行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可循。直流配電網(wǎng)也不同于直流輸電網(wǎng)，具有潮流方式多變、分布式電源大量接入及負(fù)荷類型多樣等特點(diǎn)。因此，需要對(duì)多端環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流配電網(wǎng)運(yùn)行特征進(jìn)行分析研究。

本文主要針對(duì)多端環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下潮流反轉(zhuǎn)快、運(yùn)行方式多變以及換流設(shè)備種類多樣的特點(diǎn)，以三端環(huán)形柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，提供一種基于直流斷路器的多端柔性直流配電網(wǎng)智能化保護(hù)配置方案。從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、換流設(shè)備種類及運(yùn)行方式等方面分析系統(tǒng)故障的典型特征，制定完整的直流配電網(wǎng)保護(hù)原理、分層配置方案和直流線路故障選線方法。保護(hù)方案完全適應(yīng)于不同功率和不同運(yùn)行方式，具有動(dòng)態(tài)定值自我切換的智能化保護(hù)功能。隨后利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建三端柔性直流配電網(wǎng)模型，驗(yàn)證所提保護(hù)配置方案的可行性。

1 三端柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用環(huán)形結(jié)構(gòu)的三端柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。直流高壓側(cè)電壓等級(jí)為±10 kV，低壓側(cè)電壓等級(jí)為±400 V；3個(gè)換流端與交流電網(wǎng)采用模塊化多電平換流器(modular multi-level converter, MMC)連接。換流變壓器變比110 kV/10 kV、 Y/△聯(lián)接方式且閥側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地。

交流負(fù)荷通過AC/DC換流器、直流負(fù)荷通過DC/DC換流器與直流系統(tǒng)連接；直流微電網(wǎng)包括分布式風(fēng)電、光伏發(fā)電以及儲(chǔ)能單元，匯流后經(jīng)DC/DC換流器連接至直流配電網(wǎng)，各設(shè)備容量如圖1中所示。直流線路由直流電纜構(gòu)成，該輸電形式可以節(jié)約城市供電空間，減少直流線路發(fā)生故障的概率，且每段線路的正負(fù)極兩端均配備直流斷路器。

圖1 三端柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of three-terminal VSC-DC distribution network

2 故障特征分析

多端柔性直流配電網(wǎng)中有大量的電力電子設(shè)備，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成系統(tǒng)運(yùn)行方式多樣且潮流多變，導(dǎo)致故障特征受系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障類型和故障地點(diǎn)等因素的影響較多，與交流系統(tǒng)的故障特征有很大不同。

2.1 故障類型多樣

多端柔性直流配電網(wǎng)按設(shè)備的配置情況，可能發(fā)生的典型故障包括：

(1)換流器閥側(cè)交流故障；

(2)換流器內(nèi)部故障，包括橋臂短路、電抗器故障、冷卻系統(tǒng)故障等；

(3)直流側(cè)設(shè)備(如直流斷路器、直流聯(lián)絡(luò)開關(guān)、直流電抗器)閃絡(luò)或接地故障等；

(4)直流線路及直流母線的單極接地、極間短路故障，直流線路斷路故障等；

(5)直流配電網(wǎng)接入設(shè)備故障，例如交直流負(fù)載網(wǎng)、風(fēng)光儲(chǔ)設(shè)備的出口母線故障等。

柔性直流配電網(wǎng)常見的故障點(diǎn)涉及交流側(cè)(F1)、換流器側(cè)(F2)、直流線路以及母線側(cè)(F3/F4)等位置，如圖2所示。故障類型也涵蓋了交流接入側(cè)的單相及相間故障以及直流側(cè)的單極、雙極故障等。這就要求系統(tǒng)具有完整的保護(hù)策略，包括所有可能涉及的故障位置和類型。

圖2 柔性直流配電網(wǎng)典型故障分布圖Fig.2 Typical fault distribution of VSC-DC distribution network

2.2 MMC故障原理分析

2.2.1單極故障

直流線路、母線的單極接地故障與柔性直流配電網(wǎng)的接地方式設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。文獻(xiàn)[10，13-14]詳細(xì)介紹了各自接地方式下的優(yōu)缺點(diǎn)并認(rèn)為在換流變壓器閥側(cè)經(jīng)大電阻接地的方案更適合于直流配電網(wǎng)。

如圖3所示為直流線路單極故障時(shí)單端MMC故障通路示意圖。單相短路故障時(shí)，由于MMC子模塊電容較小且通路中阻抗很大，子模塊電容的放電浪涌電流很小，電容電壓可以基本維持穩(wěn)定。

圖3 單端MMC直流單極故障通路示意圖Fig.3 Diagram of single-pole fault path in single-terminal MMC-DC system

若忽略電容放電過程，則故障電流的穩(wěn)態(tài)值if可近似表示為

(1)

式中：UfDC是故障極橋臂等效電壓，可近似取UfDC=0.5Udc；R是交流系統(tǒng)等效電阻；XL是交流系統(tǒng)和換流器的等效電抗；Rs是換流變的接地電阻；Rf是故障過渡電阻，當(dāng)發(fā)生金屬性短路故障時(shí)，有Rf=0。

三端柔性直流配電網(wǎng)發(fā)生單極故障時(shí)，故障電流通路示意圖如圖4所示。

若忽略線路阻抗，由疊加原理可近似認(rèn)為故障電流為單端時(shí)的3倍，即：

(2)

圖4 三端MMC直流單極故障通路示意圖Fig.4 Diagram of single-pole fault path in three-terminal MMC-DC system

綜上分析，與傳統(tǒng)電壓源換流器(voltage source converter, VSC)不同，單極故障期間，MMC子模塊電容不會(huì)產(chǎn)生較大的放電浪涌電流，除中性參考點(diǎn)偏移外，直流正負(fù)極間電壓、直流線路穩(wěn)態(tài)電流基本保持不變[10,12]。MMC可正常輸送功率，且故障恢復(fù)后，其正負(fù)極對(duì)地電壓可很快恢復(fù)正常，如果絕緣滿足要求，直流配電網(wǎng)單極故障時(shí)可持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，保證功率的傳輸。

2.2.2MMC端極間故障機(jī)理

直流極間故障與系統(tǒng)的接地方式無關(guān)，本文以常見的半橋型MMC為例分析其極間故障機(jī)理。故障發(fā)生時(shí)，半橋拓?fù)渥幽K中的續(xù)流二極管會(huì)自然導(dǎo)通，即便換流閥閉鎖故障電流依然會(huì)存在。短路電流的故障通路如圖5所示，為換流閥閉鎖后由交流系統(tǒng)提供的故障饋入電流。

圖5 MMC極間故障電流通路示意圖Fig.5 Diagram of pole-to-pole fault in single-terminal MMC-DC system

極間故障特征相當(dāng)于交流系統(tǒng)的三相短路[15-16]，交流側(cè)的穩(wěn)態(tài)故障相電流可表示為

(3)

式中：Um是交流單相電壓的峰值；L是交流系統(tǒng)等效電抗、換流變壓器等效電抗與橋臂電抗的和；φ是交流系統(tǒng)的相角；φ0是故障時(shí)刻的交流系統(tǒng)相角。從上式可以看出，通過增大系統(tǒng)阻抗、換流變壓器的等效阻抗或橋臂電抗器電感值均可以限制短路電流的幅值。

綜上所述，直流線路極間故障電流在閉鎖后仍有相當(dāng)于三相短路的故障電流存在，故障電流可能達(dá)到額定電流值的數(shù)倍甚至十幾倍[9]。由于直流配電網(wǎng)的阻尼較小[10]，特別是對(duì)于環(huán)形拓?fù)涞亩喽酥绷髋潆娋W(wǎng)而言，故障電流的傳播通路復(fù)雜，會(huì)嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行及設(shè)備安全。

2.3 多端柔性直流配電網(wǎng)典型運(yùn)行特征

2.3.1運(yùn)行方式多樣及潮流多變

在環(huán)形拓?fù)涞亩喽巳嵝灾绷髋潆娋W(wǎng)中，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜性，存在T接線路或負(fù)載，也可能存在多個(gè)直流電壓等級(jí)以及雙向流動(dòng)的直流變壓器并涉及交直流負(fù)荷、分布式電源和儲(chǔ)能等設(shè)備，因此具有多端直流配電網(wǎng)潮流多變、運(yùn)行方式多樣的特點(diǎn)。

2.3.2換流設(shè)備過流能力差

柔性直流配電網(wǎng)中含有的各類電力電子器件價(jià)格昂貴且能承受過電壓和過電流的能力差，為保護(hù)相關(guān)設(shè)備的安全，對(duì)保護(hù)的可靠性和動(dòng)作速度提出了較高要求。同時(shí)，在配置直流配電網(wǎng)的保護(hù)方案時(shí)還需要考慮系統(tǒng)保護(hù)和換流器自身保護(hù)的配合。

2.3.3故障電流幅值大及傳播速度快

直流配電網(wǎng)中的阻尼小，其故障電流幅值較大且傳播速度很快，可能引起非故障側(cè)的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，導(dǎo)致故障影響范圍擴(kuò)大。電力電子負(fù)荷以及分布式電源的存在也可能使故障電流波形畸變嚴(yán)重，同時(shí)導(dǎo)致故障時(shí)系統(tǒng)阻抗降低、故障電流激增，擴(kuò)大故障影響范圍。

2.3.4故障隔離及恢復(fù)難度大

換流器或直流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，換流器內(nèi)部電容以及直流電纜的分布電容都會(huì)向故障點(diǎn)放電，交流電源、電動(dòng)機(jī)等單元還會(huì)通過換流器內(nèi)續(xù)流二極管持續(xù)向故障點(diǎn)提供短路電流。隨著故障的蔓延，不僅會(huì)導(dǎo)致故障點(diǎn)出現(xiàn)暫態(tài)過電流，而且對(duì)非故障區(qū)域造成影響。這就需要控制保護(hù)系統(tǒng)與直流斷路器協(xié)調(diào)配合，保證故障隔離后系統(tǒng)可靠供電。

由上述分析發(fā)現(xiàn)，柔性直流配電網(wǎng)的保護(hù)相比于交流配電網(wǎng)和直流輸電網(wǎng)而言，在保護(hù)識(shí)別、動(dòng)作速度、故障隔離恢復(fù)等方面具有更高要求。

3 智能化保護(hù)配置策略

3.1 保護(hù)分層配置策略

為滿足多端柔性直流配電網(wǎng)整體保護(hù)的需求，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能無死區(qū)，首先按照設(shè)備所處的電氣間隔以及分區(qū)可復(fù)制性的原則，并參照可能發(fā)生的故障類型確定系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)分區(qū)為：交流系統(tǒng)保護(hù)區(qū)、電壓源換流器保護(hù)區(qū)、直流線路保護(hù)區(qū)以及交直流負(fù)荷與微電網(wǎng)等的接入換流器保護(hù)區(qū)等幾個(gè)部分。

隨后針對(duì)每個(gè)區(qū)域的故障特性配置不同層次的保護(hù)方案。所配置的保護(hù)功能既相互獨(dú)立，不同保護(hù)間又相互配合以滿足柔性直流配電網(wǎng)的基本應(yīng)用需要。表1所示為多端柔性直流配電網(wǎng)所配置的基本保護(hù)原理。

表1 多端柔性直流配電網(wǎng)保護(hù)原理配置Table 1 Protection principle configuration of flexible DC distribution network

根據(jù)不同的故障類型，配置不同層次的保護(hù)方案：

(1)不同保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。根據(jù)故障的嚴(yán)重程度配置慢速保護(hù)和快速保護(hù)2層方案。慢速保護(hù)采用常規(guī)保護(hù)處理方法，故障判斷時(shí)間在ms級(jí)；快速保護(hù)采用基于FPGA的快速處理方法，在發(fā)生換流器內(nèi)部相間故障、直流側(cè)極間故障等情況下，能夠?qū)⒈Ｗo(hù)的判斷時(shí)間縮短到百μs級(jí)別，可大幅縮短保護(hù)判斷及故障隔離的時(shí)間。本保護(hù)方案配置的快速保護(hù)原理包括：橋臂過流快速段、閥直流過流快速段、直流低壓過流保護(hù)、直流線路母線差動(dòng)保護(hù)快速段、直流過流保護(hù)快速段。

(2)不同保護(hù)出口策略。按照故障對(duì)系統(tǒng)的影響嚴(yán)重程度劃分不同層次的保護(hù)出口策略，通常出口策略類型包括：報(bào)警、永久閉鎖換流器、短時(shí)閉鎖換流器、觸發(fā)換流器旁路晶閘管、跳交流進(jìn)線斷路器、跳直流斷路器、禁止換流器解鎖等。

保護(hù)分層配置的基本原則是保證在直流配電網(wǎng)中設(shè)備安全的條件下，盡可能縮小停電范圍、縮短停電時(shí)間，提高多端柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

3.2 動(dòng)態(tài)定值切換

動(dòng)態(tài)保護(hù)定值切換是指在不同的運(yùn)行方式或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，保護(hù)系統(tǒng)以每個(gè)獨(dú)立的換流端為單位，選取基于不同電流基準(zhǔn)的保護(hù)整定值并實(shí)現(xiàn)定值的自動(dòng)切換。具體策略為：環(huán)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，選取換流器的額定電流為保護(hù)計(jì)算的基準(zhǔn)值；解網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，選擇額定負(fù)載電流為保護(hù)計(jì)算的基準(zhǔn)值。該策略主要是考慮某一換流端在單端電源供電及多端電源供電情形下，供電直流線路數(shù)量不同而制定不同的保護(hù)定值。

其中，環(huán)網(wǎng)、解網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)通過換流端出口的左右兩側(cè)斷路器狀態(tài)進(jìn)行判斷：兩側(cè)斷路器均閉合判定為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行；一側(cè)斷路器開斷，另一側(cè)斷路器閉合判定為解網(wǎng)運(yùn)行。

以交流負(fù)載換流端為例，當(dāng)直流線路L1、L2兩側(cè)出口處的斷路器狀態(tài)為閉合時(shí)，判定該端為環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，保護(hù)電流基準(zhǔn)以MMC換流器的額定電流為計(jì)算值:I=10 MW/20 kV=500 A；當(dāng)兩側(cè)出口斷路器狀態(tài)為一個(gè)開斷一個(gè)閉合時(shí)，判定該端為解網(wǎng)運(yùn)行，保護(hù)電流基準(zhǔn)以MMC換流器的額定電流為計(jì)算值:I′=6 MW/20 kV=300 A。

該策略可以按照保護(hù)設(shè)計(jì)要求在不同運(yùn)行方式下，實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)切換，通過實(shí)時(shí)改變定值提高了保護(hù)動(dòng)作的靈敏度，特別適用于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多端柔性直流配電網(wǎng)。

3.3 故障隔離恢復(fù)

3.3.1換流器內(nèi)部故障

換流器內(nèi)部故障包括橋臂電抗器、橋臂子模塊等器件的單相或相間故障，如圖2中F2所示位置。故障發(fā)生后，要求保護(hù)快速閉鎖換流閥并跳開換流器兩邊交直流斷路器。直流斷路器的響應(yīng)特性在多端柔性直流配電網(wǎng)故障隔離及恢復(fù)過程中起到了至關(guān)重要的作用。

隨著電力電子器件的快速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了中低壓的直流斷路器試驗(yàn)樣機(jī)以及工程應(yīng)用，因此混合式直流斷路器有可能將成為直流配電網(wǎng)直流故障處理的主流方式。直流斷路器參數(shù)主要應(yīng)關(guān)注最大故障開斷電流以及故障開斷時(shí)間。開斷短路電流的能力上限與選取的電力電子器件類型、故障電流通流時(shí)間和串并聯(lián)個(gè)數(shù)相關(guān)；故障開斷時(shí)間主要由能量緩沖支路的響應(yīng)時(shí)間決定，中壓混合式直流斷路器為3～5 ms[17-18]。

直流斷路器動(dòng)作后故障端換流器被隔離，非故障端應(yīng)能繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)中不應(yīng)出現(xiàn)明顯的過電壓與過電流，滿足N-1原則。

3.3.2直流單極故障

直流側(cè)單極故障后只要不超過直流線路及換流器等設(shè)備的絕緣水平，則直流系統(tǒng)可帶故障持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間。當(dāng)直流側(cè)單極故障消除后，直流極間電壓應(yīng)快速恢復(fù)。對(duì)于本文介紹的小電流接地方式，由于換流變壓器閥側(cè)通過高電阻的鉗位作用，故障期間MMC換流器上下橋臂間電容電壓基本不變，當(dāng)故障消除后，正負(fù)極對(duì)地電壓可快速恢復(fù)正常?？梢?，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的接地形式設(shè)計(jì)，對(duì)直流線路的單極故障恢復(fù)十分有利。

針對(duì)該種接地方式，本文配置直流電壓不平衡保護(hù)為該故障類型下的主保護(hù)，配置直流線路差動(dòng)保護(hù)完成故障選線。

直流電壓不平衡保護(hù)的判據(jù)為

(4)

式中：Udp為直流線路正極對(duì)地電壓；Udn為直流線路負(fù)極對(duì)地電壓；Uset_B為直流電壓不平衡保護(hù)動(dòng)作的門檻值；UDCBase為系統(tǒng)額定單極電壓，本文為10 kV；k為保護(hù)動(dòng)作系數(shù)，本文為0.5。保護(hù)出口后只發(fā)報(bào)警信號(hào)不跳開直流斷路器，系統(tǒng)帶故障繼續(xù)運(yùn)行。

直流線路差動(dòng)保護(hù)是利用線路兩端故障差流判定線路區(qū)內(nèi)外故障的方法，其保護(hù)判據(jù)為

|Id-Id0|>max(Ic_set_L,kset_LIres_L)

(5)

式中：差動(dòng)電流門檻值Ic_set_L=0.03IDCBase，其中IDCBase為直流線路額定電流，為500 A；制動(dòng)電流Ires_L=max(Id,Id0)；制動(dòng)系數(shù)kset_L=0.03；Id、Id0表示直流線路兩端電流測(cè)量值。

當(dāng)線路差動(dòng)電流值大于整定值時(shí)，即認(rèn)為線路發(fā)生故障、差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

在多端直流配電網(wǎng)中，故障時(shí)的暫態(tài)電流主要是由直流線路分布電容、換流器集中電容放電產(chǎn)生的，放電時(shí)間短但幅值較大；故障穩(wěn)態(tài)電流受接地電阻、系統(tǒng)綜合阻抗及短路電阻的影響，差流持續(xù)時(shí)間長但幅值較小。

3.3.3直流極間故障

直流線路雙極短路是柔性直流配電網(wǎng)非常嚴(yán)重的故障，其故障電流上升速率快、幅值大，而且會(huì)快速蔓延至非故障線路；故障點(diǎn)處電壓快速降低，MMC端口處電壓波動(dòng)相對(duì)較小。由于半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MMC續(xù)流二極管的存在，即使換流閥閉鎖交流系統(tǒng)仍會(huì)向故障點(diǎn)提供短路電流，非故障線路也將因過電流而切除，導(dǎo)致故障影響范圍擴(kuò)大。

為盡快恢復(fù)系統(tǒng)供電，縮小故障影響范圍，保護(hù)配置的基本原則是：配置快速直流過電流保護(hù)作為該類故障的主保護(hù)，快速直流線路差動(dòng)保護(hù)為故障選線保護(hù)。主保護(hù)動(dòng)作后迅速閉鎖各端換流閥，并迅速跳開對(duì)應(yīng)保護(hù)區(qū)域內(nèi)的直流斷路器以隔離故障。同時(shí)應(yīng)保證交流斷路器不動(dòng)作，保持系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)以縮短供電恢復(fù)時(shí)間。線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后，上傳故障選線信息給站控系統(tǒng)，由其根據(jù)故障位置確定新的運(yùn)行方式后，重新啟動(dòng)直流配電網(wǎng)。

4 仿真驗(yàn)證

利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建如圖1所示的三端柔性直流配電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型，并測(cè)試換流器內(nèi)部、直流線路單極和極間故障特征及保護(hù)動(dòng)作情況。

4.1 換流器內(nèi)部故障

三端柔性直流配電網(wǎng)重負(fù)載時(shí)，設(shè)置VSC1內(nèi)部A相橋臂對(duì)地短路故障，故障時(shí)刻為1 s，故障持續(xù)時(shí)間為100 ms，仿真波形如圖6—8所示。

如圖6所示，故障后A相橋臂電流持續(xù)升高并在超過橋臂過流保護(hù)定值后，保護(hù)動(dòng)作閉鎖換流器并跳開兩側(cè)交直流斷路器，換流器VSC1被隔離后系統(tǒng)切換至兩端運(yùn)行。

圖6 VSC1橋臂故障時(shí)橋臂電流波形圖Fig.6 Arm currents when fault in VSC1 bridge arm in phase A

如圖7所示，故障隔離后VSC1兩端直流電壓下降，幅值由橋臂電容殘壓決定。VSC2、VSC3電壓小幅下降后恢復(fù)至正常水平。

圖7 VSC1橋臂故障時(shí)系統(tǒng)直流電壓波形圖Fig.7 DC voltages when fault in VSC1 bridge arm in phase A

如圖8所示，保護(hù)跳開交直流斷路器后VSC1出口直流電流降至0，原有負(fù)載電流由換流器VSC2與VSC3分擔(dān)導(dǎo)致直流電流上升但均未超過額定電流值，隨后系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖8 VSC1橋臂故障時(shí)系統(tǒng)直流電流波形圖Fig.8 DC currents when fault in VSC1 bridge arm in phase A

可見，所配置的智能化保護(hù)方案可實(shí)現(xiàn)換流器內(nèi)部故障的快速準(zhǔn)確隔離。故障區(qū)域被隔離后，系統(tǒng)約在300 ms內(nèi)重回穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式且無過壓過流現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 直流線路單極故障

在直流線路L1上設(shè)置永久性正極金屬性短路故障，故障仿真波形及保護(hù)動(dòng)作信息如圖9—10所示。

圖9 直流線路L1正極故障時(shí)系統(tǒng)直流電壓波形圖Fig.9 DC voltages when positive-pole-to-ground fault

由圖9可見，L1正極故障導(dǎo)致正極電壓跌落至0，負(fù)極對(duì)地電壓升高至極間電壓且極間電壓保持不變。直流電壓不平衡值遠(yuǎn)大于保護(hù)動(dòng)作門檻值 5 kV，保護(hù)延時(shí)0.1 s后動(dòng)作。由于該類故障危害較小，保護(hù)出口方式為報(bào)警且不動(dòng)作于斷路器。

由圖10可見，故障穩(wěn)態(tài)差動(dòng)電流大于保護(hù)動(dòng)作門檻值并延時(shí)0.3 s后動(dòng)作于跳開L1線路兩側(cè)直流斷路器。故障被隔離后從L1流入交流負(fù)載的電流降至0，由線路L2承擔(dān)全部流入交流負(fù)載的電流，整個(gè)過程三端直流配電網(wǎng)始終保持穩(wěn)定運(yùn)行。

由圖10仿真波形可見，三端直流配電網(wǎng)在發(fā)生單極故障時(shí)電流幅值較小，系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行一段時(shí)間。通過合理的智能化保護(hù)配置可實(shí)現(xiàn)不停電方式下的故障準(zhǔn)確定位，提高供電可靠性。

圖10 直流線路L1正極故障時(shí)系統(tǒng)直流電流波形圖Fig.10 DC currents when positive-pole-to-ground fault

4.3 直流極間故障及系統(tǒng)隔離恢復(fù)

在直流線路L1上設(shè)置極間短路故障，故障時(shí)刻為0.5 s，故障持續(xù)時(shí)間為100 ms，故障仿真波形及保護(hù)動(dòng)作信息如圖11—12所示。

圖11 直流線路L1極間故障電流波形圖Fig.11 Current of L1 during pole-to-pole fault

圖12 直流線路L1極間故障電流波形圖Fig.12 Current of L1 during pole-to-pole fault recovery

極間故障發(fā)生后L1兩端的直流電流由0.2 kA迅速升高至3 kA以上，差動(dòng)電流遠(yuǎn)大于1 kA保護(hù)動(dòng)作門檻值，差動(dòng)保護(hù)無延時(shí)動(dòng)作并在故障后約2 ms完全跳開L1線路兩側(cè)直流斷路器，如圖11所示。

直流線路L1差動(dòng)保護(hù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)定位并隔離故障，但直流系統(tǒng)及直流線路之間的阻尼小，直流非故障區(qū)域的直流過電流、低壓過電流等快速保護(hù)也能感應(yīng)到故障并在直流斷路器完全開斷前動(dòng)作于出口，導(dǎo)致直流配電網(wǎng)內(nèi)所有換流器閉鎖、直流斷路器跳開。

如圖12所示，故障發(fā)生后三端VSC閉鎖，系統(tǒng)直流電壓幅值降低至不控整流水平；直流斷路器動(dòng)作，三端VSC出口電流降至0。故障后經(jīng)過約0.25 s隔離及去游離時(shí)間后，三端換流器重新解鎖并建立直流電壓；0.1 s后非故障區(qū)域內(nèi)的直流斷路器重合并建立直流電流，系統(tǒng)根據(jù)故障后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解環(huán)運(yùn)行并切換保護(hù)定值。整個(gè)過程未發(fā)生過壓及過流現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

針對(duì)多端柔性直流配電網(wǎng)從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、換流器種類及運(yùn)行方式等角度，分析了交直流典型故障的發(fā)生機(jī)理并給出一種基于直流斷路器的智能化保護(hù)配置方案，有如下結(jié)論：

(1)依據(jù)不同故障類型、故障位置及危害程度等因素，劃分了保護(hù)區(qū)域并制定了基于不同保護(hù)原理和出口方式的保護(hù)配置方案。

(2)設(shè)置的環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、解環(huán)運(yùn)行2套保護(hù)定值，具有保護(hù)定值動(dòng)態(tài)自適應(yīng)切換功能，進(jìn)一步提高了保護(hù)的靈敏度。

(3)通過與直流斷路器及控制系統(tǒng)動(dòng)作邏輯的協(xié)同配合可實(shí)現(xiàn)：單端換流器故障時(shí)，可快速準(zhǔn)確進(jìn)行隔離且不影響其他換流端的正常運(yùn)行；直流單極故障時(shí)，全系統(tǒng)不停電可靠穿越；直流極間故障時(shí)，可快速準(zhǔn)確進(jìn)行故障選線及故障隔離恢復(fù)。