不同接地方式下無變壓器型SNOP 的交流故障特性分析

許 烽，陸 翌，裘 鵬，宣曉華，江道灼，黃曉明

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)的末端，直接面向電力用戶。當前，配電網(wǎng)存在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱、自動化水平低等問題；同時，光伏、風電等新型電源，以及電動汽車等新型負荷的接入，使得配電網(wǎng)內(nèi)電壓波動越限、饋線功率失衡等現(xiàn)象日趨嚴重[1-2]。而分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)開關(guān)等常規(guī)配電網(wǎng)調(diào)控手段無法有效解決上述問題。SNOP（智能軟開關(guān)）就是在上述背景下衍生出的安裝于傳統(tǒng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)處的電力電子裝置，它能夠準確控制其所連接饋線的有功功率與無功功率，從而有效應(yīng)對分布式電源和負荷帶來的隨機性和波動性[3-4]。

SNOP 的引入徹底改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”的供電模式，避免了開關(guān)變位造成的安全隱患，提高了配電網(wǎng)控制的實時性與快速性[5]。基于MMC（模塊化多電平換流器）的背靠背型兩端/多端柔性直流配電系統(tǒng)是SNOP 其中一種實現(xiàn)形式。MMC 通常采用聯(lián)結(jié)變壓器與交流系統(tǒng)相連以隔離交直流系統(tǒng)故障，提高運行可靠性。去變壓器的設(shè)計方案能夠降低SNOP 的占地面積和投資成本，尤其適用于緊湊化要求高、負荷較為密集的城市區(qū)域，目前已逐漸開始被一些學者關(guān)注[6-9]。

SNOP 在無變壓器的情況下，其接地運行方式直接由所在配電網(wǎng)的接地方式?jīng)Q定。SNOP 所連配電網(wǎng)不同的接地組合方式將直接導致交直流系統(tǒng)不同的過電壓和過電流特性，有必要進行研究梳理。本文以兩端型SNOP 為例，通過SNOP所連兩端配電網(wǎng)系統(tǒng)不同接地方式的組合仿真研究，歸納總結(jié)其內(nèi)在機理，為相關(guān)工程和研究人員提供技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)接線方案

1.1 接線形式

SNOP 通常連接于饋線末端，具有多種系統(tǒng)接線形式：通過2 個換流器連接同一個供區(qū)內(nèi)的2 條饋線；通過2 個換流器連接2 個供區(qū)的2 條饋線（如圖1 所示）；通過多個換流器連接多個供區(qū)的多條饋線，接線方式靈活。

圖1 SNOP 系統(tǒng)接線形式

SNOP 接入后形成的混合供電方式結(jié)合了放射狀和環(huán)網(wǎng)狀供電方式的特點，給配電網(wǎng)運行帶來以下好處：平衡2 條饋線上的負載，改善系統(tǒng)整體的潮流分布；進行電壓無功控制，改善饋線電壓水平；降低損耗，提高經(jīng)濟性；提高配電網(wǎng)對分布式電源的消納能力；故障情況下保障負荷的不間斷供電[3]。

由于聯(lián)絡(luò)開關(guān)的動作涉及開關(guān)使用壽命、合環(huán)電流沖擊等因素，在實際運行中很難做到實時調(diào)節(jié)。而SNOP 的功率控制更加安全、可靠，可以做到實時控制與優(yōu)化，并且在故障發(fā)生時不會造成短時停電，保障了負荷的不間斷供電，提高了供電可靠性。

1.2 配電網(wǎng)接地方式

接地方式是一個看似簡單而實際上非常復(fù)雜且至關(guān)重要的問題，直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行。根據(jù)單相接地故障電流大小，可以分為需要斷路器遮斷單相接地故障的大電流接地方式和單相接地電弧能夠瞬間自行熄滅的小電流接地方式[10]。其中，大電流接地方式有經(jīng)小電阻接地和直接接地；小電流接地方式有經(jīng)消弧線圈接地、不接地和經(jīng)大電阻接地。大電流接地方式下單相接地故障時，故障電流大，供電可靠性差，但過電壓水平低。 小電流接地方式下單相接地故障時，故障電流小，線路電壓平穩(wěn)，供電可靠性高，但過電壓水平高且持續(xù)運行時間長，易損壞系統(tǒng)絕緣[11-12]。

結(jié)合我國實際情況及各地運行經(jīng)驗，目前城市配電網(wǎng)采用最多的2 種接地方式分別為中性點經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地[13]。經(jīng)消弧線圈接地能夠有效減少接地電流，迅速熄滅故障電弧，提高供電可靠性，但對設(shè)備絕緣要求較高。經(jīng)小電阻接地能夠限制故障的發(fā)展，降低對電力設(shè)備絕緣的危害，但可靠性相對較低。經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地2 種方式各有適用的應(yīng)用場景，應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)具體條件，通過技術(shù)經(jīng)濟比較確定。國內(nèi)有不少城市2 種接地方式都在使用，針對不同的供電區(qū)域采用不同的接地方式，如在城市中心區(qū)域，電纜線路較為集中，系統(tǒng)電容電流較大，采用經(jīng)小電阻接地方式；而在城市郊區(qū)，多以架空線路為主，則采用經(jīng)消弧線圈接地方式[10]。

2 仿真建模

圖2 給出了含有兩端背靠背型SNOP 的配電網(wǎng)仿真示意。2 個10 kV 供區(qū)內(nèi)每條饋線以及與SNOP 相連饋線上的負荷采用PSCAD/EMTDC 內(nèi)的Fixed Load 靜態(tài)負荷模型依據(jù)不同負荷的特性進行等效建模。SNOP 由2 個半橋MMC 構(gòu)成，每個MMC 橋臂含有24 個（2 個冗余）HBSM（半橋子模塊），HBSM 額定電壓為0.91 kV，SNOP 額定直流電壓為±10 kV，額定容量為10 MW。分別向供區(qū)1 和供區(qū)2 供電的110 kV 電網(wǎng)系統(tǒng)均采用短路比SCR=5 的等效系統(tǒng)，且電壓相角差為0。

中性點經(jīng)小電阻接地發(fā)生接地故障時，故障電流一般在100～1 000 A，城市配電網(wǎng)中電阻選用范圍一般為5.5～16 Ω[14]，本文選擇10 Ω 作為中性點接地小電阻。當接地電容電流在10 A 以上，中性點可以采用經(jīng)消弧線圈接地解決，本文選擇0.78H 作為中性點接地電感[10]。110 kV 及以上電壓等級的電網(wǎng)一般采用直接接地方式，由MMC 構(gòu)成的直流系統(tǒng)可作為分區(qū)互聯(lián)裝置，實現(xiàn)城市分區(qū)間的互聯(lián)、互供，解決城市電磁環(huán)網(wǎng)問題。為擴大研究范圍，本文將直接接地方式也作為研究對象之一。

與供區(qū)1 所連的MMC 采用定有功功率和定無功功率控制策略，與供區(qū)2 相連的MMC 采用定直流電壓和定無功功率控制策略。2 個MMC 均采用具有正、負序解耦控制的內(nèi)外環(huán)控制策略[15]，以抵御電網(wǎng)故障下功率器件電流超限。

3 仿真統(tǒng)計

圖2 仿真模型示意

表1 不同接地組合方式下單相接地故障仿真統(tǒng)計結(jié)果

選擇經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地和直接接地中的一種進行供區(qū)1 和供區(qū)2 的接地方式組合，以圖2 所示的F1 處A 相金屬性接地故障為例進行仿真分析，可以得到表1 所示的仿真統(tǒng)計結(jié)果。其中，交流最大電壓和交流最大電流指的是MMC 交流出口處的電壓幅值和電流幅值，零序電壓和零序電流為上述電氣量的零序分量，直流電壓波動指的是正負極直流電壓在基準電壓±10 kV 上的波動幅值。圖3 為供區(qū)1 和供區(qū)2 均采用經(jīng)消弧線圈接地方式的系統(tǒng)故障響應(yīng)特性，圖4 為供區(qū)1 采用消弧線圈接地、供區(qū)2 采用直接接地方式的系統(tǒng)故障響應(yīng)特性。其中，圖3（a）—3（d）及圖3（f）—3（i）分別為與供區(qū)1 和供區(qū)2 相連的MMC 交流出口處的電流瞬時值、零序電流瞬時值、電壓瞬時值和零序電壓瞬時值，圖3（e）為正負極直流電壓，圖3（j）為供區(qū)2 的中性點電流。圖4 各分圖依次類推。

圖3 供區(qū)1、供區(qū)2 經(jīng)消弧線圈接地的故障特性

圖4 供區(qū)1 經(jīng)消弧線圈接地、供區(qū)2 直接接地的故障特性

根據(jù)仿真統(tǒng)計結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）故障情況下，供區(qū)1 和供區(qū)2 的MMC 交流出口處的零序電壓和零序電流基本相同。

（2）供區(qū)1 和供區(qū)2 在經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地4 種組合方式下，零序電壓基本相同，直流電壓波動幅值也基本相同，零序電流由非故障側(cè)的接地方式?jīng)Q定。

（3）供區(qū)1 和供區(qū)2 只要有一側(cè)采用直接接地方式，零序電壓分量和直流電壓波動幅度有明顯降低，零序電流大小由非故障側(cè)的接地方式?jīng)Q定。

（4）故障情況下，直流電壓波動幅值與零序電壓幅值基本相同。

（5）無論何種接地方式，供區(qū)2 中性點電流幅值基本為零序電流的3 倍。

4 單相接地故障特性分析

圖5 給出了MMC 的等效電路。橋臂電感記為2L，橋臂等值電阻記為2R。交流系統(tǒng)三相電壓分別用ua，ub和uc表示，交流系統(tǒng)三相電流分別用ia，ib和ic表示。直流極間電壓和直流電流分別用Ud和Id表示，正極直流電壓和負極直流電壓分別用Udp和Udn表示，“o”點為直流側(cè)虛擬中性點。j 相（j=a，b，c）上橋臂和下橋臂電流分別用ijp和ijn表示，ujp和ujn分別是j 相上橋臂和下橋臂級聯(lián)子模塊組的輸出電壓，uo為直流中性點對地電壓。

對j 相上、下橋臂分別應(yīng)用基爾霍夫電壓定律，可得：

圖5 MMC 等效電路

將式（1）和式（2）相加，再在等式兩邊同除以2 可得一個新的等式：

其中，

利用對稱分量法對式（3）進行序分量分解，可以得到正序、負序和零序3 個獨立的子系統(tǒng)。

從式（5）和式（6）可以看出，正負序分量內(nèi)，已無uo項，表明uo與正負序系統(tǒng)無關(guān)，僅由零序系統(tǒng)決定。當前，正負序系統(tǒng)下的內(nèi)外環(huán)控制策略也已十分成熟[15]，控制所得的橋臂電壓輸出量經(jīng)式（4）可以得到和。由于控制環(huán)內(nèi)不具有零序控制分量，因此有e0=0。式（7）適用于供區(qū)1 和供區(qū)2 所在的MMC，因此有：

從式（8）可以看出，供區(qū)1 交流故障引發(fā)的零序分量會導致直流“o”點的電壓uo發(fā)生變化，根據(jù)式（1）和式（2）知，正、負極直流電壓Udp和Udn分別為0.5Ud+uo和uo-0.5Ud，因而不對稱故障導致正負極直流電壓的偏移波動，但極間電壓保持不變。從式（9）可以看出，供區(qū)2 的交流側(cè)將因“o”點電壓偏移導致出現(xiàn)零序電壓和零序電流，該零序電流必然通過供區(qū)2 的中性點形成電流回路。因此，由上述分析可知，供區(qū)1 發(fā)生單相接地故障后，零序電流存在通路①和通路②，見圖6。通路②由接地故障產(chǎn)生的零序電壓造成零序電流經(jīng)過故障接地點和中性點形成回路，類同于常規(guī)交流系統(tǒng)接地故障；通路①中非故障側(cè)交流系統(tǒng)將通過與故障點相連的換流器單元經(jīng)過故障接地點與非故障側(cè)中性點形成零序電流回路，此為采用無變壓器SNOP 裝置的特殊之處。上述公式推導和圖6 所示有效說明了上一節(jié)部分結(jié)論。

圖6 零序電流通路

假設(shè)供區(qū)2 內(nèi)MMC 至變電站的零序阻抗為Zl2，中性點接地電抗為Zg2（不同接地方式對應(yīng)不同的Zg2）；供區(qū)1 內(nèi)MMC 至故障點的零序阻抗為Zl11，故障點至變電站的零序阻抗為Zl12，中性點接地電抗為Zg1（不同接地方式對應(yīng)不同的根據(jù)系統(tǒng)回路特性，可得：

5 結(jié)語

（1）SNOP 在無變壓器的情況下，失去了天然隔離零序分量的能力，零序電壓和零序電流均可通過SNOP 實現(xiàn)無阻穿越，進而導致故障范圍擴大化。后續(xù)應(yīng)著重研究相應(yīng)改進策略。

（2）不同接地方式下，零序電壓和零序電流特性有明顯區(qū)別：經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地方式下，零序電壓、直流電壓波動量較大，而零序電流、故障電流較小，因而對SNOP 及配網(wǎng)系統(tǒng)的絕緣特性要求有所增加，但不需要考慮過流威脅。直接接地方式下，零序電壓、直流電壓波動量相對較小，而零序電流、故障電流量較大，SNOP 及配網(wǎng)系統(tǒng)的電流承受能力需要仔細校核。

（3）無論是何種接地方式，單相接地故障下，SNOP 所連供區(qū)的零序電壓基本相同，流過每個MMC 的零序電流也基本相同，且零序電流的大小由非故障側(cè)的接地方式?jīng)Q定。

（4）單相接地故障下，與SNOP 相連的所有饋線都存在零序電流等特征變化量，這與常規(guī)饋線故障存在較大差異，利用單相接地故障指示器進行故障定位的現(xiàn)有方法需要做相應(yīng)改進。