關(guān)于交直流混合配電網(wǎng)繼電保護(hù)的研究

趙雷

（大慶石化公司熱電廠，黑龍江 大慶 163000）

1 前言

與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有供電質(zhì)量好、線損小、供電安全性高等優(yōu)點(diǎn)，然而，由于能源危機(jī)和環(huán)境污染，世界各國(guó)都在大力發(fā)展以風(fēng)能和太陽(yáng)能為基礎(chǔ)的清潔能源，積極推廣電力灑水車(chē)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，直流配電網(wǎng)越來(lái)越受益于分布式發(fā)電和兼容直流電、變頻器以及其他節(jié)能電器。分布式發(fā)電和直流負(fù)荷必須通過(guò)交流配電網(wǎng)的復(fù)雜切換連接起來(lái)。

然而，交流配電技術(shù)在以往的電網(wǎng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)成熟，市場(chǎng)廣闊且不可能，已經(jīng)完全被連續(xù)式配電網(wǎng)所取代，成為一種新型的配電方式，混合式交流配電方式，直流配電能充分發(fā)揮直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，保持現(xiàn)有交流配電方式的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，目前直流配電網(wǎng)的推廣僅限于新型直流開(kāi)關(guān)、直流變換器、最優(yōu)電壓電瓶等，長(zhǎng)期未接入實(shí)際電網(wǎng)。

2 直流配電網(wǎng)保護(hù)

目前，直流配電網(wǎng)通過(guò)轉(zhuǎn)換器與交流配電網(wǎng)相連，公司配電網(wǎng)為負(fù)荷提供多層次、多形式的容量。所有類型的分布式發(fā)電都通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器或固定器連接到直流系統(tǒng)。

2.1 配電網(wǎng)拓?fù)?/h3>

直流配電網(wǎng)分為圓形結(jié)構(gòu)和無(wú)線電結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

輻射狀配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，防御配置相對(duì)簡(jiǎn)單，但供電安全性較差，配電網(wǎng)繼電保護(hù)技術(shù)研究直流電仍處于起步階段。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)直流配電網(wǎng)有一定的了解，主要集中在直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、套期保值方式和控制策略等方面。電網(wǎng)能量安全性較高，但故障檢測(cè)和保護(hù)相對(duì)困難，施工前和施工后都要綜合考慮各種因素。

2.2 誤差特性及保護(hù)原理

由于直流配電網(wǎng)接受分散發(fā)電的能力更強(qiáng)，未來(lái)將使分散發(fā)電到直流配電網(wǎng)，如果發(fā)生錯(cuò)誤，這些分布式發(fā)電機(jī)將向錯(cuò)誤點(diǎn)注入電力，從而增加破壞電流的峰值，并增加短路電流的速率。城市配電網(wǎng)中，由于功率半徑小，相鄰兩個(gè)直流開(kāi)關(guān)之間的短路間隔很小。當(dāng)前，配電網(wǎng)對(duì)繼電保護(hù)裝置的使用速度提出了更高的要求。與交流線路相比，直流線路上只有電阻，沒(méi)有響應(yīng)，所以直流線路比交流線路低得多。因此，傳統(tǒng)的三級(jí)保護(hù)在動(dòng)作持續(xù)時(shí)間與整定值協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，很難保證其選擇性，出現(xiàn)誤動(dòng)情況。

3 交直流混合配電

目前，交直流系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，交直流混合輸電系統(tǒng)之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致更復(fù)雜的電氣特性，甚至可能導(dǎo)致傳統(tǒng)交直流繼電器的故障或誤動(dòng)作標(biāo)志。DC/DC混合配電方式是未來(lái)配電方式的主流。

目前，交直流混合系統(tǒng)之間的相互作用可分為兩部分：暫態(tài)直流入侵和暫態(tài)交流流打擾。間歇性和直流混合輸電系統(tǒng)以及交直流混合配電系統(tǒng)都是基于性能電子學(xué)的發(fā)展，交直流相互作用的研究對(duì)交直流互聯(lián)的研究具有很高的參考價(jià)值。這兩部分研究在國(guó)內(nèi)外都取得了一定的進(jìn)展，直流混合配電網(wǎng)在國(guó)內(nèi)外幾乎沒(méi)有相互作用。

3.1 直流頁(yè)面誤差對(duì)交流頁(yè)面的影響

極間短路故障會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，必須切斷電源。交直流混合配電系統(tǒng)的直流誤差表現(xiàn)為壟斷著陸誤差、內(nèi)插短路誤差和換相誤差，如圖2所示。單個(gè)接地對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不大。

圖2 直流側(cè)故障

對(duì)于目前廣泛應(yīng)用的三級(jí)保護(hù)在交流配電網(wǎng)中，如果直流換相失敗，交流頁(yè)面上會(huì)輸入大量的低電平諧波，導(dǎo)致電流互感器飽和和三次諧波的假效應(yīng)保護(hù)。交直流混合系統(tǒng)核心變流器的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是保證系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，交流方的保護(hù)價(jià)值需要改變，確保相互合作正確。

3.2 交流頁(yè)面誤差對(duì)直流頁(yè)面的影響

由于交直流相互作用造成的保護(hù)配置效果欠佳，當(dāng)保護(hù)案件發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)，技術(shù)人員進(jìn)行研究，完善保護(hù)邏輯，避免再次犯錯(cuò)。開(kāi)交直流輸電系統(tǒng)與交直流電壓等級(jí)有明顯差異，但交直流側(cè)保護(hù)對(duì)直流過(guò)渡的影響較小。直流保護(hù)的原理目前還沒(méi)有取得重大突破，干擾過(guò)渡過(guò)程復(fù)雜。目前，還沒(méi)有直流暫態(tài)的通解和解析方法。

4 變頻器保護(hù)

與在輸電網(wǎng)中的應(yīng)用相比，MMC變換器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用要求子模塊少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性高。MMC變換器的結(jié)構(gòu)和誤差特性分析是交直流混合配電網(wǎng)繼電保護(hù)分析的代表。目前，對(duì)MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、故障修復(fù)技術(shù)和防御技術(shù)的研究相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)外很多采用的是MMC的高壓直流輸電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使保護(hù)的速度和選擇性難以達(dá)到保護(hù)的原則，具有實(shí)時(shí)性監(jiān)控，使其能夠?qū)ο到y(tǒng)故障做出快速反應(yīng)，也適用于交直流混合配電。與傳統(tǒng)的兩電平或三電平變換器相比，不需要以標(biāo)準(zhǔn)方式連接高性能器件，模塊化多電平變換器（MMC）采用了級(jí)聯(lián)大模塊的結(jié)構(gòu)，有效地提高了性能質(zhì)量和差錯(cuò)管理能力。MMC典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3，換流站保護(hù)配置圖如圖4。

圖3 MMC典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 換流站保護(hù)配置

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，交直流混合配電網(wǎng)在吸收分布式發(fā)電、提高能源利用率方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。作為智能電網(wǎng)快速發(fā)展的一部分，交流/直流配電系統(tǒng)建立了有效的通信系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)各部分的信息。

由于交直流之間的相互作用，直流混合配電網(wǎng)的干預(yù)非常困難，并有效降低保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性。交直流混合配電網(wǎng)的保護(hù)是制約其發(fā)展的重要因素之一，國(guó)內(nèi)外這方面的研究還處于起步階段。在日益復(fù)雜、廣泛和協(xié)調(diào)的環(huán)境中，保護(hù)將在未來(lái)發(fā)揮非常重要的作用。