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(dòng)汽車、家用電器、智能樓宇以及數(shù)據(jù)通訊等城市直流負(fù)荷占比的逐步升高，電力儲(chǔ)能的逐步推廣以及重要敏感負(fù)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(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性配電網(wǎng)可更好地接納分布式電源和直流負(fù)荷，可緩解城市電網(wǎng)站點(diǎn)走廊有限與負(fù)荷密度高的矛盾，不僅可以提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)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(shí)其運(yùn)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(jì)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(shí)面的挑戰(zhàn)，保護(hù)技術(shù)作為配電網(wǎng)絡(luò)的其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，對于其發(fā)展具有不小的阻礙。文獻(xiàn)[5-6]分析了多端柔直配電網(wǎng)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對保護(hù)策略的影響。文獻(xiàn)[7-8]分析了柔性直流配電網(wǎng)的不同保護(hù)分區(qū)和各分區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)的多種故障。文獻(xiàn)[9]分析了MMC換流器可能出現(xiàn)的內(nèi)部故障和保護(hù)策略。文獻(xiàn)[10-11]分析了柔直配電網(wǎng)交流側(cè)故障對直流側(cè)保護(hù)的影響。文獻(xiàn)[12]研究了柔直配電網(wǎng)對交流線路電流相位差動(dòng)保護(hù)的影響。文獻(xiàn)[13]研究了柔直配電網(wǎng)不同分區(qū)的保護(hù)配合和定值整定。文獻(xiàn)[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(hù)控制技術(shù)的影響。現(xiàn)有的保護(hù)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(hù)尚有欠缺。

本文分析了MMC的拓?fù)浣Y(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(yàn)證，同時(shí)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(jí)線路影響，提出適用于柔性直流配電網(wǎng)直流線路的保護(hù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(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(fù)載。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)拓?fù)?/p>

2.2 MMC換流器模型

2.2.1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC的基本功能是實(shí)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?fù)淙鐖D1所示。該拓?fù)浒喙擦鶄€(gè)橋臂，單個(gè)橋臂由N個(gè)相同的子模塊和一個(gè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)MMC在工作狀態(tài)時(shí)，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(dòng)階段等非正常狀態(tài)下，D1、D2兩管均關(guān)斷，子模塊閉鎖。

圖3 SM結(jié)構(gòu)

2.2.2 MMC控制方法

MMC控制中，在dq坐標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(dá)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(diǎn)分析中壓直流側(cè)故障，其范圍包括MMC出線到DAB進(jìn)線，以及光伏電源的進(jìn)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(jìn)行故障特性分析。

3.1 單極接地故障

單極接地故障正負(fù)極母線分析情況類似，本節(jié)選取正極母線接地故障進(jìn)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(gè)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(diǎn)接地電阻。

運(yùn)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(yùn)行情況下，P、N正負(fù)極母線相對于0點(diǎn)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)?/p>

UPO=uap+ua=0

(11)

結(jié)合式(12)和式(13)可得負(fù)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(yán)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(jí)級(jí)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(huì)通過故障點(diǎn)放電，隔離級(jí)一次側(cè)電容也會(huì)通過故障點(diǎn)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(shí)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(gè)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(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(shí)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(diǎn)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(fù)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(jìn)線和光伏電源進(jìn)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(diǎn)為電流互感器之間的直流線路，對應(yīng)故障點(diǎn)F1。

圖8 中壓直流側(cè)保護(hù)范圍及故障點(diǎn)示意圖

設(shè)置在0.12s時(shí)，故障點(diǎn)F1處發(fā)生正極接地故障，故障時(shí)中壓直流側(cè)電流如圖9所示。

圖9 正極接地故障時(shí)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(diǎn)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(shí)間的波動(dòng)之后趨于正常。正極接地故障時(shí)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(shí)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(fù)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(shí)的1降至0附近，故可采用直流縱差保護(hù)以及不平衡電壓保護(hù)。

4.2 雙極故障

設(shè)置在0.12s時(shí)，故障點(diǎn)F1處發(fā)生雙極短路故障，故障時(shí)中壓直流側(cè)電流如圖11所示。

圖11 雙極短路故障時(shí)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(diǎn)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(shí)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(fù)極電壓跌落至0，正負(fù)極縱差電流故障瞬間增大至32kA，一段時(shí)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(hù)。

圖12 雙極短路故障時(shí)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(hù)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(hù)為縱差保護(hù)，后備保護(hù)為低電壓保護(hù)和不平衡電壓保護(hù)?？v差保護(hù)采樣電流取自電流互感器i1、i2、i3和i4、i5、i6，有效識(shí)別發(fā)生在故障點(diǎn)F1的故障，縱差電流計(jì)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(fù)極縱差電流。

保護(hù)啟動(dòng)定值可由下式計(jì)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(fù)荷倍數(shù)。綜合考慮，縱差電流啟動(dòng)定值取為0.2倍的額定電流。

當(dāng)直流線路發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成直流電壓無法維持，當(dāng)直流電壓持續(xù)一段時(shí)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(hù)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(hù)判據(jù)如下

ud

(23)

低電壓保護(hù)能夠有效保護(hù)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(hù)采用和低電壓保護(hù)相同的電壓采樣值，正負(fù)極接地故障的保護(hù)判據(jù)分別如下

(24)

(25)

其中Vp為線路正極電壓，Vn為線路負(fù)極電壓；Cset為不平衡電壓保護(hù)比值系數(shù)為，其為一個(gè)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(hù)誤動(dòng)可能性很低，比低電壓保護(hù)動(dòng)作要迅速。

6 總結(jié)

在當(dāng)前面向柔性直流配電網(wǎng)研究基礎(chǔ)上，本文針對基于MMC的柔直配電網(wǎng)的直流側(cè)線路，進(jìn)行了故障仿真和保護(hù)配置。首先研究了MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制模型；然后基于此搭建了柔性直流配電網(wǎng)仿真模型；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，然后通過故障仿真加以驗(yàn)證，并得出了故障時(shí)的電流電壓以及縱差電流和不平衡電壓比值波形；最后，根據(jù)仿真結(jié)果和理論分析配置了柔性直流配電網(wǎng)的直流側(cè)保護(hù)，對于柔性直流配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。