基于MMC的柔性直流配電網(wǎng)雙極短路故障測距

王喜靖 張慧芬 趙錫彬

【摘 要】柔性直流配電網(wǎng)的直流側配電線路發(fā)生雙極短路故障后，電流短時間內上升迅速，電壓急劇下降，在故障暫態(tài)數(shù)據(jù)較少的情況下，完成故障測距對直流配電網(wǎng)的保護和發(fā)展十分重要。本文提出一種利用等效電容暫態(tài)放電特征的雙極短路故障測距方法。直流側發(fā)生雙極短路故障時，將換流器等效成一個振蕩放電電容，提取發(fā)生故障時到換流器閉鎖前的暫態(tài)電壓、暫態(tài)電流數(shù)據(jù)，列寫含有故障位置參數(shù)的方程式，通過求解方程得出故障位置。PSCAD/EMTDC仿真驗證所提故障測距的可行性。

【關鍵詞】柔性直流配電網(wǎng);雙極短路故障;測距;等效電容;暫態(tài)放電過程

中圖分類號：TM726

0 引言

隨著清潔能源的不斷開發(fā)，電力電子技術的進步，柔性直流配電技術引起學者的重視。柔性直流配電網(wǎng)相較于傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)具有供電質量高，能量損耗小，控制簡單靈活等優(yōu)點，在分布式電源并網(wǎng)，構建直流微電網(wǎng)等方面的優(yōu)勢顯露無疑。然而，當直流配電網(wǎng)的直流線路發(fā)生雙極短路故障時，故障電流大，嚴重危害直流配電網(wǎng)及其設備的安全運行，因此，測距技術對直流配電網(wǎng)安全可靠運行和故障及時恢復具有重要意義。

交流配電系統(tǒng)故障測距技術十分成熟，而直流電網(wǎng)的線路故障測距方法多適用長距離的高壓直流輸電系統(tǒng)，在用電線路較短的直流配電網(wǎng)中使用輸電線路測距的方法時，容易受配電網(wǎng)自身網(wǎng)絡結構的影響，造成測距誤差較大，難以滿足故障測距精度要求。學者借鑒行波法在高壓直流輸電線測距的原理，應用于直流配電網(wǎng)線路故障測距，行波測距原理簡單，但行波波頭識別困難，對于行波波頭的識別算法要求高和數(shù)據(jù)采集的成本昂貴。聯(lián)電容的情況，對于直流側并聯(lián)電阻的直流配電網(wǎng)具有局限性。在直流線路附加測距電容的測距方法，需要附加額外的測距電容，使得測距成本較高。本文以MMC的故障暫態(tài)過程為基礎進行柔性直流配電網(wǎng)的雙極短路故障測距研究。在分析雙極短路故障暫態(tài)特征的基礎上，提出一種利用等效電容暫態(tài)放電特征的故障測距方法。根據(jù)子模塊電容通過故障點放電，造成直流電壓迅速下降，以換流器子模塊是否閉鎖為界限，將故障暫態(tài)過程分段，通過提取閉鎖前的暫態(tài)放電電壓、電流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)柔性直流配電網(wǎng)的雙端故障測距。最后在仿真軟件PSCAD/EMTDC下搭建基于MMC的柔性直流配電網(wǎng)仿真模型，驗證所提測距方法的可行性。

1雙極短路故障電流特性

典型模塊化多電平換流器拓撲結構，換由3個相單元組成，每個相單元中的上、下橋臂均由n個相同子模塊與橋臂電抗器串聯(lián)而成，其子模塊由上部絕緣柵雙極晶體管（IGBT）T1、上部二極管、下部IGBT、下部二極管及子模塊電容器組成。直流配電網(wǎng)正常運行時，換流器內部共投入n個子模塊，維持直流側輸出電壓的穩(wěn)定。

根據(jù)換流器子模塊內IGBT是否閉鎖，將整個故障過程分為2個階段。

1）子模塊IGBT閉鎖前：故障電流主要是子模塊內部電容器放電電流，還有一部分極小的交流側流入的短路電流，在進行分析計算的時候，認為故障電流主要是子模塊電容放電電流。以圖1典型柔性直流配電網(wǎng)網(wǎng)絡結構為基礎搭建的±10kV直流配電網(wǎng)為例進行仿真，雙極短路故障發(fā)生在5.0s，在此期間，極間電壓迅速下降，電壓波形如圖1所示。

2）子模塊IGBT閉鎖后：在IGBT閉鎖后橋臂電抗器的放電電流逐漸衰減為0，此時只有交流側電源提供的穩(wěn)態(tài)故障電流。

2 子模塊閉鎖前等效電容振蕩放電過程

在直流配電網(wǎng)發(fā)生雙極短路故障時，子模塊IGBT在1～2ms內閉鎖，抑制故障電流上升以保護子模塊的內部元器件和其它設備。

在發(fā)生短路故障后，換流器的直流電壓Uc（t）、電流I0（t）大小均不為0，換流器內部雜散電阻總和Rs通常遠小于2 ，因此換流器閉鎖前的放電過程是一個已知電壓、電流初始條件的振蕩放電過程，其中初始電壓為故障初始時刻的極間電壓Uc，初始電流為故障初始時刻的電流I0。等效電容電壓的計算公式為：

式中：δ為二階電路的衰減系數(shù);ω0為二階電路的固有角頻率;ω為振蕩放電電流的角頻率; 為由初始電流引起的放電電流的初相角。這些變量的大小由振蕩放電電路決定：

計算回路的電流公式為：

3.雙極短路故障測距原理

直流配電網(wǎng)線路長度比輸電網(wǎng)較短，一般在3-10km以內，線路的分布電容小到可以忽略;本文采用的是雙端故障測距方法，利用故障暫態(tài)信息，以直流網(wǎng)絡為研究對象，列寫包含故障位置參數(shù)的微分方程，進行故障測距。

根據(jù)子模塊等效電容放電計算用等效電路模型，進一步將雙極短路故障測距等效示意圖化簡為等效電容放電計算用的電路模型，如圖2所示。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，列寫電路的回路方程公式（7）、（8）：

表示等效電容6C0/n在故障時刻的極間電壓，i1（t），i2（t）表示等效電容6C0/n故障后放電電流;其大小可由下列公式（9）、（10）表示：

R1、R2、L1、L2是線路的電阻和電感，以LS表示線路全長，x表示故障點距離左側換流器采集裝置的距離，r、l表示直流配電線路單位長度電阻、電感的大小，Rf 表示故障的過渡電阻與Rs之和。其中R1、R2、L1、L2的表達式為：

聯(lián)立公式（7）～（14）便可得到故障距離x的表達式（15）：

本文利用兩側換流器的暫態(tài)電壓、暫態(tài)電流信息計算故障距離，聯(lián)立（7）、（8）方程可以消除過渡電阻，理論上故障測距不受過渡電阻的影響。

4 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC仿真軟件中設置故障點和故障時刻進行仿真驗證，將數(shù)據(jù)導入MATLAB進行計算。

仿真設置直流側極間電壓20kV，換流器閥電感值為4.3mH，子模塊電容為5000?，故障時刻為5.0s，持續(xù)時間長0.5s，換流器閉鎖時間為故障發(fā)生后的1.20ms。雙極短路故障仿真時，分別設置過渡電阻為1.0Ω，5.0Ω，10.0Ω，為描述故障測距精度，采用誤差δ進行表述如公式（16）所示，故障測距仿真結果如表2所示。

基于MMC的故障測距方法，，從表3以下指標進行了對比分析：

所用的故障測距法僅適用于VSC側并聯(lián)大電容的情況下，對于MMC并聯(lián)鉗位電阻的情況不適用，其故障測距誤差小于1%。注入法是利用二階電路的振蕩放電過程的電氣信息，列寫方程計算故障距離，適用于MMC直流配電網(wǎng)，因其注入裝置需要額外附加，成本較高。注入法故障測距誤差在1%以內。

本文所提出的基于等效電容暫態(tài)測距方法，適用于MMC的直流配電網(wǎng)，無需額外增加測距模塊，本方法的故障測距誤差在1.5%以內，故障測距結果也相對較為準確，屬于雙端同步測距類型。

5 結論

針對柔性直流配電網(wǎng)雙極短路故障測距的問題，本文提出了基于故障暫態(tài)特征的測距方法，其核心是將雙極短路故障暫態(tài)過程分段，在換流器閉鎖前將換流器等效成一個振蕩放電電容，通過提取暫態(tài)電氣數(shù)據(jù)，根據(jù)RLC放電電路相關知識列寫方程，求解含有故障位置信息的方程，得到故障位置。由于本文方法利用雙端的暫態(tài)電壓，暫態(tài)電流信息，在求解故障位置時，消除過渡電阻的影響，具有較好的耐過渡電阻的能力。

參考文獻：

[1] 宋強，趙彪，劉文華，等.智能直流配電網(wǎng)研究綜述 [J]. 中國電機工程學報，2013，33（25）：9-19.

作者簡介：

王喜靖（1993-），男，碩士研究生，研究方向為直流配電網(wǎng)故障測距，E-mail：18366103785@163.com;

張慧芬（1970-），女，博士，教授，研究方向為配電網(wǎng)故障檢測、配電網(wǎng)自動化，E-mail：cse_zhhf@ujn.edu.cn;

趙錫彬（1991-），男，碩士研究生，研究方向為智能電網(wǎng)過電壓研究，E-mail：somezhao1991@163.com。

（作者單位：濟南大學自動化與電氣工程學院）