直流微電網(wǎng)接地故障分析及接地設(shè)計(jì)研究

趙勇囈，趙創(chuàng)業(yè)，孫振興

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著可再生分布式發(fā)電(如太陽(yáng)能光伏)的普及[1]，以及電子負(fù)載和電動(dòng)汽車的日益普及，人們產(chǎn)生了使用直流微電網(wǎng)(DCMG)的想法。與交流微電網(wǎng)(ACMG)相比，DCMG有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，但在DCMG保護(hù)方面，如接地、接地故障檢測(cè)、定位和故障隔離仍然是開(kāi)放的研究。

電力系統(tǒng)接地是一個(gè)非常重要的因素[2]，它影響接地和沖擊故障電流，并確保人類和牲畜免受電力的危害。本文評(píng)價(jià)了DCMG不同接地方案的性能，通過(guò)對(duì)接地設(shè)計(jì)權(quán)衡和DCMG接地故障檢測(cè)方案的研究，確定了不同接地配置下的故障檢測(cè)可靠方案。

1 接地注意事項(xiàng)

DCMG接地和保護(hù)方案的目的是在故障條件下最大限度地保證人員和設(shè)備的安全[3]。在這方面必須考慮：故障電流大小，接觸電壓、故障檢測(cè)和電流限制。由于這些需求通常是相互對(duì)立的，在設(shè)計(jì)適合DCMG的接地方案時(shí)，必須進(jìn)行一定的權(quán)衡。

電網(wǎng)規(guī)范的要求之一就是要具有故障穿越能力，它要求DCMG在故障期間保持其母線電壓穩(wěn)定[4]，并且需要DCMG控制方案參與故障期間母線電壓穩(wěn)定的維護(hù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用廣義DCMG模型，該模型由以下部分組成：兩級(jí)并網(wǎng)電壓源變換器(G-VSC)控制直流母線電壓[5]；儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)通過(guò)一個(gè)雙向降壓升壓變換器連接到直流母線上；太陽(yáng)能光伏(PV)電站通過(guò)一個(gè)單向升壓變換器連接到直流母線上；將幾種直流負(fù)載分別建模為線性負(fù)載和固定功率負(fù)載。表1列出了DCMG模型的特征數(shù)據(jù)。

表1 直流微電網(wǎng)特征數(shù)據(jù)

3 電力電子變換器在故障期間的行為

DCMG故障導(dǎo)致直流母線電壓波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致PE轉(zhuǎn)換器行為變化。下面討論了故障條件下兩級(jí)變電壓控制和DC/DC降壓升壓變換器的運(yùn)行行為，假設(shè)在整個(gè)分析過(guò)程中都沒(méi)有故障保護(hù)/中斷，PE轉(zhuǎn)換器在發(fā)生故障后繼續(xù)向負(fù)載和故障輸送電力。

3.1 G-VSC

G-VSC正極接地故障，如圖1所示，接地故障電阻Rg的減小會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致G-VSC失去控制。根據(jù)直流電壓Vdc的不同，有3種不同的操作行為，即線性調(diào)制、過(guò)度調(diào)制、不規(guī)則調(diào)制。

圖1 VSC正極接地故障

3.2 DC/DC變換器

穩(wěn)態(tài)下，ESS和PV電站都會(huì)產(chǎn)生接地故障電流，但前提是有閉合回路。圖2a為DC/DC升壓變換器的正極接地故障。

故障可使Vdc脫離調(diào)節(jié)，但仍高于DC/DC變換器的輸入電壓Vin，變換器的額定電流將限制PV電站或ESS產(chǎn)生故障電流。然而，如果Vdc低于Vin，電感電流將無(wú)限制地增加，以致變換器控制也不能限制電流。因此，ESS和PV電站產(chǎn)生的接地故障電流將遠(yuǎn)高于最大額定電流。當(dāng)故障電流流過(guò)二極管時(shí)，即使采用IGBT去飽和保護(hù)方案阻止IGBT操作，也不能限制電流。圖2b為二極管續(xù)流故障電流的等效電路。

圖2 故障電路

4 接地故障分析

本節(jié)采用DCMG模型進(jìn)行PSCAD/EMTDC仿真,分析了不同的接地配置:(1)交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)接地，直流母線隔離；(2)交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)隔離，直流負(fù)極母線接地；(3)交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)隔離，直流母線中性點(diǎn)接地。為了便于分析，忽略電纜電阻和電感，故障均設(shè)定在t=2 s時(shí)。

4.1 交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)接地，直流母線隔離

4.1.1 高接地故障電阻(Rg=5 Ω)

在發(fā)生高阻接地故障后，Vdc被G-VSC控制系統(tǒng)恢復(fù)到額定值(圖3a)。圖3b為故障發(fā)生后直流正極相對(duì)于地的電位Vpole+。如圖3c所示，故障后Ig與Vpole+具有相同的波形和頻率，Ig的直流分量只能通過(guò)VSC的續(xù)流二極管。

對(duì)于高Rg，通過(guò)G-VSC的直流分量方向，從上端子向外為Ivsc+(圖3d)，從下端子向內(nèi)為Ivsc-(圖3e)。對(duì)于PV電站電流Ipv和ESS電流Iess，在穩(wěn)態(tài)下，任何接地故障電流均不存在閉合回路。因此ESS和PV電站不給接地故障供電，只給負(fù)載電流供電，如圖3f、3g所示。

從上到下分別為直流母線電壓、直流正極與地之間的電壓、接地故障電流、VSC上端電流、VSC下端電流、PV電站電流、ESS電流。圖3 DCMG中直流母線隔離、交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)可靠接地時(shí)發(fā)生高Rg接地故障的電壓和電流

該接地配置可采用基于Ig測(cè)量的接地故障檢測(cè)方案來(lái)檢測(cè)高電阻接地故障。但如果Rg很高或接地不可靠，由于Ig很小，無(wú)法檢測(cè)到故障，此時(shí)可采用絕緣監(jiān)測(cè)進(jìn)行檢測(cè)，識(shí)別由接地故障引起的絕緣電阻下降。

4.1.2 低接地故障電阻(Rg=0.1 Ω)

如圖4a所示，當(dāng)Rg較低時(shí)，Vdc脫離調(diào)節(jié)。圖4b為直流正極與地之間的電勢(shì)，圖4c為Ig的變化。故障發(fā)生后，Vdc隨著直流側(cè)電容Icap的放電而減小(圖4d)。由于Vdc變化迅速，在穩(wěn)定狀態(tài)下，故障電流通過(guò)電容器。

對(duì)于低Rg，PV電站電流Ipv和ESS電流Iess及故障電流存在閉合回路。Ipv的變化(圖4g)和故障后的Iess(圖4h)說(shuō)明PV電站和ESS在這種情況下為接地故障供電。

通過(guò)監(jiān)測(cè)Ig可以檢測(cè)這種類型的故障。

4.2 交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)隔離，直流負(fù)極母線接地

在這個(gè)系統(tǒng)中，直流正極接地故障將被所有G-VSC,ESS和PV電站視為一個(gè)具有低電阻的額外負(fù)載。

4.2.1 高接地故障電阻(Rg=5 Ω)

Rg=5 Ω時(shí)的仿真結(jié)果，如圖5所示。Vdc(圖5a)被VSC控制帶回到額定值。Ig(圖5b)由G-VSC電流Ivsc(圖5c)，PV電流Ipv(圖5d)，ESS放電電流Iess(圖5e)和電容放電電流Icap(圖5f)組成。然而，在此故障期間ESS放電電流Iess會(huì)因?yàn)閂SC控制快速恢復(fù)Vdc而非常小。

從上到下分別為直流母線電壓、接地故障電流、VSC電流、PV電站電流、ESS電流、電容放電電流。圖5 DCMG中直流母線負(fù)極接地、交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)隔離時(shí)發(fā)生高Rg接地故障的電壓和電流

4.2.2 低接地故障電阻(Rg=0.1 Ω)

對(duì)于較低的Rg，如0.1Ω，Ig將高于G-VSC，PV電站和ESS的最大允許電流。因此，故障期間Vdc(圖6a)低于額定值。在不受變換器控制和保護(hù)方案限制的情況下，Ig(圖6b)可以達(dá)到相當(dāng)高的值。從Ivsc的變化(圖6c)可看出，故障發(fā)生后，通過(guò)G-VSC的電流已經(jīng)超過(guò)G-VSC的電流限值，G-VSC不再在調(diào)制區(qū)域工作。

Ipv和Iess在故障后的行為分別如圖6d，6e所示。電壓突然下降是由于接地故障后直流側(cè)電容放電電流(圖6f)造成的。

從上到下分別為直流母線電壓、接地故障電流、VSC電流、PV電站電流、ESS電流、電容放電電流。圖6 DCMG中直流母線負(fù)極接地、交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)隔離時(shí)發(fā)生低Rg接地故障的電壓和電流

在該接地配置下，由于Ig很高，容易檢測(cè)出低Rg接地故障。為保護(hù)人員和設(shè)備免受高Ig影響，應(yīng)采用快速故障檢測(cè)和隔離方案。

4.3 交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)隔離，直流母線中性點(diǎn)接地

直流母線中性點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是每極電壓為極間電壓的一半,直流母線中點(diǎn)可采用電容分壓器或電阻分壓器。

接地故障發(fā)生后，穩(wěn)態(tài)時(shí)，G-VSC，ESS和PV電站均不給接地故障供電，Ig的直流分量沒(méi)有閉合回路流動(dòng)。圖7為Rg=0.1 Ω的仿真結(jié)果。不管Rg為多少，Vdc(圖7a)可以保持在額定值。Ig(圖7b)由G-VSC，ESS，PV電站和直流側(cè)電容放電電流組成。Vpole+(圖7c)被拉到零且與Rg無(wú)關(guān)，這是直流正極電容器放電電流Icap1(圖7d)造成的。

VSC和ESS對(duì)故障電流的貢獻(xiàn)分別如圖7e、7f所示,該故障電流在負(fù)極電容處重新閉合，增大了Vpole-(圖7g)。

從上到下分別為直流母線電壓、接地故障電流、直流正極與地之間的電壓、電容放電電流、VSC電流、ESS電流、PV電站電流、直流負(fù)極與地之間的電壓。圖7 DCMG中直流中性點(diǎn)接地、交流電網(wǎng)變壓器中性點(diǎn)隔離時(shí)發(fā)生低Rg接地故障的電壓和電流

由于電容器放電和充電會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)Ig，可利用基于故障檢測(cè)方案的接地故障電流檢測(cè),絕緣監(jiān)測(cè)裝置也可用于檢測(cè)這些高阻故障。

表2總結(jié)了適用于各種接地配置的接地故障檢測(cè)方案。

表2 各種基礎(chǔ)配置及其適合的接地故障檢測(cè)方案

5 結(jié)論

本文研究了不同接地方式下直流微電網(wǎng)的接地故障特征，評(píng)估了設(shè)計(jì)考慮和權(quán)衡了選擇接地配置。正確選擇接地配置和接地故障檢測(cè)方案，有利于DCMG安全可靠運(yùn)行。最后，總結(jié)了適用于各種接地結(jié)構(gòu)的故障檢測(cè)方案，便于可靠的故障檢測(cè)。