基于柔性限流器的直流配電網(wǎng)繼電保護研究

曹磊, 葛飛, 高山, 姚碩, 解鵬飛

(國網(wǎng)河北省電力有限公司保定供電分公司,河北,保定 071000)

0 引言

在實現(xiàn)配電網(wǎng)內(nèi)能源合理分配的同時,導(dǎo)致配電網(wǎng)發(fā)生故障時各節(jié)點運行狀態(tài)不可預(yù)測,相鄰線路之間的故障特性邊界不明顯[1-2],發(fā)生故障時將產(chǎn)生沖擊性的暫態(tài)電流。在直流配電網(wǎng)的線路保護研究中,文獻[3]方法使用了交流斷路器配合直流隔離開關(guān),線路發(fā)生故障后斷路器斷開電源與直流系統(tǒng),有效地實現(xiàn)故障線路的隔離,該方法雖然具有一定的積極意義,但仍存在短暫的直流場停電現(xiàn)象,開關(guān)動作速度較慢且供電可靠性差。文獻[4]提出基于行波電流極性的保護方法,通過小波變換方法提取出初始行波的模極大值,該方法通過人工智能的方式提高了行波電流極性分析能力,但應(yīng)用過程中相鄰保護區(qū)域的保護定值難以確定,邊界元件增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,系統(tǒng)使用繁冗,不易推廣。文獻[5]系統(tǒng)基于通信設(shè)備進行電流差動保護,通過同步比較兩端的電流值,聯(lián)合控制設(shè)備實現(xiàn)保護功能,該方法雖然也能夠?qū)崿F(xiàn)通信設(shè)備電流差動保護功能,但通常忽略了分布丹絨暫態(tài)電流的影響,較小的時間差容易引起較大的誤差。

針對上述技術(shù)的不足,本文進行以下技術(shù)研究。

1 多端柔性直流配電網(wǎng)繼電保護策略

為保證直流配電系統(tǒng)給城市居民或企業(yè)提供可靠的電力供應(yīng),本文設(shè)計出多端柔性直流配電網(wǎng)繼電保護策略,在已有的直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上加入故障限流器設(shè)備[6],優(yōu)化配置多種故障限流器,設(shè)定合適的限流器參數(shù)平衡限流器的承壓和故障電流抑制效果。柔性直流配電網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性直流配電網(wǎng)架構(gòu)

本文中保護策略使用到的限流器包括源側(cè)限流設(shè)備主要包括MMC換流器、DC-DC換流器,并應(yīng)用具有故障穿越能力的全橋子模塊[7](FBSM),使用的網(wǎng)側(cè)限流器包括直流斷路器、故障限流器、直流鉗壓器和潮流控制器等[8]。

在圖1的電網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計中,其中1為直流電路器、2為故障限流器、3為直流鉗壓器、4為潮流控制器,T1端口為基于半橋子模塊的MMC換流器,T2和T3為VSC換流器,T2的低壓側(cè)連接風(fēng)力發(fā)電和交流負載,T3的低壓側(cè)連接通過10 kV/380 V交流變的交流負載,T4和T5為DC-DC直流變壓器,T4的低壓側(cè)連接正負400 V交直流混合負荷[9],并且負荷潮流只能單向流動,T5低壓側(cè)連接光伏發(fā)電的直流負荷,T6端口為為基于半橋子模塊的MMC換流器,換流器交流側(cè)經(jīng)過交流變壓器與交流系統(tǒng)連接[10]。

配電網(wǎng)架構(gòu)中T2、T3端口采用的換流器為兩電平電壓源換流器VSC,通過采用P1調(diào)節(jié)器的電壓、電流雙閉環(huán)控制,保證交流側(cè)的電壓穩(wěn)定。換流器交流側(cè)采用定交流電控制,通過電壓控制器獲取調(diào)制比,經(jīng)過鎖相環(huán)后將參數(shù)發(fā)送給PWM脈沖調(diào)制發(fā)生器獲取任意的觸發(fā)脈沖。T4、T5采用的DC-DC變壓器將低壓側(cè)與直流側(cè)相連,兩個全橋通過中間的變壓器聯(lián)結(jié)。在柔性直流配電網(wǎng)架構(gòu)工作時,超快速隔離開關(guān)能在零電流時快速斷開電路,負載轉(zhuǎn)移開關(guān)由多個絕緣柵雙極晶體管單元串聯(lián)而成,故障發(fā)生時將故障電流轉(zhuǎn)移至主斷路器支路,主斷路器用來分斷故障電流,避雷器耗能支路用來消耗大量的故障能量。限流器由兩個門極可關(guān)斷晶閘管反并聯(lián)并與電阻并聯(lián)組成,串聯(lián)在直流線路中,故障后阻抗增大,從而增加故障回路阻抗,抑制故障電流。

1.1 復(fù)合型直流潮流控制器設(shè)計

該研究在直流配電網(wǎng)的繼電保護策略中是使用了潮流控制器[11],利用電容電壓控制晶閘管的通斷完成切除故障線路。復(fù)合型直流潮流控制器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 復(fù)合型直流潮流控制器拓撲結(jié)構(gòu)

控制器的限流部分包括線路上的串聯(lián)等效電容C1、C2,1個電感器L、8個IGBT和串聯(lián)的二極管、4組串聯(lián)的IGBT和反串聯(lián)的二極管。在正常狀態(tài)下,四組輔助開關(guān)V1a、V1b、V2a、V2b開通,8組晶閘管全部關(guān)斷,四組串聯(lián)的IGBT開關(guān)管導(dǎo)通,控制器的潮流控制部分工作,故障限流和斷路功能關(guān)閉。發(fā)生接地故障時,根據(jù)配電網(wǎng)故障線路和故障電流方向,控制器控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷,將控制器中電感串聯(lián)進故障線路進行限流,對應(yīng)的直流斷路部分進入工作狀態(tài),進行切除故障支路。

在具體控制過程中,換流站輸出電流為定值,當(dāng)電流i2增加時,i1也隨之增加,當(dāng)8個IGBT開關(guān)管全部關(guān)斷時,電容C2向線路2放電,控制開關(guān)管進行能量轉(zhuǎn)移,電感工作電流連續(xù),電容穩(wěn)態(tài)時電壓的關(guān)系可表示為

(1)

其中,uC1為電容C1的電壓,uC2為電容C2的電壓,D為開關(guān)管v1、v3的占空比,1-D為開關(guān)管v5、v7的占空比。開通開關(guān)管v1、v3時,電容C1與電感并聯(lián),C1向電感充電,電感的電流逐漸增加,電流方向從左向右。經(jīng)過一段時間后斷開開關(guān)管v1、v3,開通開關(guān)管v5、v7,電容C2與電感并聯(lián),電感向電容充電,電感電流逐漸減小。在一個開關(guān)周期內(nèi)經(jīng)過上述過程,等效于直流線路上各串聯(lián)一個電壓源,兩個電壓源進行功能交換,通過這種方法進而改變線路電壓控制線路潮流。

1.2 基于電流模量特征的配電線路保護

為方便分析發(fā)生線路故障時的電氣量特征,進行解耦處理轉(zhuǎn)換到獨立的零模和線模網(wǎng)絡(luò)中,線模網(wǎng)絡(luò)表示線路之間構(gòu)成的回路,解耦公式可表示為

(2)

其中,i0、i1表示解耦后的零模與線模電流分量,ip、iN表示線路正負極電流分量,S表示解耦矩陣。直流配電網(wǎng)線路故障后,系統(tǒng)對故障線路的模量分量變化進行分析,線路故障示意圖和模量變化如圖3所示。

圖3 線路故障示意圖和模量變化

當(dāng)配電網(wǎng)線路發(fā)生極間故障時,MMC 1和MMC 2側(cè)都向故障點注入電流,MMC 1側(cè)電流方向不變并且幅值快速增加。線路保護方案的啟動判據(jù)為零模和線模電流突變量分量,可表示為

|Δi0|>k0Iset0or|Δi1|>k1Iset1

(2)

其中,Δi0、Δi1表示零模、線模電流突變量,k0、k1表示零模與線模的可靠性系數(shù),Iset0、Iset1表示故障線路零模、線模的整定參考值。當(dāng)零模或線模分量中任意兩個電流突變量滿足式(2),系統(tǒng)則啟動線路保護方案,并設(shè)定當(dāng)前采樣點為故障發(fā)生時刻。為進一步區(qū)分故障電流和雷電干擾出現(xiàn)的不正常線路動作,直流線路的保護裝置出計算線模電流分量,可表示為

(3)

當(dāng)線路發(fā)生雷電干擾時,保護裝置不動作,判斷依據(jù)為

sign(Δi0)≠0,sign(Δi1)=0

(4)

當(dāng)線模電流分量滿足式(4)時,系統(tǒng)判定線路受到雷擊干擾,不滿足該公式則認為線路發(fā)生短路故障。線路發(fā)生極間故障時,對應(yīng)的電流零模分量為常數(shù),可表示為

sign(Δi0)=0,sign(Δi1)≠0

(5)

當(dāng)滿足式(5)時,系統(tǒng)則認為線路發(fā)生極間故障。由模量特性可知,故障線路對應(yīng)兩側(cè)突變量可表示為

(6)

2 應(yīng)用測試

為驗證該研究直流配電網(wǎng)繼電保護策略的有效性,該研究搭建實驗環(huán)境進行仿真測試,使用PSCAD/EMTDC軟件構(gòu)建柔性直流配電網(wǎng)。實驗配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 實驗配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

實驗配電網(wǎng)中MMC換流器采用基于半橋型的MMC,其中兩個為整流站,兩個為逆變站,直流線路兩端安裝有線路保護、直流斷路器和平波電抗器。配電網(wǎng)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 配電網(wǎng)參數(shù)

換流站的控制方式為定有功功率和定無功功率,換流站參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 換流站參數(shù)

使用文獻[3]方法和文獻[4]方法作為對比實驗,文獻[3]方法中使用了交流斷路器和直流隔離開關(guān),文獻[4]方法中使用了限流裝置和線路保護設(shè)備。進行實驗時設(shè)定換流站1與換流站2之間的直流線路上發(fā)生短路故障,進行仿真分析,故障發(fā)生時刻為1 s。通過8個小時的試驗,得出如表3所示的數(shù)據(jù)信息表。

表3 試驗數(shù)據(jù)表

在表3中,假設(shè)選定10組數(shù)據(jù)信息,假設(shè)需要隔離的故障點為1000個,采用3種方法對故障線路進行處理,定位故障點并啟動保護方案,斷路器開始動作切斷故障線路,限流裝置和潮流控制器對故障電流進行抑制。記錄到故障線路上的故障電流變化如圖5所示。

圖5 故障電流變化

該研究系統(tǒng)的保護策略下的故障電流不超過6 kA,在1.003 s時直流斷路器投入動作,使主線路上的電流降低為0,故障電流轉(zhuǎn)移到支路,再轉(zhuǎn)移到設(shè)備的耗能支路上,短路電流快速低落到0,系統(tǒng)配合直流斷路器和限流裝置完成了故障電流分過程,避免輸電線路及電氣設(shè)備受過電流危害。

使用文獻[3]方法時,故障線路上的故障電流峰值超過6 kA,在1.000 s時刻發(fā)生短路故障后,在1.005 s時故障電流下降到0,與該研究方法延長了0.002 s,但仍具有較好的故障隔離作用。文獻[4]方法的故障保護效果較差,不能及時地隔離該故障線路,故障電流下降速度較慢,在1.003 s時故障電流幅值最大,故障電流最大超過7 kA,在1.015 s后才降低到0,對故障電流的限制效果較差。

為驗證該研究系統(tǒng)對故障電流的抑制效果,繼續(xù)使用表3中的試驗數(shù)據(jù)信息,設(shè)定實驗配電網(wǎng)中線路1在5.00 s時發(fā)生單極接地故障,系統(tǒng)耗時1 ms檢測到線路故障并發(fā)出故障信號,在都進行故障清除的前提下進行了兩次仿真實驗,與不進行故障限流進行對比,保護策略中故障限流效果如圖6所示。

圖6 故障限流效果

發(fā)生線路故障后未進行保護策略的故障電流超過 8 kA,線路上故障電流下降速度緩慢,在5.007 s時故障電流達到最大。使用該研究保護策略對故障電流進行限制后,故障電流幅值降低了58.75%,在故障限流與斷路過程中,投入限流電感后故障電流峰值降低了17.78%,5.005 s后的故障電流最大不超過4.5 kA,該研究能夠有效對故障電流進行限制和清除。

3 總結(jié)

本文提出直流配電網(wǎng)的繼電保護策略,應(yīng)用斷路器、換流器、限流器、潮流控制器等多種類型的限流裝置,多種限流裝置協(xié)同配合完成了對故障線路的隔離和故障電流的抑制。并設(shè)計出一種具有故障限流和斷路復(fù)合功能的潮流控制器,在正常運行時與電容并聯(lián)進行潮流調(diào)節(jié),在故障狀態(tài)下串入故障限流進行抑制。保護策略基于零模和線模電流突變量進行判決,區(qū)分故障電流和雷電干擾。

本文搭建的直流配電網(wǎng)模型較為簡單,未涉及到多種類型的分布式電源的同時接入,在以后的研究中需要考慮不同因素對保護策略的影響,對配電網(wǎng)架構(gòu)進行完善和研究。