陈文学，张新慧，彭 克，徐丙垠，陈 羽

(山东理工大学 电气与电子工程学院,山东 淄博 255049)

基于全控型电力电子晶体管(IGBT)的柔性直流系统是目前重要的研究对象.文献[1-3]对故障处理与保护的现有方法和研究现状进行了综述.文献[4]分析了直流配电网直流侧两极短路故障的暂态过程，提出用电阻性超导限流器来限制故障电流的上升，从而降低对现有保护元件的要求.文献[5]分析了基于VSC的直流电缆故障暂态特征，并提出了发生接地故障时的定位方法.文献[6]提出用可关断电子管替代换流器内部的续流.二极管，从而利用换流器直接切除故障.文献[7-8]中对两电平换流器型直流系统交直流两侧故障分别进行了详细分析，并分析了两侧之间的相互影响，提出一些保护措施，为以后保护方案的设计和故障恢复提供了理论依据.本文针对基于电压源型换流器的双端柔性直流配电系统，分析其直流侧单极接地故障特征，探讨故障对交流侧保护的影响，总结出影响保护误动的关键因素并给出了相应建议.

1 双端系统拓扑结构

柔性直流配电系统可分为双端和多端直流配电系统两大类.在双端直流配电系统中，根据直流侧的极性布置情况分为单极系统、双极系统和背靠背系统三类，采用双极系统与背靠背模式较多，典型结构如图1所示.

图1 双端直流配电系统结构Fig.1 Structure of the double-terminal DC distribution system

图1中，变压器的接线方式采用Yn/△接法，起到隔离零序分量在交流侧与直流侧间流动的作用.直流侧电容的接地方式，大多采用把电容分为上下两个等容量的电容器，电容中性点接地的方式(方式1)，也有直流侧一极接地的方式(方式2)，不接地的方式(方式3)如图2所示.

图2 直流侧接地方式Fig.2 Grounding modes of DC side

方式1和3是较为常见的接地方式，文献[4,8-9]中对此都展开了较为详尽的分析，在此就不再展开讨论.方式2则比较特殊，当采用方式2时，一条线路对地电压为全部直流电压，另一条线路对地电压为0，不能充分利用此条线路，只应用在某些特殊场合.对于背靠背系统，该方式相当于单极大地回线接线方式，即为单极系统.当双极系统中有一极发生故障停运时，可自动转化为单极系统运行.本文主要分析单极运行方式下系统运行情况.

2 直流配电系统故障暂态特性分析

直流系统中最容易发生的故障是单极接地，最为严重的则是极间短路故障.在采用方式2的背靠背系统中，因有一极接地，故当发生单极接地故障时，相当于发生了极间短路故障，其等效电路如图3所示.

图3 直流侧单极接地故障示意图Fig.3 Schematic diagram of the DC pole-to-ground fault

为简化分析，从变压器低压侧开始进行分析，其简化后等效电路图如图4所示.

图4 简化后故障示意图Fig.4 Schematic diagram of the simplified fault

图4中交流侧电阻包括变压器的等效铜损和换流器内相电抗器的电阻，电感包括变压器等效漏抗和电抗器的电感.

2.1 直流电容放电阶段

(1)衰减特性分析

故障时刻，背靠背系统中直流线路长度可忽略为0，当发生接地故障时，接地线直接并联在电容两侧，构成放电回路.由于没有直流线路等效电感的存在，故电容放电迅速.直流侧电压高于交流侧电压的时间非常短暂，当直流侧电压低于交流侧电压时，短路电流由电容放电电流和交流侧提供的电流共同构成.故障电流此时主要以电容放电电流为主，交流侧提供的电流相对很小，可以忽略不计.该阶段等效电路如图5，动态过程可以表示成式(1).

图5 电容放电阶段等效电路Fig.5 Equivalent circuit of capacitor discharging stage

该放电回路为RC一阶放电回路，其电压电流所满足的关系如下

(1)

解得

(2)

(3)

式中：Rf是短路接地电阻;udc是直流侧电压;C为电容;ic为电容放电电流;A为某一常数.

假设故障瞬间直流电压的值为U0，则可得A=U0.由式(2)可知，电容在放电过程中，电压会迅速减小到0，电容放电电流也会在瞬间增大，然后减小到0.当存在接地电阻时，由于一直会有短路电流流过，电容会被接地电阻两端的电压嵌位，即电容电压等于直流母线电压，二者变化趋势基本一致.由于直流侧没有电抗，不会出现反电动势使换流器中续流二极管同时导通，故不会发生二极管同时导通阶段.

(2)直流电容影响分析

由式(3)可知，电容大小直接影响着电容放电阶段的放电电流大小，当故障接地电阻一定时，电容越大，最大放电电流越大；反之则相反.电容大小还影响着衰减时间常数，决定着放电电流衰减快慢.若放电电流较大，则衰减较慢，对系统危害就越严重.实际工程应用中，应事先进行故障模拟与分析，选取合适的电容值.

2.2 自然换向至稳态阶段

电容放电结束后，交流侧开始对电容充电，整个系统在交流电源的作用下逐渐进入稳态.此阶段的等效电路如图6所示.

图6 自然换向至稳态阶段等效电路Fig.6 Equivalent circuit of uncontrolled rectifier stage

图中虚线所示部分为故障电流某一流通路径.根据换流器的拓扑结构及SPWM基本原理可知，换流器功能是通过发送脉冲控制上下桥臂的器件交替开断来实现的.对于SPWM调制，其开关函数可分为电压开关函数Suk(k=a、b、c)及电流开关函数Sik，具体描述如下

(4)

(5)

根据开关函数，可以得出交流侧参数与直流侧参数的关系如下

(6)

ivsc=iaSia+ibSib+icSic

(7)

式中：Udc、ivsc是直流端口电压及电流；uk、ik为交流端口电压及电流.

该过程是个不断变化的动态过程，以D1、D2导通为例，回路中电压、电流关系具体如下式

(8)

可以看出，交流侧电源至换流器处压降由电流大小和等效电阻、电感所决定，影响着直流电压.直流侧电压、接地电阻大小决定着直流侧故障电流，而故障电流if的变化影响着交流侧电流.可见交直流侧相互影响，故障电流与交流侧等效电阻、电感及接地电阻等参数紧密关联.

2.3 对交流侧保护的影响分析

对于10kV配电网，其保护配置常采用三段式电流保护，分别为电流速断保护、限时电流速断保护及定时限过电流保护.电流速断保护按躲开下条线路出口处短路的条件整定，限时电流速断则根据电流速断的整定值进行整定，且增加一动作延时来保证选择性.三段定实限过电流保护则一般按照躲开最大负荷电流来整定，由于其动作延时较长在此不再讨论.

由前述分析可知，故障发生时，电容放电电流通过故障接地线与电容自成回路，且放电时间一般很短，故对交流侧影响不大，但电容大小的选取会对直流侧产生一定影响.在自然换向至稳态阶段，由图6的等效电路可知，影响电流大小的主要因素有线路参数、电源内阻、电抗器参数，这三个参数直接决定着等效电路中电阻、电感值，即式(8)中的Rs、Ls，从而影响着系统中电流isa；而交流侧保护的I、II段整定值实质上是根据线路参数计算短路电流的稳态值来整定，因此直流故障时交流侧继电保护是否存在误动也与这个三个参数紧密关联.

综上所述，当采用单极接地方式的背靠背系统直流侧发生接地故障时，故障电流在交、直流回路中流通，会对直流侧造成危害，也会对交流侧产生较大影响.

3 算例分析

本文在DIgSILENT/PowerFactory软件中搭建了双端直流配电系统的仿真模型，如图7所示.

图7 基于DIgSILENT/PowerFactory的双端直流配电系统模型Fig.7 The model of double-terminal DC power distribution system based on DIgSILENT/PowerFactory

控制系统对于直流配电系统的运行性能起到至关重要的作用.文献[10-12]中对其进行展开了详细的讨论，对于双端直流配电系统，为保持两侧P、Q输入与输出的平衡和直流侧电压的稳定，一般是一端PWM采用有功功率控制，另一端PWM采用直流电压控制.

3.1 故障特性分析

系统中交流侧电压为10kV，直流侧电压为20kV，直流侧接地电容为1 500μF.设置直流母线接地故障时，接地电阻设置为Rf=0.2Ω，故障发生在t=0.1s，整个仿真时间为0.3s.故障后，直流母线的电压、电流波形以及流过电容的放电电流如图8所示.

(a)直流电压波形 (b)直流电流及电容电流波形图8 直流侧单极接地故障情况下各波形Fig.8 The waveforms when DC pole-to-ground fault occurred

从图中可以看出，在故障发生时刻t=0.1s以前，直流母线电压为正常值20kV，电容放电电流为0，短路电流也为0.发生故障后，电容放电电流迅速上升，几乎在故障瞬间就达到峰值,之后逐渐减小，达到稳态.将根据图中的几个时间点对故障理论分析进行验证，需要说明的是，下面几个时间点所对应时间均以故障开始为0时刻对公式进行验证.

1) 电容放电阶段

(1)正常衰减特性分析

正常工作时，直流母线电压为20kV，流过电流为0.15kA，直流电容电流和故障电流都为0，可以得到电容放电阶段直流母线电压和电容放电电流的表达式为

(9)

(10)

式中各字符含义与前所述一致.选取t=0.001s时进行分析，由式(9)、式(10)计算得到直流电压为0.713kV，电容电流为3.567kA，而通过仿真得到的直流电压约为0.796kV，电容电流约为3.415kA，计算结果与仿真结果基本吻合.同时，通过仿真可以看到直流侧短路电流为3.981kA，验证了在电容放电阶段交流电源提供的短路电流确实小于电容放电电流，故障开始阶段主要以电容放电为主.该阶段短路电流峰值约为84.746kA，可见会对直流侧产生很大冲击，造成严重的危害.

(2)直流电容影响分析

直流侧电容选取不同，会对直流侧产生不同程度的影响，影响着电容放电阶段，具体如下：

表1 不同电容下放电情况
Tab.1 Electro-discharge conditions under different capactances

电容/μF最大放电电流/kAiC衰减至0时间/s100079．0330．0011045200087．9010．0019560300091．3160．0027520

仿真模型同前，系统两侧各元件参数设置一致，线路长度都为5km，短路电压百分比为5%，电源内阻为0,直流侧故障在0.1s时发生.

从表中数据可知，电容选取越大，电容放电阶段最大放电电流越大.此时直流侧放电电流波形如下：

可见改变电容大小，放电阶段电流波形基本一致，但电容越大冲击电流就越大，对直流侧影响越大.该情况从式(3)中也可分析得知，等式右边C越大，其左边iC数值就越大.

2) 自然换向至稳态阶段

从图9中可以看出，当电容放电结束，直流侧达到一个稳态，直流电压约为0.705kV，短路电流为3.527kA，两换流器直流侧出口电流分别为1.8214kA、1.7052kA，两者之和约等于短路电流大小，此时短路电流由交流侧提供.交流侧三相电压电流波形如图10所示.从图10中可以看出，交流侧也能检测到较大的故障电流.

(a)电容为1000μF (b)电容为2000μF (c)电容为3000μF图9 电容放电电流波形Fig.9 Capacitor discharging current waveforms

(a)交流电源侧 (b)换流器交流侧图10 交流侧电压、电流波形图Fig.10 The current waveform of AC voltage and current

从图10中可以看出，在故障初期，交流侧电压、电流都有轻微波动，表现出不对称，幅值也有变化.待整个系统达到新的稳态时，交流侧电压幅值减小，电流幅值变大，且依然对称.

3.2 直流侧故障对交流侧保护的影响

仿真模型依然同前，通过设置不同参数，讨论直流侧故障是否会引起交流侧保护误动.在配电网中，线路的I段保护整定值都较大，一般不会造成误动，本文对II段保护的影响展开讨论.

图7中2区系统参数不变，两条线路长度分别为6km、8km，电抗器内短路电压设置为5%，电源内阻为0.通过改变图7中1区参数进行分析.

1)线路长度

表2 不同线路长度下电流情况
Tab.2 Current conditions under different line lengths

线路1/km线路2/kmImax/kAIIIset．1/kAΔI/kA553．4543．8280．374852．7972．9450．1481052．4782．5520．0741352．1132．1270．0141551．9231．914-0．009

从表中可以看出，随着线路1长度的增加，回路中阻抗随之增大，故障电流与整定电流都有所减小，但两者之差却在不断减小.当线路长度到一定值时，会引起保护误动.误动情况下的电流波形图如图11所示.可见线路长度影响短路电流，设置不当会引起故障时系统保护误动.

(a)交流侧三相短路 (b)直流侧故障图11 线路过长引发保护误动时线路1电流波形图Fig.11 The current waveform of line 1 during fault

2)电抗器

图7中1区线路1、2长度分别为10km、5km，电源内阻为0.不同Uk%下电流情况见表3.

表3 不同Uk%下电流情况
Tab.3 Current conditions under different uk%

短路电压Uk%Imax/kAIIIset．1/kAΔI/kA102．1742．5520．37882．2902．5520．26252．4782．5520．07432．6012．552-0．049

从表3中的数据可以看出，电抗器内短路电压百分值设置越小，故障电流就越大.可见，当Uk%小到一定程度时，就会出现II段保护误动的情况.误动时电流波形图如图12所示.

(a)交流侧三相短路 (b)直流侧故障图12 Uk%值过小引发保护误动时线路1电流波形图Fig.12 The current waveform of line 1 during fault

3)电源内阻

增加电源内阻，就会增大回路阻抗，其作用效果跟增大线路长度效果一致，ΔI会变小，在一定程度上增大保护误动的可能性.当图7 1区线路1、2长度分别为10km、5km，电抗器内短路电压百分比为5%时，内阻变化的影响见表4.

表4 不同电压内阻下电流情况
Tab.4 Current conditions under different voltage internal resistance

电源内阻/ΩImax/kAIIIset．1/kAΔI/kA0．22．3512．3950．0440．52．1822．1920．0100．82．0352．020-0．015

可见当电源内阻较大时，也会导致故障时保护误动.其误动时电流波形图如图13所示.

(a)交流侧三相短路 (b)直流侧故障图13 电源内阻较大引发保护误动时线路1电流波形图Fig.13 The current waveform of line 1 during fault

在计算保护整定值时，所选的可靠系数越大，其整定值也就越大，故障电流导致保护误动的可能性就越小.因此，保护装置在设定参数时要选择合适的整定值.

4 结论

本文分析了采用单极接地方式的双端直流配电系统中直流侧单极接地故障特征，并基于DIgSILENT/PowerFactory搭建双端直流配电系统模型进行了仿真分析，得出以下结论：

(1)通过分析双端直流配电系统采用单极接地方式(方式2)直流侧发生接地故障时的特征，指出该方式下发生接地故障相当于采用其它接地方式(方式1或3)下发生双极短路故障，其故障演变阶段有所不同，不会发生二极管同时导通阶段，这样就不会发生交流侧三相短路的状况，降低了对交流系统的危害性.

(3)改变电容大小，基本不影响放电趋势，但电容越大，冲击电流越大，放电电流衰减至0时间越长，对直流侧影响越大.

[1]郑欢，江道灼，杜翼．交流配电网与直流配电网的经济性比较[J]．电网技术，2013，37(12)：3 368-3 374．

[2]江道灼，郑欢．直流配电网研究现状与展望[J]．电力系统自动化，2012，36(8)：98-104．

[3]刘剑，邰能灵，范春菊，等．柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述[J]．电力系统自动化，2015，39(20)：158-167．

[4]李斌，何佳伟．柔性直流配电网系统故障分析及限流方法[J]．中国电机工程学报，2015，35(12)：3 026-3 036．

[5]YANG J，FLETCHER J E，O＇Reilly J， et al．Short-circuit and ground fault analyses and location in VSC-Based DC network cables[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59(10)：3 827-3 837．

[6]BARAN M E，MAHAJAN N R．Overcurrent protection on Voltage-Source-Converter-Based Multi-terminal DC distribution system [J]．IEEE Transaction on Power Delivery，2007，22(1)：406-412．

[7]胡竞竞．直流配电系统故障分析与保护技术研究[D]．杭州：浙江大学，2014．

[8]成敬周．高压交直流互联系统故障分析及相关保护的研究[D]．杭州：浙江大学，2014．

[9]高一波．直流配电系统接地故障分析与接地方式研究[D]．杭州：浙江大学，2015．

[10]陈海荣．交流系统故障时VSC-HVDC系统的控制与保护策略研究[D]．杭州：浙江大学，2007．

[11]王成山，李琰，彭克．分布式电源并网逆变器典型控制方法综述[J]．电力系统及其自动化学报，2012，24(2)：12-20．

[12]张静．VSC-HVDC控制策略研究[D]．杭州：浙江大学，2009．