徐辰翔，高 辉，张安越

(南京邮电大学，江苏南京210023)

1 引言

随着分布式能源发电的开发利用，电动汽车、家用电器、智能楼宇以及数据通讯等城市直流负荷占比的逐步升高，电力储能的逐步推广以及重要敏感负荷对高质量供电的需求等诸多因素的影响，基于柔性直流技术的交直流混合配电网更适合现代城市配电网的发展[1-2]。使用模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性配电网可更好地接纳分布式电源和直流负荷，可缓解城市电网站点走廊有限与负荷密度高的矛盾，不仅可以提高系统安全稳定运行水平，还能降低系统损耗[3-4]。配置柔性直流装置可优化系统网络的运行控制能力，并有效提升配电网可控性以及供电安全性，同时其运行控制模式和规划决策方法对于提升配电网安全性和经济性具有重要意义。

然而现有的柔性直流技术同样需要应对许多现实面的挑战，保护技术作为配电网络的其中一个关键技术，对于其发展具有不小的阻碍。文献[5-6]分析了多端柔直配电网不同拓扑结构对保护策略的影响。文献[7-8]分析了柔性直流配电网的不同保护分区和各分区内可能出现的多种故障。文献[9]分析了MMC换流器可能出现的内部故障和保护策略。文献[10-11]分析了柔直配电网交流侧故障对直流侧保护的影响。文献[12]研究了柔直配电网对交流线路电流相位差动保护的影响。文献[13]研究了柔直配电网不同分区的保护配合和定值整定。文献[14]分析了风电厂接入对柔直配电网系统特性及保护控制技术的影响。现有的保护技术研究对中压直流侧接入分布式电源的柔性直流配电网系统中直流侧保护尚有欠缺。

本文分析了MMC的拓扑结构、控制方式以及调制方式，研究包括包括MMC到DAB之间的中压直流侧线路上，单双极故障后的电流电压特性，并通过PSCAD/EMTDC搭建仿真模型，由仿真加以验证，同时分析故障后的纵差电流、不平衡电压等相关参数，考虑上下级线路影响，提出适用于柔性直流配电网直流线路的保护配置方案。

2 模块化多电平换流器控制模型

2.1 配电网拓扑结构

采用MMC拓扑结构的柔性直流配电网拓扑结构如图1所示。在交流侧通过MMC完成AC/DC变换，经过一段直流线路后，连接至中压母线。在中压直流侧通过若干双有源桥变换器完成降压，接入低压母线，最后连接交流逆变器，接入交流负载。

图1 柔性直流配电网拓扑

2.2 MMC换流器模型

2.2.1 MMC拓扑结构

MMC的基本功能是实现交直流电压电流转换，输入接高压交流电网，输出接DC/DC变换器原边，MMC拓扑如图1所示。该拓扑包含三相共六个桥臂，单个桥臂由N个相同的子模块和一个桥臂电感串联组成，其中子模块如图2所示。

图2 三相MMC拓扑结构

当MMC在工作状态时，子模块通过图3中的D1、D2确定其投入或切除。D1管开通D2管关断则子模块投入，反之则切除。在MMC处于故障或启动阶段等非正常状态下，D1、D2两管均关断，子模块闭锁。

图3 SM结构

2.2.2 MMC控制方法

MMC控制中，在dq坐标系下，采用电压外环、电流内环的双闭环控制。

1)电流内环解耦控制

(1)

式中usd、usq分别为交流侧电压复矢量的d、q轴分量，p为微分算子，R0为桥臂电阻，L0为桥臂电感。

将d轴方向的电流分量id定义为有功电流，超前于d轴90°的电流分量iq定义为无功电流。采用前馈解耦控制对d、q轴进行解耦。根据式(2)的数学模型得到

(2)

通过PI调节器进行解耦控制，可得控制方程

(3)

式中，ed为d轴输出电压；eq为q轴输出电压；Kip为电流比例系数，KiI为电流积分系数。

由式(3)可实现电流内环的解耦控制，其控制图如图4所示。

图4 电流内环解耦控制结构图

2)电压外环控制

为了稳定MMC整流得到的电压，采用电压外环控制。将直流电压参考值与反馈回的实际值误差通过PI控制器，调整电流控制器的输入值，从而间接实现对直流电压的控制，电压外环控制结构如图5所示。

图5 电压外环控制结构图

电压外环控制的表达式为

(4)

3 柔性直流配电网直流侧故障特性分析

柔性直流配电网中的直流线路分为中压直流侧和低压直流侧，本文重点分析中压直流侧故障，其范围包括MMC出线到DAB进线，以及光伏电源的进线。故障类型主要包括单极接地故障和双极短路故障两种，本节对两种故障类型进行故障特性分析。

3.1 单极接地故障

单极接地故障正负极母线分析情况类似，本节选取正极母线接地故障进行分析。在发生中压直流母线正极接地故障情况下，放电回路以及故障等值电路如图6所示。

图6 单极接地故障MMC放电回路及等值电路图

图6(b)故障等值电路中的各参数分别为

(5)

式中，N为MMC桥臂子模块个数；Lg、Rg为接地变压器等效电感和电阻；L0、R0为MMC桥臂等效电感和电阻；Rf为故障点接地电阻。

运用叠加原理，将其分为电容阻抗回路和光伏电源阻抗回路，电容阻抗回路根据KVL可得回路方程及其特征根为

(6)

二阶电路初始条件为

(7)

由此可得电容电压及故障电流为

(8)

光伏电源阻抗回路根据KVL可得回路方程

(9)

在正常运行情况下，P、N正负极母线相对于0点的电压为

(10)

而在发生单极接地故障后，正极母线电压变为

UPO=uap+ua=0

(11)

结合式(12)和式(13)可得负极直流母线电压为

(12)

3.2 双极短路故障

中压直流母线双极短路故障是直流侧故障中最严重的故障类型，故障后放电回路及故障等值电路如图7所示。

图7 双极短路故障放电回路及故障等值电路图

图7(b)故障等值电路中各参数分别为

(13)

式中：Re为MMC等值电阻，M为隔离级级联数。

等效电路根据KVL可得回路方程及其特征根为

(14)

(15)

二阶电路零输入响应初始条件为

(16)

由此可得电容电压及故障电流为

(17)

此外，除了MMC侧电容会通过故障点放电，隔离级一次侧电容也会通过故障点放电。放电回路方程为

(18)

(19)

结合式(17)和式(19)可知中压直流侧发生双极短路故障时放电电流为

(20)

由式(20)可知，双极短路故障后的放电电流为振荡放电过程，最终短路电流经过衰减稳定在一个定值。

由分析可以总结，在发生双极短路故障后，直流母线电压迅速跌落为0，中压直流母线和交流侧电流会出现严重过电流，交流侧输入电压幅值下降，故障特征与三相短路类似，危害极大。

4 柔性直流配电网直流侧故障仿真

构建如图1所示柔性直流配电网，仿真实际工程中的临欣直流输电系统，交直流配电网上端电源点是110kV电源，系统额定频率50Hz，临欣变变比110/20kV，经过16km线路接MMC换流站，换流站采用定直流电压、定交流电压控制，控制中压直流母线电压为正负10kV，并网侧交流电压20kV，光伏电源输出功率0.27MW。

4.1 正极接地故障

如图8所示，在MMC出线、DAB进线和光伏电源进线设置电流互感器i1、i2、i3和i4、i5、i6，在直流线路首端设置一组电压互感器U1、U2用于检测线路电压。故障可能发生的地点为电流互感器之间的直流线路，对应故障点F1。

图8 中压直流侧保护范围及故障点示意图

设置在0.12s时，故障点F1处发生正极接地故障，故障时中压直流侧电流如图9所示。

图9 正极接地故障时中压直流侧电流波形

从图中可以看到，光伏电源向电路中注入电流，由于子模块电容向故障点放电，正极线路首端测得电流有轻微增大，线路末端电流经短暂时间的波动之后趋于正常。正极接地故障时的中压直流侧电压、不平衡电压比值及纵差电流如图10所示。

图10 正极接地故障时中压直流侧电压、不平衡电压比值及纵差电流波形

从图中可以看到，中压直流侧发生正极单极接地故障，导致正极电压跌落至0，负极电压升高至极间电压，正极纵差电流故障瞬间增大至8kA，非故障极线路纵差电流几乎为0，而不平衡电压比值由正常时的1降至0附近，故可采用直流纵差保护以及不平衡电压保护。

4.2 双极故障

设置在0.12s时，故障点F1处发生双极短路故障，故障时中压直流侧电流如图11所示。

图11 双极短路故障时中压直流侧电流波形

从图中可以看到，光伏电源向故障点注入故障电流，故障电流幅值从2.5kA瞬间增大至15kA。

双极短路故障时的中压直流侧电压、不平衡电压比值及纵差电流如图12所示。从图中可以看到，中压直流侧发生双极短路故障，导致正负极电压跌落至0，正负极纵差电流故障瞬间增大至32kA，一段时间之后稳定在28kA，而不平衡电压比值并没有发生变化，因此考虑采用直流纵差保护。

图12 双极短路故障时中压直流侧电压、不平衡电压比值及纵差电流波形

5 直流线路保护方案配置

根据前述的理论分析和仿真结果，可配置中压直流侧线路主保护为纵差保护，后备保护为低电压保护和不平衡电压保护。纵差保护采样电流取自电流互感器i1、i2、i3和i4、i5、i6，有效识别发生在故障点F1的故障，纵差电流计算式为

(21)

其中，izczj1为中压直流侧正极纵差电流，izcfj1为中压直流侧负极纵差电流。

保护启动定值可由下式计算

Izcdz1.set=KrelKctINKgfh

(22)

其中，Krel为可靠系数，取1.3到1.5；Kct为测量设备百分比误差；IN为额定电流；Kgfh为直流系统的最大过负荷倍数。综合考虑，纵差电流启动定值取为0.2倍的额定电流。

当直流线路发生故障时，会造成直流电压无法维持，当直流电压持续一段时间低于跳过交流侧故障影响的低电压定值，则判定为直流线路故障。低电压保护电压采样值取自模块化多电平换流器出线处电压互感器，其保护判据如下

ud

(23)

低电压保护能够有效保护直流线路全长，低电压定值可整定为正常线路电压的70%。

不平衡电压保护采用和低电压保护相同的电压采样值，正负极接地故障的保护判据分别如下

(24)

(25)

其中Vp为线路正极电压，Vn为线路负极电压；Cset为不平衡电压保护比值系数为，其为一个大于1的常数，此处根据仿真结果设为1.2。不平衡电压保护误动可能性很低，比低电压保护动作要迅速。

6 总结

在当前面向柔性直流配电网研究基础上，本文针对基于MMC的柔直配电网的直流侧线路，进行了故障仿真和保护配置。首先研究了MMC拓扑结构和控制模型；然后基于此搭建了柔性直流配电网仿真模型；研究包括包括MMC到DAB之间的中压直流侧线路上，单双极故障后的电流电压特性，然后通过故障仿真加以验证，并得出了故障时的电流电压以及纵差电流和不平衡电压比值波形；最后，根据仿真结果和理论分析配置了柔性直流配电网的直流侧保护，对于柔性直流配电网的安全稳定运行具有重要意义。