曹磊, 葛飞, 高山, 姚硕, 解鹏飞

(国网河北省电力有限公司保定供电分公司,河北,保定 071000)

0 引言

在实现配电网内能源合理分配的同时,导致配电网发生故障时各节点运行状态不可预测,相邻线路之间的故障特性边界不明显[1-2],发生故障时将产生冲击性的暂态电流。在直流配电网的线路保护研究中,文献[3]方法使用了交流断路器配合直流隔离开关,线路发生故障后断路器断开电源与直流系统,有效地实现故障线路的隔离,该方法虽然具有一定的积极意义,但仍存在短暂的直流场停电现象,开关动作速度较慢且供电可靠性差。文献[4]提出基于行波电流极性的保护方法,通过小波变换方法提取出初始行波的模极大值,该方法通过人工智能的方式提高了行波电流极性分析能力,但应用过程中相邻保护区域的保护定值难以确定,边界元件增加了系统的复杂程度,系统使用繁冗,不易推广。文献[5]系统基于通信设备进行电流差动保护,通过同步比较两端的电流值,联合控制设备实现保护功能,该方法虽然也能够实现通信设备电流差动保护功能,但通常忽略了分布丹绒暂态电流的影响,较小的时间差容易引起较大的误差。

针对上述技术的不足,本文进行以下技术研究。

1 多端柔性直流配电网继电保护策略

为保证直流配电系统给城市居民或企业提供可靠的电力供应,本文设计出多端柔性直流配电网继电保护策略,在已有的直流配电网结构上加入故障限流器设备[6],优化配置多种故障限流器,设定合适的限流器参数平衡限流器的承压和故障电流抑制效果。柔性直流配电网架构如图1所示。

图1 柔性直流配电网架构

本文中保护策略使用到的限流器包括源侧限流设备主要包括MMC换流器、DC-DC换流器,并应用具有故障穿越能力的全桥子模块[7](FBSM),使用的网侧限流器包括直流断路器、故障限流器、直流钳压器和潮流控制器等[8]。

在图1的电网架构设计中,其中1为直流电路器、2为故障限流器、3为直流钳压器、4为潮流控制器,T1端口为基于半桥子模块的MMC换流器,T2和T3为VSC换流器,T2的低压侧连接风力发电和交流负载,T3的低压侧连接通过10 kV/380 V交流变的交流负载,T4和T5为DC-DC直流变压器,T4的低压侧连接正负400 V交直流混合负荷[9],并且负荷潮流只能单向流动,T5低压侧连接光伏发电的直流负荷,T6端口为为基于半桥子模块的MMC换流器,换流器交流侧经过交流变压器与交流系统连接[10]。

配电网架构中T2、T3端口采用的换流器为两电平电压源换流器VSC,通过采用P1调节器的电压、电流双闭环控制,保证交流侧的电压稳定。换流器交流侧采用定交流电控制,通过电压控制器获取调制比,经过锁相环后将参数发送给PWM脉冲调制发生器获取任意的触发脉冲。T4、T5采用的DC-DC变压器将低压侧与直流侧相连,两个全桥通过中间的变压器联结。在柔性直流配电网架构工作时,超快速隔离开关能在零电流时快速断开电路,负载转移开关由多个绝缘栅双极晶体管单元串联而成,故障发生时将故障电流转移至主断路器支路,主断路器用来分断故障电流,避雷器耗能支路用来消耗大量的故障能量。限流器由两个门极可关断晶闸管反并联并与电阻并联组成,串联在直流线路中,故障后阻抗增大,从而增加故障回路阻抗,抑制故障电流。

1.1 复合型直流潮流控制器设计

该研究在直流配电网的继电保护策略中是使用了潮流控制器[11],利用电容电压控制晶闸管的通断完成切除故障线路。复合型直流潮流控制器拓扑结构如图2所示。

图2 复合型直流潮流控制器拓扑结构

控制器的限流部分包括线路上的串联等效电容C1、C2,1个电感器L、8个IGBT和串联的二极管、4组串联的IGBT和反串联的二极管。在正常状态下,四组辅助开关V1a、V1b、V2a、V2b开通,8组晶闸管全部关断,四组串联的IGBT开关管导通,控制器的潮流控制部分工作,故障限流和断路功能关闭。发生接地故障时,根据配电网故障线路和故障电流方向,控制器控制开关管的开通和关断,将控制器中电感串联进故障线路进行限流,对应的直流断路部分进入工作状态,进行切除故障支路。

在具体控制过程中,换流站输出电流为定值,当电流i2增加时,i1也随之增加,当8个IGBT开关管全部关断时,电容C2向线路2放电,控制开关管进行能量转移,电感工作电流连续,电容稳态时电压的关系可表示为

(1)

其中,uC1为电容C1的电压,uC2为电容C2的电压,D为开关管v1、v3的占空比,1-D为开关管v5、v7的占空比。开通开关管v1、v3时,电容C1与电感并联,C1向电感充电,电感的电流逐渐增加,电流方向从左向右。经过一段时间后断开开关管v1、v3,开通开关管v5、v7,电容C2与电感并联,电感向电容充电,电感电流逐渐减小。在一个开关周期内经过上述过程,等效于直流线路上各串联一个电压源,两个电压源进行功能交换,通过这种方法进而改变线路电压控制线路潮流。

1.2 基于电流模量特征的配电线路保护

为方便分析发生线路故障时的电气量特征,进行解耦处理转换到独立的零模和线模网络中,线模网络表示线路之间构成的回路,解耦公式可表示为

(2)

其中,i0、i1表示解耦后的零模与线模电流分量,ip、iN表示线路正负极电流分量,S表示解耦矩阵。直流配电网线路故障后,系统对故障线路的模量分量变化进行分析,线路故障示意图和模量变化如图3所示。

图3 线路故障示意图和模量变化

当配电网线路发生极间故障时,MMC 1和MMC 2侧都向故障点注入电流,MMC 1侧电流方向不变并且幅值快速增加。线路保护方案的启动判据为零模和线模电流突变量分量,可表示为

|Δi0|>k0Iset0or|Δi1|>k1Iset1

(2)

其中,Δi0、Δi1表示零模、线模电流突变量,k0、k1表示零模与线模的可靠性系数,Iset0、Iset1表示故障线路零模、线模的整定参考值。当零模或线模分量中任意两个电流突变量满足式(2),系统则启动线路保护方案,并设定当前采样点为故障发生时刻。为进一步区分故障电流和雷电干扰出现的不正常线路动作,直流线路的保护装置出计算线模电流分量,可表示为

(3)

当线路发生雷电干扰时,保护装置不动作,判断依据为

sign(Δi0)≠0,sign(Δi1)=0

(4)

当线模电流分量满足式(4)时,系统判定线路受到雷击干扰,不满足该公式则认为线路发生短路故障。线路发生极间故障时,对应的电流零模分量为常数,可表示为

sign(Δi0)=0,sign(Δi1)≠0

(5)

当满足式(5)时,系统则认为线路发生极间故障。由模量特性可知,故障线路对应两侧突变量可表示为

(6)

2 应用测试

为验证该研究直流配电网继电保护策略的有效性,该研究搭建实验环境进行仿真测试,使用PSCAD/EMTDC软件构建柔性直流配电网。实验配电网拓扑结构如图4所示。

图4 实验配电网拓扑结构

实验配电网中MMC换流器采用基于半桥型的MMC,其中两个为整流站,两个为逆变站,直流线路两端安装有线路保护、直流断路器和平波电抗器。配电网参数设定如表1所示。

表1 配电网参数

换流站的控制方式为定有功功率和定无功功率,换流站参数设置如表2所示。

表2 换流站参数

使用文献[3]方法和文献[4]方法作为对比实验,文献[3]方法中使用了交流断路器和直流隔离开关,文献[4]方法中使用了限流装置和线路保护设备。进行实验时设定换流站1与换流站2之间的直流线路上发生短路故障,进行仿真分析,故障发生时刻为1 s。通过8个小时的试验,得出如表3所示的数据信息表。

表3 试验数据表

在表3中,假设选定10组数据信息,假设需要隔离的故障点为1000个,采用3种方法对故障线路进行处理,定位故障点并启动保护方案,断路器开始动作切断故障线路,限流装置和潮流控制器对故障电流进行抑制。记录到故障线路上的故障电流变化如图5所示。

图5 故障电流变化

该研究系统的保护策略下的故障电流不超过6 kA,在1.003 s时直流断路器投入动作,使主线路上的电流降低为0,故障电流转移到支路,再转移到设备的耗能支路上,短路电流快速低落到0,系统配合直流断路器和限流装置完成了故障电流分过程,避免输电线路及电气设备受过电流危害。

使用文献[3]方法时,故障线路上的故障电流峰值超过6 kA,在1.000 s时刻发生短路故障后,在1.005 s时故障电流下降到0,与该研究方法延长了0.002 s,但仍具有较好的故障隔离作用。文献[4]方法的故障保护效果较差,不能及时地隔离该故障线路,故障电流下降速度较慢,在1.003 s时故障电流幅值最大,故障电流最大超过7 kA,在1.015 s后才降低到0,对故障电流的限制效果较差。

为验证该研究系统对故障电流的抑制效果,继续使用表3中的试验数据信息,设定实验配电网中线路1在5.00 s时发生单极接地故障,系统耗时1 ms检测到线路故障并发出故障信号,在都进行故障清除的前提下进行了两次仿真实验,与不进行故障限流进行对比,保护策略中故障限流效果如图6所示。

图6 故障限流效果

发生线路故障后未进行保护策略的故障电流超过 8 kA,线路上故障电流下降速度缓慢,在5.007 s时故障电流达到最大。使用该研究保护策略对故障电流进行限制后,故障电流幅值降低了58.75%,在故障限流与断路过程中,投入限流电感后故障电流峰值降低了17.78%,5.005 s后的故障电流最大不超过4.5 kA,该研究能够有效对故障电流进行限制和清除。

3 总结

本文提出直流配电网的继电保护策略,应用断路器、换流器、限流器、潮流控制器等多种类型的限流装置,多种限流装置协同配合完成了对故障线路的隔离和故障电流的抑制。并设计出一种具有故障限流和断路复合功能的潮流控制器,在正常运行时与电容并联进行潮流调节,在故障状态下串入故障限流进行抑制。保护策略基于零模和线模电流突变量进行判决,区分故障电流和雷电干扰。

本文搭建的直流配电网模型较为简单,未涉及到多种类型的分布式电源的同时接入,在以后的研究中需要考虑不同因素对保护策略的影响,对配电网架构进行完善和研究。