交流系統單相接地故障對柔性直流配電網的影響分析

陳文學，張新慧，彭 克，陳文凱，武 軒

（1.山東理工大學，山東 淄博 255000；2.華電淄博熱電有限公司，山東 淄博 255000）

交流系統單相接地故障對柔性直流配電網的影響分析

陳文學1，張新慧1，彭 克1，陳文凱2，武 軒2

（1.山東理工大學，山東 淄博 255000；2.華電淄博熱電有限公司，山東 淄博 255000）

針對雙端柔性直流配電系統，對換流器交流出口處單相接地故障特征進行分析，說明交流側故障對直流側的影響，指出直流側電壓會出現工頻共模波動，比較直流側電容中點直接接地與不接地時的不同，討論了電抗器參數及電容大小對電壓波動的影響。基于DIgSILENT／PowerFactory搭建雙端直流配電系統模型進行仿真驗證，最后結合仿真結果，給出降低故障影響的改進建議。

雙端直流配電系統；DIgSILENT／PowerFactory；單極接地故障；換流器

0 引言

近些年隨著負荷需求的增大，傳統交流配電網面臨著供電走廊緊張、線路損耗大等問題，同時分布式電源接入帶來的一系列問題，使得直流配電網日益成為學術界與工業界關注的焦點。在輸電網中基于電壓源型的高壓直流輸電（voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC）技術已得到廣泛應用，眾多學者將其在控制特性、可靠性、電能質量等方面的優點引入配電網開展相關應用研究［1-4］。

目前已有不少文獻對交直流配電網進行了故障分析及相關保護的研究。文獻［5］對目前故障處理與保護的現有方法和研究現狀進行了綜述，并對柔性直流輸電的故障處理與保護面臨的關鍵問題進行了展望。文獻［6］詳細分析了交流側發生單相接地故障時HVDC直流輸電換流器的動態過程，指出交流系統單相接地故障引起的換流母線電壓不平衡會導致HVDC控制系統鎖相環輸出偏移，并提出改進開關函數法來解決這一問題。文獻［7］討論了直流側接地方式對故障及故障恢復的影響，提出了有利于提高系統穩定性接地配置方案。文獻［8］指出直流側不平衡諧波電流流通路徑與直流側的接地方式密切相關，對其危害影響進行了分析驗證。文獻［9］則進一步對直流側電容中點接地電阻的取值進行了討論，并給出取值依據。以上文獻中的討論都是基于電壓源型換流器的雙端柔性直流輸電系統，沒有討論背靠背配電系統情況下的問題。

針對雙極背靠背配電系統，分析交流側單相接地故障特征，探討故障對直流側的影響，比較不同接地方式下的故障特點，并給出相關建議。

1 故障特性分析

在典型的交直流配電網中，為了防止不對稱故障中零序分量在交流系統與換流器之間傳遞，聯結變壓器一般采用網側繞組星型接法，閥側繞組三角形接法。故當聯結變壓器網側發生不對稱故障時，其產生的零序電流不會對直流側產生影響。當聯結變壓器換流器側發生不對稱故障時，產生的零序電流可能通過直流側電容中性點接地線構成回路，對直流側造成一定的影響，故主要討論聯結變壓器換流器側的故障。

交流側的故障中發生概率最大的是單相接地故障，故本文主要討論該故障情況。根據典型的兩電平VSC換流器結構［10-11］，交流出口處發生單相接地故障后的換流站端等效電路如圖1所示。

圖1 交流側不對稱故障下的換流站端等效電路

圖1中，Rf為故障接地電阻，直流側正負極電容Cp=Cn，RN為直流電容中點接地電阻，usa、usb、usc為故障后各相電壓，isa、isb、isc為故障后各相電流，ua、ub、uc為A、B、C三點對地電位，vp、vn為換流器正負極對地電位，ip、in為換流器正負極線路電流，icp、icn為流入正負極電容的電流，ucp、ucn為正負極兩端的電壓，各電壓電流的方向如圖1所示。

根據基爾霍夫定律列出a相回路電壓方程

同理可得b相c相電壓方程

式（4）、（5）、（6）相加得

uN為直流電容中性點接地電阻上的電壓。

式中0＜M≤1，反映了直流配電網中其他換流站端接地點對零序電流的分流作用。

將式（8）、（9）代入（7），記

整理得

由等效電路對零序分量的對稱性

將（12）代入式（11），整理得

根據二階微分方程的結構，方程（14）對應的特征方程為

對方程（15）的根進行討論，可得Δ＞0時，兩個實根都恒小于零；Δ=0時，二重根恒小于零；Δ＜0時，兩個虛部的實根都恒小于零。可知故障下的ucp的零輸入響應總是收斂的。

由ucn=ucp-udc可知，故障下負極電容電壓ucn的響應與正極電容電壓ucp的響應只相差一個直流偏置。故換流器交流出口處單相接地故障下，直流正負極電壓會出現工頻共模振動。

2 仿真驗證

在DIgSILENT／PowerFactory環境中搭建了雙端直流配電系統的仿真模型，如圖2所示。母線1處故障及母線2、3處故障分別為聯結變壓器網側故障和換流器側故障。

模型中交流電壓源電壓等級為110 kV，低壓側為10 kV，直流側正負極電壓分別為10 kV、-10 kV，正負極電容分別為1 500 μF。故障設置為換流器交流側出口處發生單相接地故障，即母線3處，故障發生在t=0.1 s，在t=0.15 s時清除故障，整個仿真時間為0.4 s。對于直流側直接接地、電容中點不接地兩種方式下測得的波形如圖3、圖4所示。

圖2 基于DIgSILENT／PowerFactory的雙端直流配電系統模型

圖3 直流側直接接地時正負極電壓波形

圖4 電容中點不接地時直流側正負極電壓波形

從圖3和圖4的對比中可以看出，當直流側電容中點不接地時，換流器交流側出口發生單相接地故障，對直流側幾乎沒有影響，工頻共模振動現象不明顯。文獻［8］中雖提到若直流側電容不接地，不平衡電流諧波會通過輸電線路從一側流向另一側，從而造成一系列問題，但其模型與本文中不同，本文中交流側并沒有中性點接地，故不會構成零序回路，即不存在諧波流通問題。

而當直流側電容中點直接接地時，可以看出直流側正負極電容電壓會出現明顯的工頻共模振動，這與所分析的情況一致，驗證了故障分析的正確性。對于圖1中所示的直流側電容接地方式1，文獻［9］中對其進行了詳細探討，并比較了方式1與方式2下的不同，在此就不再進行討論。

對于母線3處故障后所形成的零序回路，包含有電抗器，而電抗器具有一定的濾波作用，故改變其大小可以在一定程度上緩解直流側電壓波動問題，如圖5所示。

圖5 電抗器大小不同時直流側電壓波形

由圖5可知，電抗器中的短路電壓百分數設置的越大，對零序諧波抑制作用就越強，直流電壓波動就越小。

另外，直流側電容在設計選擇時要考慮穩壓要求，其取值應該能夠抑制直流波動在允許范圍內，正負極電容大小不同時，其正負極電壓波動幅度也就不同，如圖6所示。

圖6 電容大小不同時支流測電壓波形

圖6中，正極電容取值大小是負極的2倍，其電壓波動顯然要小于負極電壓波動，可見直流側電容確實有穩壓作用，應根據具體應用工程，適當選取電容值，一般是取值越大，穩壓作用越強，但還要兼顧儲能、動態響應速度與控制系統匹配等要求。

3 改進建議

交直流配電網中交流側發生故障時，對直流側的影響與直流側電容接地方式、電容大小及電抗器參數有關，且若采用經電阻接地，其電阻阻值大小不同也會造成差異性影響。原因與故障發生后所形成的零序回路有關，據此，給出可減小交流側故障對直流側影響的建議。

1）在交流側加裝濾波器，且其中點與直流側電容中點相連，經高阻接地，可有效抑制直流側電壓的工頻共模振動，利于故障消除后的電壓恢復。

2）換流器中的電抗器值選取的盡量大一些，有利于濾除零序諧波，減小直流側電壓波動幅度。

3）注意交流側與直流側接地方式的配合，盡量避免故障下形成零序回路。

4）直流側電容選取時應注意其穩壓要求，合理取值。

4 結語

分析兩端柔性交直流配電系統中換流器交流側出口單相接地故障對直流側產生的影響，對故障機理進行分析和仿真驗證，證實交流側故障會在直流側電容中點接地情況下引起正負極電壓工頻共模振動。對比分析出直流電容接地方式、電抗器及電容大小對電容波動的影響。

結合相關文獻及本文中模型的仿真結果，給出有利于抑制直流側電壓波動的建議，對交直流配電網中的繼電保護及相關設備研究具有一定的參考價值。

［1］HAMMERSTROM DJ．AC Versus DC Distribution Systems-Did We Get It Right?［C］／／2007.IEEE Power Engineering Society General Meeting，vols1-10．FL，USA：IEEE，2007：3 997-4 001．

［2］STARKE M R，TOLBERT L M，OZPINECI B．AC vs．DC distribution：A loss comparison［C］／／IEEE／PES Transmission and Distribution Conference and Exposition．Chicago，IL，USA：IEEE，2008：1-7．

［3］STARKE M R，LI F，TOLBERT L M，et al．AC vs.DC distribution：Maximum transfer capability［C］／／IEEE Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century．Pittsburgh，PA，USA：IEEE，2008：1-6．

［4］江道灼，鄭歡．直流配電網研究現狀與展望［J］．電力系統自動化，2012，36（8）：98-104．

［5］劉劍，邰能靈，范春菊，等.柔性直流輸電線路故障處理與保護技術評述［J］.電力系統自動化，2015，39（20）：158-167.

［6］馬玉龍，肖湘寧，姜旭.交流系統接地故障對HVDC的影響分析［J］.中國電機工程學報，2006，26（11）：144-149.

［7］楊杰，鄭健超，湯廣福，等.電壓源換相高壓直流輸電系統接地方式設計［J］.中國電機工程學報，2010，30（19）：14-19．

［8］管敏淵，徐政.兩電平VSC-HVDC系統直流側接地方式選擇［J］．電力系統自動化，2009，33（5）：55-60．

［9］高一波，徐習東，金陽忻，等.交流側接地故障對直流配電網電壓平衡影響［J］.電網技術，2014，38（10）：2 665-2 670.

［10］胡競競.直流配電系統故障分析與保護技術研究［D］.杭州：浙江大學，2014.

［11］成敬周.高壓交直流互聯系統故障分析及相關保護的研究［D］.杭州：浙江大學，2014.

Impact Analysis of Single-phase Earth Fault in AC System for Flexible DC Distribution Network

CHEN Wenxue1，ZHANG Xinhui1，PENG Ke1，CHEN Wenkai2，WU Xuan2
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；2.Huadian Zibo Thermal Power Co.，Ltd.，Zibo 255000，China）

For flexible DC distribution system，characteristics of the single phase to ground fault occurred at the AC outside of converters are analyzed.The influence of AC side faults on the DC side is discussed.Common-mode oscillations are indicated which could appear at the DC side.Differences are compared between different grounded types of neutral point for DC side capacitor，and effects of reactor and capacitor parameters are discussed.In order to verify the above conclusions，a doubleterminal DC distribution system is built based on DIgSILENT／PowerFactory.Combined with simulation results，some improved suggestions are given to reduce impacts of the fault.

DC distribution system；DIgSILENT／PowerFactory；pole-to-ground fault；converters

TM726

：A

：1007－9904（2017）04－0001－04

2017-01-12

陳文學（1993），男，碩士，研究方向為電力系統繼電保護。

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2015AA050202）