基于多電平換流器的直流配電網(wǎng)極間短路故障保護(hù)分析

格日勒

(錫林郭勒職業(yè)學(xué)院 教育系， 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

0 引言

與傳統(tǒng)形式的電網(wǎng)換相型換流器相比，多電平換流器能夠有效降低換相過(guò)程中發(fā)生失敗的概率，優(yōu)化輸出性能，并且對(duì)直流配電網(wǎng)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用[1-3]。利用MMC實(shí)現(xiàn)的直流配電網(wǎng)出現(xiàn)極間短路的情況時(shí)，將會(huì)引起子模塊電容發(fā)生瞬間放電的現(xiàn)象，在數(shù)毫秒的極短時(shí)間中便到達(dá)峰值故障電流，嚴(yán)重破壞子模塊中的各工作器件。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)可靠的直流故障保護(hù)方法已經(jīng)成為建立直流配電網(wǎng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[4-7]。對(duì)直流側(cè)開(kāi)展故障測(cè)試分析已經(jīng)成為保護(hù)直流配電網(wǎng)的一項(xiàng)重要方法，目前對(duì)這方面進(jìn)行研究的文獻(xiàn)報(bào)道也較多[8]。其中，由學(xué)者在不考慮暫態(tài)變化的情況下為子模塊設(shè)置數(shù)量實(shí)時(shí)變動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)分析方法，全面分析了MMC直流側(cè)出現(xiàn)單極接地以及極間短路問(wèn)題時(shí)形成的等值電路模型，可將其作為構(gòu)建保護(hù)策略的參考依據(jù)[9]。學(xué)者根據(jù)FBMMC對(duì)短路電流進(jìn)行清除的性能，設(shè)計(jì)了一種快速應(yīng)對(duì)單極對(duì)地短路的保護(hù)方案，能夠使直流側(cè)在低阻抗接地的條件下防止直流斷路器發(fā)生跳閘的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)功率傳輸過(guò)程的快速恢復(fù)，但是采用此方法并沒(méi)有對(duì)過(guò)渡電阻產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析[10]。

本文主要研究了通過(guò)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)MMC來(lái)實(shí)現(xiàn)的雙端直流配電網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型并推導(dǎo)得到暫態(tài)電壓電流表達(dá)式。之后為HBMMC構(gòu)建了綜合運(yùn)用橋臂限流模塊以及直流斷路器進(jìn)行保護(hù)的策略，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障的快速斷開(kāi)并有效控制開(kāi)斷容量。

1 直流配電網(wǎng)電路模型

本文選擇雙端直流配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)10 kV直流線路進(jìn)行了保護(hù)測(cè)試，如圖1所示。

從圖1中可以看到雙端11電平MMC直流配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模型。按照Y接地的形式構(gòu)建直流側(cè)變壓器，從而避免直流側(cè)產(chǎn)生過(guò)電流的問(wèn)題，故障極的母線電壓為0，同時(shí)非故障極的電壓增大至與直流側(cè)電壓相等的狀態(tài)[11]。如果直流線路耐壓滿足要求，則不需要閉鎖換流站，此時(shí)系統(tǒng)依然可以繼續(xù)運(yùn)行。但發(fā)生極間短路問(wèn)題時(shí)將會(huì)形成過(guò)電流并對(duì)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，根據(jù)以上分析，本文重點(diǎn)分析了直流側(cè)極間短路發(fā)生故障的問(wèn)題并提出了相應(yīng)的保護(hù)策略。

圖1 直流配電網(wǎng)模型

2 極間短路故障保護(hù)

2.1 極間故障特性

出現(xiàn)HBMMC直流側(cè)極間短路的情況時(shí)，在直流模塊中的每相橋臂子模塊二極管將短路電流引入直流側(cè)的故障部位，并且SM電容可以利用IGBT2對(duì)短路點(diǎn)實(shí)施放電，對(duì)單相橋臂進(jìn)行分析得到的放電路徑,如圖2所示。

圖2 閉鎖前放電路徑

當(dāng)換流器未閉鎖時(shí)，短路電流由SM電容放電決定，可以計(jì)算出直流側(cè)的故障電流以及橋臂電容電壓，如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

當(dāng)換流器發(fā)生閉鎖時(shí)，形成的短路電流依然包含二個(gè)部分。這時(shí)橋臂電抗利用二極管續(xù)流以及直流系統(tǒng)將短路電流引入故障部位，得到如下所示的直流側(cè)電流，如式(3)、式(4)。

(3)

(4)

2.2 故障保護(hù)策略

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)，在直流電纜上出現(xiàn)極間短路故障后，由HBMMC閉鎖形成的故障電流發(fā)生了緩慢的暫態(tài)衰減，同時(shí)達(dá)到很高的穩(wěn)態(tài)幅值。對(duì)HBMMC直流配網(wǎng)極間短路進(jìn)行保護(hù)的流程,如圖3所示。

圖3 直流配網(wǎng)保護(hù)策略

3 FBMMC極間短路故障保護(hù)

3.1 FBMMC極間故障特性

通過(guò)FBMMC實(shí)現(xiàn)的直流配電網(wǎng)發(fā)生換流器閉鎖之前形成的極間短路故障跟HBMMC相近[12]。但兩者也存在一定的差異性，其中，F(xiàn)BMMC換流器發(fā)生閉鎖之后，不管故障電流呈正向還是負(fù)向分布狀態(tài)，在二極管具有的單向?qū)ㄌ匦裕琒M電容將一直處于充電的狀態(tài)[13]。當(dāng)SM電容受到反電動(dòng)勢(shì)影響時(shí)電流將會(huì)快速減小，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的去除功能。FBMMC換流器發(fā)生閉鎖時(shí)在單相橋臂上形成的放電回路，如圖4所示。

圖4 閉鎖后放電回路

以下顯示了故障電流與橋臂電容電壓的計(jì)算式,如式(5)、式(6)。

(5)

(6)

3.2 FBMMC故障保護(hù)策略

根據(jù)以上分析內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SM發(fā)生閉鎖之后，F(xiàn)BMMC能夠?qū)收想娏鬟M(jìn)行高效清除。因此本文設(shè)計(jì)了一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)處理的對(duì)FBMMC直流配網(wǎng)極間短路進(jìn)行保護(hù)的方案，具體流程,如圖5所示。

圖5 直流配網(wǎng)保護(hù)策略

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真平臺(tái)

采用圖1的雙端直流配電網(wǎng)模型對(duì)HBMMC與FBMMC直流配網(wǎng)發(fā)生極間短路故障的狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)試并驗(yàn)證了保護(hù)策略的有效性，仿真測(cè)試的各項(xiàng)參數(shù),如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.2 極間短路保護(hù)策略仿真分析

對(duì)HBMMC直流配網(wǎng)的保護(hù)策略有效性進(jìn)行仿真測(cè)試。設(shè)定系統(tǒng)在0.5 s的時(shí)候持續(xù)直流極間短路問(wèn)題，故障點(diǎn)與換流器的直流出口間距為5 km。該系統(tǒng)的仿真測(cè)試結(jié)果,如圖6所示。

(a) 直流線路電流

(b) 直流線路電壓

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，引起直流電流快速增大的現(xiàn)象，同時(shí)在直流側(cè)的電壓迅速減小。采取低電壓過(guò)電流保護(hù)措施，經(jīng)過(guò)2 ms延遲處理使換流器發(fā)生閉鎖，從發(fā)生故障到完成閉鎖的階段直流電流從原先的0.4 kA增大到了1.8 kA。同時(shí)，換流器還在橋臂上構(gòu)建了限流模塊，使直流電流快速減小，到達(dá)0.52 s時(shí)符合直流斷路器的開(kāi)斷要求，到達(dá)4 ms時(shí)直流斷路器被斷開(kāi)。與2.1節(jié)內(nèi)給出的1.75 kA穩(wěn)態(tài)直流相比，設(shè)置限流電阻能夠明顯降低電流值。通過(guò)上述仿真測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，故障限流模塊除了可以減小穩(wěn)態(tài)電流以外，還能有效控制斷路器成本，同時(shí)避免極間短路時(shí)在直流側(cè)形成過(guò)電流的沖擊問(wèn)題。

4.3 FBMMC極間短路保護(hù)策略仿真分析

采用FBMMC直流配網(wǎng)保護(hù)策略可以使暫態(tài)極間短路故障以更快的速度恢復(fù)，當(dāng)發(fā)生永久短路故障問(wèn)題時(shí)，需通過(guò)直流斷路器進(jìn)行跳閘的方式使故障被清除掉。實(shí)際仿真測(cè)試結(jié)果,如圖7所示。

(a) 直流線路電流

(b) 直流線路電壓

直流側(cè)電流由原先的0.3 kA快速增大為1.8 kA，電壓則快速降低。根據(jù)以上故障電氣量可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)判定模塊的快速處理，經(jīng)過(guò)2 ms延遲,各個(gè)IGBT2觸發(fā)信號(hào)都被斷開(kāi)。當(dāng)閥控系統(tǒng)接收到故障點(diǎn)的弧道熄滅信息后，經(jīng)過(guò)5 ms延時(shí)將對(duì)換流器實(shí)施解鎖操作。

5 總結(jié)

(1) 當(dāng)SM發(fā)生閉鎖之后，F(xiàn)BMMC能夠?qū)收想娏鬟M(jìn)行高效清除，本文設(shè)計(jì)了一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)處理的對(duì)FBMMC直流配網(wǎng)極間短路進(jìn)行保護(hù)的方案。

(2) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，引起直流電流快速增大的現(xiàn)象，在直流側(cè)的電壓迅速減小。故障限流模塊除了可以減小穩(wěn)態(tài)電流以外，還能有效控制斷路器成本，避免極間短路時(shí)在直流側(cè)形成過(guò)電流的沖擊問(wèn)題。

(3) 直流側(cè)電流由原先的0.3 kA快速增大為1.8 kA，電壓則快速降低，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)判定模塊的快速處理，經(jīng)過(guò)2 ms延遲,各個(gè)IGBT2觸發(fā)信號(hào)都被斷開(kāi)。