基于柔性限流器的直流配電網繼電保護研究

曹磊, 葛飛, 高山, 姚碩, 解鵬飛

(國網河北省電力有限公司保定供電分公司,河北,保定 071000)

0 引言

在實現配電網內能源合理分配的同時,導致配電網發生故障時各節點運行狀態不可預測,相鄰線路之間的故障特性邊界不明顯[1-2],發生故障時將產生沖擊性的暫態電流。在直流配電網的線路保護研究中,文獻[3]方法使用了交流斷路器配合直流隔離開關,線路發生故障后斷路器斷開電源與直流系統,有效地實現故障線路的隔離,該方法雖然具有一定的積極意義,但仍存在短暫的直流場停電現象,開關動作速度較慢且供電可靠性差。文獻[4]提出基于行波電流極性的保護方法,通過小波變換方法提取出初始行波的模極大值,該方法通過人工智能的方式提高了行波電流極性分析能力,但應用過程中相鄰保護區域的保護定值難以確定,邊界元件增加了系統的復雜程度,系統使用繁冗,不易推廣。文獻[5]系統基于通信設備進行電流差動保護,通過同步比較兩端的電流值,聯合控制設備實現保護功能,該方法雖然也能夠實現通信設備電流差動保護功能,但通常忽略了分布丹絨暫態電流的影響,較小的時間差容易引起較大的誤差。

針對上述技術的不足,本文進行以下技術研究。

1 多端柔性直流配電網繼電保護策略

為保證直流配電系統給城市居民或企業提供可靠的電力供應,本文設計出多端柔性直流配電網繼電保護策略,在已有的直流配電網結構上加入故障限流器設備[6],優化配置多種故障限流器,設定合適的限流器參數平衡限流器的承壓和故障電流抑制效果。柔性直流配電網架構如圖1所示。

圖1 柔性直流配電網架構

本文中保護策略使用到的限流器包括源側限流設備主要包括MMC換流器、DC-DC換流器,并應用具有故障穿越能力的全橋子模塊[7](FBSM),使用的網側限流器包括直流斷路器、故障限流器、直流鉗壓器和潮流控制器等[8]。

在圖1的電網架構設計中,其中1為直流電路器、2為故障限流器、3為直流鉗壓器、4為潮流控制器,T1端口為基于半橋子模塊的MMC換流器,T2和T3為VSC換流器,T2的低壓側連接風力發電和交流負載,T3的低壓側連接通過10 kV/380 V交流變的交流負載,T4和T5為DC-DC直流變壓器,T4的低壓側連接正負400 V交直流混合負荷[9],并且負荷潮流只能單向流動,T5低壓側連接光伏發電的直流負荷,T6端口為為基于半橋子模塊的MMC換流器,換流器交流側經過交流變壓器與交流系統連接[10]。

配電網架構中T2、T3端口采用的換流器為兩電平電壓源換流器VSC,通過采用P1調節器的電壓、電流雙閉環控制,保證交流側的電壓穩定。換流器交流側采用定交流電控制,通過電壓控制器獲取調制比,經過鎖相環后將參數發送給PWM脈沖調制發生器獲取任意的觸發脈沖。T4、T5采用的DC-DC變壓器將低壓側與直流側相連,兩個全橋通過中間的變壓器聯結。在柔性直流配電網架構工作時,超快速隔離開關能在零電流時快速斷開電路,負載轉移開關由多個絕緣柵雙極晶體管單元串聯而成,故障發生時將故障電流轉移至主斷路器支路,主斷路器用來分斷故障電流,避雷器耗能支路用來消耗大量的故障能量。限流器由兩個門極可關斷晶閘管反并聯并與電阻并聯組成,串聯在直流線路中,故障后阻抗增大,從而增加故障回路阻抗,抑制故障電流。

1.1 復合型直流潮流控制器設計

該研究在直流配電網的繼電保護策略中是使用了潮流控制器[11],利用電容電壓控制晶閘管的通斷完成切除故障線路。復合型直流潮流控制器拓撲結構如圖2所示。

圖2 復合型直流潮流控制器拓撲結構

控制器的限流部分包括線路上的串聯等效電容C1、C2,1個電感器L、8個IGBT和串聯的二極管、4組串聯的IGBT和反串聯的二極管。在正常狀態下,四組輔助開關V1a、V1b、V2a、V2b開通,8組晶閘管全部關斷,四組串聯的IGBT開關管導通,控制器的潮流控制部分工作,故障限流和斷路功能關閉。發生接地故障時,根據配電網故障線路和故障電流方向,控制器控制開關管的開通和關斷,將控制器中電感串聯進故障線路進行限流,對應的直流斷路部分進入工作狀態,進行切除故障支路。

在具體控制過程中,換流站輸出電流為定值,當電流i2增加時,i1也隨之增加,當8個IGBT開關管全部關斷時,電容C2向線路2放電,控制開關管進行能量轉移,電感工作電流連續,電容穩態時電壓的關系可表示為

(1)

其中,uC1為電容C1的電壓,uC2為電容C2的電壓,D為開關管v1、v3的占空比,1-D為開關管v5、v7的占空比。開通開關管v1、v3時,電容C1與電感并聯,C1向電感充電,電感的電流逐漸增加,電流方向從左向右。經過一段時間后斷開開關管v1、v3,開通開關管v5、v7,電容C2與電感并聯,電感向電容充電,電感電流逐漸減小。在一個開關周期內經過上述過程,等效于直流線路上各串聯一個電壓源,兩個電壓源進行功能交換,通過這種方法進而改變線路電壓控制線路潮流。

1.2 基于電流模量特征的配電線路保護

為方便分析發生線路故障時的電氣量特征,進行解耦處理轉換到獨立的零模和線模網絡中,線模網絡表示線路之間構成的回路,解耦公式可表示為

(2)

其中,i0、i1表示解耦后的零模與線模電流分量,ip、iN表示線路正負極電流分量,S表示解耦矩陣。直流配電網線路故障后,系統對故障線路的模量分量變化進行分析,線路故障示意圖和模量變化如圖3所示。

圖3 線路故障示意圖和模量變化

當配電網線路發生極間故障時,MMC 1和MMC 2側都向故障點注入電流,MMC 1側電流方向不變并且幅值快速增加。線路保護方案的啟動判據為零模和線模電流突變量分量,可表示為

|Δi0|>k0Iset0or|Δi1|>k1Iset1

(2)

其中,Δi0、Δi1表示零模、線模電流突變量,k0、k1表示零模與線模的可靠性系數,Iset0、Iset1表示故障線路零模、線模的整定參考值。當零?；蚓€模分量中任意兩個電流突變量滿足式(2),系統則啟動線路保護方案,并設定當前采樣點為故障發生時刻。為進一步區分故障電流和雷電干擾出現的不正常線路動作,直流線路的保護裝置出計算線模電流分量,可表示為

(3)

當線路發生雷電干擾時,保護裝置不動作,判斷依據為

sign(Δi0)≠0,sign(Δi1)=0

(4)

當線模電流分量滿足式(4)時,系統判定線路受到雷擊干擾,不滿足該公式則認為線路發生短路故障。線路發生極間故障時,對應的電流零模分量為常數,可表示為

sign(Δi0)=0,sign(Δi1)≠0

(5)

當滿足式(5)時,系統則認為線路發生極間故障。由模量特性可知,故障線路對應兩側突變量可表示為

(6)

2 應用測試

為驗證該研究直流配電網繼電保護策略的有效性,該研究搭建實驗環境進行仿真測試,使用PSCAD/EMTDC軟件構建柔性直流配電網。實驗配電網拓撲結構如圖4所示。

圖4 實驗配電網拓撲結構

實驗配電網中MMC換流器采用基于半橋型的MMC,其中兩個為整流站,兩個為逆變站,直流線路兩端安裝有線路保護、直流斷路器和平波電抗器。配電網參數設定如表1所示。

表1 配電網參數

換流站的控制方式為定有功功率和定無功功率,換流站參數設置如表2所示。

表2 換流站參數

使用文獻[3]方法和文獻[4]方法作為對比實驗,文獻[3]方法中使用了交流斷路器和直流隔離開關,文獻[4]方法中使用了限流裝置和線路保護設備。進行實驗時設定換流站1與換流站2之間的直流線路上發生短路故障,進行仿真分析,故障發生時刻為1 s。通過8個小時的試驗,得出如表3所示的數據信息表。

表3 試驗數據表

在表3中,假設選定10組數據信息,假設需要隔離的故障點為1000個,采用3種方法對故障線路進行處理,定位故障點并啟動保護方案,斷路器開始動作切斷故障線路,限流裝置和潮流控制器對故障電流進行抑制。記錄到故障線路上的故障電流變化如圖5所示。

圖5 故障電流變化

該研究系統的保護策略下的故障電流不超過6 kA,在1.003 s時直流斷路器投入動作,使主線路上的電流降低為0,故障電流轉移到支路,再轉移到設備的耗能支路上,短路電流快速低落到0,系統配合直流斷路器和限流裝置完成了故障電流分過程,避免輸電線路及電氣設備受過電流危害。

使用文獻[3]方法時,故障線路上的故障電流峰值超過6 kA,在1.000 s時刻發生短路故障后,在1.005 s時故障電流下降到0,與該研究方法延長了0.002 s,但仍具有較好的故障隔離作用。文獻[4]方法的故障保護效果較差,不能及時地隔離該故障線路,故障電流下降速度較慢,在1.003 s時故障電流幅值最大,故障電流最大超過7 kA,在1.015 s后才降低到0,對故障電流的限制效果較差。

為驗證該研究系統對故障電流的抑制效果,繼續使用表3中的試驗數據信息,設定實驗配電網中線路1在5.00 s時發生單極接地故障,系統耗時1 ms檢測到線路故障并發出故障信號,在都進行故障清除的前提下進行了兩次仿真實驗,與不進行故障限流進行對比,保護策略中故障限流效果如圖6所示。

圖6 故障限流效果

發生線路故障后未進行保護策略的故障電流超過 8 kA,線路上故障電流下降速度緩慢,在5.007 s時故障電流達到最大。使用該研究保護策略對故障電流進行限制后,故障電流幅值降低了58.75%,在故障限流與斷路過程中,投入限流電感后故障電流峰值降低了17.78%,5.005 s后的故障電流最大不超過4.5 kA,該研究能夠有效對故障電流進行限制和清除。

3 總結

本文提出直流配電網的繼電保護策略,應用斷路器、換流器、限流器、潮流控制器等多種類型的限流裝置,多種限流裝置協同配合完成了對故障線路的隔離和故障電流的抑制。并設計出一種具有故障限流和斷路復合功能的潮流控制器,在正常運行時與電容并聯進行潮流調節,在故障狀態下串入故障限流進行抑制。保護策略基于零模和線模電流突變量進行判決,區分故障電流和雷電干擾。

本文搭建的直流配電網模型較為簡單,未涉及到多種類型的分布式電源的同時接入,在以后的研究中需要考慮不同因素對保護策略的影響,對配電網架構進行完善和研究。