寧連營, 邰能靈, 鄭曉冬, 黃文燾

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院, 上海市 200240)

基于自定義差分電流的MMC-HVDC輸電線路縱聯(lián)保護

寧連營, 邰能靈, 鄭曉冬, 黃文燾

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院, 上海市 200240)

為可靠檢測模塊化多電平換流器型高壓直流(MMC-HVDC)輸電線路故障并實現(xiàn)故障選極,提出一種縱聯(lián)保護新原理?；贛MC-HVDC系統(tǒng)自身特點,綜合使用兩端換流站不同極線路電壓量和電流量構(gòu)造保護特征量——自定義差分電流。分析研究表明,直流側(cè)故障時的自定義差分電流絕對值明顯大于系統(tǒng)正常運行和交流側(cè)故障時的自定義差分電流絕對值;直流側(cè)正極接地故障、負極接地故障和雙極短路故障時自定義差分電流正負性不同。根據(jù)此特征,構(gòu)造縱聯(lián)保護判據(jù)來識別直流側(cè)故障并完成故障選極。仿真結(jié)果表明,該原理在一定故障條件下可快速可靠地識別直流線路故障并實現(xiàn)故障選極。

模塊化多電平換流器型高壓直流; 直流輸電線路; 縱聯(lián)保護; 自定義差分電流

0 引言

模塊化多電平換流器型高壓直流(MMC-HVDC)輸電系統(tǒng)具有輸出電能質(zhì)量高、換流器損耗低、易于擴展和系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點,已成為柔性直流輸電的主要實現(xiàn)形式[1-3]。目前,直流輸電線路保護問題是MMC-HVDC系統(tǒng)亟須解決的技術難題之一。一方面,柔性直流輸電線路橫跨區(qū)域廣,故障率高,且故障發(fā)生時常常伴隨著過流或過壓問題,對換流閥造成沖擊并影響交流系統(tǒng)的安全穩(wěn)定[4-10]。另一方面,與兩電平和三電平電壓源換流器(VSC)相比,模塊化多電平換流器(MMC)直流側(cè)無并聯(lián)大電容,導致基于MMC的柔性直流輸電系統(tǒng)故障暫態(tài)特征明顯不同:可應用于保護的邊界特性大大減少,直流側(cè)單極接地故障時無明顯故障電流等[10-11]。因此,有必要根據(jù)MMC-HVDC系統(tǒng)自身的特點,研究適用于MMC-HVDC輸電線路的繼電保護原理,增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

目前柔性直流輸電工程中,直流線路的保護以行波保護和微分欠壓保護為主保護、電流差動保護為后備保護,同時還配置直流電壓不平衡保護和直流過電壓保護[10]。行波保護和微分欠壓保護動作速度快,不受長線分布電容等因素影響,但對設備采樣率要求高,抗干擾能力差[10]。電流差動保護易受線路分布電容的影響,需要通過延時來防止誤動,動作速度慢[11]。并且,MMC-HVDC系統(tǒng)直流線路發(fā)生單極接地故障時無明顯故障電流,電流差動保護不能可靠動作[12]。針對現(xiàn)有柔性直流輸電線路繼電保護理論不完備、可靠性差等問題,已有大量改進方案[13-17]。文獻[13]利用S變換分析方法捕捉行波波頭,提出了一種不受波速影響的電壓源換流器型高壓直流(VSC-HVDC)輸電線路單端行波故障定位方案,然而仍存在采樣率要求高、易受干擾等固有缺陷。文獻[14]提出了基于頻變參數(shù)模型的VSC-HVDC直流電纜線路差動保護原理,通過計算頻變參數(shù)線路沿線電流的分布來補償電容電流的影響,然而不具備快速性且計算量大。借鑒傳統(tǒng)高壓直流輸電線路邊界保護的思路,利用VSC-HVDC系統(tǒng)直流側(cè)并聯(lián)大電容這一固有邊界,文獻[15-17]分別通過特定暫態(tài)諧波電流、高低頻電流的幅值比和線路兩端電容值進行輸電線路區(qū)內(nèi)外故障的識別,然而MMC-HVDC系統(tǒng)直流側(cè)卻無明顯的邊界。

本文首先結(jié)合MMC-HVDC系統(tǒng)自身特點,綜合使用兩端換流站不同極線路電壓量和電流量構(gòu)造保護特征量——自定義差分電流(CDC-BPN),分析了系統(tǒng)正常運行、直流側(cè)故障和交流側(cè)故障下CDC-BPN的特征。進而基于CDC-BPN的特性,提出了一種MMC-HVDC輸電線路縱聯(lián)保護新原理。最后利用實時數(shù)字仿真器 (RTDS)建立仿真模型,驗證了本文所提保護原理的有效性。

1 MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MMC-HVDC系統(tǒng)故障特征與一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)密切相關,直流線路電氣量在系統(tǒng)故障時具有較為復雜的變化特性。已投運的MMC-HVDC系統(tǒng)普遍采用對稱單極主接線方式,由單換流器構(gòu)成自然雙極系統(tǒng);接地方式分為交流側(cè)接地和直流側(cè)經(jīng)鉗位電阻接地兩類。

圖1為MMC-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,它主要由整流站、逆變站和直流線路構(gòu)成。兩側(cè)換流站均為采用半橋子模塊(SM)的MMC,MMC的每個橋臂由n個子模塊和一個橋臂電抗L串聯(lián)構(gòu)成,同相的上下兩個橋臂構(gòu)成一個相單元。直流側(cè)接地電阻R用于構(gòu)造接地點作為零電位點。圖中:K側(cè)為整流側(cè),M側(cè)為逆變側(cè);uKp,uKn和iKp,iKn分別為K端的正、負極電壓和電流;uMp,uMn和iMp,iMn分別為M端的正、負極電壓和電流;uK和uM分別為K端和M端直流側(cè)正、負極間電壓;f1和f2為交流側(cè)故障位置;f3為直流側(cè)故障位置。

圖1 MMC-HVDC系統(tǒng)拓撲Fig.1 Topology of MMC-HVDC system

2 MMC-HVDC系統(tǒng)故障特性分析

2.1 交流側(cè)故障特性

不同于傳統(tǒng)交流電網(wǎng),MMC-HVDC輸電線路中的電氣量受兩端換流站控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用,研究直流輸電線路的保護時應該考慮直流系統(tǒng)的控制特性。交流側(cè)發(fā)生對稱故障時,正序電壓大幅度跌落,由于橋臂電抗器的存在,直流線路電流的下降速度被有效抑制。交流側(cè)發(fā)生不對稱故障時,系統(tǒng)電壓、電流一般由正序、負序分量共同構(gòu)成,造成直流電壓、電流和功率出現(xiàn)二倍頻波動,為消除或抑制二倍頻波動,相關控制優(yōu)化方案已被提出且效果良好[18-19]。

由于交流側(cè)故障時直流電壓和電流主要為低頻成分且波動不大,線路分布電容電流和線路壓降可以近似忽略。因此,交流側(cè)故障時直流線路兩端電流近似相等,整流側(cè)直流電壓uK雖略大于逆變側(cè)直流電壓uM但近似相等,即

(1)

2.2 直流側(cè)故障特性

1)單極接地故障

MMC-HVDC系統(tǒng)采用直流側(cè)經(jīng)鉗位電阻接地,為減小鉗位電阻上消耗的有功功率,鉗位電阻阻值極大。直流線路發(fā)生單極接地故障時,因鉗位電阻阻值極大,理論上僅改變了直流系統(tǒng)電位參考點的位置(由圖2中A到B),且未與MMC交流側(cè)構(gòu)成電流回路[7-8]。

圖2 直流線路單極接地故障機理Fig.2 Pole-to-ground fault mechanism for DC line

不考慮換流器閉鎖,換流器每個相單元在單極接地故障前后任一個時刻均有n個子模塊電容被投入,又由于故障前后子模塊電容電壓基本維持不變,所以這些子模塊電容串聯(lián)在一起,可以被等效為一直流恒壓源。MMC-HVDC系統(tǒng)正常運行時直流側(cè)等效電路如圖3(a)所示;根據(jù)疊加定理,單極接地故障時故障疊加網(wǎng)絡如圖3(b)所示。圖中:Uf為故障前故障點穩(wěn)態(tài)電壓;Rf為故障過渡電阻;Le為換流器等效電感。

由圖3(b)可知,忽略線路分布電容時,故障疊加網(wǎng)絡無對地回路,各支路疊加電流為零,換流器等效電感疊加電壓為零。因此,單極接地故障時故障極對地電壓降為零,非故障極對地電壓加倍,正、負極間電壓差保持不變,直流線路電流保持不變,即

(2)

(3)

式中:Udc為系統(tǒng)正常運行時直流側(cè)正、負極間電壓;Idc為系統(tǒng)正常運行時直流線路電流。

圖3 MMC-HVDC系統(tǒng)直流側(cè)等效電路Fig.3 Equivalent circuits of DC side for MMC-HVDC system

2)雙極短路故障

直流線路雙極短路故障是MMC-HVDC系統(tǒng)最具嚴重后果的故障之一,依據(jù)換流器閉鎖與否,故障暫態(tài)過程可先后分為儲能元件放電階段和交流電流注入階段,兩階段中短路電流在任一相的通路如圖4所示[9]。

圖4 MMC-HVDC系統(tǒng)雙極短路故障短路電流通路Fig.4 Short-circuit current paths for pole-to-pole fault of MMC-HVDC system

儲能元件放電階段,換流器尚未閉鎖,橋臂電抗器和處于投入狀態(tài)的子模塊電容同時對直流側(cè)進行放電,直流線路電壓快速下降,直流線路電流急劇上升,逆變站兩極線路電流iMp和iMn迅速反向。此階段放電回路的電流計算公式為[5]:

(4)

(5)

(6)

式中:j取a,b,c;n為橋臂子模塊數(shù);C為子模塊電容值;L為橋臂電感值;Rstray為放電回路等效電阻;Ij為j相放電回路電流初始值。

根據(jù)基爾霍夫電流定律得到逆變站正極線路電流表達式為:

idc=∑ij=

(7)

式中:j取a,b,c。

求解式(7)零點可得逆變站直流線路電流反向時刻為:

(8)

換流器閉鎖后,故障暫態(tài)過程進入交流電流注入階段,此時MMC等價于三相不可控全橋換流器,兩端換流站子模塊電容停止放電,但兩側(cè)交流電網(wǎng)仍可通過子模塊下部二極管D2向直流線路短路點注入短路電流,兩側(cè)交流電網(wǎng)相當于發(fā)生三相短路,故此階段短路電流仍維持在較大水平。

綜合以上兩個階段的分析,根據(jù)式(8)(系統(tǒng)參數(shù)見附錄A表A1)可知,雙極短路故障數(shù)十微秒后,有

(9)

2.3 自定義差分電流的構(gòu)建及其特性

由第2節(jié)的分析可知:MMC-HVDC系統(tǒng)單極接地故障時直流線路對地電壓具有明顯變化,直流線路電流保持不變;MMC-HVDC系統(tǒng)雙極短路故障時直流線路對地電壓和直流線路電流均具有明顯變化。綜合使用電壓量和電流量構(gòu)造保護判據(jù),可更為全面地利用系統(tǒng)故障特性,提高保護性能。定義直流線路瞬時功率為P=ui,其中u和i分別為直流線路對地電壓和直流線路電流。由式(1)至式(3)、式(9)可得MMC-HVDC系統(tǒng)直流線路瞬時功率在各種情況下的分析結(jié)果,具體如表1所示。

表1 MMC-HVDC系統(tǒng)直流線路瞬時功率分析結(jié)果Table 1 Instantaneous power analysis results of DC line for MMC-HVDC system

觀察分析表1可得,兩端換流站不同極線路瞬時功率之和(即表1中第2列與第5列之和、第3列與第4列之和)僅在直流線路故障時具有非零值,因此可采用兩端換流站不同極線路瞬時功率之和構(gòu)造保護判據(jù)。此外,考慮到雙極短路故障時直流線路對地電壓快速下降會導致兩端換流站不同極線路瞬時功率之和幅值較小,本文采用兩端換流站不同極線路瞬時功率之和與電壓之比的方法構(gòu)造自定義差分電流Id_KM和Id_MK。Id_KM和Id_MK具體定義如下:

(10)

正常運行或交流側(cè)故障時,式(1)成立,將式(1)代入式(10)可得:

(11)

單極接地故障時,式(2)或式(3)成立,將式(2)和式(3)分別代入式(10)可得:

(12)

(13)

雙極短路故障時,式(9)成立,將式(9)代入式(10)可得:

(14)

式中:α=uKp/(uKp+uMp),0<α<1。

3 縱聯(lián)保護原理

在第2節(jié)的分析中,線路分布電容的影響均被忽略,然而實際故障時線路分布電容會產(chǎn)生一定影響。不過考慮到線路分布電容產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)為高頻分量,可以采用低通濾波器將高頻分量濾除掉,如此就相當于忽略線路分布電容的影響。

滑動平均濾波是一種非遞歸低通濾波器,相比于傳統(tǒng)低通濾波器具有響應速度快、濾波精度高等優(yōu)點,非常適合應用于在線快速數(shù)據(jù)處理等實時性要求較高的場合[20]。N階滑動平均濾波器的當前輸出是過去N點輸入的平均值,設采樣周期為Ts,x(n)為第n個采樣時刻的輸入值,則N階滑動平均濾波的離散表達式和頻率響應分別如式(15)和式(16)所示。

(15)

(16)

式中:N為5 ms時間窗口內(nèi)的采樣點個數(shù)。

本文采用滑動平均濾波器獲得CDC-BPN的低頻成分,濾波后的輸出為:

(17)

根據(jù)第2節(jié)的分析結(jié)果可知,系統(tǒng)正常運行和交流側(cè)故障時CDC-BPN的值近似為零,直流側(cè)故障時CDC-BPN的絕對值較大。此外,由式(12)至式(14)可知,正極接地故障、負極接地故障和雙極短路故障時CDC-BPN具有顯著差異。利用滑動平均濾波后的CDC-BPN可以可靠識別直流側(cè)故障并完成故障選極。保護流程圖如圖5 所示,具體判據(jù)如下:

(18)

式中:Iset為保護門檻值,由于直流側(cè)故障時的CDC-BPN與系統(tǒng)正常運行和交流側(cè)故障時的CDC-BPN相差較大,Iset可以整定為較大的值以保證可靠性,本文取Iset=0.2Idc。

圖5 保護算法流程圖Fig.5 Flow chart of protection algorithm

4 仿真驗證與分析

仿真采用RTDS上搭建的101電平MMC-HVDC雙端系統(tǒng)仿真模型,其原理圖如圖1所示。系統(tǒng)容量為400 MW,直流額定電壓為±200 kV,直流輸電線路長度為200 km,具體參數(shù)見附錄A表A1。數(shù)據(jù)采樣頻率為20 kHz,整定值取值如下:N=100,Iset=0.2Idc。

4.1 直流側(cè)、交流側(cè)故障仿真結(jié)果

附錄A圖A1至圖A3分別給出了在直流輸送功率400 MW穩(wěn)態(tài)工況下,直流線路中點正極金屬性接地故障、負極金屬性接地故障、雙極金屬性短路故障時的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果表明,故障后直流電壓、直流電流和CDC-BPN的變化特性與第2節(jié)中的分析一致,滑動平均濾波較好地提取了CDC-BPN的低頻成分,保護可靠動作。

表2列出了在直流輸送功率400 MW穩(wěn)態(tài)工況下,兩端換流站換流變壓器網(wǎng)側(cè)各類故障時保護的動作情況,表中f1和f2對應圖1中所示故障位置。同時給出了逆變站換流變壓器網(wǎng)側(cè)三相金屬性短路故障時的詳細仿真結(jié)果,具體如附錄A圖A4所示。仿真結(jié)果表明,交流側(cè)故障會引起直流電壓和電流的變化,但兩端換流站同極線路對地電壓依舊近似相等,兩端換流站不同極線路電流也近似相等,CDC-BPN在故障前后始終保持在零值附近,遠小于保護設定的門檻值,保護可靠不動作。

4.2 過渡電阻對保護判據(jù)的影響

表3給出了直流輸送功率400 MW穩(wěn)態(tài)工況下,直流線路正極在不同故障位置、經(jīng)不同過渡電阻接地時的仿真結(jié)果;表4給出了在直流輸送功率400 MW穩(wěn)態(tài)工況下,直流線路雙極在不同故障位置、經(jīng)不同過渡電阻短路時的仿真結(jié)果。直流線路中點正極經(jīng)500 Ω過渡電阻接地故障和雙極經(jīng)500 Ω過渡電阻短路故障時的詳細仿真結(jié)果如附錄A圖A5和圖A6所示。

表2 交流側(cè)故障仿真結(jié)果Table 2 Simulation results for faults at AC side

表3 不同過渡電阻下正極接地故障仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of positive pole-to-ground fault under different fault resistances

表4 不同過渡電阻下雙極短路故障仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of pole-to-pole fault under different fault resistances

由表3可知,單極接地故障在不同位置、經(jīng)不同過渡電阻發(fā)生時,自定義差分電流穩(wěn)態(tài)值僅有微小變化,保護均可準確動作并識別故障類型。這是由于單極接地故障時,故障位置和過渡電阻主要影響直流電壓和電流的高頻成分,而本文保護采用低頻成分進行故障識別。因此單極接地故障時保護效果受過渡電阻的影響很小,保護在任意阻值過渡電阻下均可正確動作。

由表4可知,直流線路在不同位置、經(jīng)不同過渡電阻發(fā)生雙極短路故障時,自定義差分電流穩(wěn)態(tài)值的幅值隨著過渡電阻的增大而減小,當過渡電阻的阻值大于1 000 Ω時,保護的可靠性下降甚至拒動。這是因為過渡電阻較大時,換流器因過流程度低而不閉鎖,兩端換流站直流側(cè)電壓無明顯變化且兩端換流站同極線路無明顯差流。

4.3 直流輸送功率對保護判據(jù)的影響

表5給出了在不同直流輸送功率穩(wěn)態(tài)工況下,直流線路在距K端20 km處發(fā)生金屬性故障時的仿真結(jié)果。系統(tǒng)正常運行時的穩(wěn)態(tài)工況下,直流輸送功率直接決定了直流線路電流幅值,直流線路輸送的功率較小時,直流線路電流也就較小。單極接地故障時,自定義差分電流穩(wěn)態(tài)值的幅值等于故障前直流線路電流,直流輸送功率過小時保護可靠性下降甚至拒動。雙極短路故障時,自定義差分電流穩(wěn)態(tài)值不受直流輸送功率的影響,保護可準確動作并識別故障類型。

表5 不同直流輸送功率下雙極短路故障仿真結(jié)果Table 5 Simulation results of pole-to-pole fault under different DC transmission power

4.4 直流線路長度對保護判據(jù)的影響

更改仿真系統(tǒng)中直流線路長度,在表6中給出了直流輸送功率400 MW穩(wěn)態(tài)工況下,直流線路在距K端90%線路長度處發(fā)生金屬性故障時的仿真結(jié)果。

表6 不同直流線路長度下雙極短路故障仿真結(jié)果Table 6 Simulation results of pole-to-pole fault under different DC line lengths

從表6可以看出,隨著直流線路長度的增加,單極接地故障時自定義差分電流的穩(wěn)態(tài)值幾乎無變化,雙極短路故障時自定義差分電流的穩(wěn)態(tài)值雖有降低但仍保持較大水平,即本文保護原理對線路長度不敏感,適用性較好。

5 結(jié)語

本文分析了MMC-HVDC系統(tǒng)的故障特性,基于自定義差分電流CDC-BPN的特點,提出了一種適用于MMC-HVDC輸電線路的縱聯(lián)保護原理。該保護原理具有如下特點。

1)采用CDC-BPN的低頻成分完成直流側(cè)故障識別和故障選極,保護易于整定,保護效果受線路分布電容影響較小。

2)單極接地故障時CDC-BPN穩(wěn)態(tài)值等于故障前直流線路電流且理論上不受過渡電阻影響,解決了目前MMC-HVDC直流線路電流差動保護不能可靠反映單極接地故障的問題。

3)仿真結(jié)果表明,該原理在一定故障條件下可準確識別直流側(cè)故障并實現(xiàn)故障選極,既可以作為現(xiàn)有主保護的補充,又可加速后備保護動作。

本文所提保護原理在直流線路雙極經(jīng)大電阻短路和低直流傳輸功率下單極接地故障時,保護可靠性不足,進一步提高保護的可靠性是本文后續(xù)的重點研究方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Pilot Protection for MMC-HVDC Transmission Line Based on Custom Difference Current

NINGLianying,TAINengling,ZHENGXiaodong,HUANGWentao

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In order to improve the reliability of fault detection and fault line selection for modular multilevel converter based high voltage direct current (MMC-HVDC) transmission line, a novel pilot protection principle is proposed. Based on the characteristics of the MMC-HVDC system, custom difference current (named CDC-BPN) between the positive pole at one terminal and the negative pole at the other is constructed and used for voltage and current protection. The analysis shows that the absolute value of CDC-BPN for DC line faults is obviously higher than that of normal operation condition and AC system faults. In addition, the sign (positive or negative) of CDC-BPN for positive pole-to-ground fault, negative pole-to-ground fault and pole-to-pole fault is obviously different. According to these characteristics, a pilot protection criterion is constructed to recognize DC line faults and fault line. Simulation results show that the proposed protection is able to detect DC line fault under different fault conditions and select the fault line quickly and reliably.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51407115) and National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0900601).

modular multilevel converter based high voltage direct current (MMC-HVDC); DC transmission line; pilot protection; custom difference current

2017-02-28;

2017-04-13。

上網(wǎng)日期: 2017-06-14。

國家自然科學基金資助項目(51407115);國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0900601)。

寧連營(1991—),男,碩士研究生,主要研究方向:柔性直流輸電系統(tǒng)控制與保護。E-mail：ninglianying@126.com

邰能靈(1972—),男,博士,教授,主要研究方向:電力系統(tǒng)繼電保護與控制。E-mail: nltai@sjtu.edu.cn

鄭曉冬(1985—),男,通信作者,博士,副教授,主要研究方向:直流輸電控制與保護。E-mail: xiaodongzheng@sjtu.edu.cn

(編輯 孔麗蓓)

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