陳文學(xué)，張新慧，彭 克，徐丙垠，陳 羽

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

基于全控型電力電子晶體管(IGBT)的柔性直流系統(tǒng)是目前重要的研究對象.文獻[1-3]對故障處理與保護的現(xiàn)有方法和研究現(xiàn)狀進行了綜述.文獻[4]分析了直流配電網(wǎng)直流側(cè)兩極短路故障的暫態(tài)過程，提出用電阻性超導(dǎo)限流器來限制故障電流的上升，從而降低對現(xiàn)有保護元件的要求.文獻[5]分析了基于VSC的直流電纜故障暫態(tài)特征，并提出了發(fā)生接地故障時的定位方法.文獻[6]提出用可關(guān)斷電子管替代換流器內(nèi)部的續(xù)流.二極管，從而利用換流器直接切除故障.文獻[7-8]中對兩電平換流器型直流系統(tǒng)交直流兩側(cè)故障分別進行了詳細分析，并分析了兩側(cè)之間的相互影響，提出一些保護措施，為以后保護方案的設(shè)計和故障恢復(fù)提供了理論依據(jù).本文針對基于電壓源型換流器的雙端柔性直流配電系統(tǒng)，分析其直流側(cè)單極接地故障特征，探討故障對交流側(cè)保護的影響，總結(jié)出影響保護誤動的關(guān)鍵因素并給出了相應(yīng)建議.

1 雙端系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

柔性直流配電系統(tǒng)可分為雙端和多端直流配電系統(tǒng)兩大類.在雙端直流配電系統(tǒng)中，根據(jù)直流側(cè)的極性布置情況分為單極系統(tǒng)、雙極系統(tǒng)和背靠背系統(tǒng)三類，采用雙極系統(tǒng)與背靠背模式較多，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 雙端直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the double-terminal DC distribution system

圖1中，變壓器的接線方式采用Yn/△接法，起到隔離零序分量在交流側(cè)與直流側(cè)間流動的作用.直流側(cè)電容的接地方式，大多采用把電容分為上下兩個等容量的電容器，電容中性點接地的方式(方式1)，也有直流側(cè)一極接地的方式(方式2)，不接地的方式(方式3)如圖2所示.

圖2 直流側(cè)接地方式Fig.2 Grounding modes of DC side

方式1和3是較為常見的接地方式，文獻[4,8-9]中對此都展開了較為詳盡的分析，在此就不再展開討論.方式2則比較特殊，當(dāng)采用方式2時，一條線路對地電壓為全部直流電壓，另一條線路對地電壓為0，不能充分利用此條線路，只應(yīng)用在某些特殊場合.對于背靠背系統(tǒng)，該方式相當(dāng)于單極大地回線接線方式，即為單極系統(tǒng).當(dāng)雙極系統(tǒng)中有一極發(fā)生故障停運時，可自動轉(zhuǎn)化為單極系統(tǒng)運行.本文主要分析單極運行方式下系統(tǒng)運行情況.

2 直流配電系統(tǒng)故障暫態(tài)特性分析

直流系統(tǒng)中最容易發(fā)生的故障是單極接地，最為嚴重的則是極間短路故障.在采用方式2的背靠背系統(tǒng)中，因有一極接地，故當(dāng)發(fā)生單極接地故障時，相當(dāng)于發(fā)生了極間短路故障，其等效電路如圖3所示.

圖3 直流側(cè)單極接地故障示意圖Fig.3 Schematic diagram of the DC pole-to-ground fault

為簡化分析，從變壓器低壓側(cè)開始進行分析，其簡化后等效電路圖如圖4所示.

圖4 簡化后故障示意圖Fig.4 Schematic diagram of the simplified fault

圖4中交流側(cè)電阻包括變壓器的等效銅損和換流器內(nèi)相電抗器的電阻，電感包括變壓器等效漏抗和電抗器的電感.

2.1 直流電容放電階段

(1)衰減特性分析

故障時刻，背靠背系統(tǒng)中直流線路長度可忽略為0，當(dāng)發(fā)生接地故障時，接地線直接并聯(lián)在電容兩側(cè)，構(gòu)成放電回路.由于沒有直流線路等效電感的存在，故電容放電迅速.直流側(cè)電壓高于交流側(cè)電壓的時間非常短暫，當(dāng)直流側(cè)電壓低于交流側(cè)電壓時，短路電流由電容放電電流和交流側(cè)提供的電流共同構(gòu)成.故障電流此時主要以電容放電電流為主，交流側(cè)提供的電流相對很小，可以忽略不計.該階段等效電路如圖5，動態(tài)過程可以表示成式(1).

圖5 電容放電階段等效電路Fig.5 Equivalent circuit of capacitor discharging stage

該放電回路為RC一階放電回路，其電壓電流所滿足的關(guān)系如下

(1)

解得

(2)

(3)

式中：Rf是短路接地電阻;udc是直流側(cè)電壓;C為電容;ic為電容放電電流;A為某一常數(shù).

假設(shè)故障瞬間直流電壓的值為U0，則可得A=U0.由式(2)可知，電容在放電過程中，電壓會迅速減小到0，電容放電電流也會在瞬間增大，然后減小到0.當(dāng)存在接地電阻時，由于一直會有短路電流流過，電容會被接地電阻兩端的電壓嵌位，即電容電壓等于直流母線電壓，二者變化趨勢基本一致.由于直流側(cè)沒有電抗，不會出現(xiàn)反電動勢使換流器中續(xù)流二極管同時導(dǎo)通，故不會發(fā)生二極管同時導(dǎo)通階段.

(2)直流電容影響分析

由式(3)可知，電容大小直接影響著電容放電階段的放電電流大小，當(dāng)故障接地電阻一定時，電容越大，最大放電電流越大；反之則相反.電容大小還影響著衰減時間常數(shù)，決定著放電電流衰減快慢.若放電電流較大，則衰減較慢，對系統(tǒng)危害就越嚴重.實際工程應(yīng)用中，應(yīng)事先進行故障模擬與分析，選取合適的電容值.

2.2 自然換向至穩(wěn)態(tài)階段

電容放電結(jié)束后，交流側(cè)開始對電容充電，整個系統(tǒng)在交流電源的作用下逐漸進入穩(wěn)態(tài).此階段的等效電路如圖6所示.

圖6 自然換向至穩(wěn)態(tài)階段等效電路Fig.6 Equivalent circuit of uncontrolled rectifier stage

圖中虛線所示部分為故障電流某一流通路徑.根據(jù)換流器的拓撲結(jié)構(gòu)及SPWM基本原理可知，換流器功能是通過發(fā)送脈沖控制上下橋臂的器件交替開斷來實現(xiàn)的.對于SPWM調(diào)制，其開關(guān)函數(shù)可分為電壓開關(guān)函數(shù)Suk(k=a、b、c)及電流開關(guān)函數(shù)Sik，具體描述如下

(4)

(5)

根據(jù)開關(guān)函數(shù)，可以得出交流側(cè)參數(shù)與直流側(cè)參數(shù)的關(guān)系如下

(6)

ivsc=iaSia+ibSib+icSic

(7)

式中：Udc、ivsc是直流端口電壓及電流；uk、ik為交流端口電壓及電流.

該過程是個不斷變化的動態(tài)過程，以D1、D2導(dǎo)通為例，回路中電壓、電流關(guān)系具體如下式

(8)

可以看出，交流側(cè)電源至換流器處壓降由電流大小和等效電阻、電感所決定，影響著直流電壓.直流側(cè)電壓、接地電阻大小決定著直流側(cè)故障電流，而故障電流if的變化影響著交流側(cè)電流.可見交直流側(cè)相互影響，故障電流與交流側(cè)等效電阻、電感及接地電阻等參數(shù)緊密關(guān)聯(lián).

2.3 對交流側(cè)保護的影響分析

對于10kV配電網(wǎng)，其保護配置常采用三段式電流保護，分別為電流速斷保護、限時電流速斷保護及定時限過電流保護.電流速斷保護按躲開下條線路出口處短路的條件整定，限時電流速斷則根據(jù)電流速斷的整定值進行整定，且增加一動作延時來保證選擇性.三段定實限過電流保護則一般按照躲開最大負荷電流來整定，由于其動作延時較長在此不再討論.

由前述分析可知，故障發(fā)生時，電容放電電流通過故障接地線與電容自成回路，且放電時間一般很短，故對交流側(cè)影響不大，但電容大小的選取會對直流側(cè)產(chǎn)生一定影響.在自然換向至穩(wěn)態(tài)階段，由圖6的等效電路可知，影響電流大小的主要因素有線路參數(shù)、電源內(nèi)阻、電抗器參數(shù)，這三個參數(shù)直接決定著等效電路中電阻、電感值，即式(8)中的Rs、Ls，從而影響著系統(tǒng)中電流isa；而交流側(cè)保護的I、II段整定值實質(zhì)上是根據(jù)線路參數(shù)計算短路電流的穩(wěn)態(tài)值來整定，因此直流故障時交流側(cè)繼電保護是否存在誤動也與這個三個參數(shù)緊密關(guān)聯(lián).

綜上所述，當(dāng)采用單極接地方式的背靠背系統(tǒng)直流側(cè)發(fā)生接地故障時，故障電流在交、直流回路中流通，會對直流側(cè)造成危害，也會對交流側(cè)產(chǎn)生較大影響.

3 算例分析

本文在DIgSILENT/PowerFactory軟件中搭建了雙端直流配電系統(tǒng)的仿真模型，如圖7所示.

圖7 基于DIgSILENT/PowerFactory的雙端直流配電系統(tǒng)模型Fig.7 The model of double-terminal DC power distribution system based on DIgSILENT/PowerFactory

控制系統(tǒng)對于直流配電系統(tǒng)的運行性能起到至關(guān)重要的作用.文獻[10-12]中對其進行展開了詳細的討論，對于雙端直流配電系統(tǒng)，為保持兩側(cè)P、Q輸入與輸出的平衡和直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，一般是一端PWM采用有功功率控制，另一端PWM采用直流電壓控制.

3.1 故障特性分析

系統(tǒng)中交流側(cè)電壓為10kV，直流側(cè)電壓為20kV，直流側(cè)接地電容為1 500μF.設(shè)置直流母線接地故障時，接地電阻設(shè)置為Rf=0.2Ω，故障發(fā)生在t=0.1s，整個仿真時間為0.3s.故障后，直流母線的電壓、電流波形以及流過電容的放電電流如圖8所示.

(a)直流電壓波形 (b)直流電流及電容電流波形圖8 直流側(cè)單極接地故障情況下各波形Fig.8 The waveforms when DC pole-to-ground fault occurred

從圖中可以看出，在故障發(fā)生時刻t=0.1s以前，直流母線電壓為正常值20kV，電容放電電流為0，短路電流也為0.發(fā)生故障后，電容放電電流迅速上升，幾乎在故障瞬間就達到峰值,之后逐漸減小，達到穩(wěn)態(tài).將根據(jù)圖中的幾個時間點對故障理論分析進行驗證，需要說明的是，下面幾個時間點所對應(yīng)時間均以故障開始為0時刻對公式進行驗證.

1) 電容放電階段

(1)正常衰減特性分析

正常工作時，直流母線電壓為20kV，流過電流為0.15kA，直流電容電流和故障電流都為0，可以得到電容放電階段直流母線電壓和電容放電電流的表達式為

(9)

(10)

式中各字符含義與前所述一致.選取t=0.001s時進行分析，由式(9)、式(10)計算得到直流電壓為0.713kV，電容電流為3.567kA，而通過仿真得到的直流電壓約為0.796kV，電容電流約為3.415kA，計算結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合.同時，通過仿真可以看到直流側(cè)短路電流為3.981kA，驗證了在電容放電階段交流電源提供的短路電流確實小于電容放電電流，故障開始階段主要以電容放電為主.該階段短路電流峰值約為84.746kA，可見會對直流側(cè)產(chǎn)生很大沖擊，造成嚴重的危害.

(2)直流電容影響分析

直流側(cè)電容選取不同，會對直流側(cè)產(chǎn)生不同程度的影響，影響著電容放電階段，具體如下：

表1 不同電容下放電情況
Tab.1 Electro-discharge conditions under different capactances

電容/μF最大放電電流/kAiC衰減至0時間/s100079．0330．0011045200087．9010．0019560300091．3160．0027520

仿真模型同前，系統(tǒng)兩側(cè)各元件參數(shù)設(shè)置一致，線路長度都為5km，短路電壓百分比為5%，電源內(nèi)阻為0,直流側(cè)故障在0.1s時發(fā)生.

從表中數(shù)據(jù)可知，電容選取越大，電容放電階段最大放電電流越大.此時直流側(cè)放電電流波形如下：

可見改變電容大小，放電階段電流波形基本一致，但電容越大沖擊電流就越大，對直流側(cè)影響越大.該情況從式(3)中也可分析得知，等式右邊C越大，其左邊iC數(shù)值就越大.

2) 自然換向至穩(wěn)態(tài)階段

從圖9中可以看出，當(dāng)電容放電結(jié)束，直流側(cè)達到一個穩(wěn)態(tài)，直流電壓約為0.705kV，短路電流為3.527kA，兩換流器直流側(cè)出口電流分別為1.8214kA、1.7052kA，兩者之和約等于短路電流大小，此時短路電流由交流側(cè)提供.交流側(cè)三相電壓電流波形如圖10所示.從圖10中可以看出，交流側(cè)也能檢測到較大的故障電流.

(a)電容為1000μF (b)電容為2000μF (c)電容為3000μF圖9 電容放電電流波形Fig.9 Capacitor discharging current waveforms

(a)交流電源側(cè) (b)換流器交流側(cè)圖10 交流側(cè)電壓、電流波形圖Fig.10 The current waveform of AC voltage and current

從圖10中可以看出，在故障初期，交流側(cè)電壓、電流都有輕微波動，表現(xiàn)出不對稱，幅值也有變化.待整個系統(tǒng)達到新的穩(wěn)態(tài)時，交流側(cè)電壓幅值減小，電流幅值變大，且依然對稱.

3.2 直流側(cè)故障對交流側(cè)保護的影響

仿真模型依然同前，通過設(shè)置不同參數(shù)，討論直流側(cè)故障是否會引起交流側(cè)保護誤動.在配電網(wǎng)中，線路的I段保護整定值都較大，一般不會造成誤動，本文對II段保護的影響展開討論.

圖7中2區(qū)系統(tǒng)參數(shù)不變，兩條線路長度分別為6km、8km，電抗器內(nèi)短路電壓設(shè)置為5%，電源內(nèi)阻為0.通過改變圖7中1區(qū)參數(shù)進行分析.

1)線路長度

表2 不同線路長度下電流情況
Tab.2 Current conditions under different line lengths

線路1/km線路2/kmImax/kAIIIset．1/kAΔI/kA553．4543．8280．374852．7972．9450．1481052．4782．5520．0741352．1132．1270．0141551．9231．914-0．009

從表中可以看出，隨著線路1長度的增加，回路中阻抗隨之增大，故障電流與整定電流都有所減小，但兩者之差卻在不斷減小.當(dāng)線路長度到一定值時，會引起保護誤動.誤動情況下的電流波形圖如圖11所示.可見線路長度影響短路電流，設(shè)置不當(dāng)會引起故障時系統(tǒng)保護誤動.

(a)交流側(cè)三相短路 (b)直流側(cè)故障圖11 線路過長引發(fā)保護誤動時線路1電流波形圖Fig.11 The current waveform of line 1 during fault

2)電抗器

圖7中1區(qū)線路1、2長度分別為10km、5km，電源內(nèi)阻為0.不同Uk%下電流情況見表3.

表3 不同Uk%下電流情況
Tab.3 Current conditions under different uk%

短路電壓Uk%Imax/kAIIIset．1/kAΔI/kA102．1742．5520．37882．2902．5520．26252．4782．5520．07432．6012．552-0．049

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，電抗器內(nèi)短路電壓百分值設(shè)置越小，故障電流就越大.可見，當(dāng)Uk%小到一定程度時，就會出現(xiàn)II段保護誤動的情況.誤動時電流波形圖如圖12所示.

(a)交流側(cè)三相短路 (b)直流側(cè)故障圖12 Uk%值過小引發(fā)保護誤動時線路1電流波形圖Fig.12 The current waveform of line 1 during fault

3)電源內(nèi)阻

增加電源內(nèi)阻，就會增大回路阻抗，其作用效果跟增大線路長度效果一致，ΔI會變小，在一定程度上增大保護誤動的可能性.當(dāng)圖7 1區(qū)線路1、2長度分別為10km、5km，電抗器內(nèi)短路電壓百分比為5%時，內(nèi)阻變化的影響見表4.

表4 不同電壓內(nèi)阻下電流情況
Tab.4 Current conditions under different voltage internal resistance

電源內(nèi)阻/ΩImax/kAIIIset．1/kAΔI/kA0．22．3512．3950．0440．52．1822．1920．0100．82．0352．020-0．015

可見當(dāng)電源內(nèi)阻較大時，也會導(dǎo)致故障時保護誤動.其誤動時電流波形圖如圖13所示.

(a)交流側(cè)三相短路 (b)直流側(cè)故障圖13 電源內(nèi)阻較大引發(fā)保護誤動時線路1電流波形圖Fig.13 The current waveform of line 1 during fault

在計算保護整定值時，所選的可靠系數(shù)越大，其整定值也就越大，故障電流導(dǎo)致保護誤動的可能性就越小.因此，保護裝置在設(shè)定參數(shù)時要選擇合適的整定值.

4 結(jié)論

本文分析了采用單極接地方式的雙端直流配電系統(tǒng)中直流側(cè)單極接地故障特征，并基于DIgSILENT/PowerFactory搭建雙端直流配電系統(tǒng)模型進行了仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1)通過分析雙端直流配電系統(tǒng)采用單極接地方式(方式2)直流側(cè)發(fā)生接地故障時的特征，指出該方式下發(fā)生接地故障相當(dāng)于采用其它接地方式(方式1或3)下發(fā)生雙極短路故障，其故障演變階段有所不同，不會發(fā)生二極管同時導(dǎo)通階段，這樣就不會發(fā)生交流側(cè)三相短路的狀況，降低了對交流系統(tǒng)的危害性.

(3)改變電容大小，基本不影響放電趨勢，但電容越大，沖擊電流越大，放電電流衰減至0時間越長，對直流側(cè)影響越大.

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