鄭 濤，呂文軒

（新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京市 102206）

0 引言

柔性直流配電網(wǎng)（簡(jiǎn)稱“柔直配電網(wǎng)”）因其控制靈活、易于接入分布式電源等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的發(fā)展前景［1］，然而其“弱阻尼、低慣性”的特點(diǎn)導(dǎo)致直流故障電流上升迅速，對(duì)柔直配電網(wǎng)造成嚴(yán)重威脅［2］。針對(duì)該問(wèn)題，現(xiàn)有解決方案主要包括2 種：一是利用限流電抗器抑制過(guò)電流，通過(guò)直流斷路器在換流器閉鎖前切除故障線路（如張北±500 kV 直流電網(wǎng)［3］）；二是利用具有故障自清除能力的換流器（如全橋型模塊化多電平換流器（full-bridge modular multilevel converter，F(xiàn)B-MMC））閉鎖清除故障電流，通過(guò)負(fù)荷開(kāi)關(guān)斷開(kāi)故障線路［4］。方案一的選擇性較好，但直流斷路器的成本較高，因而經(jīng)濟(jì)性欠佳。相比于方案一，方案二的經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，但通過(guò)閉鎖換流器清除故障電流將導(dǎo)致柔直配電網(wǎng)的供電可靠性難以保證。

為了在故障清除時(shí)保證持續(xù)供電，并降低故障隔離設(shè)備的開(kāi)斷容量，基于故障主動(dòng)控制策略［5-8］的保護(hù)原理被相繼提出［9-11］。故障主動(dòng)控制策略與保護(hù)裝置相輔相成，通過(guò)二者的協(xié)調(diào)配合，顯著降低故障對(duì)電網(wǎng)的影響［5］。然而，目前基于換流器故障主動(dòng)控制的保護(hù)方案均聚焦于主保護(hù)，在極端情況（如通信系統(tǒng)故障、斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)拒動(dòng)）下，主保護(hù)存在拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究控制與保護(hù)協(xié)同策略下的后備保護(hù)意義重大。

在當(dāng)前直流線路后備保護(hù)的研究中，文獻(xiàn)［12］利用線路兩端波形相似度原理實(shí)現(xiàn)故障線路的確定；文獻(xiàn)［13］利用故障線路兩端電流極性均為正的特征實(shí)現(xiàn)故障定位。然而當(dāng)通信系統(tǒng)故障時(shí)，上述后備保護(hù)可能拒動(dòng)。鑒于此，基于本地量的后備保護(hù)更適宜成為直流配電網(wǎng)保護(hù)的最后防線。在高壓直流電網(wǎng)中，線路出口處的限流電抗器為基于本地量的后備保護(hù)提供天然保護(hù)邊界［14］。但未配置限流電抗器的柔直配電網(wǎng)不具備該條件，基于本地量信息實(shí)現(xiàn)故障的選擇性隔離成為構(gòu)造柔直配電網(wǎng)后備保護(hù)的最大難點(diǎn)，迄今尚未有完備的解決方案。在已有的本地量保護(hù)方案中，過(guò)流保護(hù)［15］及欠壓保護(hù)［16］難以實(shí)現(xiàn)故障的選擇性定位，且實(shí)用性不高。文獻(xiàn)［17］利用故障后各斷路器處故障電流增量的極性構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，但其判據(jù)整定值計(jì)算繁瑣。文獻(xiàn)［18］設(shè)計(jì)了一種較復(fù)雜的V 形判定閾值，根據(jù)故障電流積分和是否落在閾值內(nèi)判定故障情況。文獻(xiàn)［19-20］聚焦于利用故障特征提高后備保護(hù)的啟動(dòng)速度，但并未涉及具體方案。

面對(duì)控制與保護(hù)協(xié)同策略下后備保護(hù)方案的空缺及未配置限流電抗器的柔直配電網(wǎng)無(wú)天然邊界的難點(diǎn)，本文提出了一種基于本地電流突變量極性的柔直配電網(wǎng)后備保護(hù)方案，利用FB-MMC 的故障主動(dòng)控制，通過(guò)本地電流突變量極性以及各負(fù)荷開(kāi)關(guān)的時(shí)序配合關(guān)系定位并隔離故障線路。本文方案無(wú)需通信，且能夠與基于FB-MMC 故障主動(dòng)控制的主保護(hù)方案相互配合。鑒于電壓源型換流器的功率控制周期為100 μs 左右，橋臂過(guò)流前有足夠的周期進(jìn)行主動(dòng)控制，能夠在毫秒級(jí)時(shí)間尺度內(nèi)完成［5］。為簡(jiǎn)化分析，本文主要以FB-MMC 為例，但所得方案可通用于能夠進(jìn)行故障主動(dòng)控制的換流器。最后，在PSCAD/EMTDC 中搭建了四端環(huán)網(wǎng)模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證了本文所提后備保護(hù)方案的有效性。

1 基于故障主動(dòng)控制的主保護(hù)方案

以文獻(xiàn)［9］所述基于雙端通信的控制與保護(hù)協(xié)同主保護(hù)方案為例，基于故障主動(dòng)控制的主保護(hù)策略主要包含故障主動(dòng)控制、故障線路定位及故障線路隔離3 個(gè)階段，如附錄A 圖A1 所示。FB-MMC在檢測(cè)到直流故障發(fā)生后，迅速?gòu)恼＿\(yùn)行控制切換為故障主動(dòng)控制策略，如附錄A 圖A2 所示。

在故障主動(dòng)控制策略下，各相橋臂的調(diào)制電壓以時(shí)變的交流電壓為參考，通過(guò)反向投入FB-MMC中的全橋子模塊（full-bridge sub-module，F(xiàn)BSM）調(diào)整端口電壓Udc（如附錄A 圖A3 所示），減小FBMMC 端口與故障點(diǎn)之間的電勢(shì)差，最終實(shí)現(xiàn)出口電流Idc的抑制。在實(shí)際負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)中，給定Idc的參考值后Udc的參考值可自動(dòng)給定，進(jìn)而根據(jù)交流電壓計(jì)算出各相橋臂子模塊負(fù)投入的個(gè)數(shù)。此時(shí)，Idc與橋臂三相共模電壓ucom，a、ucom，b與ucom，c之間的關(guān)系滿足式（1）［9］。

式中：Leq為單相等效電感，Leq=Larm+LT/2，Larm為橋臂電感，LT為交流側(cè)等效電感；Req為橋臂等值電阻。

引入共模電壓量ucom，z=(ucom，a+ucom，b+ucom，c)/3，可得出Idc與ucom，z的關(guān)系如式（2）所示。

由式（2）可知，第1 階段中的故障主動(dòng)控制可借鑒環(huán)流抑制的控制策略（circulating current suppression control，CCSC）［21］，通過(guò)在CCSC 輸出共模電壓ucom，j*（j=a，b，c）上疊加ucom，z調(diào)整橋臂電壓，實(shí)現(xiàn)出口電流Idc的控制。在故障主動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，利用電流過(guò)零原理實(shí)現(xiàn)故障線路的定位，進(jìn)而通過(guò)負(fù)荷開(kāi)關(guān)、直流斷路器的配合實(shí)現(xiàn)故障隔離［9］。然而在通信系統(tǒng)故障的情況下，基于過(guò)零原理的主保護(hù)方案難以得知對(duì)端的過(guò)零點(diǎn)情況，故障線路無(wú)法可靠定位；在斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)拒動(dòng)的情況下，故障線路同樣無(wú)法可靠切除。

2 故障主動(dòng)控制下基于本地電流突變量極性的后備保護(hù)

為解決雙端主保護(hù)拒動(dòng)的問(wèn)題，本文在故障主動(dòng)控制下，通過(guò)檢測(cè)FB-MMC 輸出電流的變化，基于本地電流突變量設(shè)計(jì)了一種后備保護(hù)方案。鑒于柔直配電網(wǎng)雙極短路故障對(duì)系統(tǒng)的危害更大，本文以雙極短路故障為例展開(kāi)分析。

2.1 故障定位原理

以圖1 所示四端環(huán)形柔直配電網(wǎng)為例，在故障主動(dòng)控制的作用下，F(xiàn)B-MMC 流入直流電網(wǎng)的故障電流方向和大小可控，故可將其等效為受控電流源。圖1 中，S12 為安裝在母線1 處通過(guò)線路連接母線2 的負(fù)荷開(kāi)關(guān)，流過(guò)S12 的電流命名為I12，同理可命名網(wǎng)絡(luò)中其余負(fù)荷開(kāi)關(guān)及其電流，電流正方向?yàn)橹绷髂妇€指向線路。

圖1 四端環(huán)形柔直配電網(wǎng)拓?fù)銯ig.1 Topology of four-terminal ring flexible DC distribution network

當(dāng)故障主動(dòng)控制啟動(dòng)一定時(shí)間后，若電網(wǎng)電壓仍未上升，認(rèn)為主保護(hù)拒動(dòng)。設(shè)此時(shí)FB-MMC 輸出故障電流為Ilim。以線路L2 上故障F1 為例，若僅以故障電流極性構(gòu)造保護(hù)判據(jù)，則在不同線路長(zhǎng)度及參數(shù)的環(huán)網(wǎng)中，受支路分流的影響，流過(guò)線路L4 的電流極性難以確定，此時(shí)保護(hù)易誤動(dòng)。鑒于故障主動(dòng)控制的目標(biāo)值可靈活調(diào)整，若將MMC1 輸出故障電流增大mIlim（m為故障電流增量系數(shù)），則電流增量將沿線路流入故障點(diǎn)，如附錄A 圖A4 所示。該種控制方式僅需要對(duì)故障電流控制目標(biāo)值加以修改，理論上柔直配電網(wǎng)中任一FB-MMC 均可實(shí)現(xiàn)此功能?？紤]到供電可靠性，建議采取直流電壓控制的FB-MMC 增大輸出電流。此外，綜合考慮減小電力電子設(shè)備及直流線路所受的故障電流應(yīng)力及保證電流互感器準(zhǔn)確檢測(cè)到電流突變等因素，m的范圍建議為0 ＜m＜1，并推薦在中間值0.5 附近選取m。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)實(shí)際情況選取合適值，以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的需求。

根據(jù)電流突變量的變化，若負(fù)荷開(kāi)關(guān)處檢測(cè)到電流突變量極性為負(fù)（即電流由線路流向母線），判斷故障位于本處負(fù)荷開(kāi)關(guān)的反方向，保護(hù)閉鎖。因此，在F1 故障時(shí)，為進(jìn)一步確定故障位置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)各負(fù)荷開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間加以控制，通過(guò)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的時(shí)序配合實(shí)現(xiàn)故障線路的選擇性斷開(kāi)。以MMC1 為故障檢測(cè)的主控站為例，由于MMC1 主動(dòng)增大了輸出電流，故以其為首端展開(kāi)環(huán)網(wǎng)，按規(guī)定的正方向?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷開(kāi)關(guān)分為順時(shí)針?lè)较蜇?fù)荷開(kāi)關(guān)及逆時(shí)針?lè)较蜇?fù)荷開(kāi)關(guān)2 組，其時(shí)序配合關(guān)系如圖2 所示，負(fù)荷開(kāi)關(guān)下方標(biāo)注的T1、T2、T3、T4代表各自的動(dòng)作時(shí)間。

圖2 負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序配合關(guān)系Fig.2 Operation time-sequential coordination of load switches

仍以故障F1 為例，根據(jù)圖2 所示關(guān)系，S21 及S41 應(yīng)在T1時(shí)刻最先動(dòng)作，但由于2 處負(fù)荷開(kāi)關(guān)檢測(cè)到的電流突變量極性均為負(fù)，保護(hù)閉鎖不會(huì)誤動(dòng)。經(jīng)預(yù)先整定的動(dòng)作延時(shí)Δt后，S32 及S34 應(yīng)在T2時(shí)刻動(dòng)作，S34 因電流突變量極性為負(fù)而閉鎖，最終僅S32 在T2時(shí)刻動(dòng)作，成功定位出故障線路的一端。由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，當(dāng)S32 斷開(kāi)后故障電流將按圖3 重新分布。

不同于第1 次閉鎖利用的FB-MMC 控制產(chǎn)生的電流突變信號(hào)，第2 次閉鎖時(shí)所依據(jù)的電流突變量極性由故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起。以S43 為例，若在S32 未斷開(kāi)前其電流由母線指向線路，則根據(jù)圖3 所示電流方向，在S32 斷開(kāi)后，S43 處的電流突變量極性為負(fù)；若在S32 未斷開(kāi)前S43 的電流為負(fù)，則根據(jù)分流關(guān)系該電流僅為MMC3 輸出故障電流的一部分，在S32 斷開(kāi)后，MMC3 的故障電流全部流過(guò)S43，因此電流突變量極性也為負(fù)。遵循“若電流突變量極性為負(fù)、則保護(hù)閉鎖”的原則，根據(jù)圖3 中故障電流重分布引起的電流突變量極性，負(fù)荷開(kāi)關(guān)S14、S43 處保護(hù)閉鎖，最終網(wǎng)絡(luò)中仍處于延時(shí)動(dòng)作狀態(tài)的負(fù)荷開(kāi)關(guān)為S12 及S23，根據(jù)圖2 的整定時(shí)間，T3時(shí)刻S23 首先動(dòng)作，成功斷開(kāi)故障線路另一端。故障線路斷開(kāi)后，系統(tǒng)電壓上升，S12 保護(hù)返回，后備保護(hù)動(dòng)作總時(shí)間為T3。

圖3 故障線路一端斷開(kāi)后故障電流分布及保護(hù)閉鎖情況Fig.3 Distribution of fault current and blocking of protections when one end of faulty line is disconnected

當(dāng)故障F2 發(fā)生在線路L1 上時(shí)，同理控制MMC1 輸出故障電流增大mIlim后，負(fù)荷開(kāi)關(guān)S23、S34、S41 處保護(hù)閉鎖，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中各負(fù)荷開(kāi)關(guān)的動(dòng)作情況如表1 所示。

表1 L1 線路上F2 故障時(shí)各負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況Table 1 Operation of each load switch with fault F2 on line L1

根據(jù)表1 可知，S21 在T1時(shí)刻首先動(dòng)作，斷開(kāi)故障線路L1 的一端，根據(jù)“若電流突變量極性為負(fù)，則保護(hù)閉鎖”的原則，S32、S43、S14 處的保護(hù)閉鎖，如附錄A 圖A5 所示。結(jié)合第1 次閉鎖的負(fù)荷開(kāi)關(guān)S23、S34、S41，網(wǎng)絡(luò)中待動(dòng)作的負(fù)荷開(kāi)關(guān)僅剩S12。T4時(shí)刻S12 動(dòng)作，故障線路成功隔離。

綜合上述分析，本文提出的后備保護(hù)方案首先利用一端FB-MMC 的故障主動(dòng)控制策略增大輸出電流，根據(jù)各負(fù)荷開(kāi)關(guān)處的本地電流突變量極性的判據(jù)閉鎖位于故障反方向的保護(hù)；進(jìn)而通過(guò)階梯形的時(shí)序配合關(guān)系確定故障線路的一端，利用該端斷開(kāi)時(shí)故障電流重新分布引起的各負(fù)荷開(kāi)關(guān)處電流突變量極性的變化，進(jìn)一步閉鎖非故障線路保護(hù)，最終確定故障線路另一端。

2.2 故障隔離方法

雖然應(yīng)用直流斷路器可簡(jiǎn)單快捷地實(shí)現(xiàn)2.1 節(jié)故障定位策略，但其造價(jià)高昂，大大降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性［22］。因此，本節(jié)提出一種故障關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)零電流控制策略，通過(guò)FB-MMC 直接控制故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)上流過(guò)的電流，在柔直配電網(wǎng)持續(xù)供電的情況下，利用負(fù)荷開(kāi)關(guān)直接實(shí)現(xiàn)故障隔離。

為了說(shuō)明本節(jié)介紹的故障隔離方法，將連接在同一母線上的負(fù)荷開(kāi)關(guān)及FB-MMC 定義為“相互關(guān)聯(lián)”。以母線3 為例，其上所連的S32、S34 及MMC3為相互關(guān)聯(lián)設(shè)備（如附錄A 圖A6 所示），同理可定義其余母線處的相互關(guān)聯(lián)設(shè)備。本節(jié)所述故障隔離方法，僅在相互關(guān)聯(lián)設(shè)備之間進(jìn)行。仍以MMC3 為例，其母線3 處電流關(guān)系如圖4 所示。

圖4 故障關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)零電流控制策略Fig.4 Zero-current control strategy of fault associated switch

當(dāng)故障點(diǎn)位于F1 處時(shí)，流過(guò)故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)S32 的電流I32、MMC 輸出故障電流Ilim及流過(guò)非故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)S34 的電流I34滿足關(guān)系：

在故障定位階段Ilim一般被限制在額定值附近［9］。在故障線路隔離時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)負(fù)荷開(kāi)關(guān)S32的斷開(kāi)，MMC3 將其輸出電流Ilim的控制目標(biāo)值取為I34，并實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量的電流量。此時(shí)，MMC3 將不再向柔直配電網(wǎng)提供故障電流，轉(zhuǎn)而汲出故障電流，將原本應(yīng)流過(guò)S32 的故障電流引入FB-MMC 內(nèi)部。在此情況下，僅需負(fù)荷開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)故障線路的隔離。在S32 斷開(kāi)后，將MMC3 的控制目標(biāo)值恢復(fù)為原先的定值，保證故障定位策略的可靠實(shí)現(xiàn)。

2.3 保護(hù)動(dòng)作加速策略

保護(hù)的動(dòng)作速度對(duì)直流電網(wǎng)的快速恢復(fù)至關(guān)重要，目前已有多篇文獻(xiàn)針對(duì)縱聯(lián)保護(hù)提出了加速策略［23-24］，然而針對(duì)基于本地量的后備保護(hù)方案的加速策略尚缺乏研究。本文在提出一種基于單端量的后備保護(hù)方案基礎(chǔ)上，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了其加速策略，通過(guò)引入電流幅值比較系數(shù)k，縮短了后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。

以圖1 故障F1 為例，在未確定故障線路一端時(shí)（T2時(shí)刻之前），網(wǎng)絡(luò)中任意負(fù)荷開(kāi)關(guān)測(cè)量的電流IS均滿足：

當(dāng)S32 斷開(kāi)（T2時(shí)刻）后，故障電流均經(jīng)S23 流入故障點(diǎn)，如圖3 所示。此時(shí)S23 測(cè)量的電流IS23滿足：

而S12 測(cè)量的電流IS12為：

電流幅值比較系數(shù)k定義如下：

將式（4）代入式（7）可得：T2時(shí)刻之前，任意負(fù)荷開(kāi)關(guān)處k均小于4+m。將式（5）和式（6）代入式（7）可得：T2時(shí)刻之后，非故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)處k同樣小于4+m，僅故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)處k=4+m。因此，可設(shè)計(jì)加速判據(jù)如式（8）所示。當(dāng)式（8）滿足時(shí)，保護(hù)按照預(yù)先設(shè)定的延時(shí)動(dòng)作，否則迅速發(fā)送分?jǐn)嗝?，使故障線路一端斷開(kāi)后，另一端負(fù)荷開(kāi)關(guān)迅速動(dòng)作。

在應(yīng)用保護(hù)加速策略后，當(dāng)故障F1 發(fā)生時(shí)，負(fù)荷開(kāi)關(guān)S32 動(dòng)作后S23 迅速動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作總時(shí)間為T2，相比于2.1 節(jié)方案，動(dòng)作時(shí)間減少了Δt；當(dāng)故障F2 發(fā)生時(shí)，保護(hù)動(dòng)作總時(shí)間為T1，動(dòng)作時(shí)間減少了3Δt。故障位于圖1 其他線路時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與上述2 種情況相同，故應(yīng)用加速策略后本文所提后備保護(hù)方案最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間為T2，見(jiàn)附錄B 表B1。

2.4 保護(hù)判斷流程

綜合2.1 節(jié)—2.3 節(jié)的分析，本文提出的后備保護(hù)判斷流程圖如圖5 所示。在主保護(hù)拒動(dòng)的情況下，基于FB-MMC 的故障主動(dòng)控制，本文所述的后備保護(hù)方案能夠僅利用本地電流突變量的極性，通過(guò)時(shí)序配合實(shí)現(xiàn)故障線路的選擇性隔離。當(dāng)故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)拒動(dòng)時(shí)，下一級(jí)線路的負(fù)荷開(kāi)關(guān)能夠提供遠(yuǎn)后備，進(jìn)一步提高了保護(hù)的可靠性。此外，本文保護(hù)方案利用FB-MMC 的控制，基于負(fù)荷開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了故障的不停電隔離，相比與直流斷路器，節(jié)約了工程建設(shè)成本，大大提高了柔直配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 基于本地電流突變量極性的后備保護(hù)判斷流程圖Fig.5 Flow chart of backup protection judgment based on polarity of local current sudden-change

3 方案適用性分析

3.1 過(guò)渡電阻的影響

本文所提方案以電流突變量極性為判斷依據(jù)，由于MMC 可以對(duì)故障電流進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的控制，電流突變量的大小可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)，能夠避免高阻故障下電流突變不明顯的問(wèn)題，理論上故障定位過(guò)程不受過(guò)渡電阻大小的影響。但過(guò)渡電阻過(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致柔直配電網(wǎng)在故障期間出現(xiàn)過(guò)電壓。以圖1 中F1 處發(fā)生過(guò)渡電阻為Rf的雙極短路故障為例（如附錄A 圖A7 所示），此時(shí)系統(tǒng)電流電壓關(guān)系滿足式（9）。

式中：If為流入故障點(diǎn)電流；IMMCi（i=1，2，3，4）為MMCi在故障主動(dòng)控制下的輸出電流值。

在故障定位階段，F(xiàn)B-MMC 控制輸出電流為恒定值，若過(guò)渡電阻Rf過(guò)大，故障下Udc可能超過(guò)柔直配電網(wǎng)的安全閾值，嚴(yán)重影響了各設(shè)備的安全運(yùn)行［25］。針對(duì)該問(wèn)題，本文在FB-MMC 故障主動(dòng)控制中引入電壓反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)測(cè)量的直流電壓超出額定電壓時(shí)，以額定極間電壓UdcN為直接控制目標(biāo)值，間接給出電流參考值。由于FB-MMC 輸出故障電流Ilim與極間電壓滿足式（9）的關(guān)系，因此可設(shè)計(jì)負(fù)反饋環(huán)節(jié)，通過(guò)跟蹤UdcN實(shí)現(xiàn)電流參考值的確定，如附錄A 圖A8 所示。為避免FB-MMC 輸出電流過(guò)大，在控制中引入限幅環(huán)節(jié)，將控制器輸出上限Imax設(shè)置為金屬性故障下的控制目標(biāo)值。

3.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響

除第2 章中介紹的環(huán)形拓?fù)渫?，手拉手型拓?fù)湟彩侨嶂迸潆娋W(wǎng)常見(jiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［26］。為了提高本文方案的實(shí)用性，本節(jié)以四端手拉手拓?fù)涞娜嶂迸潆娋W(wǎng)為例分析所提方案的適用情況，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見(jiàn)附錄A 圖A9。

當(dāng)線路L2 發(fā)生故障F3 時(shí)，根據(jù)第2 章分析，經(jīng)延時(shí)確認(rèn)主保護(hù)拒動(dòng)后，MMC1 的輸出故障電流增大mIlim，此時(shí)增量電流僅經(jīng)過(guò)S12、S21、S23 流入故障點(diǎn)，根據(jù)突變量電流極性，僅S21 處的保護(hù)閉鎖。若仍按照?qǐng)D2 所示時(shí)序配合關(guān)系整定各負(fù)荷開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，則S41 在T1時(shí)刻首先動(dòng)作，保護(hù)誤動(dòng)。對(duì)該問(wèn)題進(jìn)一步分析可知，不同于環(huán)網(wǎng)拓?fù)?，手拉手拓?fù)渲械墓收想娏鞣植疾皇芫€路參數(shù)的影響，故障后必定從FB-MMC 流入故障點(diǎn)?；谠撎匦?，本文所提方案應(yīng)用于手拉手拓?fù)鋾r(shí)無(wú)須主動(dòng)控制MMC1 增大輸出電流，僅利用故障電流極性及表2所示的動(dòng)作時(shí)間配合關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)故障隔離。此時(shí)可將動(dòng)作判據(jù)由“若電流突變量極性為負(fù)，則保護(hù)閉鎖”簡(jiǎn)化為“若電流極性為負(fù)，則保護(hù)閉鎖”。對(duì)于輻射拓?fù)涞娜嶂迸潆娋W(wǎng)亦是如此。

表2 手拉手拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中各負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間表Table 2 Operation time of each load switch in handin-hand topology network

依據(jù)表2 整定各負(fù)荷開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間后，在故障F3 下，根據(jù)故障電流極性，S14、S21 閉鎖，T1時(shí)刻S23 首先動(dòng)作，切除故障線路后非故障線路電壓上升，S12、S41 處的保護(hù)返回，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。在T3時(shí)刻，S32 動(dòng)作，成功隔離故障線路，MMC3 轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行模式向母線負(fù)荷供電，保護(hù)動(dòng)作總時(shí)間為T3。雖然F3 處故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作總時(shí)間為T3，但T1時(shí)刻，非故障線路L1、L3 已恢復(fù)運(yùn)行，僅MMC3 脫網(wǎng)運(yùn)行，可認(rèn)為柔直配電網(wǎng)在T1時(shí)刻已恢復(fù)。當(dāng)F4 處故障時(shí)，S14、S23 處檢測(cè)到的電流極性為負(fù)，故其保護(hù)閉鎖。S12 及S21 將在T2時(shí)刻動(dòng)作，隔離故障線路L1，保護(hù)動(dòng)作總時(shí)間為T2。

綜上，本文所提后備保護(hù)方案在手拉手拓?fù)涞娜嶂迸潆娋W(wǎng)中的最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間仍為T2，與應(yīng)用加速策略后在環(huán)形柔直配電網(wǎng)中的最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間相同。因此，本文所提方案對(duì)于采用不同拓?fù)浞绞降娜嶂迸潆娋W(wǎng)均適用。

4 仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC 中搭建如圖1 所示的四端環(huán)形柔直配電網(wǎng)，MMC1 采取直流電壓控制，MMC2-MMC4 采取有功功率控制模式，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見(jiàn)附錄B 表B2。設(shè)故障主動(dòng)控制下FB-MMC 輸出故障電流Ilim=0.1 kA，故障電流增量系數(shù)m=0.4，階梯形時(shí)序配合整定間隔Δt=10 ms，T1=0。確認(rèn)主保護(hù)拒動(dòng)的延時(shí)取10 ms，負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間取3 ms［27］。故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)為0。

4.1 FB-MMC 的故障控制效果

4.1.1 故障主動(dòng)控制策略仿真結(jié)果分析

當(dāng)柔直配電網(wǎng)發(fā)生雙極短路故障時(shí)，若不采取故障主動(dòng)控制，故障電流將迅速增大；若故障后0.5 ms切換為故障主動(dòng)控制，故障電流將穩(wěn)定在控制目標(biāo)值，如附錄A 圖A10（a）所示。對(duì)比可知在故障主動(dòng)控制策略下，故障電流能夠保持穩(wěn)定且橋臂子模塊電壓始終保持在額定值附近，電壓波動(dòng)不超過(guò)5%，如附錄A 圖A10（b）所示。

4.1.2 故障關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)零電流控制策略仿真結(jié)果分析

在故障主動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)控制目標(biāo)值，可以實(shí)現(xiàn)某條線路電流的單獨(dú)控制，其原理在2.2 節(jié)已詳細(xì)敘述。以圖1 中故障F1 為例，由于Δt=10 ms，根據(jù)2.1 節(jié)的分析，負(fù)荷開(kāi)關(guān)S32 將于故障后20 ms 斷開(kāi)。在S32 動(dòng)作前，MMC3 輸出電流IMMC3始終為0.1 kA。S32 動(dòng)作時(shí)，MMC3 的控制目標(biāo)值首先改變?yōu)榱鬟^(guò)非故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)S34 的電流I34。在MMC3 控制目標(biāo)值改變后，流過(guò)故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)S32 的電流I32迅速降為0，而I34仍存在（如附錄A 圖A11 所示），經(jīng)3 ms 動(dòng)作時(shí)間后S32 成功分?jǐn)?。因此，本文所述FB-MMC 的故障主動(dòng)控制配合負(fù)荷開(kāi)關(guān)的方式，能夠替代高成本的直流斷路器，實(shí)現(xiàn)直流故障的不停電隔離。

控制切換后電流I34變化的原因在于：I34由網(wǎng)絡(luò)中4 個(gè)FB-MMC 的輸出電流構(gòu)成，設(shè)MMC3 輸出電流在非故障線路L3 上的電流分流為I34，1（由母線3流向母線4），其余3 個(gè)FB-MMC 的分流之和為I34，2（由母線4 流向母線3）。根據(jù)電流正方向，實(shí)際測(cè)量到的電流I34為二者的差值，如式（10）所示。

當(dāng)MMC3 采取故障關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)零電流控制時(shí)，實(shí)際測(cè)量的電流變?yōu)镮34，2，因此流過(guò)非故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)S34 的電流改變。該變化產(chǎn)生的突變電流有可能導(dǎo)致保護(hù)誤閉鎖，考慮到負(fù)荷開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間為3 ms，本文取保護(hù)時(shí)間窗長(zhǎng)為5 ms，經(jīng)5 ms 持續(xù)確認(rèn)后產(chǎn)生電流突變信號(hào)。

4.2 基于電流突變量極性的后備保護(hù)動(dòng)作情況

4.2.1 未應(yīng)用保護(hù)動(dòng)作加速策略時(shí)仿真結(jié)果分析

以線路故障F1 為例，故障發(fā)生后經(jīng)10 ms 延時(shí)確認(rèn)主保護(hù)拒動(dòng)后，調(diào)節(jié)MMC1 故障主動(dòng)控制的目標(biāo)值，MMC1 輸出電流系數(shù)增加比例為m（m=0.4），經(jīng)5 ms 持續(xù)確認(rèn)后，S21、S34、S41 處電流突變量極性為負(fù)（如附錄A 圖A12 所示），保護(hù)閉鎖。當(dāng)S32 成功分?jǐn)嗪?，S21、S43、S14 檢測(cè)到的電流突變量極性均為負(fù)（如附錄A 圖A13 所示），故S21、S43、S14 的保護(hù)閉鎖，與2.1 節(jié)分析一致。在上述判斷過(guò)程中，通過(guò)5 ms 時(shí)間窗的持續(xù)確認(rèn)，S32 分?jǐn)噙^(guò)程產(chǎn)生的電流突變不會(huì)對(duì)本文所提方案造成影響。

故障后30 ms 時(shí)S23 動(dòng) 作，MMC2 切換為故障關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)零電流控制，I23降為0 時(shí)S23 成功分?jǐn)?。故障定位及隔離的全過(guò)程中，故障線路兩端電流I23及I32均不超過(guò)0.6 kA，且在故障后35 ms 時(shí)實(shí)現(xiàn)了故障線路的完全隔離，如附錄A 圖A14 所示。

4.2.2 應(yīng)用保護(hù)動(dòng)作加速策略時(shí)仿真結(jié)果分析

因m=0.4，根據(jù)式（8），當(dāng)電流幅值比較系數(shù)k＜4.4 時(shí)，各保護(hù)裝置按照整定時(shí)間動(dòng)作，否則采取加速策略。同樣以L2 上F1 故障為例，保護(hù)動(dòng)作全過(guò)程中故障電流I23將在26 ms 時(shí)達(dá)到加速策略閾值，故應(yīng)用加速策略后MMC2 迅速切換為故障關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)零電流控制，I23迅速下降，否則需要等待固定延時(shí)30 ms。因此，應(yīng)用加速策略后，后備保護(hù)能夠在故障后31 ms 成功隔離故障線路，相比于初始方案加快了4 ms，如附錄A 圖A15 所示。

當(dāng)其他線路發(fā)生故障時(shí)，后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間如表3 所示。在應(yīng)用加速策略前，當(dāng)故障發(fā)生在線路L1 或L4 上時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最長(zhǎng)為45 ms；應(yīng)用加速策略后，故障發(fā)生在線路L2 或L3 上時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最長(zhǎng)為31 ms。應(yīng)用加速策略后，本文所提后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最長(zhǎng)為31 ms 左右。對(duì)于后備保護(hù)研究，該動(dòng)作延時(shí)是可以接受的。

表3 不同線路故障下保護(hù)動(dòng)作時(shí)間Table 3 Operation time of protections with different line faults

4.3 經(jīng)過(guò)渡電阻故障的保護(hù)動(dòng)作情況

根據(jù)3.2 節(jié)分析可知，在較大的過(guò)渡電阻下，電網(wǎng)在故障時(shí)可能出現(xiàn)過(guò)電壓。在本文仿真示例中，流入故障點(diǎn)電流為0.44 kA?？紤]到電網(wǎng)額定電壓為20 kV，當(dāng)過(guò)渡電阻大于45 Ω 時(shí)，故障時(shí)的極間電壓將超過(guò)額定電壓。

以100 Ω 過(guò)渡電阻為例，保護(hù)動(dòng)作全過(guò)程中正極電壓在無(wú)電壓反饋控制時(shí)將超出1.5 倍額定電壓的安全閾值；在施加電壓反饋控制環(huán)節(jié)后，電壓保持在額定電壓附近。由于故障線路兩端FB-MMC 在20 ms 及30 ms 時(shí)切換為故障關(guān)聯(lián)開(kāi)關(guān)零電流控制，流入故障點(diǎn)的電流減小，因此該段時(shí)間內(nèi)直流電壓下降，如附錄A 圖A16 所示。

在不同故障過(guò)渡電阻下，引入電壓反饋控制后，故障線路負(fù)荷開(kāi)關(guān)S32 及S23 處測(cè)量的電流突變量幅值大小隨著過(guò)渡電阻的增大而減小，如附錄A 圖A17（a）、（b）所示。其原因在于FB-MMC 輸出的故障電流因抑制過(guò)電壓的需要而減小，但電流突變量在控制的作用下仍能夠可靠檢測(cè)，其極性并未因過(guò)渡電阻大小而改變，因此本文所述后備保護(hù)方案具有較高的耐受過(guò)渡電阻能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于FB-MMC 的故障主動(dòng)控制，提出了一種利用本地電流突變量極性閉鎖非故障線路保護(hù)、依據(jù)階梯形時(shí)序配合關(guān)系實(shí)現(xiàn)故障定位及隔離的后備保護(hù)方案。該方案可以與控制與保護(hù)協(xié)同的主保護(hù)方案相互配合，有效提高了柔直配電網(wǎng)保護(hù)的可靠性，主要結(jié)論如下：

1）換流器的故障主動(dòng)控制能夠迅速抑制故障電流、突出故障特征。故障主動(dòng)控制策略配合負(fù)荷開(kāi)關(guān)的方式可以替代直流斷路器，實(shí)現(xiàn)柔直配電網(wǎng)的不停電隔離，提高了柔直配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性。

2）根據(jù)本地電流突變量負(fù)極性判據(jù)閉鎖非故障線路保護(hù)，進(jìn)而利用階梯形時(shí)序關(guān)系實(shí)現(xiàn)各個(gè)保護(hù)之間的相互配合。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種保護(hù)加速策略，利用電流幅值比較系數(shù)縮短保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)。

本文所提后備保護(hù)策略涉及諸多定值，需要結(jié)合實(shí)際情況加以整定，后續(xù)工作中將對(duì)此進(jìn)一步研究，以提高保護(hù)的實(shí)用性。

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