鄭文博，韓永霞，高毓群，馮帥松，鄭雅玲，張杰

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院, 廣東 廣州 510641)

0 引 言

傳統(tǒng)交流配電系統(tǒng)因大規(guī)模風(fēng)電、光伏等新能源并網(wǎng)以及數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車充電樁等直流負(fù)荷的接入而面臨著一系列的電能質(zhì)量問題[1]?；谀K化多電平換流器的多端柔性直流配電系統(tǒng)可以減少新能源和直流負(fù)荷接入電網(wǎng)所需的換流環(huán)節(jié)，能提高功率轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量，逐漸成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)[2]。

與交流配電系統(tǒng)相比，柔性直流配電系統(tǒng)的短路電流在短時(shí)間內(nèi)會(huì)超過直流斷路器的開斷容量[3]。為此，可以通過增大放電回路阻抗來降低故障電流幅值和上升率，具體措施主要為串接超導(dǎo)電阻型或電感型限流器[4-5]。在實(shí)際工程中因成本等原因更多采用限流電抗器[6]。限流電抗器參數(shù)越大，限流效果越好[7]，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致直流系統(tǒng)穩(wěn)定性下降和產(chǎn)生更嚴(yán)重的過電壓。

目前柔性直流系統(tǒng)已有較為完整和成熟的控制策略和保護(hù)方案[8-9]。但限流電抗器的接入將會(huì)改變?nèi)嵝灾绷飨到y(tǒng)的故障特性，其參數(shù)對柔性直流配電系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的影響尚未見報(bào)道。

針對該問題，本文根據(jù)某±10 kV三端柔性直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)，以及針對典型故障的保護(hù)配置，在PSCAD中建立其仿真模型。然后保持系統(tǒng)保護(hù)配置不變，只改變系統(tǒng)的限流電抗值，通過觀察各換流站以及直流變壓器的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，來得到保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與限流電抗值之間的規(guī)律，并從保護(hù)特征量的角度對該規(guī)律進(jìn)行解釋。

1 仿真建模與保護(hù)配置

1.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)

某±10 kV三端柔性直流配電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖1所示。系統(tǒng)主接線形式為對稱單極，其中換流站1為全橋型MMC；換流站2和換流站3為半橋型MMC。為了使系統(tǒng)的故障電流在直流斷路器的開斷能力范圍內(nèi)，在換流站和直流變壓器的出口處均裝設(shè)有限流電抗器，其中換流站1和換流站2每極的限流電抗為3.5 mH，換流站3為2.5 mH，直流變壓器為15 mH。根據(jù)此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及參數(shù)在PSCAD中建立其仿真模型。

圖1 ±10 kV三端柔性直流配電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)典型故障及保護(hù)配置

為了研究限流電抗器參數(shù)對多端柔性直流配電系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的影響，系統(tǒng)典型故障選取對限流電抗器能起到明顯作用的故障類型，分別為換流站限流電抗器閥側(cè)和線路側(cè)雙極短路故障，如圖2所示。由于目前在實(shí)際工程中使用較多的MMC為半橋型，因此兩種故障均設(shè)置在換流站2。

圖2 系統(tǒng)典型故障

針對所選取的系統(tǒng)典型故障類型，根據(jù)已有多端柔性直流配電系統(tǒng)的保護(hù)方案，換流站的保護(hù)配置如圖3所示，直流變壓器的保護(hù)配置如圖4所示。

圖3 換流站保護(hù)配置

圖4 直流變壓器保護(hù)配置

橋臂差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為橋臂電流與直流極線的電流差值大于整定值，橋臂過流保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為橋臂電抗器閥側(cè)電流有效值大于整定值，直流過電流保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為直流變壓器接入配電線路的電流值大于整定值。

當(dāng)多端柔性直流配電系統(tǒng)中一個(gè)換流站發(fā)生限流電抗器閥側(cè)或線路側(cè)雙極短路故障時(shí)，故障換流站將會(huì)觸發(fā)橋臂差動(dòng)保護(hù)，將故障換流站閉鎖以及斷開故障點(diǎn)兩端的交直流斷路器。非故障換流站將會(huì)觸發(fā)橋臂過流保護(hù)，將非故障換流站閉鎖。直流變壓器則會(huì)觸發(fā)直流過電流保護(hù)，將直流變壓器閉鎖。故障切除后，系統(tǒng)的過電流下降，當(dāng)?shù)陀谡ㄖ禃r(shí)，橋臂過流保護(hù)和直流過電流保護(hù)解除，非故障換流站和直流變壓器解鎖，恢復(fù)系統(tǒng)的供電。

1.3 仿真故障設(shè)置

假設(shè)永久性故障在仿真的1.5 s時(shí)刻發(fā)生，為了計(jì)及線路的通信延遲和斷路器固有的開斷時(shí)間，設(shè)置換流站在保護(hù)信號發(fā)出后1.5 ms閉鎖或解鎖換流器， 5 ms斷開直流斷路器，30 ms斷開交流斷路器。

在仿真中換流站1、換流站2、換流站3和直流變壓器出口處的限流電抗分別以3.5 mH、3.5 mH、2.5 mH和15 mH為基準(zhǔn)值L，通過計(jì)算不同限流電抗值下各換流站和直流變壓器的閉鎖時(shí)間與解鎖時(shí)間，來研究限流電抗器參數(shù)對保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的影響。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 限流電抗器閥側(cè)雙極短路故障

當(dāng)換流站2發(fā)生限流電抗器閥側(cè)雙極短路故障時(shí)，其橋臂差動(dòng)保護(hù)將動(dòng)作，得到不同限流電抗值下的閉鎖時(shí)間如圖5所示。

圖5 換流站2閉鎖時(shí)間

由圖5可知，換流站2的閉鎖時(shí)間不受限流電抗器參數(shù)的影響，即橋臂差動(dòng)保護(hù)不受限流電抗值變化的影響。

非故障換流站在不同限流電抗值下的閉鎖時(shí)間與解鎖時(shí)間如圖6和圖7所示?？v軸使用相對時(shí)間，0 ms所對應(yīng)的限流電抗值為圖1中的限流電抗值。

對于換流站1:當(dāng)系統(tǒng)的限流電抗值從0.4L增大到1.8L時(shí)，其閉鎖時(shí)間延后了3.4 ms，解鎖時(shí)間提前了2.5 ms;限流電抗值>1.8L時(shí)，故障切除后系統(tǒng)將失穩(wěn)。對于換流站3，當(dāng)系統(tǒng)的限流電抗值從0.4L增大到1L時(shí)，其閉鎖時(shí)間延后了6.2 ms，解鎖時(shí)間提前了5 ms;限流電抗值>1L時(shí)，橋臂電流不足以觸發(fā)橋臂過流保護(hù)。取換流站2其中一相橋臂電流有效值波形如圖8所示。隨著限流電抗值的增大，故障時(shí)橋臂電流的上升率降低，因此其達(dá)到橋臂過流保護(hù)動(dòng)作段的時(shí)間將延后；而幅值的降低則使得橋臂電流更快回落至橋臂過流保護(hù)解除段，使得換流站解鎖時(shí)間提前；當(dāng)限流電抗值超過一定值時(shí)，橋臂電流將不足以觸發(fā)橋臂過流保護(hù)。

圖6 換流站1閉鎖時(shí)間與解鎖時(shí)間

圖7 換流站3閉鎖時(shí)間與解鎖時(shí)間

圖8 換流站1橋臂電流有效值

直流變壓器在不同限流電抗值下的閉鎖時(shí)間與解鎖時(shí)間如圖9所示。當(dāng)限流電抗值從0.4L增大到1.6L時(shí)，其閉鎖時(shí)間延后了0.6 ms，解鎖時(shí)間延后了0.4 ms，限流電抗值大于1.4L時(shí)，直流線路電流不足以觸發(fā)直流過電流保護(hù)。取線路2的電流波形如圖10所示，可知限流電抗值的增大降低了電流的上升率，使得電流達(dá)到直流過電流保護(hù)動(dòng)作段的時(shí)間延后。當(dāng)故障切除后，直流線路對直流變壓器中的電容進(jìn)行充電，由于限流電抗值的增大使得充電時(shí)間常數(shù)增大，因此電流回落至直流過電流保護(hù)解除段的時(shí)間也將延后。

圖9 直流變壓器閉鎖時(shí)間與解鎖時(shí)間

圖10 線路2電流

2.2 限流電抗器線路側(cè)雙極短路故障

當(dāng)換流站2發(fā)生限流電抗器線路側(cè)雙極短路故障時(shí)，各保護(hù)動(dòng)作時(shí)間隨著限流電抗值增大的變化規(guī)律與限流電抗器閥側(cè)雙極短路故障時(shí)一致。當(dāng)系統(tǒng)的限流電抗值從0.4L增大到1.8L時(shí)，換流站1的閉鎖時(shí)間延后了1.3 ms，解鎖時(shí)間提前了2.5 ms；換流站2的閉鎖時(shí)間保持不變；換流站3的閉鎖時(shí)間延后了1.3 ms，解鎖時(shí)間提前了0.3 ms。由于此時(shí)非故障換流站所在放電回路中不包含故障換流站的限流電抗器，因此受影響的程度更小。直流變壓器的閉鎖時(shí)間延后了0.2 ms，解鎖時(shí)間延后了1 ms。由于直流過電流保護(hù)輸入量為接入線路的電流絕對值，放電回路等效電感的減小使得電流的變化率增大，因此直流變壓器的閉鎖時(shí)間與解鎖時(shí)間受系統(tǒng)限流電抗值變化的影響程度增加。

3 結(jié)束語

本文針對某±10 kV三端柔性直流配電系統(tǒng)開展了不同限流電抗器參數(shù)對保護(hù)動(dòng)作時(shí)間影響的研究，主要結(jié)論如下：

(1) 橋臂差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間不受系統(tǒng)限流電抗值變化的影響，可確保當(dāng)系統(tǒng)的限流電抗值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍可以快速將發(fā)生雙極短路故障的換流站閉鎖和切除，保證多端柔性直流配電系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 直流過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和解除時(shí)間都隨著系統(tǒng)限流電抗值的增大而延后。

(3) 隨著系統(tǒng)限流電抗值的增大，橋臂過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延后，解除時(shí)間提前。因此增大系統(tǒng)的限流電抗值可以縮短非故障換流站的閉鎖持續(xù)時(shí)間，提高系統(tǒng)的供電可靠性，但也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等問題。