童 威

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

近年來，直流輸電技術一直是電力系統(tǒng)研究的重要方向，這符合解決全球對能源日益增長需求的問題。一直以來，各國政府致力于可再生能源的發(fā)掘，雖然可再生能源資源豐富，但是將其轉化為電能接入電網(wǎng)卻是一個難點，而直流輸電技術的優(yōu)勢是可以大規(guī)模將可再生能源接入電網(wǎng)，并且維持電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

在直流輸電技術的發(fā)展上，模塊化多電平換流(Modular Multilevel Converter)具有很好的應用前景。圍繞MMC建立的鏈式、兩端式、環(huán)式電力系統(tǒng)結構，由于技術不成熟，運行時的故障檢測以及系統(tǒng)保護一直是個難點。文獻[1]提出利用線路正常運行和故障時的電流動態(tài)偏差值來檢測直流側的故障線路，能夠準確定位故障位置，但是處理數(shù)據(jù)時，函數(shù)計算步驟復雜，降低了整個保護措施的速動性；文獻[2]提出利用換流器閉鎖釋放電流，檢測電流的變化率作為保護判據(jù)，能夠快速檢測到線路故障的具體位置，提高了檢測速度，但是沒有考慮線路中過渡電阻的影響；文獻[3]提出利用直流電壓變化率實現(xiàn)故障檢測，當線路的電壓變化率超過線路的整定值時，就會觸發(fā)線路的保護裝置，快速識別故障位置，但是線路中電壓的時刻采集容易受到其他頻率波段以及線路過渡電阻的影響，降低了故障識別的可靠性；文獻[4]提出利用混合式直流斷路器對線路實施保護，實現(xiàn)自動、快速、有選擇性地隔離故障，但是現(xiàn)在直流技術不夠完善，線路中大量裝備混合式直流斷路器會提高整個工程的成本和后期維護成本；文獻[5]提出換流器閉鎖時，換流器電容放電，通過分析放電曲線的特征，來判斷線路的區(qū)內外故障以及線路故障的具體位置以確保故障檢測的準確性，但是沒有考慮換流器不能正常閉鎖時，線路的保護措施，降低了保護措施的可靠性。

針對已有故障檢測和保護方案，本文提出利用在線路兩端安裝電感的方法。當短路發(fā)生時，線路故障電流上升，電感感應電壓極性突變，以此確定故障線路位置并快速切開故障路線，提高主保護的靈敏性；其次，當主保護拒動時，啟動后備保護，設定電壓整定值，檢測電感電壓是否超過整定值，確定故障線路并切開故障線路，提高保護方法的可靠性；最后利用設計的BPI，吸收故障回路中的過電流，提高了故障切除后線路的安全性。

1 拓撲結構與故障分析

1.1 直流配電網(wǎng)拓撲結構

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行中，系統(tǒng)的拓撲結構起著關鍵的作用，根據(jù)生產生活的需要，電力系統(tǒng)的拓撲結構主要有鏈式、兩端式、環(huán)式，由于基本結構不同，其中的優(yōu)缺點也有所差別。

鏈式結構簡單，單一的電能只能從一條支路獲取，系統(tǒng)中交流源和故障發(fā)生時的電壓衰減問題會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，兩端式在鏈式的基礎上加裝一個交流系統(tǒng)，有效解決了電力系統(tǒng)發(fā)生故障時的不穩(wěn)定問題，提高電網(wǎng)的運行可靠性，環(huán)式系統(tǒng)，不僅提了高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在發(fā)生故障時，也保證了所受影響的支路盡可能少，如圖1所示，由于系統(tǒng)的器件增多，增加了線路的復雜程度，維修成本和造價高昂，但總體上更符合現(xiàn)在電力系統(tǒng)建設的要求。

圖1 環(huán)式結構

選擇不同的結構會影響電力系統(tǒng)的不同工作特性?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)用電模式比較復雜，覆蓋影響用戶比較廣，當故障發(fā)生時，需要盡可能保障系統(tǒng)其他部分的穩(wěn)定性，以確保電力系統(tǒng)供電的可靠性，所以本文選擇如圖2所示的三端環(huán)式直流系統(tǒng)建模。

圖2 三端環(huán)式直流拓撲結構圖

模型由換流站1、2、3構成，直流電源電壓等級為10 kV，每條線路兩端由直流斷路器(DCCB)連接，線路上兩側連接由電感BPI并聯(lián)的結構，BPI下文做具體分析。

1.2 基于MMC直流側故障分析

直流電網(wǎng)直流側故障主要是線路短路故障和斷路故障，短路故障包括單極接地短路故障和雙極短路故障，斷路故障概率極低，這里不做分析。

基于MMC柔性直流電網(wǎng)，由于換流器結構的特性，在故障出現(xiàn)的時候換流器會發(fā)生閉鎖，換流器中的電容會向故障形成的通路中放電，分析此時放電的暫態(tài)特征。

單極接地短路故障和雙極短路故障發(fā)生時，由于故障的通路相同，因此分析單極接地短路故障即可。結合本文所使用的拓撲模型，當線路發(fā)生短路故障時，整個放電通路如圖3(a)所示，為了簡化模型，其整個等值電路圖如圖3(b)所示。

(a) 放電通路圖

從圖3(a)中可以看出：當線路發(fā)生短路故障時，故障側換流器發(fā)生閉鎖，換流器電容釋放電流依次流過橋臂電感、線路電感，線路電感形成故障回路；正常工作線路兩側換流器釋放電流，流過正常線路再達故障點。

結合圖3(b)各部分的等值參數(shù)，計算出故障發(fā)生時電感Lx的電壓uLx的暫態(tài)表達式：

(1)

式(1)中：Rarm和Larm是換流器橋臂等效電阻和電抗，LTM為線路中的電抗，CSM為換流器中每個子模塊的電容值。

對圖3(b)，有式(2)：

(2)

將式(2)求解，得特征根如式(3)：

p1=-σ+iω，p2=-σ-iω

(3)

當故障發(fā)生時,設uC(0+)=U0，iL(0+)=I0，計算電感Lx電壓變化：

(4)

經(jīng)過計算得到uLx的瞬時值表達式如式(5)：

uLx(0+)=-ALxCsin(θ-2β)

(5)

利用式(5)求解的uLx，研究電感電壓的動態(tài)變化，為后文后備保護確定電壓整定值。

2 保護原理和啟動判據(jù)

2.1 基于電感電壓方向的主保護

根據(jù)故障發(fā)生時,換流器閉鎖電容放電導致的線路電感電壓變化,識別電感電壓方向,設計主保護。

正常運行時,由于線路中通過的是直流電，忽略線路中的波動,將電感視為通路處理。如圖2，假設正常運行時電流方向是由換流站1流向換流站2，當換流站1、2之間線路f1處發(fā)生故障時，由于換流器閉鎖，各個換流器電容開始向故障點放電，形成如圖4(a)所示的故障電流走向。由于線路兩端加裝的電感受到突變的電流變化會感應出相反的電動勢，圖4(a)中ux12和ux21感應的電壓方向相對于正常運行時規(guī)定的電流正方向，分別為負方向和正方向。

圖4 不同故障點換流站1、2之間電流走向圖

當換流站1、3之間線路f2處發(fā)生故障時，換流站1、2之間線路的電流走向如圖4(b)所示。換流站1、2電容放電會經(jīng)過非故障區(qū)向故障區(qū)域放電，此時由于故障電流的形成，電感電壓發(fā)生突變，與所設正常電流的正方向相比，ux12和ux21感應的電壓方向都為正方向。

假設正方向為1，負方向為-1，通過比較可知：當f1處發(fā)生故障時,線路中各個電感感應的電壓方向如表1所示。

表1 f1處故障各電感電壓方向

將線路兩端電感電壓分別設為U1和U2，設正方向為α，負方向設為β，則有式(6)：

(6)

將線路兩側的電感電壓方向相乘,如式(7)，結果如為-1,就是故障所在區(qū)段，線路兩端斷路器動作；結果如為1，就是正常區(qū)段，線路兩端斷路器不動作。通過識別電感兩端的電壓方向作為線路的主保護判據(jù)。

(7)

2.2 基于電感電壓峰值的后備保護

當線路故障主保護拒動時，線路由于短路電流持續(xù)上升，加裝在線路兩端的電感感應電壓會出現(xiàn)一個峰值，根據(jù)式(5)可知在某一時刻會出現(xiàn)峰值。

故障線路電感所流過的短路電流由故障線路兩端的換流器所釋放的電流和非故障線路換流器釋放的電流構成；非故障線路電感所流過的電流只有非故障線路換流器所釋放的電流。因此，當線路f1處發(fā)生故障時，會有

|UMAX12|>|UMAX13|,|UMAX12|>|UMAX23|

設定整定值：

(8)

根據(jù)式(8)，當故障發(fā)生時，斷路器設定啟動判據(jù)：

|uL(t)|>UTH

(9)

當斷路器動作后，并聯(lián)在電感兩端的BPI動作將會吸收線路的過電流。圖5是BPI的結構圖，當斷路器動作后，電感中儲存的電能會在(圖6)BPI中形成回路，將過電流轉化為熱能散發(fā)掉。

圖5 BPI裝置結構圖

通過主保護和后備的判據(jù)信息，得到線路保護策略的流程圖(圖6)。

圖6 保護策略流程圖

3 仿真驗證

為驗證方法的可行性，在PSCAD/EMTDC上搭建三端環(huán)狀直流電網(wǎng)模型，每個換流站電壓等級均為20 kV，仿真步長為8 s，3 s為故障發(fā)生時刻。

3.1 主保護電感電壓極性仿真

設置故障點在換流站1、2之間f1處，檢測各個電感的電流變化，通過觀察電感電流的突變情況，判斷電感電壓的方向，以上文正常運行時電流走向為規(guī)定正方向，進行仿真，仿真結果如圖7所示。

從圖7仿真結果來看：當換流站1、2之間f1處發(fā)生故障時，換流站1、2線路兩端電感電流相反，這樣感應的電壓極性也會相反，所以電壓乘積為-1，根據(jù)表1判定故障發(fā)生在換流站1、2之間。而換流站1、3之間和換流站2、3之間線路電感電流均為同向，感應的電壓乘積為1，判定為區(qū)外故障；由于是電壓極性突變，所以在20 ms內完成故障判斷，保證了動作的靈敏性，提高了檢測速度。

(a) 換流站1、2間線路兩端電感電流

3.2 后備保護電感電壓動態(tài)變化仿真

當系統(tǒng)的主保護不能正常動作時，后備保護啟動。設置換流站1、2之間線路f1處發(fā)生故障，基于電感電壓的動態(tài)變化仿真結果如圖8。

(a) 換流站1、2間線路Lx21電壓

圖8仿真結果表明：換流站1、2之間電感電壓峰值大于非故障路線電感電壓的絕對值，根據(jù)式(9)所設定的電壓判據(jù)整定值，啟動閾值UMAX12>UTH>UMAX13，UMAX12>UTH>UMAX23，檢測出換流站1、2之間線路發(fā)生故障，換流站1、2之間線路兩端斷路器動作，斷開故障線路；在主保護不能正常工作的情況下動作，提高了整個保護方法的可靠性。

4 結 論

傳統(tǒng)交流輸電技術與直流輸電技術相比，還不夠成熟，隨著直流輸電技術的發(fā)展，直流系統(tǒng)的故障檢測和保護也需要不斷完善。本文提出的基于電感電壓極性方向突變的主保護能夠迅速判斷線路的故障所在，并在20 ms內完成保護動作，保證了主保護的靈敏性；基于檢測電感電壓整定值的后備保護，能夠在主保護不能正常動作的情況下完成故障判斷并動作，提高了整個保護方法的可靠性；在完成故障切除的同時，通過將故障線路的過電流流向BPI裝置，降低了線路所受沖擊電流的影響，保護了線路，提高了整個線路的安全性。本文所提出的保護方法基于換流器正常閉鎖的情況，當換流器不能正常閉鎖時，這種情況還有待研究。