羅旭恒，蔡志文，曾光輝，蕭星華，高瀅，曾杰

(1.南方電網(wǎng)廣東東莞供電局，廣東 東莞 523000；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510800)

為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，加快推進能源轉(zhuǎn)型、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)勢在必行[1]。電力電子變壓器(power electronic transformer，PET)作為交直流配電網(wǎng)中的換流站，其多端口特性便于實現(xiàn)不同等級交直流配電網(wǎng)的互聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)直流配電網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)之間功率的雙向傳輸，從而靈活控制配電網(wǎng)中的潮流分布[2-3]。PET可方便地與光伏、風(fēng)力等可再生能源設(shè)備相連，實現(xiàn)可再生能源并網(wǎng)發(fā)電，并滿足智能電網(wǎng)兼容性的要求[4]，同時輸出直流電和交流電，有助于解決電力系統(tǒng)面臨的諸多問題[5-7]。但交直流配電系統(tǒng)中直流母線短路故障易損壞PET，進而導(dǎo)致直流電壓崩潰，影響系統(tǒng)的供電可靠性，因此有必要研究有效的直流短路保護策略。

直流短路故障主要包括極間短路故障和單極接地故障。其中極間短路故障的過渡電阻較小，故障特征較為明顯，通過傳統(tǒng)交直流混聯(lián)系統(tǒng)的保護方案就能夠滿足保護要求[8-10]。相比之下，單極接地故障的過渡電阻變化范圍較大，影響對故障特征的識別。當(dāng)發(fā)生單極接地故障時，如保護不能正確動作，長時間帶故障運行將會危害換流站中電力電子器件的安全[11-12]。在交直流混合配電網(wǎng)單極接地故障識別與保護方面，已有一些文獻開展了相關(guān)研究：文獻[13-14]通過在直流線路兩側(cè)加裝電抗器來構(gòu)造邊界條件，利用故障線路正負(fù)極直流電抗器電壓大小的差異進行故障類型和故障極的判別，但無法實現(xiàn)未加裝電抗器的線路保護；文獻[15]提出了一種智能直流配電系統(tǒng)毫秒級故障檢測的高速電流差動方法，根據(jù)差動電流原理構(gòu)成直流線路保護，但其準(zhǔn)確性依賴于兩側(cè)信號的同步，同時直流配電網(wǎng)中的信號干擾同樣會影響保護的正確動作；文獻[16]利用線路兩端電流的突變判斷故障方向，從而能有效地識別出區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，但是該方案的抗過渡電阻能力不強。

為研究交直流系統(tǒng)保護策略，針對單極接地故障難以識別特點，本研究提出一種基于共模功率的單極接地故障識別方法，并基于RTLAB仿真平臺開展保護試驗，以驗證其有效性。

1 交直流混合配電網(wǎng)概述

某交直流混合配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括PET、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、光熱發(fā)電，以及熱利用系統(tǒng)和負(fù)載等設(shè)備，通過多端口多功能PET實現(xiàn)多種分布式可再生能源的高比例接入、交直流配用電的多級混連，其中PET拓?fù)溆蒆橋和串聯(lián)型雙主動橋(dual active bridge，DAB)組成。

所研究的交直流混合配電網(wǎng)由4臺PET供配電，每臺PET各端口運行模式多樣，功率可雙向流動。PET1、PET2對應(yīng)端口互聯(lián)，交流端口并聯(lián)于10 kV AC母線1，另外3個端口并聯(lián)引出10 kV DC、380 V AC、±375 V DC三級母線。三級母線分別接入系統(tǒng)內(nèi)的各類分布式電源及負(fù)荷，支撐系統(tǒng)的正常運行。PET1、PET2可集群運行組成1個小集群，即：各端口功率可以實現(xiàn)靈活調(diào)劑，以及穩(wěn)態(tài)功率尋優(yōu)；同時，當(dāng)其中1臺故障時，可以實現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)移，保障PET1、PET2運行時的高可靠性。PET3、PET4類似，也可組成小集群。

2 直流保護策略

2.1 直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及單極接地故障特性

2.1.1 直流系統(tǒng)保護策略

在直流配電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)中，除變換器自身保護外，對整個系統(tǒng)±375 V DC和10 kV DC都配置了直流保護，主要包括母線差動保護、直流過壓/低壓保護、不平衡保護和支路過流保護等。

2.1.2 單極接地故障特性分析

以第i個PET為例，其直流端口的基本結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，其直流出口均配置直流電抗器，其電感值均為Li/2(用下標(biāo)i表示第i個PET的電氣參數(shù)，下同)，用來濾除高頻紋波同時限制短路電流。PET的中壓直流端口通常由正負(fù)2極的2n個DAB子模塊串聯(lián)構(gòu)成，每個子模塊出口均設(shè)置獨立電容器(電容值均為Ci)，2n個子模塊的中間點經(jīng)小電阻Rg接地。為方便分析，將圖2(a)虛線框中電容等效得到圖2(b)所示電路。圖2中：Upij、Unij分別為保護安裝處測得的第i和第j個PET間正、負(fù)極電壓瞬時值；Ipij、Inij分別為保護安裝處測得的正、負(fù)極電流瞬時值，由于保護安裝位置均靠近母線，規(guī)定電流參考方向均由母線指向線路(或PET)；i，j∈{1，2，3，4}，表示不同PET，用下標(biāo)ij表示第i和第j個PET之間線路(線路ij)的電氣參數(shù)，下標(biāo)ii表示第i個PET出口的電氣參數(shù)，用下標(biāo)ji表示線路ij對側(cè)線路的電氣參數(shù)，下同。

圖2 PET直流端口的等效電路

在系統(tǒng)正常運行時，正極和負(fù)極對稱運行。而當(dāng)發(fā)生單極接地故障瞬間，可認(rèn)為在故障點疊加了1個暫態(tài)故障電源，兩極間將出現(xiàn)不平衡的電壓(共模電壓)及電流(共模電流)。本節(jié)以PET出口正極接地故障為例，給出共模電壓及共模電流的近似表達(dá)式，作為保護原理的理論依據(jù)。其準(zhǔn)確表達(dá)式為

(1)

式中：Ucmi(t)、Upi(t)、Uni(t)分別為共模電壓、正極電壓、負(fù)極電壓；Icmi(t)、Ipi(t)、Ini(t)分別為共模電流、正極電流、負(fù)極電流；t為時間。

在PET出口發(fā)生單極接地故障后，故障極電容通過引出線、過渡電阻以及接地電阻共同構(gòu)成了RLC諧振回路，同時由于接地電阻Rg的存在，單極接地故障始終為過阻尼的情況。根據(jù)電路原理，當(dāng)?shù)趇個PET出口發(fā)生正極接地故障時，考慮負(fù)荷電流的正極電容兩端電壓Ucpi(t)與正極電流Ipi(t)分別為：

(2)

(3)

假設(shè)發(fā)生正極故障時負(fù)極網(wǎng)絡(luò)不受影響，同時忽略故障后較短時間內(nèi)正極負(fù)荷電流的衰減，則此時出口的共模電流近似為

(4)

共模電流方向由PET出口電容指向故障點。根據(jù)基爾霍夫定律可知，此時通過故障點流經(jīng)接地電阻的電流即為共模電流，因此接地電阻上的電壓

Ug(t)=-RgIcmi(t).

(5)

對于PET出口電抗器外側(cè)的共模電壓，無法給出準(zhǔn)確表達(dá)式，但其數(shù)值近似等于出口電容兩側(cè)的共模電壓。結(jié)合式(2)及式(5)，可以將電容兩側(cè)的共模電壓表示為

Uccmi(t)=Ucpi(t)-Ucni(t)+2Ug(t)≈

(6)

式中Ucni(t)為負(fù)極電容兩端電壓。

根據(jù)上述推導(dǎo)可知，正極接地故障后出現(xiàn)的共模電壓為負(fù)值。對于負(fù)極接地故障，通過類似的分析過程可以推導(dǎo)出PET出口將出現(xiàn)幅值為正的共模電壓，而此時共模電流由故障點流向PET出口電容。

2.2 基于共模功率的單極接地故障識別方法

當(dāng)中壓直流配電網(wǎng)采用電容中間點經(jīng)電阻接地方式時，其單極接地故障具有過渡電阻變化范圍大、單極接地故障特征不明顯的特點，難以準(zhǔn)確識別故障位置。為此，本文提出一種基于共模功率的單極接地故障識別方法，通過基于共模功率的單側(cè)故障信號和共模電壓的極性，識別出直流線路區(qū)內(nèi)外的單極接地故障。

2.2.1 共模功率定義

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障時，通過系統(tǒng)中各保護安裝處測得的共模電壓與共模電流，即可實現(xiàn)單極接地故障的識別及定位。結(jié)合共模電壓、電流的特征，在此給出各保護安裝處共模功率Pcmij的定義為

Pcmij=-UcmijIcmij=-(Upij+Unij)(Ipij+Inij).

(7)

式中：Ucmij、Icmij分別為線路ij的共模電壓、共模電流。

2.2.2 PET出口接地故障的識別

同樣以正極接地故障為例，區(qū)外故障發(fā)生后，PET出口的等效故障網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，其中Uk為故障點處疊加的故障電源。

圖3(a)反映了第i個PET出口發(fā)生單極接地故障的等效故障網(wǎng)絡(luò)，此時故障位于第i個PET出口保護的正方向。在出口發(fā)生正極接地故障情況下，保護處測得共模電壓為負(fù)，而共模電流為正；在出口發(fā)生負(fù)極接地故障時，共模電壓為正，而共模電流為負(fù)。根據(jù)共模功率定義可知，共模功率始終為正。

如圖3(b)所示，當(dāng)單極接地故障發(fā)生于第i個PET出口保護范圍外時，故障發(fā)生于保護反方向。在直流線路發(fā)生正極接地故障情況下，保護處測得共模電壓為負(fù)，共模電流也為負(fù)；而在直流線路發(fā)生負(fù)極接地故障情況下，保護處測得共模電壓為正，共模電流也為正。即區(qū)外故障情況下，PET出口保護處測得共模功率始終為負(fù)值。

圖3 正極接地故障時PET出口的等效故障網(wǎng)絡(luò)

綜上，共模功率在接地故障中能夠體現(xiàn)方向性：當(dāng)PET出口保護安裝處測得共模功率為正時，單極接地故障位于保護正方向(即出口范圍內(nèi)故障)，此時由PET出口斷路器將PET從系統(tǒng)中切除；而當(dāng)測得共模功率為負(fù)時，單極接地故障位于保護反方向，PET出口保護不動作。

2.2.3 直流線路區(qū)內(nèi)單極接地故障的識別

圖4所示為正極接地故障時情況下直流線路的等效故障網(wǎng)絡(luò)。如圖4(a)所示，當(dāng)直流線路區(qū)內(nèi)發(fā)生單極接地故障時，故障網(wǎng)絡(luò)中疊加的短路電流由線路兩側(cè)流入故障點。由于故障點位于直流線路兩側(cè)保護的正方向，保護處測得共模功率均為正值。

圖4 正極接地故障時直流線路的等效故障網(wǎng)絡(luò)

直流線路區(qū)外發(fā)生單極接地故障的等效故障網(wǎng)絡(luò)如圖4(b)所示。由于故障點位于左側(cè)保護的正方向，故測得共模功率為正；而對于右側(cè)保護，故障點位于其反方向，故測得共模功率為負(fù)。

2.2.4 與極間短路故障的區(qū)分

當(dāng)直流系統(tǒng)中發(fā)生極間短路故障時，正負(fù)極故障網(wǎng)絡(luò)始終保持對稱，換流站兩極電容同時對故障點放電。交直流混合配電網(wǎng)電壓等級不高，線纜長度較短，因此電纜的對地電容可以忽略不計。根據(jù)基爾霍夫定律，流經(jīng)任一保護安裝處的正極和負(fù)極電流幅值相同而方向相反。由共模功率定義可知，此時保護安裝處測得的共模功率為0；因此，基于共模功率的單極接地故障保護能夠正確區(qū)分單極接地故障和極間短路故障，且極間短路故障的特征較為明顯。

2.3 基于共模功率的單極接地故障保護策略

2.3.1 基于共模功率的保護判據(jù)

根據(jù)上述分析，測得直流配電網(wǎng)中保護點處共模功率即可實現(xiàn)單極接地故障的故障判斷及故障定位。在正常運行工況下，直流網(wǎng)絡(luò)正負(fù)極對稱運行，共模功率理想值為0。但由于各PET出口電容經(jīng)小電阻接地，實際運行時兩極間可能出現(xiàn)一定的不平衡電壓(要求直流電壓波動不超過15%)，同時需要考慮可能存在的兩極電流互感器電流測量誤差(測量誤差取5%)，為了確保保護方案的可靠性，共模功率的整定值應(yīng)當(dāng)躲開正常運行時可能出現(xiàn)的最大穩(wěn)態(tài)值，因此將共模功率的整定值Pcm,set設(shè)為

Pcm,set=Kset×(0.15UN)×(0.05IN)，

(8)

式中Kset為可靠系數(shù)，設(shè)為1.2。對于第i個PET出口保護，保護動作判據(jù)為：

(9)

式中：Tii為實測共模功率達(dá)到整定值的持續(xù)時間；Tset為保護動作設(shè)定時間。

而對于直流線路保護，區(qū)內(nèi)故障的判定條件為線路兩側(cè)保護處測得共模功率均達(dá)到整定值，因此保護判據(jù)為：

(10)

保護安裝處測得的共模功率均為單側(cè)電氣量，由于線路保護涉及線路兩側(cè)PET之間的通信，為簡化區(qū)內(nèi)故障的判定，可以定義單側(cè)故障信號

(11)

單側(cè)故障信號Rij=1表示保護正方向發(fā)生單極接地故障，而Rij=-1表示保護反方向發(fā)生單極接地故障。此時線路區(qū)內(nèi)故障的保護判據(jù)可以簡化為

Rij+Rji=2，

(12)

第i個PET出口故障的判據(jù)則為

Rii=1.

(13)

由于判據(jù)式(10)與判據(jù)式(13)為等效判據(jù)，為避免重復(fù)，保護方案中采用判據(jù)式(13)作為各PET出口故障的判定條件。

為了完善保護方案，需要進一步區(qū)分單極接地故障的故障極性。經(jīng)上述分析可知，單極接地故障發(fā)生時，兩極間的共模電壓與故障極的電壓極性相反，通過判斷共模電壓的極性即可區(qū)分故障極性，因此可以設(shè)置故障選極判據(jù)：

(14)

2.3.2 基于共模功率的保護判據(jù)

保護方案實現(xiàn)流程如圖5所示。以斷路器CBij處安裝的保護為例，當(dāng)保護安裝處測得共模功率的絕對值到達(dá)保護的整定值，并同時滿足延時要求，意味著系統(tǒng)中發(fā)生單極接地故障，此時根據(jù)式(7)測得的共模功率可以計算出本側(cè)故障信號Rij。對于線路保護，應(yīng)判斷故障是否位于保護的正方向。若位于正方向，則接收線路對側(cè)保護發(fā)出的故障信號Rji，并判斷是否滿足區(qū)內(nèi)故障條件式(12)，滿足條件則線路ij兩側(cè)斷路器CBij與CBji保護動作。而對于PET出口保護，根據(jù)式(7)同樣可以測得故障后的共模功率，并直接判斷故障信號Rii是否滿足第i個PET出口故障條件式(13)，若滿足條件則由第i個PET出口斷路器CBii動作切除故障PET。根據(jù)保護安裝處測得共模電壓的極性，即可實現(xiàn)故障選極，有利于及時排除故障。

圖5 保護的流程

3 HIL仿真平臺及試驗

3.1 HIL仿真平臺結(jié)構(gòu)

硬件在環(huán)(hardware in the loop，HIL)是實時仿真技術(shù)的一種新型工程應(yīng)用方式，它允許訪問被測系統(tǒng)中的一些物理對象，可以方便地進行控制器的驗證，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，在工程開發(fā)中具有較好優(yōu)勢[17-21]。為了驗證基于共模功率的中壓直流配電系統(tǒng)的單極接地保護方案，仿真系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。在2組2臺PET分裂運行的運行方式中，2組PET均采用獨立的主從控制模式，其中將PET1及PET3分別設(shè)定為系統(tǒng)主控制機。

基于RTLAB平臺搭建了HIL仿真測試平臺，通過接口I/O板卡、網(wǎng)線接口以及相應(yīng)的連接線，實現(xiàn)了仿真器與PET控制器、系統(tǒng)多能協(xié)調(diào)控制裝置以及直流保護裝置的閉環(huán)連接，如圖6所示。

圖6 HIL仿真結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 仿真分析

3.2.1 直流線路單極接地故障特性

圖7所示為線路12中間點發(fā)生金屬性負(fù)極接地故障情況下的故障特性，故障發(fā)生時間為t=1 s。圖7(a)中，當(dāng)直流系統(tǒng)中發(fā)生線路故障時，故障點位于各PET出口保護的反方向，因此PET保護安裝處測得共模功率均為負(fù)值，保護可靠不動作。而圖7(b)反映了故障線路12兩側(cè)保護處測得的共模功率，兩側(cè)共模功率均為正值且遠(yuǎn)大于整定值0.018 MW，滿足判據(jù)式(13)，因此能夠判斷線路12區(qū)內(nèi)發(fā)生單極接地故障。另外根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)各處共模電壓均為正值，因此可以進一步判斷故障類型為負(fù)極接地故障。而其他線路處測得共模功率如圖7(c)、(d)所示，對于非故障線路兩側(cè)保護測得共模功率方向相反，因此判斷故障位于非故障線路區(qū)外。

圖7 發(fā)生金屬性負(fù)極接地故障時的共模功率

3.2.2 過渡電阻對保護動作特性的影響

對于單極接地故障保護，抗過渡電阻能力是評價保護性能的重要指標(biāo)。圖8反映了故障位置發(fā)生單極接地故障時測得的共模功率與過渡電阻的關(guān)系。隨著過渡電阻的增大，故障后線路兩側(cè)測得的共模功率幅值隨之減小。單極接地故障的過渡電阻變化范圍較大，即使在過渡電阻為50 Ω的情況下，線路兩側(cè)基于共模功率的保護仍然滿足區(qū)內(nèi)故障的判斷條件，因此保護方案具有較強的抗過渡電阻能力。

圖8 過渡電阻對共模功率的影響

3.2.3 基于RTLAB的母線側(cè)正極接地故障試驗

初始狀態(tài)下：PET1及PET2側(cè)±375 V DC母線帶500 kW負(fù)荷、-100 kW儲能(負(fù)號表示發(fā)出功率)、-300 kW光伏，其中PET2的10 kV AC端口有功功率設(shè)定為400 kW(吸收)，各端口電壓穩(wěn)定。

635 s時，手動觸發(fā)375 V DC母線側(cè)正極接地故障系統(tǒng)，其部分參數(shù)的響應(yīng)如圖9、10(截屏)所示。

圖9 PET1端口參數(shù)錄波

由系統(tǒng)響應(yīng)可知：

a)375 V DC母線側(cè)正極接地故障后，母線正極電壓變?yōu)?，母線負(fù)極電壓變?yōu)?750 V，保護檢測到故障發(fā)生，母線電壓過壓保護III段及直流母線不平衡II段出口動作，保護動作時間109 ms，±375 V DC斷路器D1、D2、D3、D4及故障電流控制器C1的正極和負(fù)極均分閘成功，故障發(fā)生及保護動作過程中，各PET各端口無閉鎖情況。

圖10 PET2端口參數(shù)錄波

b)PET1及PET2側(cè)的375 V DC正負(fù)母線電壓發(fā)生電壓零點偏移，極間電壓差基本保持在750 V左右；±375 V DC母線故障瞬間存在電流沖擊，PET1側(cè)沖擊電流為413 A，PET2側(cè)沖擊電流為573.2 A(兩端均存在基礎(chǔ)的穩(wěn)態(tài)帶載電流)。在保護動作斷開斷路器后，PET1側(cè)為定電圧模式，375 V DC的端口正負(fù)極電壓恢復(fù)到故障前狀態(tài)，但從控制機的PET2側(cè)發(fā)生端口電壓偏移(322 V，-416 V)。

4 結(jié)束語

為了保證交直流混合配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，對其保護策略進行了研究，提出了一種基于共模功率的單極接地故障識別方法。

該方法基于共模功率的單側(cè)故障信號和共模電壓的極性特點，可有效識別出直流線路區(qū)內(nèi)外的單極接地故障。

離線仿真驗證了該方法可以準(zhǔn)確區(qū)分直流線路區(qū)內(nèi)外的故障，且有較強的抗過渡電阻能力。基于RTLAB平臺搭建了交直流混合配電網(wǎng)HIL測試平臺，對系統(tǒng)保護策略進行了驗證，驗證了保護策略的有效性。