基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方案

周家培, 赵成勇, 李承昱, 许建中, 安 婷

(1. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学), 北京市 102206; 2. 全球能源互联网研究院, 北京市 102209)

基于直流电抗器电压的多端柔性直流电网边界保护方案

周家培1, 赵成勇1, 李承昱1, 许建中1, 安 婷2

(1. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学), 北京市 102206; 2. 全球能源互联网研究院, 北京市 102209)

直流故障的快速可靠识别是多端柔性直流电网亟须突破的关键技术之一。基于线路边界元件直流电抗器的特征,提出了一种新型的多端柔性直流电网线路边界保护方案。利用故障线路和非故障线路直流电抗器电压大小和方向的不同,实现故障线路的快速识别;利用故障线路正、负极直流电抗器电压大小的差异进行故障类型和故障极的判别。该方案仅通过单端直流电抗器的电压即可实现对故障的快速检测、识别,不仅能够满足直流电网对保护的要求,而且保护方案简单易实现,对硬件要求较低,无需通信。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流电网模型,仿真结果验证了该保护方案在不同直流故障和运行情况下的有效性。

多端柔性直流电网; 边界保护; 直流电抗器电压; 故障识别

0 引言

基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的柔性直流输电,具有高度模块化、有功无功灵活控制、可向无源负荷供电等优点,广泛应用于风电场并网、孤岛和弱电网供电以及城市供电等领域。近年来,新能源发电迅速发展,但却给电力系统的正常运行带来了诸多难题,不断出现弃风、弃光等问题[1-3]。基于柔性直流输电的多端直流电网技术是解决这一问题的有效技术手段之一[1-4]。中国已经建设并投运了南澳三端和舟山五端柔性直流输电示范工程,并计划于2019年投运世界首个±500 kV多端柔性直流电网——张北直流电网示范工程[5],以提升新能源并网及消纳能力。因此,多端柔性直流电网将在未来的电力系统中发挥更大的作用。

直流电网是一个“低阻尼”系统,故障电流发展更快，故障影响范围更广[6],这就要求直流电网保护系统能在2 ms内检测出故障,并在5 ms内隔离故障线路[3]。已有两端直流系统的保护因存在动作速度慢、线路成网后失去选择性等问题而不能满足多端直流电网对线路保护的要求。

针对多端柔性直流电网直流线路保护的研究,国内外学者都在积极地开展相关研究。文献[7-9]提出了基于不同故障隔离手段的“握手法”直流线路保护方法,文献[10]提出了多端直流系统分区保护策略,只在连接不同保护区域的直流线路上安装直流断路器,从而大大降低了投资成本。但受限于“握手法”和分区保护策略本身的缺陷,保护并不具有绝对的选择性,非故障线路也会短时停电,供电可靠性差。文献[11-12]分别利用平波电抗器线路侧和两端的电压变化率来检测直流线路故障,但该方法在功率反转的情况下保护阈值可能需要重新整定,这有可能造成保护的误动和拒动,而且对采样率要求较高。文献[13-14]分别利用短时能量和小波时间熵对单极接地故障进行检测。文献[15-16]均提出了基于单端量的直流电网线路快速保护方案。上述文献为多端柔性直流电网线路保护提供了新的思路,但是采用的算法较复杂,对硬件要求较高,不利于故障的快速检测。

文献[16]指出,直流电网在每条直流线路两端安装直流电抗器对线路保护具有重要的意义。同时,规划中的直流电网工程也采用这种配置方案。基于以上分析和工程实际,本文以直流电网中线路两端的直流电抗器为边界元件,分析了直流故障下直流电抗器电压的暂态特征,提出了一种新型的多端柔性直流电网线路边界保护方案。该方案仅利用单端直流电抗器电压即可实现故障线路和故障极的快速、可靠识别。最后,在仿真平台PSCAD/EMTDC中搭建三端柔性直流电网进行仿真,仿真结果表明，该保护方案能快速、可靠地检测出直流故障,具有一定的耐过渡电阻能力,而且在区外故障和潮流反转的情况下保护均不会误动。

1 柔性直流系统故障暂态特征

直流故障暂态特征分析是直流保护的基础,因此下文对直流线路双极短路和单极接地故障的暂态特征进行分析。

1.1 双极短路故障暂态特征分析

当直流电抗器线路侧出口处双极短路故障时,在换流器闭锁前,子模块电容迅速放电[17-19],其放电通路如图1(a)所示。此时的故障等值电路如图1(b)所示。

图1 MMC双极短路故障放电回路Fig.1 Discharge circuit under MMC pole-to-pole short-circuit fault

图1(b)故障等值电路中的等值参数如式(1)所示。

(1)

式中:Re,Le和Ce分别为双极短路故障下MMC等值电阻、电感和电容;Rarm和Larm分别为MMC桥臂等效电阻和桥臂电抗;LT为直流电抗器;CSM为子模块电容值;n为MMC每个桥臂的子模块数目。

由KVL可得式(2),其特征根如式(3)所示。

(2)

(3)

假设故障瞬间的初始条件为uC(0+)=U0,iL(0+)=I0,由此可得直流电抗器电压为:

(4)

故障瞬间,直流电抗器电压瞬时值为:

uLT(0+)=-ALTCsin(θ-2β)

(5)

当柔性直流系统处于稳态时,若忽略直流电流的波动,直流电抗器上的电压近似为0。由式(4)可知,直流线路发生双极短路故障后,电抗器电压瞬间达到峰值,如式(5)所示,随后将逐渐衰减。

1.2 单极接地故障暂态特征分析

当正极电抗器线路侧出口处发生接地故障时,其放电通路和故障等值电路如图2(a)和(b)所示,本文以交流侧星形电抗经电阻接地[20]为例进行分析。

图2 MMC单极接地故障放电回路Fig.2 Discharge circuit under MMC pole-to-ground fault

图2(b)中等值参数如式(6)所示。

(6)

式中:Re′,Le′和Ce′分别为单极接地故障下MMC等值电阻、电感和电容;Rg为交流侧的接地电阻;Lg为交流侧的接地电感。

由KVL可得式(7),其特征根如式(8)所示。

(7)

(8)

式中:α=R/(2L);ε=1/(LC)。

根据uC(0+)=U1,iL(0+)=I1,可得直流电抗器电压为:

(9)

故障瞬间,正极直流电抗器电压的瞬时值为:

(10)

由式(9)可知,直流系统发生正极接地故障时,正极直流电抗上的电压会从稳态时的近似为0突变,在故障瞬间达到最大值,如式(10)所示,随后逐渐衰减;负极直流电抗器没有在故障回路中,其电抗器电压最大值远低于正极直流电抗器电压。

由1.1节和1.2节分析可知,无论柔性直流系统发生双极短路还是单极接地故障,直流电抗器的电压变化都一致,即故障线路两端的直流电抗器电压会突变增大达到峰值,而非故障线路两端的直流电抗器电压最大值远低于故障线路两端的直流电抗器电压。因此,可以利用直流电抗器上的电压值这一特征来实现柔性直流系统中直流故障的检测。根据直流故障后对直流电抗器电压值的分析,为下文中保护方案设计及保护阈值的整定提供了理论依据。

2 保护方案原理及流程

本文设计的基于直流电抗器电压的保护方案包括故障线路判据、故障类型判据和故障极判据。

2.1 故障线路判据

故障线路判据由直流电抗器电压的大小和方向共同构成。假设正极电抗器电压正方向为从母线指向线路,负极电抗器电压正方向为从线路指向母线,本文均以该规定的正方向为例进行分析。由文献[16]可知,故障线路两端的直流电抗器电压均为正方向。因此,设计保护启动判据为:

uLTl(t)>UTH1

(11)

式中:uLTl(t)为当前采样时刻t下的本极电抗器电压值;UTH1为保护启动阈值。

本保护启动判据简单易实现,而且采用单端单极的电压量进行故障检测,不受通信延时的影响,能够快速检测出故障的发生,满足直流电网保护灵敏性的要求。

2.2 故障类型判据

当直流线路上发生双极短路故障时,故障线路同端的本极电抗器电压和对极电抗器电压的大小相等,正负相同;而当直流线路发生单极接地故障时,故障线路同端的本极电抗器电压与对极电抗器电压相差较大。根据这一差异,可以利用本极和对极电抗器电压的差值来判别故障类型。为了增强保护的抗干扰能力,延时Δt后再判断本极、对极电抗器电压差值,以保证保护的可靠性。因此,本文设计的故障类型判据如下:

|uLTl(t)-uLTo(t)|

(12)

|uLTl(t+Δt)-uLTo(t+Δt)|

(13)

式中:uLTo(t)为当前采样时刻t下的对极电抗器电压值;uLTl(t+Δt)和uLTo(t+Δt)分别为为采样时刻t+Δt下的本极和对极电抗器电压值;UTH2为故障类型判据的整定值。

该故障类型判据利用本时刻和延时Δt后的电抗器电压差值进行双重判断,使保护具有较强的抗干扰能力,能实现故障类型的可靠识别。

2.3 故障极判据

经过2.2节的判断,可以确定故障类型为双极短路故障还是单极接地故障。若为单极接地故障,仍需判断故障极。由于系统的交流侧接地,单极接地故障时,故障接地点与交流侧接地点之间形成电容的放电通路,故障极线的电流会迅速增大,故障极上的电抗器电压值比非故障极上的电抗器电压值更大。因此,利用本极、对极电抗器电压值的差异,设计故障极判据如下:

uLTl(t+Δt)>uLTo(t+Δt)

(14)

该故障极判据利用线路单端数据进行判断,不存在通信延时的影响,可以可靠区分故障极与非故障极,满足保护选择性的要求。

2.4 保护整定原则

故障线路判据用于区分区内故障与区外故障,因此保护启动阈值应在区外故障的最大电抗器电压值与区内故障的最小电抗器电压值之间选取。一般情况下,直流电抗器线路侧出口处单极接地故障是区内直流电抗器电压值最小的故障类型,而该最小直流电抗器电压值可按式(10)进行计算。由式(10)可知,该直流电抗器电压值与直流电抗值、桥臂等效电阻和桥臂电抗、交流侧接地电阻和电抗以及故障瞬间的初始电压和电流均有关。因此,保护启动阈值可以根据计算得到的直流电抗器电压值作为上限值,并结合仿真进行验证和修正。

故障类型判据用于判断故障为双极短路故障还是单极接地故障。从理论上分析,稳态运行时直流电流恒定,UTH2设为0即可。但考虑到实际的直流输电工程稳态运行时,直流电流中会有谐波存在,直流电抗器电压的实时值不严格等于零,UTH2的整定原则为大于稳态时的正极和负极电抗器电压差值。

2.5 保护方案

根据2.1节至2.3节所述保护原理及故障判据,本文设计了如图3所示的多端柔性直流电网直流线路保护方案流程图。

图3 直流线路的保护方案流程图Fig.3 Flow chart of protection scheme for DC line

3 仿真测试

基于PSCAD/EMTDC仿真平台,搭建了如图4所示的三端柔性直流电网模型,采用MMC,直流线路采用架空线的依频模型。为了限制直流故障电流、清除故障,直流线路两端均装设直流电抗器和直流断路器。附录A表A1给出了图4中三端直流电网的系统参数。仿真的故障发生在0.6 s时刻,所设故障位置如图4中所示,其中f2,f8,f10均为线路的中点位置。数据采样频率为25 kHz。

图4 三端柔性直流电网Fig.4 Three-terminal flexible DC grid

本文以正极保护12作为观测点来测试保护的动作性能,电抗器电压的方向均以2.1节中规定的方向为正方向。

3.1 保护定值整定

由2.4节的分析可知,区内故障时最小电抗器电压值可由式(10)进行计算,以保护12为例(LT=0.2 H,Larm=48 mH,Lg=3 H,Rg=1 200 Ω,U1=500 kV,I1=-1.264 kA),可得计算的最小电抗器电压值uLTl2(0+)=331.9 kV,该计算值作为保护启动阈值的上限值。附录A表A2给出了图4中不同位置故障时保护12所在端的直流电抗器电压值。

由附录A表A2可知,f1处单极接地故障仿真得到的直流电抗器电压与计算得到的电抗器电压值基本一致,这验证了式(10)的正确性,可用于计算区内近端故障电抗器电压最小值。由该计算值并结合附录A表A2中区内、区外故障的仿真结果,同时还需要考虑一定的裕度,本文选取保护启动阈值UTH1=220 kV。

根据2.4节的分析,并结合稳态情况下的仿真,本文选取保护阈值UTH2=5 kV,延时时间Δt=200 μs。

3.2 区内故障

3.2.1 双极短路故障

在线路Line 1上保护12近端(f1)设置金属性双极短路故障,保护12端的直流电抗器电压波形如图5所示。

图5 区内双极短路故障时直流电抗器电压波形Fig.5 DC reactor voltage waveforms under internal pole-to-pole fault

图5中,双极短路故障时正极保护12检测故障的过程可分为如下步骤。

附录B图B1为双极短路故障时的电流波形,由直流线路故障后的电流水平可以看出,目前直流断路器的切断能力可以切断该故障电流[21-22],该保护方案可与直流断路器相配合,在识别出故障后跳开相应的直流断路器,以快速隔离故障。附录B图B1(b)中换流站桥臂电流小于换流站阀控保护的闭锁水平,因此换流站在故障检测过程中不会闭锁,保证了该保护方案的可靠检测不受影响。

3.2.2 单极接地故障

在线路Line 1上保护12远端(f3)设置正极接地故障,过渡电阻为100 Ω。附录B图B2为保护12端的直流电抗器电压波形图。

附录B图B2中,正极接地故障时正极保护12检测故障的过程可分为如下步骤。

附录B图B3为正极接地故障时的电流波形,可以看出,直流线路上的电流和桥臂电流均小于直流断路器的切断水平和换流站阀控保护闭锁的电流,因此该保护方案的检测不受影响,并且可与直流断路器配合实现故障的隔离。

3.3 区外故障

分别在区外近端f7(即换流站S2出口母线)和换流站S1交流侧系统(f6)设置金属性单极接地故障和三相短路故障,相关仿真结果如附录B图B4和图B5所示。

如附录B图B4所示,当换流站S2出口母线发生区外单极接地故障时,正极保护12端测得的直流电抗器电压小于保护启动阈值,保护不会启动,因此本文的保护方案能够判定该故障为区外故障。

类似地,当交流系统故障时,如附录B图B5所示,正极保护12端测得的电抗器电压远小于保护启动阈值,因此保护方案能够可靠地判定该故障为区外故障,保护不会误动。

3.4 功率反转

设置换流站S2在1.25～1.55 s之间,有功功率定值由1 500 MW变为-1 500 MW,此时线路1上的直流电流也会改变方向,如附录B图B6所示。附录B图B7为正极保护12端测得的电抗器电压波形。仿真结果表明,潮流反转时,直流电抗器电压远小于保护启动阈值,不会引起保护启动,对保护方案没有影响。

4 结论

本文在多端柔性直流电网直流线路两端均装设直流电抗器构成边界的基础上,设计了基于直流电抗器电压的新型边界保护方案,得到了以下结论。

1)对直流线路双极短路和单极接地故障下的故障暂态特征进行分析,结果表明直流电抗器电压可以作为识别直流故障的特征量。

2)基于直流电抗器电压的保护方案包括故障线路判据、故障类型判据和故障极判据,该方案仅利用单端直流电抗器电压的变化特征就能有效地识别故障,原理简单、易于实现、可靠性高,而且无需通信。

3)大量的仿真结果表明,该保护方案能够灵敏、快速、可靠地识别故障线路和故障极,具有一定的耐过渡电阻能力。

4)本文所提保护方案适合用做多端柔性直流电网线路的主保护,下一步工作将针对后备保护进行研究。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Boundary Protection Scheme for Multi-terminal Flexible DC Grid Based on Voltage of DC Reactor

ZHOUJiapei1,ZHAOChengyong1,LIChengyu1,XUJianzhong1,ANTing2

(1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China; 2. Global Energy Interconnection Research Institute, Beijing 102209, China)

Fast and reliable DC fault detection is one of the key techniques to break through for multi-terminal flexible DC grid. According to the characteristics of the DC reactors on the line, a novel boundary protection scheme is proposed to quickly detect the fault line using the voltage magnitude and direction of the DC reactors. And the fault type and fault pole can be judged with the difference in the voltage of DC reactor between the positive and negative poles of the fault line. The scheme can provide fast DC fault detection and identification just by the voltage of the single-ended DC reactor，thereby meeting the protection requirement of the DC grid while simplifying implementation. For the local fault detection of the proposed scheme, no telecommunication is needed. A three-terminal flexible DC grid model is built in PSCAD/EMTDC for simulation results to demonstrate the effectiveness of the scheme proposed under different DC faults and operating conditions.

This work is supported by “Thousands of People Plan” Special Support Project of State Grid Corporation of China (No. SGRIzlsdgcjsyjsJS 〔2014〕264).

multi-terminal flexible DC grid; boundary protection; DC reactor voltage; fault identification

2017-03-31;

2017-06-26。

上网日期: 2017-08-22。

国家电网公司“千人计划”科技专项(SGRIzlsdgcjsyjsJS 〔2014〕264)。

周家培(1993—),女,通信作者,硕士研究生,主要研究方向:直流电网线路保护。E-mail： Cathy_Zhou0411@163.com

赵成勇(1964—),男,教授,博士生导师,主要研究方向:高压直流输电与柔性直流输电技术。E-mail: chengyongzhao@ncepu.edu.cn

李承昱(1991—),男,博士研究生,主要研究方向:直流电网等值及故障分析。E-mail: chengyu0216@foxmail.com

(编辑 孔丽蓓)

( continued on page 146)( continuedfrompage94)