不同接地方式下无变压器型SNOP 的交流故障特性分析

许 烽，陆 翌，裘 鹏，宣晓华，江道灼，黄晓明

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027；3.国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户。当前，配电网存在网架结构薄弱、自动化水平低等问题；同时，光伏、风电等新型电源，以及电动汽车等新型负荷的接入，使得配电网内电压波动越限、馈线功率失衡等现象日趋严重[1-2]。而分段开关、联络开关等常规配电网调控手段无法有效解决上述问题。SNOP（智能软开关）就是在上述背景下衍生出的安装于传统联络开关处的电力电子装置，它能够准确控制其所连接馈线的有功功率与无功功率，从而有效应对分布式电源和负荷带来的随机性和波动性[3-4]。

SNOP 的引入彻底改变了传统配电网“闭环设计、开环运行”的供电模式，避免了开关变位造成的安全隐患，提高了配电网控制的实时性与快速性[5]。基于MMC（模块化多电平换流器）的背靠背型两端/多端柔性直流配电系统是SNOP 其中一种实现形式。MMC 通常采用联结变压器与交流系统相连以隔离交直流系统故障，提高运行可靠性。去变压器的设计方案能够降低SNOP 的占地面积和投资成本，尤其适用于紧凑化要求高、负荷较为密集的城市区域，目前已逐渐开始被一些学者关注[6-9]。

SNOP 在无变压器的情况下，其接地运行方式直接由所在配电网的接地方式决定。SNOP 所连配电网不同的接地组合方式将直接导致交直流系统不同的过电压和过电流特性，有必要进行研究梳理。本文以两端型SNOP 为例，通过SNOP所连两端配电网系统不同接地方式的组合仿真研究，归纳总结其内在机理，为相关工程和研究人员提供技术参考。

1 系统接线方案

1.1 接线形式

SNOP 通常连接于馈线末端，具有多种系统接线形式：通过2 个换流器连接同一个供区内的2 条馈线；通过2 个换流器连接2 个供区的2 条馈线（如图1 所示）；通过多个换流器连接多个供区的多条馈线，接线方式灵活。

图1 SNOP 系统接线形式

SNOP 接入后形成的混合供电方式结合了放射状和环网状供电方式的特点，给配电网运行带来以下好处：平衡2 条馈线上的负载，改善系统整体的潮流分布；进行电压无功控制，改善馈线电压水平；降低损耗，提高经济性；提高配电网对分布式电源的消纳能力；故障情况下保障负荷的不间断供电[3]。

由于联络开关的动作涉及开关使用寿命、合环电流冲击等因素，在实际运行中很难做到实时调节。而SNOP 的功率控制更加安全、可靠，可以做到实时控制与优化，并且在故障发生时不会造成短时停电，保障了负荷的不间断供电，提高了供电可靠性。

1.2 配电网接地方式

接地方式是一个看似简单而实际上非常复杂且至关重要的问题，直接关系到电力系统的安全运行。根据单相接地故障电流大小，可以分为需要断路器遮断单相接地故障的大电流接地方式和单相接地电弧能够瞬间自行熄灭的小电流接地方式[10]。其中，大电流接地方式有经小电阻接地和直接接地；小电流接地方式有经消弧线圈接地、不接地和经大电阻接地。大电流接地方式下单相接地故障时，故障电流大，供电可靠性差，但过电压水平低。 小电流接地方式下单相接地故障时，故障电流小，线路电压平稳，供电可靠性高，但过电压水平高且持续运行时间长，易损坏系统绝缘[11-12]。

结合我国实际情况及各地运行经验，目前城市配电网采用最多的2 种接地方式分别为中性点经消弧线圈接地和经小电阻接地[13]。经消弧线圈接地能够有效减少接地电流，迅速熄灭故障电弧，提高供电可靠性，但对设备绝缘要求较高。经小电阻接地能够限制故障的发展，降低对电力设备绝缘的危害，但可靠性相对较低。经消弧线圈接地和经小电阻接地2 种方式各有适用的应用场景，应结合电网具体条件，通过技术经济比较确定。国内有不少城市2 种接地方式都在使用，针对不同的供电区域采用不同的接地方式，如在城市中心区域，电缆线路较为集中，系统电容电流较大，采用经小电阻接地方式；而在城市郊区，多以架空线路为主，则采用经消弧线圈接地方式[10]。

2 仿真建模

图2 给出了含有两端背靠背型SNOP 的配电网仿真示意。2 个10 kV 供区内每条馈线以及与SNOP 相连馈线上的负荷采用PSCAD/EMTDC 内的Fixed Load 静态负荷模型依据不同负荷的特性进行等效建模。SNOP 由2 个半桥MMC 构成，每个MMC 桥臂含有24 个（2 个冗余）HBSM（半桥子模块），HBSM 额定电压为0.91 kV，SNOP 额定直流电压为±10 kV，额定容量为10 MW。分别向供区1 和供区2 供电的110 kV 电网系统均采用短路比SCR=5 的等效系统，且电压相角差为0。

中性点经小电阻接地发生接地故障时，故障电流一般在100～1 000 A，城市配电网中电阻选用范围一般为5.5～16 Ω[14]，本文选择10 Ω 作为中性点接地小电阻。当接地电容电流在10 A 以上，中性点可以采用经消弧线圈接地解决，本文选择0.78H 作为中性点接地电感[10]。110 kV 及以上电压等级的电网一般采用直接接地方式，由MMC 构成的直流系统可作为分区互联装置，实现城市分区间的互联、互供，解决城市电磁环网问题。为扩大研究范围，本文将直接接地方式也作为研究对象之一。

与供区1 所连的MMC 采用定有功功率和定无功功率控制策略，与供区2 相连的MMC 采用定直流电压和定无功功率控制策略。2 个MMC 均采用具有正、负序解耦控制的内外环控制策略[15]，以抵御电网故障下功率器件电流超限。

3 仿真统计

图2 仿真模型示意

表1 不同接地组合方式下单相接地故障仿真统计结果

选择经消弧线圈接地、经小电阻接地和直接接地中的一种进行供区1 和供区2 的接地方式组合，以图2 所示的F1 处A 相金属性接地故障为例进行仿真分析，可以得到表1 所示的仿真统计结果。其中，交流最大电压和交流最大电流指的是MMC 交流出口处的电压幅值和电流幅值，零序电压和零序电流为上述电气量的零序分量，直流电压波动指的是正负极直流电压在基准电压±10 kV 上的波动幅值。图3 为供区1 和供区2 均采用经消弧线圈接地方式的系统故障响应特性，图4 为供区1 采用消弧线圈接地、供区2 采用直接接地方式的系统故障响应特性。其中，图3（a）—3（d）及图3（f）—3（i）分别为与供区1 和供区2 相连的MMC 交流出口处的电流瞬时值、零序电流瞬时值、电压瞬时值和零序电压瞬时值，图3（e）为正负极直流电压，图3（j）为供区2 的中性点电流。图4 各分图依次类推。

图3 供区1、供区2 经消弧线圈接地的故障特性

图4 供区1 经消弧线圈接地、供区2 直接接地的故障特性

根据仿真统计结果可以得出如下结论：

（1）故障情况下，供区1 和供区2 的MMC 交流出口处的零序电压和零序电流基本相同。

（2）供区1 和供区2 在经消弧线圈接地和经小电阻接地4 种组合方式下，零序电压基本相同，直流电压波动幅值也基本相同，零序电流由非故障侧的接地方式决定。

（3）供区1 和供区2 只要有一侧采用直接接地方式，零序电压分量和直流电压波动幅度有明显降低，零序电流大小由非故障侧的接地方式决定。

（4）故障情况下，直流电压波动幅值与零序电压幅值基本相同。

（5）无论何种接地方式，供区2 中性点电流幅值基本为零序电流的3 倍。

4 单相接地故障特性分析

图5 给出了MMC 的等效电路。桥臂电感记为2L，桥臂等值电阻记为2R。交流系统三相电压分别用ua，ub和uc表示，交流系统三相电流分别用ia，ib和ic表示。直流极间电压和直流电流分别用Ud和Id表示，正极直流电压和负极直流电压分别用Udp和Udn表示，“o”点为直流侧虚拟中性点。j 相（j=a，b，c）上桥臂和下桥臂电流分别用ijp和ijn表示，ujp和ujn分别是j 相上桥臂和下桥臂级联子模块组的输出电压，uo为直流中性点对地电压。

对j 相上、下桥臂分别应用基尔霍夫电压定律，可得：

图5 MMC 等效电路

将式（1）和式（2）相加，再在等式两边同除以2 可得一个新的等式：

其中，

利用对称分量法对式（3）进行序分量分解，可以得到正序、负序和零序3 个独立的子系统。

从式（5）和式（6）可以看出，正负序分量内，已无uo项，表明uo与正负序系统无关，仅由零序系统决定。当前，正负序系统下的内外环控制策略也已十分成熟[15]，控制所得的桥臂电压输出量经式（4）可以得到和。由于控制环内不具有零序控制分量，因此有e0=0。式（7）适用于供区1 和供区2 所在的MMC，因此有：

从式（8）可以看出，供区1 交流故障引发的零序分量会导致直流“o”点的电压uo发生变化，根据式（1）和式（2）知，正、负极直流电压Udp和Udn分别为0.5Ud+uo和uo-0.5Ud，因而不对称故障导致正负极直流电压的偏移波动，但极间电压保持不变。从式（9）可以看出，供区2 的交流侧将因“o”点电压偏移导致出现零序电压和零序电流，该零序电流必然通过供区2 的中性点形成电流回路。因此，由上述分析可知，供区1 发生单相接地故障后，零序电流存在通路①和通路②，见图6。通路②由接地故障产生的零序电压造成零序电流经过故障接地点和中性点形成回路，类同于常规交流系统接地故障；通路①中非故障侧交流系统将通过与故障点相连的换流器单元经过故障接地点与非故障侧中性点形成零序电流回路，此为采用无变压器SNOP 装置的特殊之处。上述公式推导和图6 所示有效说明了上一节部分结论。

图6 零序电流通路

假设供区2 内MMC 至变电站的零序阻抗为Zl2，中性点接地电抗为Zg2（不同接地方式对应不同的Zg2）；供区1 内MMC 至故障点的零序阻抗为Zl11，故障点至变电站的零序阻抗为Zl12，中性点接地电抗为Zg1（不同接地方式对应不同的根据系统回路特性，可得：

5 结语

（1）SNOP 在无变压器的情况下，失去了天然隔离零序分量的能力，零序电压和零序电流均可通过SNOP 实现无阻穿越，进而导致故障范围扩大化。后续应着重研究相应改进策略。

（2）不同接地方式下，零序电压和零序电流特性有明显区别：经消弧线圈接地和经小电阻接地方式下，零序电压、直流电压波动量较大，而零序电流、故障电流较小，因而对SNOP 及配网系统的绝缘特性要求有所增加，但不需要考虑过流威胁。直接接地方式下，零序电压、直流电压波动量相对较小，而零序电流、故障电流量较大，SNOP 及配网系统的电流承受能力需要仔细校核。

（3）无论是何种接地方式，单相接地故障下，SNOP 所连供区的零序电压基本相同，流过每个MMC 的零序电流也基本相同，且零序电流的大小由非故障侧的接地方式决定。

（4）单相接地故障下，与SNOP 相连的所有馈线都存在零序电流等特征变化量，这与常规馈线故障存在较大差异，利用单相接地故障指示器进行故障定位的现有方法需要做相应改进。