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    直流配電網故障分析和繼電保護綜述
    來源:admin | 發布時間:2018-06-13 10:46 | 瀏覽次數:

    直流配電網是未來城市配電網的重要組成部分,文章對目前國內外學者關于直流配電網方面的研究工作進行了綜述。首先分析了基于兩電平VSC換流器和基于模塊化多電平換流器的直流系統的故障特征,將故障過程劃分為多個階段,通過理論分析得到了各階段的故障電流解析表達式。其次介紹了各種適用于直流配電網的故障檢測和定位原理,主要包括電壓/電流保護、邊界保護、縱聯保護、分區保護、“握手法”等。然后,通過對比采用交流斷路器、利用換流器自清除能力和采用直流斷路器的3種故障隔離方案,對直流配電網的故障隔離策略進行了分析。最后從接地方式、保護與控制一體化、故障電流限制等方面,對配電網故障分析與處理的研究提出了建議。

    0引言

    柔性直流輸電技術憑借其在傳輸容量、線損、可靠性以及有功和無功的獨立靈活控制等方面的巨大優勢,已經廣泛應用于遠距離大容量輸電領域。而在電壓等級較低的中低壓配電網領域,直流配電技術雖然也具有可靠性高、線損小、便于光伏等分布式新能源接入等優點,但應用才剛剛起步,目前還僅應用于一些大規模工業園區、船舶供電、軌道交通等領域。隨著電力電子技術、儲能技術、分布式電源的發展,未來直流配電技術有望廣泛應用于城市供電系統,直流配電網是未來城市配電網的重要發展趨勢。

    雖然柔性直流配電技術相較于傳統的交流配電技術擁有眾多優勢,但其目前還處在發展階段,依然面臨著許多問題。柔性直流配電技術目前的發展瓶頸主要包括以下3點:①直流潮流控制技術;②直流變壓技術;③直流故障檢測、識別和隔離技術。其中直流故障快速檢測、可靠隔離對保證柔性直流配電網的安全可靠運行具有重要意義,也是本文關注的重點。目前國內外學者關于直流系統故障檢測識別和隔離技術的研究主要可以分為以下3個方面:

    1)直流配電網故障特性分析。

    直流配電網故障暫態特性分析是故障檢測、定位和隔離的基礎,也是直流配電網故障檢測、識別、隔離技術的研究難點。直流配電網故障暫態特性受到較多因素的影響,主要包括換流器類型、系統結構以及系統控制策略。故障暫態過程往往是多種因素共同作用下的一個復雜的暫態非線性過程,傳統的基于工頻電氣量的故障特性分析方法顯然不再適用于直流配電網。

    目前,關于直流配電網故障特性分析方面的研究多采用理論研究與仿真實驗相結合的方法,將故障暫態過程分為不同的發展階段,通過簡化等效故障放電回路,求解不同階段所對應故障電流的解析表達式來對故障暫態過程進行描述。

    2)直流配電網故障檢測與定位。

    直流配電網故障檢測與定位是直流配電網繼電保護的核心。直流配電系統不同于交流配電系統,其具有“低阻尼”特性,直流故障發生后,故障電流非常大,故障發展過程極快,通常在幾個毫秒內就能危及整個直流配電網的安全,因此,要求直流配電網的故障檢測與定位策略能夠在幾毫秒內快速定位故障線路。傳統的交流配電網的故障保護方法顯然不適用于直流配電網的保護。

    如何處理好快速性與可靠性之間的矛盾是直流配電網故障檢測與定位需要解決的問題。目前,該領域的研究主要集中于動作速度快的保護新原理的開發。

    3)直流配電網故障隔離方法。

    直流配電網故障隔離技術是直流配電網繼電保護的重要組成部分。未來直流配電網的發展趨勢是“直流成網”,因此如何快速、準確地將故障隔離在盡可能小的范圍內是故障隔離技術需要解決的問題。

    目前,直流配電網故障隔離方法主要包括3種:①交流側斷路器加直流側隔離開關;②換流器自清除加直流側隔離開關;③直流斷路器。其中交流側斷路器加直流側隔離開關切除速度較慢,難以滿足直流配電網對故障切除速度的要求;換流器自清除加直流側隔離開關會導致全網斷電,且具有自清除能力的換流器拓撲較為復雜,換流站的投資增加;直流斷路器能夠快速切除故障線路,其故障隔離過程與交流系統相似,但目前直流斷路器技術仍處在發展階段,直流斷路器造價昂貴也是不可回避的問題。

    本文將從直流配電網故障特性分析、故障檢測與定位原理、故障隔離方法3個方面對國內外學者的研究進行歸納總結和綜述,并提出自己的一些觀點與展望,以期能夠對未來直流配電網研究與建設有所裨益。

    1直流配電網故障特性分析

    直流配電網故障暫態特性分析是故障檢測、定位、隔離的基礎。采用不同類型的換流器的直流配電網的拓撲結構不同,因此故障特征也存在較大差異,相應的故障暫態特性分析方法不同。本小節將針對目前最為典型的2種換流器拓撲,分別對其故障暫態特性分析的研究現狀進行詳細的介紹。

    1.1 兩電平VSC換流器型直流系統故障特性

    文獻[6]結合理論分析和仿真驗證對兩電平VSC換流器直流系統單極接地故障的故障暫態特性進行了細致的研究,通過對不同接地方式下直流系統單極接地故障的等效放電回路的分析和仿真,得出了兩電平VSC換流器直流系統單極接地故障特性與接地方式相關的結論。文獻[7-8]通過對兩電平VSC換流器直流系統交流側不對稱故障過程中的等效放電回路的分析,發現換流器交流出口處不對稱故障產生的零序分量會通過直流側儲能電容的接地支路形成通路,從而耦合進直流系統,導致正負極儲能電容電壓出現共模波動現象。針對該現象,文獻[9]提出了直流側電容中點經電阻接地的方法減小故障零序電流,從而減小正負極儲能電容電壓的共模波動,保持儲能電容兩端電壓的穩定。

    極間短路故障是直流配電網最為嚴重的故障類型,關于兩電平VSC換流器型直流系統極間短路故障特性的研究也相對豐富。文獻[10-12]將極間短路故障暫態過程中的故障電流分成3個部分,分別是:①換流器直流側儲能電容放電電流;②直流線路電感通過續流二極管提供的故障放電電流;③交流系統通過續流二極管提供的短路電流。故障暫態過程分為如下3個階段:①直流側儲能電容快速放電階段;②二極管自然換向導通階段;③二極管同時導通階段。其中文獻[10-11]指出故障暫態過程①中的故障電流以直流儲能電容放電電流為主,并通過對直流儲能電容放電二階電路的求解,推導出了該階段的故障電流的解析表達式;故障暫態過程②中交流電源和直流儲能電容同時向故障點放電,該過程中二極管存在交替導通、關斷的換向過程,這種換向過程每發生一次,動態過程就要重新求解一次,通過求解多元狀態方程可以得到該過程中交直流側電壓電流的暫態解;故障暫態過程③發生在直流儲能電容電壓的振蕩過零時刻,該過程中電路完全對稱,相當于交流側發生了三相短路,通過求解交流側三相短路過程中的短路電流得到了此過程的故障電流暫態響應的解析表達式。除此之外,文獻[12]還考慮了IGBT閉鎖與否對故障穩定后故障電流特性的影響。

    1.2 模塊化多電平換流器(MMC)型直流系統故障特性

    模塊化多電平換流器相較于兩電平VSC換流器擁有波形質量高、控制靈活、運行損耗小等優勢,越來越多的被用于柔性直流輸配電領域。其拓撲結構與兩電平VSC換流器存在較大差異,尤其是直流側不含直接并聯的儲能電容,使得基于模塊化多電平換流器的直流系統與基于兩電平VSC換流器的直流系統的故障特征存在較大差異。

    文獻[13]基于仿真對模塊化多電平換流器構成的直流配電系統單極接地故障特性進行了研究,主要關注交直流側不同的接地方式對于直流系統單極接地故障特征的影響,分析比較了不同接地方式的優劣。文獻[14]在理論分析的基礎上,給出了模塊化多電平換流器構成的直流配電系統單極接地故障及極間短路故障的等效放電電路,并以等效放電電路為依據,理論推導了單極接地故障及極間短路故障時的故障電流的解析表達式,需要指出的是該解析表達式的推導過程并沒有考慮故障過程中IGBT的閉鎖對故障特性的影響,僅適用于IGBT閉鎖前的系統故障特性的分析。文獻[15-18]詳細地分析了模塊化多電平換流器構成的直流配電系統極間短路故障的故障特性。其中文獻[15]詳細闡述了極間短路故障過程中故障等效電路及故障電流解析表達式的推導過程,并通過仿真實驗驗證了解析表達式的正確性。文獻[16-17]將極間短路故障過程分為IGBT閉鎖前和閉鎖后2個階段,分別對這2個階段中的故障暫態特性進行分析,通過理論推導得到了2個階段故障電流的解析表達式。文獻[18]指出換流器橋臂電抗會對極間短路故障后短路電流的流通回路產生影響,文中定義了導通重疊角,根據角的大小,分析了4種穩態短路電流通路,然后分別對這4種短路電流通路下的交直流側故障電流特性進行了分析,推導出了交流側和直流側穩態短路電流的實用計算方法。

    無論是兩電平VSC換流器還是模塊化多電平換流器都不具備故障阻斷能力,為了適應未來多端柔性直流配電網的發展趨勢,同時避免使用造價昂貴的直流斷路器,具有故障自清除能力的換流器的拓撲及故障特征成為近年來的一大研究熱點。文獻[19]分析了具有故障自清除能力的換流器的故障特征,發現在IGBT閉鎖前,其故障特性與模塊化多電平換流器的故障特性完全相同,在IGBT閉鎖后,交直流系統被完全隔離,直流側故障電流逐漸衰減為零。

    以上研究表明,目前國內外學者對于直流配電網故障特性的研究已初具規模,已經能夠用相對準確的解析表達式對故障暫態過程進行描述,但諸如控制系統、接地方式等因素對于故障暫態特性的影響仍沒有得到足夠的重視。未來一方面需要統一直流配電網的接地方式,另一方面需要考慮各種控制系統對于直流配電網故障特性的影響。另外,更加深入研究直流配電網故障暫態過程,尋找更為精確的解析表達式對故障暫態過程進行更加準確的描述也是未來直流配電網故障分析的發展方向。

     
     
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