背靠背柔性直流输电系统充电期间接地故障特性和保护定值设计

2022-07-06王佳成董云龙王柯卢宇吴飞翔

广东电力 2022年6期

王佳成，董云龙，王柯，卢宇,2，吴飞翔

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102；2.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院)，江苏南京 211106)

基于电压源换流器的柔性直流输电技术是目前学术研究的热点，具有广泛的应用前景[1-8]。模块化多电平换流器(modular multi-level converter，MMC)开关频率低、输出交流电压畸变小，是目前国内柔性直流输电工程首选的换流器结构。从经济性和紧凑化出发，背靠背柔性直流输电系统(back-to-back flexible DC transmission system，DC-BTB)[9]工程多采用对称单极结构，目前国内已投运的DC-BTB工程，如渝鄂工程[10-11]、鲁西工程[12-13]，以及在建工程如广东工程，均采用对称单极结构DC-BTB设计。对称单极结构DC-BTB正负极母线分别提供正负对称的直流电压，一般采用换流变压器(以下简称“换流变”)阀侧高阻接地的方式以提供DC-BTB的参考电位，抑制网侧故障期间的零序电流。然而采用换流变阀侧高阻接地的对称单极结构DC-BTB发生阀侧单相接地故障或极线单极对地故障时，故障点电流较小，过流、差动类保护灵敏度不足，定值设计困难[14]。

目前已有文献阐述了对称单极结构DC-BTB的交直流故障特征。文献[14]根据豫鄂DC-BTB带启动电阻充电期间故障电流小的特征，提出按解锁或充电2种不同模式切换差动保护制动电流定值的设计方案；文献[15]分析对称单极结构DC-BTB运行期间发生换流变阀侧单相接地故障机理，指出差动保护用于故障判别的灵敏度问题，提出采用阀侧零序过压保护或阀侧中性点过流保护作为主保护的建议；文献[16]研究对称单极结构DC-BTB阀侧发生单相接地故障后两侧换流器的故障特征及故障定位方法；文献[17]研究对称单极结构DC-BTB交流故障下桥臂电流发展过程和桥臂过流保护定值的选取原则；文献[18]研究对称单极DC-BTB极线断线故障发展机理和保护动作情况；文献[19]研究对称单极结构DC-BTB交流故障后零序回路的发展原理；文献[20]基于换流变阀侧区内单点接地故障时故障电流不规则变化和换流变自身保护灵敏度偏低的特性，提出基于零序差动和快速零序过流原理的保护方案。上述文献主要阐述了对称单极结构DC-BTB运行期间的故障特性和保护原理。然而当MMC处于充电过程中，由于带有启动电阻，将导致阀侧接地故障下故障电流比运行期间更小，保护的灵敏度和选择性需更深入研究。同时，MMC交流充电期间直流极线引入交流纹波，直流电压不平衡保护需正确区分故障特征和正常充电特征，严防充电期间误动。

本文以中性点经大电阻接地的对称单极结构DC-BTB为例，首先研究带启动电阻充电期间的阀侧接地故障特性，针对其故障电流小且保护定值设计困难的现状，提出阀侧零序过压保护和阀侧中性点过流保护相配合的设计思路。然后，分析充电期间极线接地故障特征，优化直流电压不平衡保护定值的设计。最后，基于实际控制保护装置，在实时数字仿真系统(real time digital simulation system，RTDS)中搭建模型进行仿真分析，验证充电期间阀侧不对称接地故障和极对地故障时保护动作的可靠性。

1 DC-BTB充电过程分析

基于MMC的对称单极结构DC-BTB拓扑如图1所示，其中：T1、T2为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)；D1、D2为与IGBT反并联的二极管；C为充放电电容；SM1—SMn为每个桥臂的n个子模块；Ro为阀侧换流变中性点电阻；QFa、QFb、QFc为三相启动电阻旁路开关；R1a、R1a、R1a为三相启动电阻；UDP为正极对地电压；UDN为负极对地电压；UDC为阀间电压；Uva、Uvb、Uvc为换流变阀侧三相对地电压；Io为换流变阀侧中性点电流。

图1 基于MMC的对称单极结构DC-BTB拓扑

每个子模块由T1、T2、D1、D2和电容C构成。MMC充电过程可分为不控充电和可控充电2个阶段。在不控充电阶段，各桥臂T1、T2均不导通，通过D1、D2实现对电容C的充电。不控充电结束后进入可控充电阶段，各桥臂根据解锁前子模块电容电压充电目标值，通过开通T1并关断T2来旁路子模块，以减少充电中的子模块数量，提高单个子模块充电电压。整个充电期间等效为三相不控整流过程。MMC充电初期桥臂各相均投入充电电阻R1，以抑制子模块电容电压充电初始阶段引起的桥臂电流冲击。当电容电压基本稳定后闭合旁路开关QF以切除充电电阻R1。MMC充电期间，随着子模块电容电压的升高，MMC系统正极、负极对地电压UDP、UDN也相应升高，阀间电压UDC可升高至阀侧线电压峰值水平。

基于MMC的对称单极结构DC-BTB，两侧为对偶的单极MMC结构，执行顺控充电操作时两侧交流电源分别同时给MMC充电，各侧MMC充电过程与上文所述一致。

2 充电期间的阀侧故障特性和保护机理

基于MMC的对称单极结构DC-BTB一般采用换流变阀侧经中性点接地的方式来提供电压零电位点，同时通过大电阻接地防止网侧故障期间的零序电流串入换流变阀侧直流系统[15,19]。针对解锁运行期间的阀侧接地故障，因为启动电阻R1已切除，接地后故障点的零序电压特征明显，同时在阀侧中性点处产生了较显著的故障接地回路电流，通过合理设置阀侧零序过压保护或站接地过流保护，可实现故障的可靠判别。但带启动电阻充电期间发生阀侧接地故障时，零序电压和故障电流更低，需要重新设计校核相关保护的定值设计和动作方案。DC-BTB换流变阀侧故障点设置如图2所示，其中FAG表示典型阀侧单相接地故障，FBCG表示两相接地故障；Usx(x=a,b,c)为换流变三相阀侧绕组感应电压，其额定幅值大小为U；Uvx(x=a,b,c)为换流变阀侧三相对地电压；Uo为换流变阀侧中性点电压，正常运行时Uo=0。

2.1 带启动电阻充电期间的阀侧对地故障特性

图2所示对称单极结构DC-BTB中，发生阀侧接地故障后，换流变阀侧对地电压Uvx幅值和相位随故障特性发生变化。本节对带启动电阻充电期间的阀侧不对称接地故障进行分析。

图2 DC-BTB换流变阀侧故障点设置

2.1.1 单相接地故障FAG

图3 换流变阀侧单相接地故障回路及其相量图

根据节点电压法推得：

(1)

(2)

换流变阀侧中性点零序电压满足

(3)

(4)

设R0=R1=R，由式(1)—(4)可得：

(5)

2.1.2 两相接地故障FBCG

故障简化回路及其相量图如图4所示。

图4 换流变阀侧两相接地故障回路及其相量图

根据节点电压法可得

(6)

设k=R1/Ro，由式(6)推导得：

(7)

由式(6)、(7)可知，带启动电阻充电期间两相接地故障发展特征与k有关。若k=1，则推得带启动电阻充电期间发生FBCG故障时换流变阀侧三相电压和阀侧中性点电压满足：

(8)

(9)

2.2 解锁运行和充电期间的故障特性对比

由文献[15-16]可知，基于MMC的对称单极结构DC-BTB解锁运行期间发生阀侧单相接地故障的特征，同时由2.1节可知阀侧不对称接地故障后各故障特征量存在基波波动。针对单相对地故障FAG和两相接地故障FBCG，以k=1为例对比不同运行阶段故障特征量的区别，见表1。可以看出，在带启动电阻充电期间发生阀侧不对称接地故障的电气量特征要弱于运行期间的同类型故障。

表1 换流变阀侧接地故障时主要特征量幅值

2.3 保护设计原则

基于MMC的对称单极结构DC-BTB发生换流变阀侧接地故障的保护一般为阀侧中性点零序过压保护或阀侧中性点过流保护，根据2.1节故障特性分析，需综合考虑带启动电阻充电和运行期间不同的阀侧对地故障特征设计保护定值，以确保带启动电阻充电期间保护动作的灵敏性，本节以k=1为例说明保护定值设计方法。

2.3.1 阀侧中性点零序过压保护

设计阀侧中性点零序过压保护仅在MMC充电期间使能，解锁后退出，该保护的判据为

(10)

由表1可知，带启动电阻充电期间发生阀侧接地故障后特征量幅值3Uv0较小，仅依据解锁运行期间相同故障的电气量特征设计保护定值可能造成带启动电阻充电期间的保护灵敏性不足。定量分析表1可知，带启动电阻充电期间发生阀侧两相接地故障后3Uv0最小为U，则阀侧零序过压保护定值可按下式选取：

Uv0,set>k1U.

(11)

式中k1为零序电压可靠系数，可设为0.6～0.8。

2.3.2 阀侧中性点过流保护

阀侧中性点过流保护在充电和解锁运行期间始终开放，该保护的判据为

Io,RMS>Io,set.

(12)

式中：Io,RMS为换流变阀侧中性点电流有效值；Io,set为换流变阀侧中性点过流保护整定值。因为阀侧中性点过流保护仅中性点电流大于一定阈值动作，若换流变为YNyn0结构，则DC-BTB各区域接地故障均可能引起阀侧中性点出现接地电流。带启动电阻充电期间即使发生阀侧接地故障，接地点电流也较小，若将保护定值设置较低，则过流保护难以有效区分区内或区外故障，当外部交流系统发生接地故障可能引发保护误动。为防止误动需提高保护定值，设计Io,set躲过DC-BTB网侧交流接地故障引起的换流变阀侧中性点接地电流和带启动电阻充电期间的中性点接地电流，仅反映运行期间的阀侧接地故障。

(13)

式中：Io,max为换流变阀侧发生不对称接地故障期间中性点故障电流稳态期间可能出现的最大有效值；k2为中性点过流保护可靠系数，可设置为1.1～2。

3 充电期间极对地故障特征和保护机理

基于MMC的对称单极结构DC-BTB采用换流变阀侧中性点高阻接地的方式提供参考零电位，运行期间正负极线对地电压大小相等、极性相反。

DC-BTB负极对地故障回路如图5所示，由于发生极对地故障接地电阻较大，可不考虑续流较小的故障电流回路。故障期间子模块电容电压仍能维持正常电压水平，阀间电压UDC故障前后不发生较大变化。但由于极线故障接地，故障极对地电压钳位到0，非故障极电压上升到原来的2倍，正极对地电压UDP和负极对地电压UDN不再保持对称，因此一般采用直流电压不平衡保护作为对称单极结构DC-BTB单极对地故障的主保护，该保护主要通过检测正负极电压的不平衡度来判断是否发生接地故障。然而DC-BTB充电过程等效于二极管不控整流，充电期间UDP、UDN的规律性波动导致正负极电压不平衡度增大，保护定值须防止充电期间误动。

图5 DC-BTB负极对地故障回路

同时由于充电初期子模块电容电压才开始增长，极对地故障特征较运行期间不显著，需保证充电期间的极对地故障仍能被识别。由上述分析可知，为兼顾保护的灵敏性和可靠性，需综合充电和运行状态优化设计定值。

本节首先说明DC-BTB充电期间的正负极不平衡电压特征，然后以图5中负极接地FNG故障为例说明充电期间故障特性。

3.1 充电期间的正负极电压不平衡

图5所示DC-BTB的充电过程可等效为不控整流充电，忽略充电过渡期间启动电阻的短时压降，换流变阀侧三相电压和正负极对地电压分别表示为：

(14)

式中：ω为基波角频率，大小为100π rad/s；t为时间，单位为s；uvx(x=a,b,c)为换流变阀侧三相对地瞬时电压。

图6为DC-BTB充电期间的正负极电压波形，纵坐标以Uvx的额定幅值U为基准。图6中区间1为[ωt0，ωt2)；区间2为[ωt2，ωt3)；区间3为[ωt3，ωt4)，可以看出各区间大小均为2π/3，每个区间内正负极不平衡电压绝对值Udiff呈周期性变化。

图6 DC-BTB充电期间正负极不平衡电压

以区间1为例，由式(14)推得Udiff变化满足：

(15)

由式(15)可推出充电期间1个基波周期内Udiff的平均值

(16)

3.2 充电期间的极对地故障特征

3.3 保护设计原则

基于MMC的对称单极结构DC-BTB发生极线接地故障的主保护为直流电压不平衡保护。由3.1节可知充电过程存在不平衡电压，定值设计需防止充电期间的误动并保故障下动作的灵敏性。综合以上考虑，直流电压不平衡保护分2段设计，判据如下：

I段判据为

(17)

II段判据为

(18)

式(17)、(18)中：T为积分时间，一般取1个基波周期20 ms；Iset1为直流电压不平衡保护I段电流闭锁定值；Uset1、Uset2分别为直流电压不平衡保护I段、II段电压定值，上述判据中Uset2

I段定值反应充电完成后或运行期间，UDC电压处于较高水平时发生极对地故障，设阀间电压额定值为UDC,nom，定值设计满足：

(19)

式中：k3为I段电压判据可靠系数，取0.4；k4为接地电流判据可靠系数，取0.1～0.5。

k50.256U

(20)

式中：k5为II段电压判据防误动系数，取1.5～2；k6为II段电压判据防拒动系数，取0.35～0.5。

4 仿真验证

根据图1的DC-BTB拓扑，基于实际控制保护装置，在RTDS中搭建模型进行仿真分析，验证上述定值设计的可靠性，DC-BTB主要仿真参数见表2。

表2 DC-BTB主要仿真参数

4.1 带启动电阻充电期间的阀侧不对称接地故障仿真

根据第2章所述，采用阀侧中性点零序过压保护作为带启动电阻充电期间阀侧接地故障的保护，采用阀侧中性点过流保护作为启动电阻切除后的充电和运行期间阀侧接地故障的保护。根据表1可得仿真参数下发生阀侧不对称接地故障时各特征量最大基波幅值，见表3。

表3 换流变阀侧接地故障时故障特征量理论值

依据式(11)并考虑可靠系数k1=0.7，设计阀侧零序过压保护定值Uv0,set=0.7U=171.5 kV，保护动作延时2 s；依据式(13)及表2中Ro=R1=5 kΩ，考虑可靠系数k2=1.15，设计阀侧中性点过流保护定值Io,set=20 A，动作延时10 ms。

图7 DC-BTB带启动电阻充电期间发生阀侧FAG故障后的特征量变化波形

图8 DC-BTB带启动电阻充电期间发生阀侧FBCG故障后的特征量变化波形

4.2 充电期间的不平衡电压仿真

图9 充电期间的不平衡电压波形

4.3 充电期间的极对地故障仿真

充电期间针对极对地故障的主保护为直流电压不平衡保护。根据式(19)设置可靠系数k3=0.4、k4=0.16，则I段保护定值Uset1=240 kV、Iset1=10 A；根据式(20)设置可靠系数k5=1.9、k6=0.45，则II段保护定值Uset2选择为180 kV。设置I段保护动作延时10 ms，II段保护动作延时150 ms。