直流微电网接地故障分析及接地设计研究

2022-07-17赵勇呓赵创业孙振兴

江苏科技信息 2022年16期

赵勇呓，赵创业，孙振兴

(国网安徽省电力有限公司淮北供电公司，安徽淮北 235000)

0 引言

随着可再生分布式发电(如太阳能光伏)的普及[1]，以及电子负载和电动汽车的日益普及，人们产生了使用直流微电网(DCMG)的想法。与交流微电网(ACMG)相比，DCMG有几个优势，但在DCMG保护方面，如接地、接地故障检测、定位和故障隔离仍然是开放的研究。

电力系统接地是一个非常重要的因素[2]，它影响接地和冲击故障电流，并确保人类和牲畜免受电力的危害。本文评价了DCMG不同接地方案的性能，通过对接地设计权衡和DCMG接地故障检测方案的研究，确定了不同接地配置下的故障检测可靠方案。

1 接地注意事项

DCMG接地和保护方案的目的是在故障条件下最大限度地保证人员和设备的安全[3]。在这方面必须考虑：故障电流大小，接触电压、故障检测和电流限制。由于这些需求通常是相互对立的，在设计适合DCMG的接地方案时，必须进行一定的权衡。

电网规范的要求之一就是要具有故障穿越能力，它要求DCMG在故障期间保持其母线电压稳定[4]，并且需要DCMG控制方案参与故障期间母线电压稳定的维护。

2 系统结构

本文采用广义DCMG模型，该模型由以下部分组成：两级并网电压源变换器(G-VSC)控制直流母线电压[5]；储能系统(ESS)通过一个双向降压升压变换器连接到直流母线上；太阳能光伏(PV)电站通过一个单向升压变换器连接到直流母线上；将几种直流负载分别建模为线性负载和固定功率负载。表1列出了DCMG模型的特征数据。

表1 直流微电网特征数据

3 电力电子变换器在故障期间的行为

DCMG故障导致直流母线电压波动，进而导致PE转换器行为变化。下面讨论了故障条件下两级变电压控制和DC/DC降压升压变换器的运行行为，假设在整个分析过程中都没有故障保护/中断，PE转换器在发生故障后继续向负载和故障输送电力。

3.1 G-VSC

G-VSC正极接地故障，如图1所示，接地故障电阻Rg的减小会导致电压波动较大，从而导致G-VSC失去控制。根据直流电压Vdc的不同，有3种不同的操作行为，即线性调制、过度调制、不规则调制。

图1 VSC正极接地故障

3.2 DC/DC变换器

稳态下，ESS和PV电站都会产生接地故障电流，但前提是有闭合回路。图2a为DC/DC升压变换器的正极接地故障。

故障可使Vdc脱离调节，但仍高于DC/DC变换器的输入电压Vin，变换器的额定电流将限制PV电站或ESS产生故障电流。然而，如果Vdc低于Vin，电感电流将无限制地增加，以致变换器控制也不能限制电流。因此，ESS和PV电站产生的接地故障电流将远高于最大额定电流。当故障电流流过二极管时，即使采用IGBT去饱和保护方案阻止IGBT操作，也不能限制电流。图2b为二极管续流故障电流的等效电路。

图2 故障电路

4 接地故障分析

本节采用DCMG模型进行PSCAD/EMTDC仿真,分析了不同的接地配置:(1)交流电网变压器中性点接地，直流母线隔离；(2)交流电网变压器中性点隔离，直流负极母线接地；(3)交流电网变压器中性点隔离，直流母线中性点接地。为了便于分析，忽略电缆电阻和电感，故障均设定在t=2 s时。

4.1 交流电网变压器中性点接地，直流母线隔离

4.1.1 高接地故障电阻(Rg=5 Ω)

在发生高阻接地故障后，Vdc被G-VSC控制系统恢复到额定值(图3a)。图3b为故障发生后直流正极相对于地的电位Vpole+。如图3c所示，故障后Ig与Vpole+具有相同的波形和频率，Ig的直流分量只能通过VSC的续流二极管。

对于高Rg，通过G-VSC的直流分量方向，从上端子向外为Ivsc+(图3d)，从下端子向内为Ivsc-(图3e)。对于PV电站电流Ipv和ESS电流Iess，在稳态下，任何接地故障电流均不存在闭合回路。因此ESS和PV电站不给接地故障供电，只给负载电流供电，如图3f、3g所示。

从上到下分别为直流母线电压、直流正极与地之间的电压、接地故障电流、VSC上端电流、VSC下端电流、PV电站电流、ESS电流。图3 DCMG中直流母线隔离、交流电网变压器中性点可靠接地时发生高Rg接地故障的电压和电流

该接地配置可采用基于Ig测量的接地故障检测方案来检测高电阻接地故障。但如果Rg很高或接地不可靠，由于Ig很小，无法检测到故障，此时可采用绝缘监测进行检测，识别由接地故障引起的绝缘电阻下降。

4.1.2 低接地故障电阻(Rg=0.1 Ω)

如图4a所示，当Rg较低时，Vdc脱离调节。图4b为直流正极与地之间的电势，图4c为Ig的变化。故障发生后，Vdc随着直流侧电容Icap的放电而减小(图4d)。由于Vdc变化迅速，在稳定状态下，故障电流通过电容器。

对于低Rg，PV电站电流Ipv和ESS电流Iess及故障电流存在闭合回路。Ipv的变化(图4g)和故障后的Iess(图4h)说明PV电站和ESS在这种情况下为接地故障供电。

通过监测Ig可以检测这种类型的故障。

4.2 交流电网变压器中性点隔离，直流负极母线接地

在这个系统中，直流正极接地故障将被所有G-VSC,ESS和PV电站视为一个具有低电阻的额外负载。

4.2.1 高接地故障电阻(Rg=5 Ω)

Rg=5 Ω时的仿真结果，如图5所示。Vdc(图5a)被VSC控制带回到额定值。Ig(图5b)由G-VSC电流Ivsc(图5c)，PV电流Ipv(图5d)，ESS放电电流Iess(图5e)和电容放电电流Icap(图5f)组成。然而，在此故障期间ESS放电电流Iess会因为VSC控制快速恢复Vdc而非常小。

从上到下分别为直流母线电压、接地故障电流、VSC电流、PV电站电流、ESS电流、电容放电电流。图5 DCMG中直流母线负极接地、交流电网变压器中性点隔离时发生高Rg接地故障的电压和电流

4.2.2 低接地故障电阻(Rg=0.1 Ω)

对于较低的Rg，如0.1Ω，Ig将高于G-VSC，PV电站和ESS的最大允许电流。因此，故障期间Vdc(图6a)低于额定值。在不受变换器控制和保护方案限制的情况下，Ig(图6b)可以达到相当高的值。从Ivsc的变化(图6c)可看出，故障发生后，通过G-VSC的电流已经超过G-VSC的电流限值，G-VSC不再在调制区域工作。

Ipv和Iess在故障后的行为分别如图6d，6e所示。电压突然下降是由于接地故障后直流侧电容放电电流(图6f)造成的。

从上到下分别为直流母线电压、接地故障电流、VSC电流、PV电站电流、ESS电流、电容放电电流。图6 DCMG中直流母线负极接地、交流电网变压器中性点隔离时发生低Rg接地故障的电压和电流

在该接地配置下，由于Ig很高，容易检测出低Rg接地故障。为保护人员和设备免受高Ig影响，应采用快速故障检测和隔离方案。

4.3 交流电网变压器中性点隔离，直流母线中性点接地

直流母线中性点接地的优点是每极电压为极间电压的一半,直流母线中点可采用电容分压器或电阻分压器。

接地故障发生后，稳态时，G-VSC，ESS和PV电站均不给接地故障供电，Ig的直流分量没有闭合回路流动。图7为Rg=0.1 Ω的仿真结果。不管Rg为多少，Vdc(图7a)可以保持在额定值。Ig(图7b)由G-VSC，ESS，PV电站和直流侧电容放电电流组成。Vpole+(图7c)被拉到零且与Rg无关，这是直流正极电容器放电电流Icap1(图7d)造成的。

VSC和ESS对故障电流的贡献分别如图7e、7f所示,该故障电流在负极电容处重新闭合，增大了Vpole-(图7g)。