基于电压信息的MMC直流电网直流侧保护方案

童 威

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

近年来，直流输电技术一直是电力系统研究的重要方向，这符合解决全球对能源日益增长需求的问题。一直以来，各国政府致力于可再生能源的发掘，虽然可再生能源资源丰富，但是将其转化为电能接入电网却是一个难点，而直流输电技术的优势是可以大规模将可再生能源接入电网，并且维持电网运行的稳定性。

在直流输电技术的发展上，模块化多电平换流(Modular Multilevel Converter)具有很好的应用前景。围绕MMC建立的链式、两端式、环式电力系统结构，由于技术不成熟，运行时的故障检测以及系统保护一直是个难点。文献[1]提出利用线路正常运行和故障时的电流动态偏差值来检测直流侧的故障线路，能够准确定位故障位置，但是处理数据时，函数计算步骤复杂，降低了整个保护措施的速动性；文献[2]提出利用换流器闭锁释放电流，检测电流的变化率作为保护判据，能够快速检测到线路故障的具体位置，提高了检测速度，但是没有考虑线路中过渡电阻的影响；文献[3]提出利用直流电压变化率实现故障检测，当线路的电压变化率超过线路的整定值时，就会触发线路的保护装置，快速识别故障位置，但是线路中电压的时刻采集容易受到其他频率波段以及线路过渡电阻的影响，降低了故障识别的可靠性；文献[4]提出利用混合式直流断路器对线路实施保护，实现自动、快速、有选择性地隔离故障，但是现在直流技术不够完善，线路中大量装备混合式直流断路器会提高整个工程的成本和后期维护成本；文献[5]提出换流器闭锁时，换流器电容放电，通过分析放电曲线的特征，来判断线路的区内外故障以及线路故障的具体位置以确保故障检测的准确性，但是没有考虑换流器不能正常闭锁时，线路的保护措施，降低了保护措施的可靠性。

针对已有故障检测和保护方案，本文提出利用在线路两端安装电感的方法。当短路发生时，线路故障电流上升，电感感应电压极性突变，以此确定故障线路位置并快速切开故障路线，提高主保护的灵敏性；其次，当主保护拒动时，启动后备保护，设定电压整定值，检测电感电压是否超过整定值，确定故障线路并切开故障线路，提高保护方法的可靠性；最后利用设计的BPI，吸收故障回路中的过电流，提高了故障切除后线路的安全性。

1 拓扑结构与故障分析

1.1 直流配电网拓扑结构

电力系统的稳定运行中，系统的拓扑结构起着关键的作用，根据生产生活的需要，电力系统的拓扑结构主要有链式、两端式、环式，由于基本结构不同，其中的优缺点也有所差别。

链式结构简单，单一的电能只能从一条支路获取，系统中交流源和故障发生时的电压衰减问题会造成系统的不稳定，两端式在链式的基础上加装一个交流系统，有效解决了电力系统发生故障时的不稳定问题，提高电网的运行可靠性，环式系统，不仅提了高系统的稳定性，在发生故障时，也保证了所受影响的支路尽可能少，如图1所示，由于系统的器件增多，增加了线路的复杂程度，维修成本和造价高昂，但总体上更符合现在电力系统建设的要求。

图1 环式结构

选择不同的结构会影响电力系统的不同工作特性。现代电力系统用电模式比较复杂，覆盖影响用户比较广，当故障发生时，需要尽可能保障系统其他部分的稳定性，以确保电力系统供电的可靠性，所以本文选择如图2所示的三端环式直流系统建模。

图2 三端环式直流拓扑结构图

模型由换流站1、2、3构成，直流电源电压等级为10 kV，每条线路两端由直流断路器(DCCB)连接，线路上两侧连接由电感BPI并联的结构，BPI下文做具体分析。

1.2 基于MMC直流侧故障分析

直流电网直流侧故障主要是线路短路故障和断路故障，短路故障包括单极接地短路故障和双极短路故障，断路故障概率极低，这里不做分析。

基于MMC柔性直流电网，由于换流器结构的特性，在故障出现的时候换流器会发生闭锁，换流器中的电容会向故障形成的通路中放电，分析此时放电的暂态特征。

单极接地短路故障和双极短路故障发生时，由于故障的通路相同，因此分析单极接地短路故障即可。结合本文所使用的拓扑模型，当线路发生短路故障时，整个放电通路如图3(a)所示，为了简化模型，其整个等值电路图如图3(b)所示。

(a) 放电通路图

从图3(a)中可以看出：当线路发生短路故障时，故障侧换流器发生闭锁，换流器电容释放电流依次流过桥臂电感、线路电感，线路电感形成故障回路；正常工作线路两侧换流器释放电流，流过正常线路再达故障点。

结合图3(b)各部分的等值参数，计算出故障发生时电感Lx的电压uLx的暂态表达式：

(1)

式(1)中：Rarm和Larm是换流器桥臂等效电阻和电抗，LTM为线路中的电抗，CSM为换流器中每个子模块的电容值。

对图3(b)，有式(2)：

(2)

将式(2)求解，得特征根如式(3)：

p1=-σ+iω，p2=-σ-iω

(3)

当故障发生时,设uC(0+)=U0，iL(0+)=I0，计算电感Lx电压变化：

(4)

经过计算得到uLx的瞬时值表达式如式(5)：

uLx(0+)=-ALxCsin(θ-2β)

(5)

利用式(5)求解的uLx，研究电感电压的动态变化，为后文后备保护确定电压整定值。

2 保护原理和启动判据

2.1 基于电感电压方向的主保护

根据故障发生时,换流器闭锁电容放电导致的线路电感电压变化,识别电感电压方向,设计主保护。

正常运行时,由于线路中通过的是直流电，忽略线路中的波动,将电感视为通路处理。如图2，假设正常运行时电流方向是由换流站1流向换流站2，当换流站1、2之间线路f1处发生故障时，由于换流器闭锁，各个换流器电容开始向故障点放电，形成如图4(a)所示的故障电流走向。由于线路两端加装的电感受到突变的电流变化会感应出相反的电动势，图4(a)中ux12和ux21感应的电压方向相对于正常运行时规定的电流正方向，分别为负方向和正方向。

图4 不同故障点换流站1、2之间电流走向图

当换流站1、3之间线路f2处发生故障时，换流站1、2之间线路的电流走向如图4(b)所示。换流站1、2电容放电会经过非故障区向故障区域放电，此时由于故障电流的形成，电感电压发生突变，与所设正常电流的正方向相比，ux12和ux21感应的电压方向都为正方向。

假设正方向为1，负方向为-1，通过比较可知：当f1处发生故障时,线路中各个电感感应的电压方向如表1所示。

表1 f1处故障各电感电压方向

将线路两端电感电压分别设为U1和U2，设正方向为α，负方向设为β，则有式(6)：

(6)

将线路两侧的电感电压方向相乘,如式(7)，结果如为-1,就是故障所在区段，线路两端断路器动作；结果如为1，就是正常区段，线路两端断路器不动作。通过识别电感两端的电压方向作为线路的主保护判据。

(7)

2.2 基于电感电压峰值的后备保护

当线路故障主保护拒动时，线路由于短路电流持续上升，加装在线路两端的电感感应电压会出现一个峰值，根据式(5)可知在某一时刻会出现峰值。

故障线路电感所流过的短路电流由故障线路两端的换流器所释放的电流和非故障线路换流器释放的电流构成；非故障线路电感所流过的电流只有非故障线路换流器所释放的电流。因此，当线路f1处发生故障时，会有

|UMAX12|>|UMAX13|,|UMAX12|>|UMAX23|

设定整定值：

(8)

根据式(8)，当故障发生时，断路器设定启动判据：

|uL(t)|>UTH

(9)

当断路器动作后，并联在电感两端的BPI动作将会吸收线路的过电流。图5是BPI的结构图，当断路器动作后，电感中储存的电能会在(图6)BPI中形成回路，将过电流转化为热能散发掉。

图5 BPI装置结构图

通过主保护和后备的判据信息，得到线路保护策略的流程图(图6)。

图6 保护策略流程图

3 仿真验证

为验证方法的可行性，在PSCAD/EMTDC上搭建三端环状直流电网模型，每个换流站电压等级均为20 kV，仿真步长为8 s，3 s为故障发生时刻。

3.1 主保护电感电压极性仿真

设置故障点在换流站1、2之间f1处，检测各个电感的电流变化，通过观察电感电流的突变情况，判断电感电压的方向，以上文正常运行时电流走向为规定正方向，进行仿真，仿真结果如图7所示。

从图7仿真结果来看：当换流站1、2之间f1处发生故障时，换流站1、2线路两端电感电流相反，这样感应的电压极性也会相反，所以电压乘积为-1，根据表1判定故障发生在换流站1、2之间。而换流站1、3之间和换流站2、3之间线路电感电流均为同向，感应的电压乘积为1，判定为区外故障；由于是电压极性突变，所以在20 ms内完成故障判断，保证了动作的灵敏性，提高了检测速度。

(a) 换流站1、2间线路两端电感电流

3.2 后备保护电感电压动态变化仿真

当系统的主保护不能正常动作时，后备保护启动。设置换流站1、2之间线路f1处发生故障，基于电感电压的动态变化仿真结果如图8。

(a) 换流站1、2间线路Lx21电压

图8仿真结果表明：换流站1、2之间电感电压峰值大于非故障路线电感电压的绝对值，根据式(9)所设定的电压判据整定值，启动阈值UMAX12>UTH>UMAX13，UMAX12>UTH>UMAX23，检测出换流站1、2之间线路发生故障，换流站1、2之间线路两端断路器动作，断开故障线路；在主保护不能正常工作的情况下动作，提高了整个保护方法的可靠性。

4 结 论

传统交流输电技术与直流输电技术相比，还不够成熟，随着直流输电技术的发展，直流系统的故障检测和保护也需要不断完善。本文提出的基于电感电压极性方向突变的主保护能够迅速判断线路的故障所在，并在20 ms内完成保护动作，保证了主保护的灵敏性；基于检测电感电压整定值的后备保护，能够在主保护不能正常动作的情况下完成故障判断并动作，提高了整个保护方法的可靠性；在完成故障切除的同时，通过将故障线路的过电流流向BPI装置，降低了线路所受冲击电流的影响，保护了线路，提高了整个线路的安全性。本文所提出的保护方法基于换流器正常闭锁的情况，当换流器不能正常闭锁时，这种情况还有待研究。