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柔性大功率直流电源配电网故障分析

柔性大功率直流电源配电网故障特性分析是保护方案设计的基础。当前,直流系统故障期间,换流器IGBT不闭锁时的故障特性尚未深入探讨。

 

首先,确定大功率直流电源配电网的接地方式和控制策略。其次,分析IGBT不闭锁时直流极间短路和单极接地短路的故障特性及过渡电阻等因素的影响,并讨论故障对其他区域的影响。

 

结果表明,对于极间短路,除故障达到稳态后IGBT闭锁较之不闭锁会出现极间电压和故障电流增大的现象外,IGBT闭锁与否对故障特性影响不大;对于单极接地短路,IGBT不闭锁会使直流侧出现不平衡电压,导致换流器交流侧电流出现直流分量。

 

最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型,证明了理论分析的正确性。

 

当前,基于电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)的柔性直流输电技术已广泛应用于高电压等级的输电系统,随着电力电子技术的发展,将VSC应用于中低压电压等级的配电系统-柔性大功率直流电源配电网(Flexible DC Distribution Networks, FDCDN)成为新的研究热点。

 

FDCDN具有便于接纳新能源发电及直流负荷[1],传输容量大、电能质量高、经济性好[2-4],有利于智能电网和能源互联网建设[5-7]等优点,是现有交流配电网的重要补充[8]。我国在深圳地区已建立了柔性直流配网电示范工程,并对其技术架构、控制和保护策略等进行了研究[9-12]。

 

作为制定保护方案的基础,很多文献对柔性大功率直流电源配电网的故障特性进行了分析。文献[13]将直流系统单极接地故障过程划分为“电容放电”、“电网馈入”和“稳定状态”三个过程。文献[14-16]将直流系统极间短路故障划分为“电容放电阶段”、“二极管全导通阶段”和“不控整流阶段”三个阶段。但这些分析均以故障后换流器的IGBT立即闭锁为前提,可能导致“一点故障、全站陪停”,从而降低了供电可靠性。

 

在FDCDN中,通过合理采用外部设备如高速动作的直流断路器隔离故障,并尽可能保证故障期间换流器IGBT不闭锁,则非故障区域的供电不受故障影响且故障切除后系统能很快恢复正常,因此有必要分析换流器不闭锁时FDCDN的故障特性。文献[17-20]初步分析了IGBT不闭锁情况下的直流故障特性。

 

其中,文献[17]仿真分析了单极接地故障时,过渡电阻大小与故障电流方向的关系,并仿真得出在变压器中性点接地时交流侧电流会出现直流分量的结论。文献[18]在仿真极间短路故障时发现IGBT闭锁后相比IGBT不闭锁时其电压和电流都有一定升高,但未给出原因。

 

文献[19]分析了连接变压器阀侧中性点接地情况下故障点过渡电阻大小对控制系统的影响。文献[20]仿真分析了变压器阀侧中性点不接地时的直流故障特性。上述工作以仿真和定性分析为主,缺乏对故障过程的详细理论论证,这方面的研究仍需完善。

 

本文首先参照深圳柔性直流配电系统示范工程建立双端供电“手拉手”柔性直流配电系统,确立系统的接地方式和各换流站的控制策略。然后理论分析IGBT不闭锁情况下直流系统极间短路故障和单极接地故障的暂态过程和特性,并分析故障对其他区域的影响。最后通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型,对理论分析进行证明。

 柔性大功率直流电源配电网故障分析

图1  柔性大功率直流电源配电网

结论

 

本文以“手拉手”双端供电的柔性直流配电系统为研究对象,在特定的接地方式和不闭锁换流站IGBT的前提下研究了中压直流侧发生极间短路和单极接地短路时的故障特性,并分析了故障对其他区域的影响。

 

经理论分析可知:①极间短路故障故障达到稳定状态时,IGBT闭锁情况下的极间电压和故障电流值要比IGBT不闭锁时的大;②连接变压器阀侧接地时,单相接地故障后交流侧相电流出现直流分量。

 

得到如下结论:

 

1)极间短路故障会使负荷侧电压下降,但不会出现过电流现象。

 

2)在连接变压器阀侧经电阻接地情况下,单极接地故障发生后,直流侧极间电压出现暂时性降落后能恢复至正常水平,此时故障不影响系统对负荷的正常供电。但中压直流侧会产生正负极电压不平衡现象,不平衡电压会使换流器交流出口侧产生直流电压分量,并会在T1和T2端口交流侧产生直流电流。故障切除后直流系统的不平衡电压能恢复至正常水平,且恢复速度与变压器接地电阻成反比。

 

3)连接变压器阀侧经大电阻接地可限制直流侧单极接地短路的故障电流,但对极间短路故障无影响。

 

本文研究可为设计直流配网保护方案,尤其是基于直流断路器而非闭锁换流器隔离故障的保护方案及故障识别方法提供理论参考。例如,对于换流器以外的极间短路故障,若不闭锁IGBT,则应在故障第二阶段之前将故障切除以避免损坏换流器;对于单极接地故障,可根据直流侧出现的不平衡电压、不平衡电流以及交流侧出现的直流电压和直流电流分量设计故障识别判据。

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