基于六次谐波分量的柔性直流电网后备保护_贾科.pdf

第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0784-09 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 基于六次谐波分量的柔性直流电网后备保护贾科，刘鑫，钮厚敏，温志文，毕天姝（新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）Backup Protection of Flexible DC Power Grid Based on Sixth Harmonic Component JIA Ke,LIU Xin,NIU Houmin,WEN Zhiwen,BI Tianshu(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources(North China Electric Power University),Changping District,Beijing 102206,China)1ABSTRACT:At present,in the dc power distribution network projects at home and abroad,mostly the half-bridge sub-modules are applied and the low-voltage circuit breakers are equipped with to remove faults.However,the measurement errors caused by the fault waveform distortion may degrade the performances of the high-speed main protection or reject the operations.In order to ensure the safe and reliable operation of the flexible DC engineering,it is necessary to study the related backup protection methods.In view of this problem,the time-frequency response characteristics of different diode conduction combinations after the switching device is locked are analyzed,and the fault characteristics of the constant sixth harmonic components are determined.Furthermore,a backup protection based on the sixth harmonic reactance measurement is proposed.The relationship between the protection reactance measurement and the action reactance is used to make the protection operate reliably under various fault conditions.Finally,a dual-terminal flexible DC distribution network model is built on the PSCAD/EMTDC electromagnetic simulation platform.The simulation results show that the proposed protection scheme only uses the single-terminal information to achieve fault removal reliably,and has a strong ability to withstand the transition resistance and noise.KEY WORDS:flexible DC distribution network;converter lock;sixth harmonic component;backup protection 摘要：目前，国内外直流配电网工程多采用半桥子模块，同时配备低压断路器切除故障。然而，故障波形畸变造成的测量误差，可能使高速主保护动作性能下降或拒动。为保证柔性直流工程的安全可靠运行，有必要研究相关的后备保护方法。针对该问题，通过分析换流设备闭锁后不同二极管导通组合对应的时频响应特性，确定六次谐波分量恒定存在的故障特征。进而提出一种基于六次谐波电抗量测的后备保护方 基金项目：国家电网有限公司总部科技项目(5100-202155427A-0-0-00)。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China(5100-202155427A-0-0-00).法，利用保护测量电抗与动作电抗之间的关系，加之时序的配合使保护在各种故障情况下均能可靠动作。最后，在PSCAD/EMTDC 电磁仿真平台搭建双端柔性直流配电网模型进行仿真验证。仿真结果表明所提保护方案仅利用单端信息可靠实现故障切除，且具有较强的耐受过渡电阻和噪声的能力。关键词：柔性直流配电网；换流设备闭锁；六次谐波分量；后备保护 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2216 0 引言 目前，国内外柔性直流配电网工程多采用半桥模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)，保护需要利用 13ms 的故障信息配合低压断路器进行故障切除1-3。然而故障波形畸变造成的测量误差，可能使高速主保护动作性能下降甚至拒动。故障后绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)承受短路电流的能力有限，将快速进入闭锁状态，故障电流通过续流二极管由交流注入直流系统。参考已有工程4-5，二极管极限耐受过流的能力为1020倍的额定电流允许存在100ms左右，因此为保证柔性直流系统的安全，解决主保护拒动的故障切除问题，亟需研究柔性直流配电网的后备保护。直流线路后备保护按照是否采用对端信息可以分为 2 类。一类为基于纵联原理的后备保护，文献6-7利用区内故障时线路两端电流极性相同，区外故障电流极性相反，构成纵联电流保护。这种方法可保护线路的全长且不易受过渡电阻影响，但是极性判别依据容易受到扰动和过负荷影响且对通信装置的要求较高。另一类是基于单端量测的后备保护，文献8-9利用故障后产生的电流突变信号，考虑线路长短，构成时序的配合，实现故障区段识第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 785 别。然而暂态特征的变化和量测误差将直接影响这类方法的定值计算。同时，换流设备自身故障及故障后控制方法的变化可能影响故障暂态特征及保护动作性能。因此，为找到换流设备闭锁后的确定故障特征，提高后备保护动作性能，本文分析了 MMC 换流设备闭锁后不同二极管导通组合对应的时频响应特性，确定了六次谐波分量恒定存在的故障特征。根据此故障特征和二极管的极限通流能力，提出了基于六次谐波电抗量测的后备保护方法，通过整定值与时间的配合完成故障的切除。最后，在搭建的双端柔性直流配电网中对所提后备保护方法进行分析验证。1 直流配网换流设备闭锁后故障特性分析 1.1 柔性直流配电系统结构 本文参考深圳柔性直流配电示范工程，以图 1所示的双端柔性直流配电网10-12为例，研究过流严重的双极短路故障。其中，交直流系统通过两个基于半桥子模块的 MMC 相连，两个 MMC 之间通过线路 MN、NP、PQ 连接，交直流负荷利用交流-直流(AC-DC)、直流-交流(DC-DC)变换器接入10kV直流配电系统。ACDCACDCMMC1MMC212 3456DCDC直流负荷ACDC交流负荷直流断路器直流母线MNPQ 图 1 双端 MMC 型柔性直流配电网 Fig.1 Two terminal MMC-based flexible DC distribution network 1.2 换流设备闭锁后直流侧双极短路故障特性 本文针对过流严重的双极短路故障进行分析，以换流设备闭锁为节点，将双极短路故障过程划分为换流设备闭锁前阶段和换流设备闭锁后阶段13。闭锁前阶段主要体现为直流电容放电特征，持续时间相对较短。闭锁后初始阶段为桥臂电抗续流阶段。当换流设备因过流而快速闭锁时，该阶段特征可能不存在，直接进入不控整流稳态运行阶段14。因此，本文的研究重点将放在不控整流运行阶段。下面将此阶段的故障响应特性进行分析，其等效电路图如图 2 所示。图 2 中：135DDD、为共阴极二极管；2D、4D、6D为共阳极二极管；abcuuu、为三相交流电源；dci为直流侧电流。同时，定义桥臂导通角表示单个桥臂持续导通的电角度15。由于故障电流 D1D3D5idcuaubucD4D6D2i1i4 图 2 不控整流阶段等效电路 Fig.2 Equivalent circuit diagram of non-control rectifier stage 幅值较大，以及桥臂电抗的存在，使得故障稳态时同一相上下桥臂至少有一个处于导通状态。不同的桥臂导通角将对应不同的桥臂导通状态，具体情况见表 1。表 1 桥臂导通角与桥臂导通状态对应关系 Table 1 Corresponding relation between commutation overlap angle and conduction state of bridge arm 桥臂导通角 桥臂导通状态 3 个桥臂同时导通(4/3)，3 个桥臂与 4 个桥臂交替导通 4/3 4 个桥臂同时导通(4/3 5/3)，4 个桥臂与 5 个桥臂交替导通 5/3 5 个桥臂同时导通(5/3 2)，5 个桥臂与 6 个桥臂交替导通 2 6 个桥臂同时导通 不同的桥臂导通状态对应不同的故障响应特征，因此可将桥臂同时导通的特殊情况作为边界，通过边界故障响应特性得到桥臂交替导通下的普遍情况下的故障响应特征。1.2.1 时，3 个桥臂同时导通 3 个桥臂同时导通的情况文献16已做详细分析，此处不再赘述。该文献证明 3 个桥臂同时导通时直流侧电压和电流中存在 6 及 6 的倍数次谐波分量，下面将对其他桥臂同时导通的情况进行分析。1.2.2 4/3时，4 个桥臂同时导通 与上述 3 个桥臂导通情况类似，根据不控整流自然换相原理可知，不控整流桥续流二极管的导通、关断始终按照1234561DDDDDDD的顺序交替进行，且导通时刻依次相差 60。因此不控整流桥在故障稳态时存在 6 种导通状态，如 图 3 所示。根据图 3 可以得到在一个基频周期内dci按照babccbcaac()()()()()imiimiimiimiimiab()imi的顺序依次导通/3，定义 m 为电流分配系数。当进入不控整流稳态运行阶段时，直流侧电流的波动幅度很小，且根据文献16可得dd/RL dd100/0.5XRm，。根据交流侧三相电流对称，可得：786 贾科等：基于六次谐波分量的柔性直流电网后备保护 Vol.47 No.2 buaucubidciamia(1)m icibuaucubicmic(1)m iaicubuaucibmib(1)m iaidcidcidcidcidcicucuc