基于电压源型换流器的直流系统快速保护方案

摘要

本发明涉及一种基于电压源型换流器的直流系统快速保护方案，包括：步骤2：检验是否满足直流过电流保护判据：比较直流电流与过电流整定值，若小于，则再比较直流电压与0.9倍额定运行电压值，若直流电压小于0.9倍额定运行电压值，可判断VSC交流侧发生故障；若直流电压不小于0.9倍额定运行电压，则判断直流配电系统无故障；若直流电流大于过电流整定值，检验是否满足直流低电压保护判据，若判断直流线路近端出现极间短路故障，发出保护动作信号；若直流电压不满足低电压判据，步骤5：检验是否满足交流低电流保护判据。。本发明具有可靠性高，反应速度快的优点。

说明书

所属技术领域

本发明涉及电力系统继电保护领域，具体涉及一种直流系统保护方案。

背景技术

直流系统是当今世界电力系统发展变革的最新动向，是21世纪电力系统的发展趋势。直流系统未来 发展方向主要集中在直流输电系统、直流配电系统与直流微电网，国际上正在积极开展相关研究。

直流系统可控性强、抗干扰性好、传输容量大、适应分布式电源和直流负荷接入，能够解决当前交流 系统面临的问题。在输电方面，直流系统良好的抗干扰性能够解决交流大系统间的相互干扰问题；在配电 方面，直流系统传输容量大，能够在有限城市供电走廊中有效提高送电容量；在微电网领域，直流系统适 于直流分布式电源与负荷接入，减少了交直流转换环节，能够有效降低转换环节电能损耗。目前，直流配 电技术与直流微电网技术尚处于理论研究阶段，基于VSC的直流输电系统已有工程投入实际运行，然而， 直流系统保护技术发展相对滞后。

继电保护是直流系统关键技术之一，起着保证直流系统安全可靠运行的作用。目前已有的直流系统保 护方案主要借鉴相对成熟的交流系统保护方案，没有切实考虑直流系统短路故障特征与对保护快速识别并 切除故障的要求，严重遏制了直流系统的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对直流系统短路故障特征的直流系统快速保护方案，具有更高的可靠性与 速动性。本发明的技术方案如下：

一种基于电压源型换流器的直流系统快速保护方案，包括下列的步骤：

步骤1：数据输入：在VSC交流入口侧安装电流互感器，在直流出口侧安装电压、电流互感器，采集 VSC交直流两侧电压、电流数据；

步骤2：检验是否满足直流过电流保护判据：比较直流电流与过电流整定值I_set1，若直流电流小于等 于过电流整定值，转至步骤3；若直流电流大于过电流整定值，跳转至步骤4；

步骤3：判别是否出现交流系统故障:比较直流电压与0.9倍额定运行电压值，若直流电压小于0.9倍 额定运行电压值，可判断VSC交流侧发生故障；若直流电压不小于0.9倍额定运行电压，则判断直流配电 系统无故障，返回步骤1；

步骤4：检验是否满足直流低电压保护判据：比较直流电压与低电压保护动作门槛值U_set，若直流电 压小于低电压保护动作门槛值，可判断直流线路近端出现极间短路故障，发出保护动作信号；若直流电压 不满足低电压判据，则转至步骤5。

步骤5：检验是否满足交流低电流保护判据：比较交流三相电流与低电流保护动作门槛值I_set2，若三 相电流均低于低电流保护动作门槛值，判断直流线路中远端发生极间短路故障，发出保护动作信号；若三 相电流不满足低电流保护判据，则判断直流配电系统运行正常，跳转至步骤1。

作为优选实施方式，所述的过电流整定值I_set1＝K_rel2I_dcmax，K_rel2为可靠性系数，取值1.2，I_dcmax为最 大负荷电流；所述的低电压保护动作门槛值U_set＝K_rel1U_fault，K_rel1为可靠性系数，取值0.8，U_fault为线路 末端极间短路故障稳态电压值；所述的低电流保护动作门槛值I_set2＝0.05I_ac，I_ac为额定交流电流有效值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

⑴所提出的基于VSC的直流系统快速保护方案能够准确区分VSC交、直流两侧的故障，并保证负荷 侧故障不会引起误动作，具有较高的可靠性。

⑵所提出的快速保护方案能够在保护对象发生短路故障几毫秒内检测出故障，并采取相应措施，具 有高速动性。

附图说明

图1是直流配电系统结构图；

图2是直流线路极间短路故障各阶段等效电路图，(a)阶段1：二极管截止电容放电.(b)阶段2： 二极管导通电容放电.(c)阶段3：电感放电二极管续流导通.(d)阶段4：换相重叠不控整流。

图3是基于VSC直流系统快速保护方案流程图。

具体实施方式

本发明提出的保护方案适用于所有基于VSC的直流系统，在此，以最具代表性的直流配电系统为例对 所提出的基于VSC的直流系统快速保护方案进行阐述与验证。此方案同样适用于直流输电系统和直流微电 网。

典型直流配电系统拓扑结构图如附图1所示，使用110kV交流大系统作为主要供电电源，经过 110/6.3kV变压器和换流器组成的配电换流站，将电能整流成10kV直流电并通过直流电缆连接到直流母线 上；同时分布式电源通过直流电缆连接至直流母线，向系统输送电能；直流配电系统模型中存在两种负载， 分别为低压交流负载和低压直流负载，两种负载分别通过逆变器与DC/DC变换器与母线相连。下面首先进 行直流配电系统不同类型故障特征分析：

①VSC直流侧短路故障特征分析：当VSC直流侧线路发生极间短路故障时，会产生大的故障电流，IGBT 在自身过电流保护作用下瞬间闭锁，交直流系统通过二极管不控整流电路连接。短路故障暂态可分为四个 阶段进行分析，各阶段电路结构如附图2所示：

第一阶段——二极管截止的电容放电阶段

故障开始的第一阶段，因直流极间电压高于交流相间电压最大值，全部二极管因承受反向压降而截止， 交直流系统间无电气连接。交流侧相当于开路，三相交流电流为0；而直流侧稳压电容与故障电缆构成放 电回路，极间电压快速下降，直流电流快速上升到最大值后开始下降。

随着故障点由VSC出口线路近端逐渐迁移至线路中远端，忽略直流电缆等效对地电容，放电回路中稳 压电容C基本不变，而电缆等效电感L与等效电阻R逐渐增加，参数R与大小关系发生变化，进而 使放电回路存在3种动态状态，分别为欠阻尼振荡、临界阻尼振荡与过阻尼振荡。发生临界阻尼振荡的短 路故障点即为直流线路近端与中远端的分界点。

第二阶段——二级管导通的电容放电阶段

随着直流极间电压下降，当某一时刻直流侧电压低于交流侧线电压最大值，二极管承受正向压降，不 控整流电路开始导通，进入故障第二阶段。此阶段交流电流逐渐增加，但电压、电流特性仍取决于RLC放 电回路的放电特性，直流电压、电流继续下降。

第三阶段——电感放电二极管续流导通阶段

当故障发生在直流线路近端，直流侧放电回路工作在欠阻尼振荡状态，直流电压振荡衰减，会出现过 零点。稳压电容会被并联的三相桥臂二极管短路，直流侧放电回路变为由电感L和电阻R构成的一阶电路， 电缆等值电感L通过二极管续流放电，直流电压被钳位在0V(忽略二极管上压降)。此时，每相桥臂流过 续流电流的1/3，进入故障第三阶段。流入每相桥臂的续流电流大于交流电流，交流侧相当于发生了三相 短路，交流电流增大。而随着电感能量的不断释放，续流电流逐渐减小，当流出某一相桥臂的交流电流大 于续流电流，此相上桥臂二极管将无法导通，此时第三阶段结束，进入故障第四阶段，此时交流系统与直 流系统不再彼此独立，交流系统通过二极管整流电路向直流系统传递能量，稳压电容充电，电压逐渐上升 至故障稳态值。

然而，当故障位置距离VSC出口较远时(称为中远端故障)，二阶电路工作在过阻尼状态，此时电容 能量无法完全释放，直流电压不会降到0，此种情况下不存在故障第三阶段，故障将由第二阶段直接进入 第四阶段。

第四阶段——换相重叠不控整流阶段

进入故障第四阶段，极间短路故障逐渐达到稳态。忽略电缆电感的影响，短路故障下，ωRC较小， 不控整流电路中二极管导通角接近π，导致一个周期中任一时刻三相桥臂中都有三个非同相的二级管导 通，交流三相均有电流，与正常工作的不控整流电路中任一时刻只有两相有电流不同。

②VSC交流侧短路故障特征分析：VSC交流侧相间短路情况下，其控制系统能够起到调节作用，通过 设置限流环节，使交流电流只能上升到限流环节上限，直流侧电压、电流略有降低。

当整流器交流侧发生三相短路故障时，考虑直流系统出口串联二极管，防止故障情况下分布式电源向 交流电网反供能量，此时VSC交直流两侧电压、电流会衰减至0。

③交流负荷侧短路故障特征分析：因VSI限流环节限制了故障电流幅值，直流配网不会给故障点提供 大的故障电流。VSC两侧交直流电压、电流出现小幅波动，随后恢复(VSC两侧交、直流电流可能会略低 于正常值，因为故障时故障支路功率下降)。

④直流负荷侧短路故障特征分析：直流变压器连接中压线路与直流负荷，其内部由整流器、高频变压 器与VSI组合而成。直流负荷极间短路故障可以等效为VSI交流侧相间短路故障，在控制系统作用下能够 避免直流系统电压受过大影响。

本发明提出的基于VSC的直流配电系统快速保护方案具体如下：

直流配电系统最严重的故障是极间短路故障，故障电流大、上升速度快，这与电力电子元件自身的脆 弱性有着较深的矛盾；而故障电压下降迅速，导致与之相连的所有换流器和变换器电压均受到影响，进而 波及整个直流配电系统。由以上故障特征分析可知，不同区域短路故障时，VSC交直流两侧电压、电流变 化不同。由此，针对直流极间短路故障特征，提出了直流配电系统直流线路短路快速保护方案。

对于保护对象VSC出口电缆线路，线路近端极间短路最明显的故障特征为直流侧电压快速下降至零， 而直流电流快速上升；对于线路中远端，最明显的故障特征为交流电流保持为零，且直流电流快速上升。 由此，提出直流低电压、过电流保护作为线路近端短路故障保护，而使用直流过流、交流低电流作为线路 中远端故障保护，两者相配合共同构成直流配电系统直流线路短路快速保护方案。

并且该保护方案通过VSC交直流两侧电压、电流的变化，能够判别出VSC交流侧的短路故障。

低电压、过电流保护动作判据：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dc}}>I_{\mathrm{set}1}\\ u_{\mathrm{dc}}<U_{\mathrm{set}}\end{array}\right)$

式中：U_set为低电压保护动作门槛值，整定为U_set＝K_rel1*U_fault，K_rel1为可靠性系数，取值0.8，U_fault为线路末端极间短路故障稳态电压值。I_set1为过电流保护动作门槛值，整定为I_set1＝K_rel2I_dcmax，K_rel2为可 靠性系数，取值1.2，I_dcmax为最大负荷电流。

两侧电流保护动作判据：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dc}}>I_{\mathrm{set}1}\\ i_{a,b,c}<I_{\mathrm{set}2}\end{array}\right)$

式中：I_set2为电流保护判据门槛值，整定如下：

I_set2＝0.05I_ac

式中：I_ac为额定交流电流有效值。

保护的配合：

保护区域：直流低电压、过电流保护动作范围不仅局限在线路近端，能够延伸到线路全长，而两侧电 流保护同样在近端故障情况下也可以动作，低电压、过电流保护与两侧电流保护共同作为主保护，保证全 线短路故障可靠切除。当VSC交流侧或负荷侧短路时，在控制系统作用下，VSC出口电压、电流不满足两 种保护动作判据，保护不会发生误动。

动作时限：VSC出口线路近端故障，电压瞬间下降，低电压、过电流保护在故障暂态第三阶段发出动 作信号；线路中远端故障，两侧电流保护能够在故障暂态第一阶段发出动作信号，动作速度更快。保护动 作时限的配合能够保证直流短路故障在5ms内切除。

将本发明提出的基于VSC的直流系统快速保护方案应用在如附图1所示直流配电系统测试模型上，进 行实例验证。

在PSCAD/EMTDC仿真平台上，应用直流配电系统模型，对交流相间短路故障、直流极间短路故障(取 不同短路故障点)、交流负荷相间短路和直流负荷极间短路故障进行仿真，在Matlab上按照图3所示流程 编写保护程序，对保护方案进行验证。结果如表1所示：

表1Matlab仿真保护方案在不同情况下的动作特性

注：K₁—低电压、过电流保护发出动作信号；K₂—两侧电流保护动作发出动作信号；K₃—发出交流系统 故障信号；

分析仿真结果，保护方案能够准确判断故障类型，不误动、不拒动，具有较高可靠性。对于线路近端 短路故障，随着故障点相对VSC出口距离增加，保护发出信号所需时间增加；对于线路中远端短路故障， 保护能够快速发出保护动作信号，并且整个动作区域反应时间接近。纵观整条线路，一旦发生短路故障， 能够在3.5ms内发出保护动作信号，满足直流保护快速性的要求。同时，对于保护区域外的负荷侧短路 故障，保护不会误动作。