刘鉴雯(1996), 男, 硕士在读, 研究方向为配电网保护与故障定位(E-mail:
吴在军(1975), 男, 博士, 教授, 研究方向为分布式发电与微电网、主动配电网、变电站自动化
曹骁勇(1990), 男, 博士在读, 研究方向为直流配电网保护
过电压特性与系统接地方式密切相关,对关键设备选取、设计具有重要意义,但目前在直流配电网中结合过电压分析进行接地方式选择的研究仍不完善。文中首先基于模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)型±10 kV双端直流配电网分析过电压产生机理,并通过PSCAD/EMTDC平台的故障仿真,对比3种典型接地方式下系统关键位置的过电压峰值。然后,提出综合故障恢复能力、经济性、电压稳定性、过电压峰值作为指标进行接地方式的选择,评估得出交流侧变压器中性点经电阻接地、直流侧不接地为所研究系统的优选接地方式。最后,基于荷电率计算设计方法确定相应的避雷器参数与配置方案,并通过仿真进行了有效性验证。研究结论为直流配电网接地方式选择与绝缘配置提供了参考。
The characteristics of overvoltage are closely related to the system grounding mode, which is of great significance to the selection and design of key equipment. However, the research on grounding mode selection combined with overvoltage analysis in DC distribution network is still imperfect. Firstly, the mechanism of overvoltage generation is analyzed for ±10 kV dual-terminal DC distribution network based on modular multi-level converter (MMC), and the overvoltage peak values at key positions of the system under three typical grounding modes are compared by fault simulation in PSCAD/EMTDC. Then, the fault recovery ability, economy, voltage stability and overvoltage peak value are proposed as the indexes for the comprehensive selection of grounding mode. Grounding by resistance through neutral point of the transformer in AC side and ungrounding in DC side is evaluated as the preferred grounding mode of the studied system. Finally, the arrester parameters and configuration scheme are determined based on the chargeability calculation design method, and the validity is verified by simulation. References for the selection of grounding mode and insulation configuration of DC distribution network are supplied by the research.
随着新能源发电、电动汽车充电技术的快速发展,在电能质量、消纳可再生能源等方面具有优势的直流配电网逐渐成为国内外的研究热点[
目前,柔性直流输电系统中对于接地方式的研究已经取得了具有借鉴性的成果,包括分析不同接地方式下网络电气量的传播机理,设计适用于实际工程的接地方式等[
综上,现有对于直流配电网接地方式的研究多关注其系统运行与故障特性,对过电压因素的考虑较少,对接地方式的综合性比较仍待完善。因此,须对不同接地方式下的故障过电压进行对比,以优化适用于直流配电网的接地方式。
文中基于模块化多电平换流器(modular multi-level converter,MMC)型±10 kV双端直流配电网,在考虑系统故障恢复能力、经济性、电压稳定性等指标的基础上,通过仿真比较不同接地方式下系统关键位置的故障过电压峰值,综合评估所研究系统的优选接地方案,并提出基于避雷器的有效绝缘配置方案。研究计及接地方式对系统故障过电压的影响,完善了直流配电网接地方式的选择依据,相关方案可为直流配电工程建设提供有益参考。
直流配电网中不存在交流配电系统的电磁环网问题,具有灵活的组网方式,典型拓扑包括单端放射型、双端“手拉手”型以及环型拓扑[
目前,国内已建成苏州工业园、深圳宝龙工业园、杭州江东新城等直流配电示范工程项目[
双端型直流配电网拓扑
Topology of two-terminal DC distribution network
接地方式对直流配电网的故障特性具有直接影响,双端型直流配电网的接地方式可以分为交流侧接地与直流侧接地。其中,交流侧接地通常包括变压器中性点经电阻接地和经星型电抗-电阻接地;直流侧接地则一般采用经并联电容中点接地和经钳位电阻接地[
该方式对变压器网侧采用△接线,阀侧采用Yn接线,阀侧中性点经电阻接地。此时,系统主要依赖变压器中的星形绕组承受故障下的暂态电压与电流。当处于不对称运行状态或发生不对称故障时,中性点直流电流的增大使得铁芯饱和,正弦励磁电路发生畸变,提高了变压器绕组设计对抑制直流偏磁的要求,同时,须考虑限制换流器故障极桥臂电容放电电流、继电保护灵敏度等问题。
该方式通过在换流阀交流侧构建并联电抗经电阻接地,对电抗器采用单相结构避免直流偏磁。星型电抗器在故障发生时可限制电流增速以降低过流水平,但也使系统产生无功功率损耗,增加了建设成本[
该方式在直流侧通过2个等值大电阻构成直流中性点接地,换流变压器网侧为Yn接线,阀侧为△接线。其建设成本相对较低,对变压器阀侧绕组的接线方式也无特殊要求。但是,钳位电阻在为直流侧电压提供电位参考点的同时,也存在长期运行导致过热损坏的风险,致使线路出现两极电压不对称的情况。钳位电阻的并联也使系统正常运行时产生有功功率损耗,因此该接地方式适用于直流侧电压等级低、线路较短的配电系统。
直流配电网过电压的来源包括系统外部的异常操作、雷击等因素以及系统内部的接地、短路、断线等故障工况,通过对系统的过电压分析,可以为接地方式选择与绝缘配置提供参考,对系统关键设备的选型与设计具有重要意义。由于直流配电线路通常采用埋地电缆,因此在研究中更关注内部过电压的影响。内部过电压主要可以分为交流系统过电压与直流系统过电压。
交流系统过电压一般源于交流侧的雷击与误操作等情况,包括联接变压器网侧、变压器内部及联接变压器阀侧至两端换流器网侧接线区域的各类故障。文中主要针对联接变压器阀侧的交流系统进行研究,常见的故障类型包括线路不同位置的单相、两相、三相接地与两相、三相短路故障等。
以单相接地故障为例,当换流阀交流侧的线路发生故障时,故障相电压迅速下降为0,非故障相电压增加至正常运行状态的1.732倍[
配电系统直流侧运行控制相对复杂,不同设备的控制信号异常或直流侧线路故障等情况均可能导致直流系统过电压。直流系统与下游用户侧直接相连,其故障往往会引发系统异常与停电等事故。其主要故障类型包括限流电抗器阀侧与线路侧、直流线路不同位置的短路、接地、断线等故障。
以直流线路的单极接地故障为例,该故障与换流阀阀顶接地故障具有类似的特性。当故障发生时,故障极电压迅速下降为0,故障接地点与系统交流或直流侧接地点之间形成放电回路,线路电容与桥臂子模块电容经故障电流通路放电,在线路电抗、限流电抗、桥臂电抗两端产生过电压[
直流配电网中的部分关键位置在系统运行监视中具有重要意义,同时也是避雷器配置的备选节点,在过电压分析中应予以关注。系统的关键位置包括:联接变压器网侧(L1)、变压器中性点(L2)、联接变压器阀侧(L3)、桥臂电抗器两端(L4)、阀侧直流极间(L5)、直流电抗器两端(L6)、直流电抗器线路侧对地(L7)、直流电抗器线路侧极间(L8)、直流线路单极对地(L9)、直流线路极间(L10)。此外,通过故障扫描发现,对系统关键位置过电压具有决定作用的故障工况包括换流阀交流侧单相接地(F1)、换流阀阀顶接地(F2)、换流阀直流侧短路(F3)、直流线路单极接地(F4)、直流线路极间短路(F5)。关键位置及决定性故障具体如
关键位置与决定性故障
Key locations and typical faults
文中采用的研究系统为±10 kV MMC型双端直流配电网,在PSCAD/EMTDC环境中搭建如
系统仿真参数
Simulation parameters of system
系统类型 | 参数 | 数值 |
交流系统 | 最大有功功率/MW | 50 |
交流电网线电压/kV | 110 | |
变压器变比 | 110 kV/10 kV | |
无功功率整定值/Mvar | 0 | |
直流系统 | 直流母线电压/kV | ±10 |
线路总长度/km | 3 | |
单位长度电阻/(Ω·km-1) | 0.121 | |
单位长度电感/(mH·km-1) | 0.97 | |
换流器 | 单相桥臂模块数 | 21 |
仿真针对上述决定性故障F1—F5,并根据结果统计得到不同接地方式下各关键位置的过电压峰值。其中,接地方式1为交流侧变压器中性点经电阻接地、直流侧不接地,接地电阻取1 000 Ω;接地方式2为交流侧经星型电抗-电阻接地、直流侧不接地,单相电抗为1 H,接地电阻取1 000 Ω;接地方式3为直流侧经钳位电阻接地、交流侧不接地,钳位电阻取1 MΩ。
决定性故障下的过电压峰值测量数据及其对应故障类型如
系统关键位置过电压峰值
Overvoltage peak value at key locations of system
关键位置 | 接地方式1 | 接地方式2 | 接地方式3 | |||||
过电压峰值/kV | 故障类型 | 过电压峰值/kV | 故障类型 | 过电压峰值/kV | 故障类型 | |||
L1 | 8.17 | 8.17 | 8.17 | |||||
L2 | 16.52 | F4 | 0 | 0 | ||||
L3 | 23.10 | F4 | 24.91 | F2 | 22.90 | F4 | ||
L4 | 15.80 | F3 | 17.52 | F5 | 15.82 | F3 | ||
L5 | 22.25 | F2 | 22.31 | F2 | 21.93 | F2 | ||
L6 | 8.29 | F5 | 8.47 | F5 | 8.42 | F5 | ||
L7 | 28.57 | F4 | 29.29 | F4 | 28.11 | F4 | ||
L8 | 27.31 | F4 | 29.30 | F4 | 26.41 | F4 | ||
L9 | 28.83 | F4 | 30.02 | F4 | 28.30 | F4 | ||
L10 | 28.25 | F4 | 32.89 | F4 | 27.70 | F4 |
中低压直流配电网电压等级较低、处于城市密集区域、线路数目较多、直接面对用户群,因此须重点关注对应接地方式下系统的故障恢复能力、经济性以及电压稳定性。文中在上述各方面的基础上,进一步考察其关键位置故障过电压水平,综合进行接地方式的优化选择。典型故障F1—F5的直流母线电压仿真波形分别如
换流阀交流侧单相接地故障电压波形
Voltage waveforms of single phase to ground fault in AC side of converter
直流线路单极接地故障电压波形
Voltage waveforms of single pole to ground fault in DC line
换流阀阀顶接地故障电压波形
Voltage waveforms of the converter top to ground fault
换流阀直流侧短路故障电压波形
Voltage waveforms of short circuit fault in DC side of converter
直流线路极间短路故障电压波形
Voltage waveforms of inter-pole short circuit fault in DC line
由
在系统恢复能力方面,文中针对仿真中可自恢复的3种故障F1、F2、F4进行比较,3种接地方式下母线的正负极电压恢复速度受到接地支路中对应的电阻与电抗器大小的影响。由对应仿真波形可见,在不同故障下,采用接地方式1与接地方式2的系统均能够在约0.03 s内恢复到故障前的母线电压水平,而接地方式3由于采用了大阻值钳位电阻,恢复时间相对前2种接地方式明显延长。
在经济性以及电压稳定性方面,由1.2节的分析可知,接地方式1采用中性点接地电阻,设备造价相对较低,不存在运行中的长期风险,电压稳定性也较高。接地方式2须采用电抗器,其造价高于其他2种方式,不利于建设成本的控制。接地电抗的无功消耗也导致换流站交流调压能力减弱,易使直流配电网在无法满足无功需求的情况下电压降低,电压稳定性较差。接地方式3经济性相对较好,但钳位电阻在长期运行中可能产生过热而损坏,导致系统也存在线路电压不稳定的问题。
在过电压峰值方面,由不同故障对应仿真波形
综上所述,无论是在系统恢复能力、经济性、电压稳定性以及过电压峰值方面,接地方式1的表现均相似或优于其他2种接地方式,可满足直流配电网的大部分要求,仅须重点考虑变压器配置以及接地电阻取值2项指标。在实际应用中,也可采用高阻接地限流或接地电阻切换的方式调节接地电流。
针对所选择的交流侧变压器中性点经电阻接地、直流侧不接地方式和过电压峰值情况,文中基于高压直流输电系统绝缘配置的荷电率计算设计方法[
直流配电网中常用的避雷器类型包括交流母线避雷器(A)、中性点避雷器(AR)、换流变阀侧避雷器(AF)、桥臂电抗避雷器(R)、换流阀底避雷器(AL)、阀避雷器(V)、桥避雷器(C)、直流电抗避雷器(SR)、直流线路避雷器(D)。其中A、AR、AF、AL为交流系统避雷器,此类避雷器除了限制变压器一次侧、二次侧对应关键位置过电压之外,还可通过相互配合或与阀避雷器V配合实现对桥臂电抗、接地支路或级联模块的保护;R与SR是电抗专用避雷器,用于电抗器操作过电压的直接保护;C与D为直流系统避雷器,一般用于保护换流站免受直流侧入侵波的危害,也可通过相互配合实现对直流电抗器的保护[
通过仿真发现,V与A型避雷器配置点无明显故障过电压尖峰,因此不考虑装设避雷器,具体的配置方案如
避雷器配置方案
Configuration scheme of arrester
交流侧避雷器荷电率一般可取0.7~0.8,直流侧由于采用故障率相对较低的直流电缆,荷电率一般可选取0.8以上[
直流配电网避雷器参数选取
Parameter selection of arrester in DC distribution network
避雷器类型 | MCOV/kV | 荷电率 | 避雷器参考电压/kV |
AR | 18.20 | 0.80 | 22.75 |
AF | 10.42 | 0.80 | 13.03 |
R | 1.46 | 1.50 | |
AL | 18.86 | 0.80 | 23.57 |
C | 20.23 | 0.95 | 21.29 |
SR | 0.38 | 1.00 | |
D | 20.11 | 0.95 | 21.17 |
根据上述方案,仿真统计了装设避雷器后系统关键位置的过电压峰值,与未装设避雷器的过电压峰值对比如
系统过电压峰值对比
Peak value comparison of system overvoltage
关键位置 | 过电压峰值/kV | |
未装设避雷器 | 装设避雷器 | |
L1 | 8.17 | 8.17 |
L2 | 16.52 | 12.91 |
L3 | 23.10 | 19.36 |
L4 | 15.80 | 4.64 |
L5 | 22.25 | 22.28 |
L6 | 8.29 | 3.36 |
L7 | 28.57 | 24.79 |
L8 | 27.31 | 24.78 |
L9 | 28.83 | 24.75 |
L10 | 28.25 | 24.46 |
文中基于PSCAD/EMTDC搭建了±10 kV MMC型双端直流配电网仿真模型,在比较3种典型接地方式下系统故障恢复能力、经济性、电压稳定性的基础上,引入关键位置故障过电压峰值作为指标之一,就不同接地方式进行了综合评估和选择,并研究了采用避雷器的绝缘配置,对相关直流配电工程建设具有一定参考意义。结论如下:
(1) 交流侧变压器中性点经电阻接地、直流侧不接地方式在不同评估指标方面均相似或优于其他2种接地方式,可以作为优选接地方案。
(2) 基于荷电率计算设计方法确定的避雷器参数,提出的绝缘配置方案可有效抑制系统关键位置故障过电压,提高系统稳定性。
本文得到国网江苏省电力有限公司科技项目“柔性直流配用电系统优化运行控制和保护关键技术研究”(J2019111)资助,谨此致谢!
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