刘书瀚(1995),男,硕士,从事电力系统过电压与绝缘配合、柔性直流输配电、直流断路器等相关工作(E-mail:
庄园(1995),女,硕士,从事电力系统稳定分析与控制工作
梁战(1996),男,硕士,从事高频大容量变压器的精细化设计、逆变器并联工作
随着分布式能源的不断应用与普及,直流配电必将成为未来配用电系统的主流形式。作为一种新型的配电系统,柔直配电的过电压与绝缘配合亟须进一步研究和完善,中压直流断路器的加入也导致了系统的操作过电压暂态特性发生了根本变化,须对含直流断路器的柔直配电网操作过电压分布特性及绝缘配合展开分析。首先,构建了±10 kV环网型柔直配电网的电磁暂态仿真模型,设计了基于含直流断路器的保护动作方案;其次,基于保护动作方案,对±10 kV环网型柔性直流配电系统进行操作过电压的仿真分析,得到其幅值的水平空间分布特性和关键位置最大过电压的决定性工况,并提出±10 kV环网型柔性直流配电系统的绝缘配合方案;最后,对直流断路器动作影响下直流电缆护套的暂态感应过电压展开仿真分析。研究表明,直流断路器的加入提高了直流配电网的可靠性和灵活性,避雷器和电缆金属护层保护器的布置方案也得到进一步的优化,对环网型柔直配电网的绝缘配合方案设计有较大意义。
With the continuous application and popularization of distributed energy, DC power distribution will become the mainstream form of future power distribution system. As a new type of power distribution system, the overvoltage and insulation coordination of flexible DC power distribution urgently needs further research and improvement. The addition of medium-voltage DC circuit breakers has also led to fundamental changes in the operating overvoltage transient characteristics of the system. It is necessary to analyze the operating overvoltage distribution characteristics and insulation coordination of the flexible DC distribution network with DC circuit breakers. Firstly, the electromagnetic transient simulation model of ±10 kV ring-network flexible DC power distribution network is constructed, and the protection action scheme based on DC circuit breaker is designed. Then, the ±10 kV ring network flexible DC power distribution system is simulated and analyzed for operating overvoltage, horizontal spatial distribution characteristics of its amplitude and the decisive working condition of the maximum overvoltage at key positions are obtained, insulation coordination scheme of the ±10 kV ring network flexible DC power distribution system is proposed. Finally, the simulation analysis of the transient induced overvoltage of the DC cable sheath under the influence of the action of the DC circuit breaker is carried out. The results show that the addition of DC circuit breakers improves the reliability and flexibility of DC distribution network, and the layout of arrester and cable metal shield protector is further optimized, which is of great significance to the design of insulation matching scheme of flexible direct distribution network of ring network.
随着电力电子技术的飞速发展,直流电压等级的变换已不再是技术壁垒,将柔性直流技术应用于配电领域是历史的必然[
国内学者对柔性直流输电系统的过电压与绝缘配合已有较多研究。南网科研院以南澳三端柔直工程为研究对象,通过电磁暂态仿真软件对7种故障工况下的过电压进行了计算分析,得到了换流站各设备的最大过电压幅值,提出了站内避雷器的安装方案,最终确定了各设备的绝缘水平[
与柔性直流输电系统不同,柔直配电网中换流站与直流变压器的数量更多,网络结构和故障类型更加复杂,接入负荷更加灵活多样。由于柔性直流输配电系统的低阻尼特性,当系统发生故障时短路电流上升速率极快,通常采用闭锁换流阀或者配置直流断路器的方式实现故障隔离。其中,闭锁换流阀的方式对于故障识别与定位的要求较低,可以较快地降低故障电流,但无法有效满足继电保护的选择性,可能会造成柔性直流系统大面积失电。目前,高压直流断路器的理论研究与工程实践日益成熟,其开断时长已经基本满足柔直系统的速动性要求。若直流断路器在柔性直流配电网中大规模应用,结合环网型柔性直流配电系统的高可靠性,可以在系统发生故障后有选择性地将故障线路切除,避免闭锁换流站对系统其他位置可能产生的影响。因此,对包含直流断路器的环网型柔性直流配电网过电压与绝缘配合开展相关研究至关重要。
国内对于多端柔直配电网过电压与绝缘配合的研究尚处于探索阶段,系统网络拓扑、主接线形式与接地方式的不同会对过电压水平和绝缘配合的结果有较大影响。目前国内外学者所研究的柔直配电工程拓扑多为放射型和手拉手型,并无可靠性更高的环网型结构[
文中根据理论计算和相关工程的实际运行经验,构建了±10 kV环网型柔直配电网的电磁暂态仿真模型,基于含直流断路器的保护动作方案,对±10 kV环网型柔性直流配电系统展开操作过电压研究,并得到了换流站内避雷器及直流电缆金属护层保护器的布置方案。文中的研究结果对未来中压直流断路器以及新型拓扑的应用和实践有一定的参考价值。
文中研究对象为环网型柔性直流配电网拓扑,其具有更高的可靠性,功率传输方式灵活多样[
MMC的基本拓扑
Topology of MMC
根据控制对象的不同,MMC的控制可以分为外环功率控制和内环电流控制,其具体控制策略如
MMC的内、外环控制器
Inner and outer loop controller of MMC
文中使用PSCAD/EMTDC构建了包含MMC换流站、基于输入串联输出并联的双有源桥(input series output parallel-dual active bridge, ISOP-DAB)直流变压器、中压直流断路器、光伏发电、蓄电池储能在内的±10 kV环网型柔直配电系统仿真模型,其拓扑如
±10 kV环网型柔直配电系统拓扑
±10 kV ring-shaped flexible DC distribution system topology
由
模型采用的中压直流断路器为IGBT串联型混合式中压直流断路器[
各模块等效模型拓扑
Equivalent model topology of each module
各模块等效模型参数设置
Equivalent model parameter settings of each module
设备 | 参数 | 数值 |
ISOP-DAB直流变压器 | 双有源级数 | 10 |
稳压电容/μF | 500 | |
高频隔离变压器变比 | 2 kV/0.75 kV | |
高频隔离变压器容量/(kV·A) | 3 | |
串联电感/μH | 0.5 | |
直流固态变压器变比 | 20 kV/0.75 kV | |
IGBT串联型混合式中压直流断路器 | 转移开关电容/μF | 110 |
转移开关电阻/Ω | 2.5 | |
避雷器型号 | HY5WS-7.6/30 | |
额定开断时间/ms | 3 | |
光伏阵列 | 低压直流母线电压/kV | 0.75 |
额定光照强度/(W·m-2) | 1 000 | |
额定环境温度/℃ | 25 | |
额定输出功率/kW | 920 | |
蓄电池储能 | 蓄电池单元标称电压/V | 12 |
蓄电池单元标称电流/A | 100 | |
并联电池组数量 | 20 | |
蓄电池单元串联数量 | 40 | |
额定充电功率/kW | 410 | |
额定放电功率/kW | 675 | |
升压斩波电路稳压电容/μF | 1 000 | |
升压斩波电路串联电感/mH | 2 | |
脉冲宽度调制控制载波频率/Hz | 2 000 |
式中:
柔直配电系统采用主从控制策略,MMC1为主控站,控制柔直配电网直流电压
换流站控制方式及参数
Converter station control modes and parameters
参数 | MMC1 | MMC2 | MMC3 |
控制策略 | 孤岛控制 | ||
控制目标 | |||
额定容量/(MV·A) | 20 | 10 | 10 |
SM数量 | 20 | 20 | 20 |
SM电容/μF | 13 330 | 6 670 | 6 670 |
桥臂电抗/mH | 3.8 | 7.6 | 7.6 |
平波电抗器/mH | 20 | 20 | 20 |
联接变压器容量/ |
24 | 12 | 12 |
联接变压器额定电压 | 10.5 kV/ |
10.5 kV/ |
10.5 kV/ |
交流系统故障和负荷区域故障对柔直配电网影响很小,仅考虑换流阀区域故障以及直流线路故障即可,故文中所研究的故障类型如
故障类型示意
Schematic diagram of fault types
文中提出了一种含直流断路器的保护动作方案,其动作逻辑见
保护动作方案
Protection action scheme
故障区域 | 故障类型 | 交流断路器 | 直流断路器 | 换流阀 |
换流阀区 | 所有故障 | 单台动作 |
2台动作 |
单站闭锁 |
直流线路 | 单极接地 | 不动作 | 不动作 | 不动作 |
双极短路 | 不动作 | 4台动作 |
不动作 |
在进行操作过电压及绝缘配合的研究时,所选择的电压观测节点如
电压观测点示意
Schematic diagram of voltage observation point
在系统保护动作方案未投入时,经过仿真分析得到各观测节点的稳态电压幅值如
电压观测点及稳态值
Voltage observation point and steady-state value
电压观测点 | 观测点名称 | 稳态运行电压幅值/kV |
TF | 联接变压器阀侧对地 | 8.2 |
TN | 联接变压器中性点对地 | 1.3 |
LA | 桥臂电抗器两端 | 1.0 |
LAF | 阀底对地 | 8.0 |
F | 换流阀两端 | 18.2 |
FD | 阀顶对地 | 10.0 |
LDF | 平波电抗器阀侧对地 | 10.0 |
LD | 平波电抗器两端 | 0.5 |
LDX | 换流站出线对地 | 10.0 |
以主控站MMC1内部故障以及MMC1出口处直流线路故障为例,进行操作过电压分布规律的仿真分析,此时系统内部未配置避雷器。电缆1与电缆2在系统中的位置如
MMC1换流阀区域故障时,计算得到3个换流站内部各观测节点的操作过电压值如
MMC1换流阀区域故障操作过电压
Operating overvoltage during faults in MMC1 converter valve area
MMC1出口位置出现双极短路故障时,计算得到MMC内部各节点操作过电压值如
MMC1出口直流线路双极短路故障操作过电压
Operating overvoltage during bipolar short-circuit fault on the DC line at the outlet of MMC1
MMC1出口直流线路发生单极接地故障,计算得到3个换流站内部各观测节点的操作过电压值如
MMC1出口直流线路单极接地故障操作过电压
Operating overvoltage during single-pole ground-ing fault on the DC line at the outlet of MMC1
分析上述数据可以发现,MMC1发生阀顶接地故障时,不仅MMC1联接变压器阀侧对地、联接变压器中性点对地、阀底对地以及阀顶对地的操作过电压取得最大值,MMC2与MMC3对应电压观测点的操作过电压也取得最大值,可见阀顶接地故障是操作过电压的重点考核工况,具有全局影响性。与之相反,MMC1桥臂电抗器两端操作过电压最大值出现在联接变压器阀侧三相接地故障时,MMC1换流阀两端操作过电压最大值出现在阀短路故障时,MMC2与MMC3对应电压观测点并未出现明显过电压,可见这2种故障工况仅有局部影响性。MMC1平波电抗器对地与MMC1平波电抗器两端操作过电压最大值出现在MMC1阀顶接地故障时,同样具有局部影响性。
由于双极短路故障时仅操作故障直流线路两端的4台直流断路器跳开,直流配电网开环运行,系统内各设备保持正常运行,因此除了平波电抗器两端,各电压观测点均未出现过电压,数值与稳态运行时无异。故障线路上的4台平波电抗器两端出现明显的操作过电压,但数值仍低于换流阀内部故障时的操作过电压。由此可知,在既定的保护方案下,直流线路双极短路故障不会使直流配电系统出现决定性的操作过电压最大值。
直流线路单极接地故障同样对联接变压器阀侧对地、联接变压器中性点对地、阀底对地以及阀顶对地的操作过电压有全局影响,但其操作过电压水平略低于阀顶接地故障,故仅对阀顶接地故障进行操作过电压的校核即可。
综上所述,所有观测点操作过电压的决定性故障工况如
电压观测点操作过电压决定性故障工况汇总
Summary of operating overvoltage decisive fault conditions at voltage observation points
电压观测点 | 操作过电压决定性故障工况 |
TF | 阀顶接地故障 |
TN | 阀顶接地故障 |
LA | 联接变压器阀侧三相接地故障(对应换流站) |
LAF | 阀顶接地故障 |
F | 阀短路故障(对应换流站) |
FD | 阀顶接地故障 |
LDF | 阀顶接地故障(对应换流站) |
LD | 阀顶接地故障(对应换流站) |
LDX | 联接变压器阀侧单相接地故障 |
基于电压观测点操作过电压决定性工况的研究,对
直流配电系统电压观测点最大操作过电压
Maximum operating overvoltage at voltage observation point of DC power distribution system
电压观测点 | 最大操作过电压 | ||
MMC1 | MMC2 | MMC3 | |
TF | 27.4 | 24.6 | 28.6 |
TN | 19.2 | 17.5 | 20.4 |
LA | 15.5 | 11.8 | 14.7 |
LAF | 27.9 | 24.9 | 29.3 |
F | 27.8 | 28.6 | 19.5 |
FD | 29.5 | 27.2 | 30.2 |
LDF | 43.4 | 43.2 | 44.0 |
LD | 25.5 | 24.8 | 22.1 |
LDX | 40.0 | 30.2 | 40.5 |
经过仿真分析,得到系统在不同故障工况下的暂态电压特性,如
柔性直流配电系统故障暂态电压特性
Fault transient voltage characteristics of flexible DC power distribution system
故障工况 | 故障暂态电压特性 |
阀侧单相接地 | 阀顶直流电压出现工频振荡,联接变压器中性点电压有效值上升为相电压有效值,故障恢复速度与联接变压器中性点接地电阻有关 |
阀侧两相接地/两相短路故障 | 阀顶直流电压及极间电压出现了二倍频波动,换流阀两端电压产生工频尖顶脉冲 |
阀侧三相接地 | 直流电压不再有明显谐波特征,故障期间阀顶直流电压以及极间电压下降至稳态值的一半,并不断振荡 |
换流阀短路 | 正负极电压以及极间电压略有下降,存在以工频为主的尖顶波,联接变压器中性点电压出现直流偏移 |
阀顶单极接地 | 联接变压器阀侧电压、阀顶直流电压及联接变压器中性点电压均出现10 kV直流偏移,直流极间电压保持不变,故障恢复速度与联接变压器中性点接地电阻有关 |
柔性直流配电系统换流站避雷器布置的原则为:关键设备由其紧靠的避雷器保护,交直流两侧相互独立,交流侧过电压由交流避雷器抑制,直流侧过电压由直流避雷器抑制。根据GB/T 36498—2018《柔性直流换流站绝缘配合导则》,对称单极柔性直流换流站通常需要配置联接变压器阀侧避雷器AV、联接变压器中性点避雷器NV、桥臂电抗器端间避雷器AR、桥臂电抗器阀侧避雷器LV、阀顶避雷器CBH、平波电抗器阀侧避雷器DB、平波电抗器端间避雷器DR、平波电抗器线路侧避雷器DL。根据选取的避雷器持续运行电压峰值(constant continuous operating voltage, CCOV)以及避雷器荷电率,可以得到各避雷器的直流参考电压
柔性直流换流站避雷器参数配置
Arrester parameter configuration of flexible DC converter station
避雷器型号 | CCOV/kV | 荷电率 | 直流参考电压/kV |
AV | 8.5 | 0.74 | 11.5 |
NV | 12.5 | 0.83 | 15.0 |
AR | 10.0 | ||
LV | 8.5 | 0.85 | 10.0 |
CBH | 20.5 | 0.85 | 24.0 |
DB | 20.5 | 0.82 | 25.0 |
DR | 20.0 | ||
DL | 20.5 | 0.82 | 25.0 |
文中提出了如
避雷器布置方案
Arrangement schemes of arresters
根据
不同避雷器布置方案下各换流站关键位置操作过电压的分布曲线
Distribution curves of operating overvoltage at key positions of each converter station under different arrester arrangement schemes
在布置方案一中,联接变压器阀侧避雷器、联接变压器中性点避雷器、桥臂电抗器阀侧避雷器、阀顶避雷器、平波电抗器阀侧避雷器、平波电抗器线路侧避雷器的加入大大降低了各安装位置的操作过电压水平,但也提高了桥臂电抗器端间和换流阀端间的操作过电压,有一定的局限性。布置方案二加入了AR以及DR,与布置方案一相比,桥臂电抗器端间和换流阀端间操作过电压得到了限制,其余位置过电压差别不大。布置方案三表明,依靠平波电抗器阀侧避雷器与平波电抗器线路侧避雷器的配合可以有效保护平波电抗器,不必额外配置平波电抗器端间避雷器。为了保护桥臂电抗器和换流阀,有必要安装桥臂电抗器端间避雷器。因此对于环网型柔直配电网,在采取了含直流断路器的保护方案后,使用避雷器布置方案三为最优。
换流站交流设备的绝缘水平为避雷器的操作冲击保护水平乘以绝缘裕度后,取最靠近标准额定冲击耐受电压的值。直流设备没有标准耐受电压值,将计算值调整到方便的可行值即可。柔性直流换流站设备配合耐受电压的绝缘配合因数最小值如
柔性直流换流站设备耐受电压最小配合因数
Minimum coordination factor of withstand voltage of flexible DC converter station equipment
过电压类型 | 最小配合因数 | |||
油绝缘(阀侧) | 空气绝缘 | 极线设备 | 换流阀 | |
陡波 | 1.25 | 1.25 | 1.25 | 1.15 |
雷击 | 1.20 | 1.20 | 1.20 | 1.15 |
操作 | 1.15 | 1.15 | 1.15 | 1.15 |
柔性直流配电系统的电压等级较低,提高设备的绝缘水平不会显著增加工程造价,因此柔性直流配电系统设备的绝缘裕度可以适当提高。文中油绝缘(阀侧)、空气绝缘以及直流极线设备的绝缘裕度取值25%,换流阀厅因其运行环境较好、故障率低,且设备耐受电压水平变化幅度不大,故绝缘裕度取值20%。根据GB/T 311.1—2012《绝缘配合第1部分:定义、原则和规则》中对标准额定冲击耐受电压的规定,得到±10 kV柔性直流配电系统换流站设备在操作过电压下的绝缘水平,计算结果如
柔性直流换流站设备操作过电压绝缘水平
Operating overvoltage insulation level of flexible DC converter station equipment
电压观测点 | 最大过电压水平 | 绝缘水平 |
TF | 18.3 | 40 |
TN | 11.7 | 20 |
LA | 18.8 | 25 |
LAF | 19.3 | 25 |
F | 31.2 | 40 |
FD | 24.0 | 30 |
LDF | 28.5 | 40 |
LD | 27.5 | 35 |
LDX | 33.3 | 45 |
由于交流电缆三相布置不对称、三相电压不平衡等原因,其金属护套上会产生幅值可观的感应电压。对于直流电缆而言,稳态运行时电压、电流均为直流,不会产生交变的电磁场,因而稳态下直流电缆护套感应电压数值可以忽略不计[
单极无铠装直流电缆分布参数等效模型
Equivalent model of distribution parameters of single-pole unarmoured DC cable
当直流电缆发生单极接地故障时,电缆线芯和金属护套连通,形成了如
直流电缆单极接地故障放电通路
Discharge path of single-pole grounding fault in DC cable
直流电缆发生双极短路故障时,虽然电缆线芯和金属护套并未产生电流通路,但故障期间线芯故障电流的上升率很高,金属护套会因电磁感应产生幅值较大的感应电压,因此须对双极短路故障进行重点校核。
基于
电缆2接地方式与电压监测点位置
Cable 2 grounding method and voltage monitoring point location
护套单端接地的直流电缆在不同位置发生双极短路故障时,金属护套各电压监测点感应电压幅值如
护套单端接地系统护套感应电压计算结果
Calculation results of sheath induced voltage for sheath single-ended grounding system
直流电缆护套单端接地方式下,电缆护套的感应电压大体呈现由直接接地点向非直接接地点逐渐增大的规律,且故障点距离非直接接地点越近,非直接接地点的感应过电压水平越高。由
护套两端接地的直流电缆在不同位置发生双极短路故障时,金属护套各电压监测点感应电压幅值如
护套两端接地系统护套感应电压计算结果
Calculation results of the sheath induced voltage for sheath both-ended grounding system
直流电缆护套两端接地方式下,电缆护套感应电压呈现中间高、两端低的趋势。除故障发生在直流电缆端部以外,故障所在位置对应的监测点感应电压幅值均大幅抬升。无论故障点在何位置,金属护套感应电压幅值均未超过6 kV,感应电压水平低于金属护套单端接地的故障工况。
无论是护套单端接地方式还是两端接地方式,护套各位置对地感应电压数值介于数十伏至数千伏之间,最大感应电压均未超过10 kV,因此柔性直流配电系统中的直流电缆不用配置金属护套保护器。护套两端接地方式下的护套感应电压分布相比单端接地方式更加均匀,实际工程中使用金属护套两端接地方式可以具有更高的可靠性。
文中对包含直流断路器的±10 kV柔直配电网操作过电压水平及绝缘配合展开了分析和研究,得到了以下结论:
(1) 当使用含直流断路器的保护方案时,各观测点最大操作过电压的决定性故障工况多为阀顶接地故障。
(2) 比较3种避雷器布置方案发现,在安装联接变压器阀侧避雷器、联接变压器中性点避雷器、桥臂电抗器阀侧避雷器、阀顶避雷器、平波电抗器阀侧避雷器、平波电抗器线路侧避雷器的基础上,须进一步安装桥臂电抗器端间避雷器,而平波电抗器端间避雷器可以不安装。
(3) 柔性直流配电网中的直流电缆护套宜采取两端接地方式,且无须安装金属护层保护器。
(4) 直流断路器的加入提高了直流配电网的可靠性和灵活性,使得在所有故障类型中占比较多的直流线路故障不再对系统正常运行和设备绝缘产生较大影响,原有避雷器布置方案也无需进行较大改变,故基于直流断路器的保护方案具有较高的应用价值。
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