摘要：传统燃料为主导的能源模式对环境的污染，能源危机的加剧，使得世界各国在大力发展以风能和太阳能为主的清洁能源，这些分布式能源资源被复杂的换流接入到交流配电网中，给配电网的应用性能提出了更高的要求，只有不断提高配电网的安全性和可靠性才能满足目前的发展需求。交直流混合配电网的运用前景良好，但缺少可靠的继电保护技术制约了发展。本文对交直流混合配电网继电保护进行研究。
关键词：交直流混合配电网；继电保护；研究
1 交直流混合中低压配电网结构
在考虑低压配电系统中出现一定比例的直流负荷与电源情况下，本文设计采用交直流混合系统进行供电，典型结构如图1所示。
图 1 典型中低压配电结构形式
2 直流配电网的线路主保护
2.1 保护原理
直流配网线路短路的主保护由电流差动保护、电流过流保护和正、负极电流不平衡保护组成。其中，电流差动保护用于判断故障位置，过流保护和电流不平衡保护用于识别故障类型。保护范围为整段直流线路。电流正方向为从母线到线路。以 k2 点短路为例，说明主保护的保护原理。采用电流差动保护判断保护区域，设正、负极差流ipDiff、inDiff 如式（2）所示。
由于单极短路后极间电压不变，而极间短路后，故障点处极间电压为 0，导致直流系统输出极间电压突降，故极间短路后，故障电流 ifA 远大于单极接地短路的 ifA。综上，可采用始末端差流判断区内是否发生故障，通过始端电流不平衡系数 KIdiff 以及电流 idcA 判断直流故障类型。根据区内短路后，线路始、末端电流特征，可得式（6）所示的主保护判据。
式中：Kset1.1、Kset1.2、Kset1.3 分别为差流保护、过流保护及电流不平衡保护的可靠系数，为协调速动性和可靠性，考虑电流传感器误差等，可靠系数取1.1~1.3。区内故障判据整定值 Iset1.1 按躲过上级线路、下级线路短路及正常运行时的差流 IdcD.sup、IdcD.sub 和 IdcD.nor 整定。由前面的分析可知，极间短路后的线路始端电流 idcA 远大于单极接地短路的idcA，同时为避免正常运行时保护误判，极间短路判据整定值 Iset1.2 按躲过区内单极接地短路和正常运行的始端电流最大值 IdcA.SpF 和 IdcA.nor 整定。由于单极接地短路后，电流不平衡系数 KIdiffA≠1，考虑到元件参数差异等因素可能导致的正常运行和极间短路后 KIdiffA≠1，不平衡电流判据整定值 KsetId 按躲过正常运行和区内极间短路时，线路始端正负极电流不平衡系数 KId.nor、KId.PNF 整定。
2.2 保护方案及验证
主保护流程如图 2 所示。其中，sign（y）为符号判断函数，当实数 y 为正时，函数值为 1，y 为 0时函数值为 0，y 为负时函数值为-1。为提高判断速度，同时判断图 2中前三个判据，并记录成立次数。连续成立 3 次即认为该判据成立，再按照图 3流程判断故障类型。
图 2 主保护流程图
在 PSCAD 中搭建图 2 所示光伏直流汇集接入系统，验证提出的保护方案。直流系统为 5 MW 光伏电站，交流系统电压为 35 kV。两段线路均为 10 km的 30 kV 直流电缆，线路阻抗 Zl=0.45 Ω/km。并网变流站由 MMC 和连接变压器组成。MMC 采用具有闭锁功能的 129 电平混合型 MMC，半桥子模块（Half bridge submodule，HBSM）与全桥子模块（Fullbridge submodule，FBSM）个数比为 1：1。连接变压器Dyn11 变压器，且经 1 000 Ω 电阻接地，变比 1：1.1。光伏电站采用最大功率跟踪控制，MMC 采用无功与定直流电压作为外环的电流解耦控制。以线路 AB 上除始端以外，其他位置金属性短路为例，分析故障后线路 AB 始、末端电压、电流。单极短路后，极间电压不变，光伏输出电流基本不变，故障极对应的 MMC 半桥子模块电容与线路电容形成放电回路。始、末端故障附加电流 ifA、ifB主要由线路分布电容决定，且正、负极故障电流方向相同，则故障后，正、负极电流不平衡。极间短路后，受故障点极间电压降为 0 的影响，始、末端电压下降且接近于 0。由光伏输出特性可知，光伏输出电流增大，且约为短路电流，MMC 子模块电容放电。与单极短路相比，始端故障电流 ifA 还包含光伏输出短路电流，末端故障电流 ifB 还包含 MMC电容放电电流。若线路 AB 始端短路，由于光伏电站直接与始端相连，故 ifA 仅由光伏输出短路电流决定。因光伏输出最大短路电流为 1 kA，且电流具有单向性，只能从光伏电站流出，导致正、负极电流不平衡度较低。故线路 AB 始端短路后，主保护可能不动作。仿真 1 s 时，分别在 k1 至 k4 设置正极接地短路和极间短路，在 k5、k6 设置交流短路。采样频率20 kHz，在 Matlab 中处理仿真输出数据，验证保护方案。对于线路 AB，Iset1.1 需躲过线路 BC 始端单极短路后的最大差流 1.774 8 kA，令 Kset1.1=1.05，则 Iset1.1=1.86 kA；Iset1.2 需躲过本段线路单极短路后的最大电流 3.2 kA，令 Kset1.2=1.1，则 Iset1.2=3.52 kA；Iset1.3需躲过本段线路极间短路后的最大不平衡电流系数 0.001 6，令 Kset1.3=1.1，则 Iset1.3=0.001 76。对于线路 BC，Iset1.1 需躲过 MMC 直流出口处单极短路 后 的 最 大 差 流 1.966 kA，令 Kset1.1=1.1，则Iset1.1=2.16 kA；Iset1.2 需躲过本段线路单极短路后的最大电流 2.88 kA，令 Kset1.2=1.1，则 Iset1.2=3.17 kA；Iset1.3需躲过本段线路极间短路后的最大不平衡电流系数 0.003，令 Kset1.3=1.1，则 Iset1.3=0.003 3。其中，XfA、XfB 分别为线路 AB 和线路 BC 故障到本段线路始端的距离（单位：km），PF 代表正极短路，PNF 代表极间短路，acF 代表交流短路，Rf 为过渡电阻。由表 1 可知，对于金属性短路，线路 BC 的保护可以准确识别本段线路的故障。由于直接与光伏电站相连，线路 AB 可以识别除始端外，其他位置的短路。但对于高阻故障，主保护难以识别。为减小过渡电阻及光伏电站短路特性对故障识别的影响，提高保护的可靠性，需设置可保护本段线路全长的后备保护。
3结语
综上所述，交直流混合配电网在消纳分布式电源、提高能源利用率方面有巨大优势。交直流混合配电网继电保护是制约其发展的重要因素之一，国内外对于这一方面的研究还处于起步阶段。在未来一段时间内，交直流混合配电网及其相应继电保护还需加强研究。
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论文作者:范宇
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/13
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