2018年4 月 电 工 技 术 学 报 Vol.33 No. 8 第33卷第8期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Apr. 2018

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.161814

柔性直流配电网故障分析 戴志辉1 葛红波1 严思齐1 王增平1 陈 曦2 （1. 分布式储能与微网河北省重点实验室（华北电力大学） 保定 071003 2. 国网保定供电公司发展策划部 保定 071000）

摘要 柔性直流配电网故障特性分析是保护方案设计的基础。当前，直流系统故障期间，换流器IGBT不闭锁时的故障特性尚未深入探讨。首先，确定直流配电网的接地方式和控制策略。其次，分析IGBT不闭锁时直流极间短路和单极接地短路的故障特性及过渡电阻等因素的影响，并讨论故障对其他区域的影响。结果表明，对于极间短路，除故障达到稳态后IGBT闭锁较之不闭锁会出现极间电压和故障电流增大的现象外，IGBT闭锁与否对故障特性影响不大；对于单极接地短路，IGBT不闭锁会使直流侧出现不平衡电压，导致换流器交流侧电流出现直流分量。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，证明了理论分析的正确性。 关键词：直流配电网 接地方式 故障分析 极间故障 单极故障 中图分类号：TM77

Fault Analysis of Flxible DC Distribution System Dai Zhihui1 Ge Hongbo1 Yan Siqi1 Wang Zengping1 Chen Xi2 （1. Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid of Hebei Province North China Electric Power University Baoding 071003 China 2. Development and Plan Department Baoding Power Supply Company of State Grid Corporation of China Baoding 071000 China）

Abstract The fault analysis of flexible DC distribution grids is the basis of designing the protection scheme. Up to now, the fault characteristic of DC fault, considering unblocked IGBT in converters, has not been systematically investigated. Firstly, the grounding mode and the control strategy of the DC distribution grid were determined. Secondly, on the premise that IGBT is unblocked, this paper analyzed fault characteristics of pole-to-pole fault and pole-to-ground fault, as well as the influence of fault resistance. The impacts of DC faults on other sections were also discussed. The results show that, with regard to the pole-to-pole fault, whether IGBT is blocked or not does not affect the fault characteristic evidently in the first two transient stages. However, when the fault reaches the steady state, compared with the condition that the IGBT is unblocked, the DC voltage and fault current are larger when the IGBT is blocked. In terms of the pole-to-ground fault, the unblocked IGBT would result in DC unbalance voltage, which will further generate DC components in the ac-side current of the converter. Finally, the simulation model was built in PSCAD/EMTDC, and the result confirms the validity of the theoretical analysis. Keywords：DC distribution network, grounding mode, fault analysis, pole-to-pole fault, pole- to-ground fault

国家重点研发计划专项课题（2016YFB0900203）、国家自然科学基金（51307059）和中央高校基本科研业务费（2017MS096）资助项目。收稿日期 2016-11-18 改稿日期 2017-02-26 1864 电 工 技 术 学 报 2018年4月 0 引言 当前，基于电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）的柔性直流输电技术已广泛应用于高电压等级的输电系统，随着电力电子技术的发展，将VSC应用于中低压电压等级的配电系统-柔性直流配电网（Flexible DC Distribution Networks, FDCDN）成为新的研究热点。FDCDN具有便于接纳新能源发电及直流负荷[1]，传输容量大、电能质

量高、经济性好[2-4]，有利于智能电网和能源互联网建设[5-7]等优点，是现有交流配电网的重要补充[8]。我国在深圳地区已建立了柔性直流配网电示范工程，并对其技术架构、控制和保护策略等进行了研究[9-12]。

作为制定保护方案的基础，很多文献对柔性直流配电网的故障特性进行了分析。文献[13]将直流系统单极接地故障过程划分为“电容放电”、“电网馈入”和“稳定状态”三个过程。文献[14-16]将直流系统极间短路故障划分为“电容放电阶段”、“二极管全导通阶段”和“不控整流阶段”三个阶段。但这些分析均以故障后换流器的IGBT立即闭锁为前提，可能导致“一点故障、全站陪停”，从而降低了供电可靠性。在FDCDN中，通过合理采用外部设备如高速动作的直流断路器隔离故障，并尽可能保证故障期间换流器IGBT不闭锁，则非故障区域的供电不受故障影响且故障切除后系统能很快恢复正常，因此有必要分析换流器不闭锁时FDCDN的

故障特性。文献[17-20]初步分析了IGBT不闭锁情况下的直流故障特性。其中，文献[17]仿真分析了单极接地故障时，过渡电阻大小与故障电流方向的关系，并仿真得出在变压器中性点接地时交流侧电流会出现直流分量的结论。文献[18]在仿真极间短路故障时发现IGBT闭锁后相比IGBT不闭锁时其电压和电流都有一定升高，但未给出原因。文献[19]分析了连接变压器阀侧中性点接地情况下故障点过渡电阻大小对控制系统的影响。文献[20]仿真分析了变压器阀侧中性点不接地时的直流故障特性。上述工作以仿真和定性分析为主，缺乏对故障过程的详细理论论证，这方面的研究仍需完善。 本文首先参照深圳柔性直流配电系统示范工程建立双端供电“手拉手”柔性直流配电系统，确立系统的接地方式和各换流站的控制策略。然后理论分析IGBT不闭锁情况下直流系统极间短路故障和单极接地故障的暂态过程和特性，并分析故障对其他区域的影响。最后通过PSCAD/EMTDC软件建立仿真模型，对理论分析进行证明。

1 柔性直流配电网 图1为典型的柔性直流配电网拓扑结构。该系统具有以下工程意义：①有利于负荷侧光伏、风机等分布式发电并网；②在直流侧故障时，只需断开与故障相关的直流断路器，非故障区域恢复正常运行，提高了系统供电的可靠性；③该架构可以向直流负荷供电，也可以通过逆变器向交流负荷供电。

图1 柔性直流配电网 Fig.1 Flexible DC distribution network 1.1 接地系统配置 1.1.1 直流电容接地方案 直流系统电容的接地方式有分裂电容中点接地、正极线路接地、负极线路接地和不接地四种。其中，正极线路接地和负极线路接地使得非接地极

承受全部直流电压，对线路的绝缘水平要求较高；不接地时，直流线路中会流过很大的高频谐波电流，对通信线路造成较大干扰，并在线路中产生较大的高频交流电压，导致直流电容中点出现高频交流漂移分量[21]。考虑到上述因素，图1所示VSC1、VSC2、 第33卷第8期 戴志辉等 柔性直流配电网故障分析 1865 逆变器1、逆变器2的直流电容中点直接接地，BDCT、UDCT直流侧电容中点不接地。 1.1.2 连接变压器接地方案 连接变压器的接地方式对直流系统发生单极接地故障时会有较大影响。常见的接地方式有两种： （1）变压器YNd联结（一次侧是电网侧，二次侧是换流器侧）。这种接地方式可以隔离不对称故障产生的零序分量和SPWM产生的零序谐波分量在换流器和交流系统之间的传递，但同时直流侧单极接地故障会导致正负极产生不平衡电压，且在故障隔离后无法重新平衡[22,23]，若要恢复系统，则必须关闭换流站并重启，降低了系统的供电可靠性。 （2）变压器Dyn联结。直流接地故障发生后，变压器接地点和故障点通过换流器形成放电回路，此时的故障特性与故障电阻有很大关系，在故障清除后，直流正负极电压均能恢复至正常水平[24]。但若发生金属性接地故障则会产生很大的故障电流，超出了换流器限定的最大值，使得在故障过程中直流侧电压失去控制。 针对以上两种变压器接地方式的弊端，本文采用了新的接地方式。对T1、T2端口的变压器换流器侧采用经电阻接地的方式，接地电阻取值要能够限制其故障电流在换流器的限定值之内。这样，直流侧极间电压仍能维持稳定，且故障产生的不平衡电压在故障隔离后能够通过变压器接地点形成充放电回路，并使正负极电压重新达到平衡。这种接地方案相对于方案（1）具有使不平衡电压自动恢复正常的优点，相对于方案（2）则具有限制接地故障时交流系统向故障点馈入的过电流、保持直流侧极间电压稳定的优点。此时T4、T5端口的连接变压器的接地方式不影响直流侧不平衡电压的恢复，因此对T4、T5端口变压器采用第（1）种接地方案。这种新的接地方案相对应的故障特性和优点将在第3节进行深入分析。 对图1所示系统，采用主从控制的单点电压控制方式，即在正常运行时只有一个端口控制中压直流系统的电压。与交流主网相连接的端口有T1和T2，其中T2端口采用定直流电压控制，T1端口采用定功率控制；与负荷侧相连的端口有T3、T4、T5和T6，由于负荷侧无电源或电源难以维持稳定电压，因此这些端口均采用定负荷侧电压控制。 1.2 关键设备正常工作范围 1.2.1 VSC换流器 正常运行时，T1端口采用定功率控制，故可将T1端口等效为一电流源，其受控电流Idc1为 S1dc1dc