交流系统单相接地故障对柔性直流配电网的影响分析

陈文学，张新慧，彭 克，陈文凯，武 轩

（1.山东理工大学，山东 淄博 255000；2.华电淄博热电有限公司，山东 淄博 255000）

交流系统单相接地故障对柔性直流配电网的影响分析

陈文学1，张新慧1，彭 克1，陈文凯2，武 轩2

（1.山东理工大学，山东 淄博 255000；2.华电淄博热电有限公司，山东 淄博 255000）

针对双端柔性直流配电系统，对换流器交流出口处单相接地故障特征进行分析，说明交流侧故障对直流侧的影响，指出直流侧电压会出现工频共模波动，比较直流侧电容中点直接接地与不接地时的不同，讨论了电抗器参数及电容大小对电压波动的影响。基于DIgSILENT／PowerFactory搭建双端直流配电系统模型进行仿真验证，最后结合仿真结果，给出降低故障影响的改进建议。

双端直流配电系统；DIgSILENT／PowerFactory；单极接地故障；换流器

0 引言

近些年随着负荷需求的增大，传统交流配电网面临着供电走廊紧张、线路损耗大等问题，同时分布式电源接入带来的一系列问题，使得直流配电网日益成为学术界与工业界关注的焦点。在输电网中基于电压源型的高压直流输电（voltage source converter based HVDC，VSC-HVDC）技术已得到广泛应用，众多学者将其在控制特性、可靠性、电能质量等方面的优点引入配电网开展相关应用研究［1-4］。

目前已有不少文献对交直流配电网进行了故障分析及相关保护的研究。文献［5］对目前故障处理与保护的现有方法和研究现状进行了综述，并对柔性直流输电的故障处理与保护面临的关键问题进行了展望。文献［6］详细分析了交流侧发生单相接地故障时HVDC直流输电换流器的动态过程，指出交流系统单相接地故障引起的换流母线电压不平衡会导致HVDC控制系统锁相环输出偏移，并提出改进开关函数法来解决这一问题。文献［7］讨论了直流侧接地方式对故障及故障恢复的影响，提出了有利于提高系统稳定性接地配置方案。文献［8］指出直流侧不平衡谐波电流流通路径与直流侧的接地方式密切相关，对其危害影响进行了分析验证。文献［9］则进一步对直流侧电容中点接地电阻的取值进行了讨论，并给出取值依据。以上文献中的讨论都是基于电压源型换流器的双端柔性直流输电系统，没有讨论背靠背配电系统情况下的问题。

针对双极背靠背配电系统，分析交流侧单相接地故障特征，探讨故障对直流侧的影响，比较不同接地方式下的故障特点，并给出相关建议。

1 故障特性分析

在典型的交直流配电网中，为了防止不对称故障中零序分量在交流系统与换流器之间传递，联结变压器一般采用网侧绕组星型接法，阀侧绕组三角形接法。故当联结变压器网侧发生不对称故障时，其产生的零序电流不会对直流侧产生影响。当联结变压器换流器侧发生不对称故障时，产生的零序电流可能通过直流侧电容中性点接地线构成回路，对直流侧造成一定的影响，故主要讨论联结变压器换流器侧的故障。

交流侧的故障中发生概率最大的是单相接地故障，故本文主要讨论该故障情况。根据典型的两电平VSC换流器结构［10-11］，交流出口处发生单相接地故障后的换流站端等效电路如图1所示。

图1 交流侧不对称故障下的换流站端等效电路

图1中，Rf为故障接地电阻，直流侧正负极电容Cp=Cn，RN为直流电容中点接地电阻，usa、usb、usc为故障后各相电压，isa、isb、isc为故障后各相电流，ua、ub、uc为A、B、C三点对地电位，vp、vn为换流器正负极对地电位，ip、in为换流器正负极线路电流，icp、icn为流入正负极电容的电流，ucp、ucn为正负极两端的电压，各电压电流的方向如图1所示。

根据基尔霍夫定律列出a相回路电压方程

同理可得b相c相电压方程

式（4）、（5）、（6）相加得

uN为直流电容中性点接地电阻上的电压。

式中0＜M≤1，反映了直流配电网中其他换流站端接地点对零序电流的分流作用。

将式（8）、（9）代入（7），记

整理得

由等效电路对零序分量的对称性

将（12）代入式（11），整理得

根据二阶微分方程的结构，方程（14）对应的特征方程为

对方程（15）的根进行讨论，可得Δ＞0时，两个实根都恒小于零；Δ=0时，二重根恒小于零；Δ＜0时，两个虚部的实根都恒小于零。可知故障下的ucp的零输入响应总是收敛的。

由ucn=ucp-udc可知，故障下负极电容电压ucn的响应与正极电容电压ucp的响应只相差一个直流偏置。故换流器交流出口处单相接地故障下，直流正负极电压会出现工频共模振动。

2 仿真验证

在DIgSILENT／PowerFactory环境中搭建了双端直流配电系统的仿真模型，如图2所示。母线1处故障及母线2、3处故障分别为联结变压器网侧故障和换流器侧故障。

模型中交流电压源电压等级为110 kV，低压侧为10 kV，直流侧正负极电压分别为10 kV、-10 kV，正负极电容分别为1 500 μF。故障设置为换流器交流侧出口处发生单相接地故障，即母线3处，故障发生在t=0.1 s，在t=0.15 s时清除故障，整个仿真时间为0.4 s。对于直流侧直接接地、电容中点不接地两种方式下测得的波形如图3、图4所示。

图2 基于DIgSILENT／PowerFactory的双端直流配电系统模型

图3 直流侧直接接地时正负极电压波形

图4 电容中点不接地时直流侧正负极电压波形

从图3和图4的对比中可以看出，当直流侧电容中点不接地时，换流器交流侧出口发生单相接地故障，对直流侧几乎没有影响，工频共模振动现象不明显。文献［8］中虽提到若直流侧电容不接地，不平衡电流谐波会通过输电线路从一侧流向另一侧，从而造成一系列问题，但其模型与本文中不同，本文中交流侧并没有中性点接地，故不会构成零序回路，即不存在谐波流通问题。

而当直流侧电容中点直接接地时，可以看出直流侧正负极电容电压会出现明显的工频共模振动，这与所分析的情况一致，验证了故障分析的正确性。对于图1中所示的直流侧电容接地方式1，文献［9］中对其进行了详细探讨，并比较了方式1与方式2下的不同，在此就不再进行讨论。

对于母线3处故障后所形成的零序回路，包含有电抗器，而电抗器具有一定的滤波作用，故改变其大小可以在一定程度上缓解直流侧电压波动问题，如图5所示。

图5 电抗器大小不同时直流侧电压波形

由图5可知，电抗器中的短路电压百分数设置的越大，对零序谐波抑制作用就越强，直流电压波动就越小。

另外，直流侧电容在设计选择时要考虑稳压要求，其取值应该能够抑制直流波动在允许范围内，正负极电容大小不同时，其正负极电压波动幅度也就不同，如图6所示。

图6 电容大小不同时支流测电压波形

图6中，正极电容取值大小是负极的2倍，其电压波动显然要小于负极电压波动，可见直流侧电容确实有稳压作用，应根据具体应用工程，适当选取电容值，一般是取值越大，稳压作用越强，但还要兼顾储能、动态响应速度与控制系统匹配等要求。

3 改进建议

交直流配电网中交流侧发生故障时，对直流侧的影响与直流侧电容接地方式、电容大小及电抗器参数有关，且若采用经电阻接地，其电阻阻值大小不同也会造成差异性影响。原因与故障发生后所形成的零序回路有关，据此，给出可减小交流侧故障对直流侧影响的建议。

1）在交流侧加装滤波器，且其中点与直流侧电容中点相连，经高阻接地，可有效抑制直流侧电压的工频共模振动，利于故障消除后的电压恢复。

2）换流器中的电抗器值选取的尽量大一些，有利于滤除零序谐波，减小直流侧电压波动幅度。

3）注意交流侧与直流侧接地方式的配合，尽量避免故障下形成零序回路。

4）直流侧电容选取时应注意其稳压要求，合理取值。

4 结语

分析两端柔性交直流配电系统中换流器交流侧出口单相接地故障对直流侧产生的影响，对故障机理进行分析和仿真验证，证实交流侧故障会在直流侧电容中点接地情况下引起正负极电压工频共模振动。对比分析出直流电容接地方式、电抗器及电容大小对电容波动的影响。

结合相关文献及本文中模型的仿真结果，给出有利于抑制直流侧电压波动的建议，对交直流配电网中的继电保护及相关设备研究具有一定的参考价值。

［1］HAMMERSTROM DJ．AC Versus DC Distribution Systems-Did We Get It Right?［C］／／2007.IEEE Power Engineering Society General Meeting，vols1-10．FL，USA：IEEE，2007：3 997-4 001．

［2］STARKE M R，TOLBERT L M，OZPINECI B．AC vs．DC distribution：A loss comparison［C］／／IEEE／PES Transmission and Distribution Conference and Exposition．Chicago，IL，USA：IEEE，2008：1-7．

［3］STARKE M R，LI F，TOLBERT L M，et al．AC vs.DC distribution：Maximum transfer capability［C］／／IEEE Power and Energy Society General Meeting-Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century．Pittsburgh，PA，USA：IEEE，2008：1-6．

［4］江道灼，郑欢．直流配电网研究现状与展望［J］．电力系统自动化，2012，36（8）：98-104．

［5］刘剑，邰能灵，范春菊，等.柔性直流输电线路故障处理与保护技术评述［J］.电力系统自动化，2015，39（20）：158-167.

［6］马玉龙，肖湘宁，姜旭.交流系统接地故障对HVDC的影响分析［J］.中国电机工程学报，2006，26（11）：144-149.

［7］杨杰，郑健超，汤广福，等.电压源换相高压直流输电系统接地方式设计［J］.中国电机工程学报，2010，30（19）：14-19．

［8］管敏渊，徐政.两电平VSC-HVDC系统直流侧接地方式选择［J］．电力系统自动化，2009，33（5）：55-60．

［9］高一波，徐习东，金阳忻，等.交流侧接地故障对直流配电网电压平衡影响［J］.电网技术，2014，38（10）：2 665-2 670.

［10］胡竞竞.直流配电系统故障分析与保护技术研究［D］.杭州：浙江大学，2014.

［11］成敬周.高压交直流互联系统故障分析及相关保护的研究［D］.杭州：浙江大学，2014.

Impact Analysis of Single-phase Earth Fault in AC System for Flexible DC Distribution Network

CHEN Wenxue1，ZHANG Xinhui1，PENG Ke1，CHEN Wenkai2，WU Xuan2
（1.Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；2.Huadian Zibo Thermal Power Co.，Ltd.，Zibo 255000，China）

For flexible DC distribution system，characteristics of the single phase to ground fault occurred at the AC outside of converters are analyzed.The influence of AC side faults on the DC side is discussed.Common-mode oscillations are indicated which could appear at the DC side.Differences are compared between different grounded types of neutral point for DC side capacitor，and effects of reactor and capacitor parameters are discussed.In order to verify the above conclusions，a doubleterminal DC distribution system is built based on DIgSILENT／PowerFactory.Combined with simulation results，some improved suggestions are given to reduce impacts of the fault.

DC distribution system；DIgSILENT／PowerFactory；pole-to-ground fault；converters

TM726

：A

：1007－9904（2017）04－0001－04

2017-01-12

陈文学（1993），男，硕士，研究方向为电力系统继电保护。

国家高技术研究发展计划（863计划）（2015AA050202）