韓杰祥，張 哲，冉啟勝，尹項根

（強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室（華中科技大學(xué)）,湖北省 武漢市 430074）

0 引言

近年來,城市負荷密度、直流負荷占比及分布式電源（distributed generator,DG）并網(wǎng)容量不斷增長。直流配電網(wǎng)因其傳輸容量大、控制靈活、直流負荷匹配性能好等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注［1-3］。低壓直流（low-voltage direct current,LVDC）配電網(wǎng)直接面向電力用戶,對終端電能質(zhì)量和供電可靠性的維持和提高具有決定性作用。

LVDC 配電網(wǎng)主要采用半橋型電壓源換流器（voltage source converter,VSC）［4］或級聯(lián)型電力電子變壓器（power electronic transformer,PET）作為主供電源［5］。LVDC 配電網(wǎng)短路時,電流將迅速上升,可能在數(shù)毫秒內(nèi)達到換流器閉鎖電流［6］。半橋型VSC 不具備故障阻隔能力,直流電壓跌落時運行于不控整流狀態(tài),對交流電網(wǎng)造成過流沖擊。如果交流過流保護動作,將導(dǎo)致LVDC 配電網(wǎng)全網(wǎng)停電。相較于半橋型VSC,PET 直接接入中壓配電網(wǎng),容量大、功能豐富、具備故障阻隔能力［7-8］。PET直接閉鎖雖能實現(xiàn)故障阻隔,但同樣會造成LVDC配電網(wǎng)停電,且重啟和恢復(fù)周期長［9］。為提高供電可靠性,需要在PET 閉鎖前完成故障隔離,但這對保護的速動性提出了較高的要求。另外,LVDC 配電網(wǎng)存在短饋線、多分支等特點,不同位置故障的特征差異較小,保護整定配合困難。

如果能發(fā)揮PET 的控制效能,在電網(wǎng)故障期間主動干預(yù)故障發(fā)展過程,對短路電流進行限制,則可以避免PET 閉鎖,縮短故障恢復(fù)時間,并降低直流斷路器的切斷容量要求。同時,可以延長故障允許運行時間,減小保護在故障識別和選擇性跳閘方面的難度［8-9］。目前,對PET 的研究主要集中于拓撲設(shè)計、穩(wěn)態(tài)控制性能改進、電能優(yōu)化管理、交流側(cè)故障穿越等方面［10-12］,對其LVDC 端口的主動限流控制研究不足。文獻［13］通過在PET 低壓直流端口增設(shè)電力電子開關(guān)實現(xiàn)限流功能,但所需開關(guān)容量與PET 總?cè)萘肯喈?dāng),實際應(yīng)用存在一定困難。文獻［14］在子模塊輸出電容支路上串聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）進行限流控制,但所需開關(guān)數(shù)量多,且需要改變PET 主電路拓撲,增加制造成本、影響設(shè)備運行可靠性。LVDC 端口的限流控制是PET 工程化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一,相關(guān)研究亟待深入［8］。

考慮到LVDC 配電網(wǎng)對保護的性能需求,現(xiàn)有研究主要基于其故障暫態(tài)特性展開［6］。文獻［15］利用電流變化率構(gòu)造了反時限保護判據(jù)以解決多級饋線之間的配合問題。但是,在饋線長度較短的應(yīng)用場合,該判據(jù)在相鄰保護之間的整定配合較為困難。文獻［16］提出在饋線上采用過電流保護,僅適用于集中式結(jié)構(gòu),無法解決多級饋線保護之間的配合問題。文獻［17］提出基于母線功率變化率的差動保護,但故障功率與電流平方成正比,采用功率變化率構(gòu)成的判據(jù)容易受噪聲影響。文獻［18］借助通信系統(tǒng)進行饋線過電流保護間的動作配合,對配電網(wǎng)提出較高的通信要求,在通信系統(tǒng)故障時保護失去選擇性。文獻［19］基于正常與故障時回路模型的差異提出線路故障測距方法,但需要在每條線路兩端增加輔助電感。文獻［20］在線路間增設(shè)投切受控的并聯(lián)電感,基于改變后的回路模型,進行故障定位。綜上,LVDC 配電系統(tǒng)饋線多、線路短,現(xiàn)有饋線保護整定及配合困難。部分保護借助通信系統(tǒng)和邊界元件降低了各級保護間的配合要求,但需要加裝大量輔助設(shè)備,增加了建設(shè)成本。

本文發(fā)揮PET 的控制效能,提出LVDC 配電網(wǎng)的主動限流控制（active-current-limiting control,ACLC）方法,并結(jié)合各類低壓直流變換器的接口特點,分析了電流故障分量的方向性特征?；诖?提出了不依賴于通信且無須附加邊界元件的LVDC配電網(wǎng)的保護方案。仿真試驗驗證了主動限流控制方法及保護方案的正確性和有效性。

1 LVDC 配電網(wǎng)架構(gòu)

1.1 LVDC 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點

LVDC 配電網(wǎng)包括集中型、輻射型以及雙端型結(jié)構(gòu),如附錄A 圖A1 所示,圖中,MV 表示中壓。其中,部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到工程示范應(yīng)用［21-22］。故障隔離是直流電網(wǎng)研究中的難點,在高壓大容量領(lǐng)域,直流斷路器仍是直流電網(wǎng)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。然而,在低壓系統(tǒng)中,直流斷路器技術(shù)已相對成熟,且成本較低,性能良好［1-4］。采用限流控制后,對直流斷路器切斷時間和容量的要求將進一步降低。因此,可在不閉鎖PET 的情況下,利用直流斷路器實現(xiàn)配電網(wǎng)故障的有效隔離。

附錄A 圖A2 所示是具有LVDC 接口的變換器結(jié)構(gòu)。圖A2（a）和（b）所示為DC/DC 變換器結(jié)構(gòu),HFT（high frequency transformer）為高頻變 壓器。圖A2（c）所示為DC/AC 變換器結(jié)構(gòu)。上述變換器均可實現(xiàn)功率雙向傳輸,可用于DG 以及儲能并網(wǎng)。圖A2（d）所示為直流負荷接口,可防止電網(wǎng)故障時負荷電壓驟降［19］。

1.2 PET 結(jié)構(gòu)特點及控制系統(tǒng)

PET 是LVDC 配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)之間的關(guān)鍵設(shè)備,一般采用串聯(lián)輸入并聯(lián)輸出（input series output parallel,ISOP）結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)MV/低壓（LV）變換。PET 可劃分為AC/DC 和DC/DC 結(jié)構(gòu),如附錄A 圖A3（a）和（b）所示。圖A3（c）所示為AC/DCPET 的子模塊結(jié)構(gòu),其中H 橋（H-bridge,HB）和雙有源橋（dual active bridge,DAB）分別實現(xiàn)AC/DC和DC/DC 變換。如圖A3（c）所示,本文將子模塊中的HB 表示為前級H 橋,將DAB 兩側(cè)的HB 表示為一次側(cè)和二次側(cè)H 橋,以便于后續(xù)分析。

AC/DC-PET 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要同時控制前級H橋和級聯(lián)DAB。因此,本文以該結(jié)構(gòu)為例進行分析,相關(guān)結(jié)論可用于DC/DC-PET。正?？刂颇Ｊ较?AC/DC-PET 的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A4 所示。圖中：u為子模塊電壓指令值；usmave為子模塊平均電壓；u、P*、Q*和udc、P、Q分別為直流電壓、有功功率及無功功率的指令值和測量值；i和i分別為d、q軸電流的指令值；uoref為輸出電壓的參考值；usmi（i=1,2,…,n）表示子模塊i的測量電壓；φ/和φ/分別表示不同控制方式下DAB 的頻移/相移指令值；Δφi/Δfi表示均壓調(diào)節(jié)的頻移/相移附加值；Gx（x=vh,vo,p,q,vf,df）表示各控制環(huán)的控制器傳遞函數(shù)。直流電壓穩(wěn)定時,PET 采用功率外環(huán)工作在恒功率模式；需要調(diào)節(jié)直流電壓時,PET 采用直流電壓外環(huán)工作在恒電壓模式。電流內(nèi)環(huán)根據(jù)外環(huán)控制器輸出的電流指令值調(diào)節(jié)生成輸出電壓參考值。不同工作模式下,PET 可采用統(tǒng)一或分級控制方式［23-24］。

2 LVDC 配電網(wǎng)主動限流控制方法

2.1 主動限流控制目標

從改善配電網(wǎng)故障運行性能、提高供電可靠性的角度出發(fā),制定主動限流控制目標如下：

1）減小LVDC 配電網(wǎng)故障對中壓主干配電網(wǎng)的影響。在短路期間,穩(wěn)定DAB 一次側(cè)電容電壓,從而消除對中壓電網(wǎng)的過流沖擊,將故障影響限制在LVDC 配電網(wǎng)內(nèi)。

2）減小停電范圍并降低斷路器切斷時間及容量要求。在故障期間將直流故障電流限制在一定范圍內(nèi),從而防止PET 閉鎖造成LVDC 配電網(wǎng)全網(wǎng)停電,并降低斷路器切斷時間及容量要求。

3）控制切換靈活、供電恢復(fù)迅速。在短路期間能夠自動切換為ACLC。故障切除后,具備自動恢復(fù)能力,快速恢復(fù)非故障饋線的電力供應(yīng)。

2.2 主動限流控制方法

2.2.1 控制啟動方案

利用LVDC 配電網(wǎng)短路時電壓跌落和電流上升的特點,可采用低電壓和過電流元件與門出口作為限流控制的啟動方案,判據(jù)為：

式中：udc和idc分別為PET 的端口電壓和輸出電流；Ust和Ist分別為啟動電壓和啟動電流,取值為PET 長期運行的最小允許電壓和最大允許電流。

當(dāng)式（1）判據(jù)滿足時,PET 從正?？刂颇Ｊ角袚Q至故障控制模式,進行主動限流控制。

2.2.2 前級H 橋控制前級H 橋控制策略如附錄A 圖A5 所示。采用電壓外環(huán)控制H 橋電容平均電壓,以防止級聯(lián)H 橋環(huán)節(jié)進入不控整流狀態(tài)引起交流側(cè)過流。電流內(nèi)環(huán)仍采用dq解耦控制。只要DAB 環(huán)節(jié)能夠有效限制故障電流,即限制短路功率,圖A5 控制策略就能實現(xiàn)電容電壓的可靠維持。其中,ud和uq分別為PET并網(wǎng)點電壓的d、q軸分量,u和u分別為交流側(cè)調(diào)制電壓d、q軸指令值,其余變量含義與圖A4 中相同。

2.2.3 級聯(lián)DAB 控制

要實現(xiàn)ACLC 和前級H 橋電容電壓的穩(wěn)定,關(guān)鍵在于通過DAB 對短路電流進行限制,從而限制子模塊的傳輸功率。為限制短路電流,需要自適應(yīng)調(diào)節(jié)PET 的輸出直流電壓。故障期間,由于端口電壓較低,DAB 二次側(cè)H 橋工作于不控整流狀態(tài),因此輸出電壓調(diào)節(jié)功能主要由一次側(cè)H 橋?qū)崿F(xiàn)。如圖1（a）所示,調(diào)節(jié)一次側(cè)H 橋觸發(fā)脈沖的內(nèi)移相角Δθ,則其輸出電壓u1的占空比得到有效調(diào)節(jié),進而調(diào)節(jié)二次側(cè)H 橋輸出直流電壓。

圖1 級聯(lián)型PET 的主動限流控制原理Fig.1 ACLC principle of cascaded PET

圖1（b）為ISOP 型DAB 的等值模型。其中,nT為HFT 變比,Leq和Req分別為PET 端口至故障點的電感和電阻。DAB 輸入電壓由前級H 橋環(huán)節(jié)控制,可等值為恒定電壓源。故障期間,一次側(cè)H 橋采用內(nèi)移相角控制,二次側(cè)H 橋由于端口電壓跌落而工作于不控整流狀態(tài),HFT 按照比例環(huán)節(jié)處理?；诖?利用電流外環(huán)實現(xiàn)ACLC,并通過電壓內(nèi)環(huán)提高調(diào)節(jié)速度。控制策略如圖1（c）所示,將PET 端口電壓和輸出電流經(jīng)反饋環(huán)節(jié)與各自的指令值u和i進行比較,并通過外環(huán)和內(nèi)環(huán)的控制器調(diào)節(jié)生成移相角,提供給受控系統(tǒng),即

式中：Gin(s)和Gout(s)分別為內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制器傳遞函數(shù)。PET 端口電壓和輸出電流均為直流量,因此,內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制器傳遞函數(shù)可按照對直流量的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差為零的原則靈活選取,本文中選取比例-積分（PI）控制器。限流指令可以給定為［0,Imax］區(qū)間的任意值,Imax為允許DAB 長期運行的最大電流。

2.2.4 自動恢復(fù)方案

故障切除后,PET 電流處于較低水平。如果限流值選取為故障前電流,由圖1（c）可知,電流外環(huán)將因為正調(diào)節(jié)誤差而增大直流電壓指令,從而增大控制內(nèi)環(huán)輸出,進而減小Δθ,向輸出并聯(lián)電容充電,直流電壓逐漸恢復(fù)?？衫霉收锨谐箅妷鹤詣由仙奶攸c構(gòu)造恢復(fù)判據(jù),即當(dāng)udc上升至電壓閾值Uret時,PET 由故障控制模式切換至正常運行模式。電壓閾值Uret可選取為60%～70%額定電壓。

綜上,考慮ACLC 的PET 調(diào)節(jié)過程如附錄A 圖A6 所示。在LVDC 配電網(wǎng)故障下,當(dāng)啟動條件滿足時,PET 從正常模式切換至ACLC 模式。故障切除后,PET 直流電壓在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下自動恢復(fù)。當(dāng)輸出電壓上升到模式切換電壓后,從ACLC 模式切換至正常模式,LVDC 配電系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

3 LVDC 配電網(wǎng)故障特性分析

3.1 故障等值建模

以圖2（a）所示LVDC 配電網(wǎng)為例進行故障分析。圖2 中：Ld為限流電感；Ks為交流斷路器,K0至K5為直流斷路器；B1至B3為母線；F1至F4為饋線；f1為饋線短路故障,f2為母線短路故障。電流正向規(guī)定為：由母線指向饋線的方向為正,如圖2（a）中的電流i0至i6所示。

故障f1的等值電路如圖2（b）所示。因為饋線F3和F4向直流負荷供電,直流負荷一般采用圖A2（d）所示接口,所以F3和F4為無源支路。此外,LVDC配電網(wǎng)電壓等級低、饋線短,其分布電容可忽略不計。因此,在f1故障中,饋線F3和F4可做開路處理。電流i2由下游DG 或儲能系統(tǒng)（ESS）提供。圖A2 中各雙向功率變換器的LVDC 接口具有相同的結(jié)構(gòu)特點,如圖2（c）所示。圖2（b）中,R1和L1為故障點到母線的饋線電阻及電感；R2和L2為短路點下游線路相應(yīng)電氣參數(shù)；Deq為等效二極管；Ceq為PET 等值電容。

圖2 低壓直流電網(wǎng)故障分析Fig.2 Analysis on LVDC power grid fault

式中：λ為PET 結(jié)構(gòu)系數(shù)；γ為控制狀態(tài)系數(shù)；N為橋臂級聯(lián)子模塊數(shù)；C1和C2分別為DAB 輸入和輸出電容。

對于圖A3（a）和（b）中的PET,并聯(lián)放電的子模 塊 總 數(shù) 分 別 為3N和N,因 此λ分 別 取3 和1。PET 的ACLC 投入前,γ取值為1；ACLC 投入后,由于故障電流遠大于指令值,圖1（c）中的控制器將迅速達到限幅值,調(diào)節(jié)C1退出放電回路,此時γ取值為0。

3.2 不同階段的故障電流特性分析

根據(jù)LVDC 接口特點及PET 運行特性,在LVDC 配電網(wǎng)短路期間,故障發(fā)展可劃分3 個階段：電容放電、電流衰減和穩(wěn)定輸出。

3.2.1 第1 階段：電容放電

故障初期,由圖2（b）可見,該階段不同類型接口的回路方程均為：

式中：R,L和C的參數(shù)可根據(jù)具體回路得到。直流系統(tǒng)一般滿足欠阻尼條件,即

由于ACLC 的作用,PET 在第1 階段內(nèi)的故障發(fā)展可以進一步劃分為整機電容放電和端口電容放電2 個子階段,對應(yīng)式（3）中γ為1 和0 的情況。整機電容放電階段,直流電壓跌落,電流迅速上升。此時,PET 由自由放電狀態(tài)切換至附錄A 圖A5 和圖1所示的ACLC 狀態(tài)。該階段內(nèi),DAB 一次側(cè)和二次側(cè)電容均參與放電,回路電流在電流限值Ist以下,不會對PET 造成過流威脅。進入ACLC 狀態(tài)后,故障電流高于限流指令,Δθ在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下迅速增大,調(diào)節(jié)至上限值時,DAB 一次側(cè)電容退出放電,故障過程發(fā)展至端口電容放電階段。該階段的放電過程如圖3 中的回路2 所示,端口電容通過回路2 進一步放電,回路中的電流持續(xù)上升。端口電容放電電流僅在故障回路中流通,不會造成PET 過流。圖A2（a）至（c）中各變換器接口的放電過程與PET 端口電容放電過程相似。

圖3 饋線短路電流示意圖Fig.3 Schematic diagram of feeder short-circuit current

3.2.2 第2 階段：電流衰減

當(dāng)端口電容電壓跌落至零時,由圖3 可知,DAB二次側(cè)H 橋續(xù)流二極管導(dǎo)通,將電容電壓鉗位為0,故障發(fā)展至第2 階段。該階段的故障回路為圖3 中的回路3。由圖2（c）可知,其他LVDC 接口在第2階段的回路與圖3 中的回路3 相似。忽略二極管導(dǎo)通電阻,該階段回路方程為：

求解式（6）可得第2 階段的電流為：

式中：I為第2 階段的初始電流。

在第2 階段,故障電流經(jīng)二極管續(xù)流通路逐漸衰減。在電流衰減至PET 限流指令之前,控制系統(tǒng)一直處于飽和狀態(tài),即Δθ按上限輸出,DAB 一次側(cè)H 橋輸出為零。在該階段,電流流通于直流回路和DAB 二次側(cè)H 橋的反并聯(lián)二極管。由圖3 可見,由于3N個子模塊的H 橋并聯(lián)續(xù)流,每個全橋的續(xù)流二極管中通過的電流僅為故障回路電流的1/（6N）,因而不會造成PET 主電路過流。

3.2.3 第3 階段：穩(wěn)定輸出

電流衰減至限流指令時,控制系統(tǒng)退出飽和,進入第3 階段。在故障切除前,PET 調(diào)節(jié)端口電壓,將輸出電流控制為限流值。附錄A 圖A2（a）所示的DC/DC 變換器具有限流能力,如果該變換器采用限流控制,則故障響應(yīng)與PET 相同；如果DC/DC 變換器閉鎖,則穩(wěn)定輸出電流為0。圖A2（c）所示的DC/AC 變換器不具備故障隔離能力,如果交流側(cè)有源,則交流系統(tǒng)會向直流系統(tǒng)注入穩(wěn)定的短路電流。

若PET 采用恒電壓控制向額定負載供電,當(dāng)0.2 s 時發(fā)生出口短路,利用上述各階段的故障電流公式求得的計算結(jié)果和仿真結(jié)果如附錄A 圖A7 所示（系統(tǒng)參數(shù)詳見第5 章）,可見計算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合程度良好,計算相對誤差在4%以內(nèi),驗證了本文故障等值處理和分析結(jié)果的正確性。該工況下,A 相橋臂1 號子模塊中的開關(guān)載流情況如附 錄A 圖A8 所 示。圖 中：iHB、iDABI和iDABII分 別 為前級H 橋、DAB 一次側(cè)H 橋以及二次側(cè)H 橋中的電 流；iG1、iG2和iG3表 示 不 同 位 置H 橋 中IGBT 的 電流；iD1、iD2和iD3表示不同位置H 橋中二極管的電流。由圖A8 可見,在ACLC 調(diào)節(jié)過程中,PET 的開關(guān)器件均不會發(fā)生過流,能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)故障的安全穿越。

3.3 電流故障分量的方向性特征

由3.2 節(jié)可知,LVDC 配電網(wǎng)中的短路電流在不同發(fā)展階段呈現(xiàn)出不同故障特性,其最明顯的故障特性在于,因變換器端口的反并聯(lián)二極管續(xù)流作用而不存在振蕩過程。相較于中高壓系統(tǒng)的振蕩衰減過程,LVDC 系統(tǒng)的短路電流極性更為明確。另外,考慮LVDC 配電網(wǎng)功率雙向流動的特點,其電流極性受初值影響較大。因此,可使用式（8）中的電流故障分量Δi構(gòu)建方向元件,從而充分利用電流的極性特征,且消除初始電流極性的影響。

式中：if為故障電流。

在第1 階段,電流故障分量的變化率為：

式中：A=（I0Rω0?2U0ω0）/（2ωL）；B=?I0ω02/ω；θ=arctan（A/B）。

故障初始時刻電流故障分量的變化率為：

式中：RL為故障前負載電阻。

結(jié)合式（9）和式（10）可得（β+θ）∈（?π/2,π/2）。因此,從故障時刻起的（π/2+β+θ）/ω時間間隔內(nèi),電流故障分量的變化率恒為正。由電容放電的物理過程亦可知,第1 階段電流故障分量逐漸增大。

在第2 和第3 階段,故障電流由最大電流衰減至穩(wěn)定輸出電流。若初始電流為負,則電流故障分量恒為正。若初始電流為非負,如果PET 限流值大于初始電流,則故障分量恒為正。如果PET 限流值小于初始電流,或?qū)τ谄渌€(wěn)定輸出電流為零的接口情況,當(dāng)電流衰減至初始電流或零時,電流故障分量由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝祷蛄?。綜上,LVDC 配電網(wǎng)短路電流故障分量的方向性特征如下：

1）對于正向故障,如圖2（a）中饋線F1故障時的電流i1和i2,其故障分量極性恒為正,或初期極性為正,后期轉(zhuǎn)變?yōu)樨摶蛄恪?/p>

2）對于反向故障,如圖2（a）中饋線F2故障時的電流i2,或F3故障時的電流i1,其故障分量極性與正向故障相反,即故障分量極性恒為負,或初期極性為負,后期轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛄恪?/p>

3）單向功率負荷接口所在饋線的電流故障分量也具備方向特性。由前述分析可知,圖2（a）中饋線F1故障時,i3的故障分量恒為負；饋線F2故障時,i3的故障分量恒為正或初期極性為正。

4 LVDC 配電網(wǎng)保護方案

由3.3 節(jié)分析可知,LVDC 配電網(wǎng)的電流故障分量在故障初期具有明確的方向特征,可用于構(gòu)造方向元件。由2.2 節(jié)分析可知,PET 采用ACLC 后,能夠延長LVDC 配電網(wǎng)的故障運行允許時間,從而降低對保護速動性的要求。因此,本文構(gòu)建了基于方向元件延時配合的LVDC 配電網(wǎng)保護方案。

4.1 故障方向判斷方法

LVDC 配電網(wǎng)的電流故障分量極性可用于故障方向判別,但是單點極性判斷方式的抗擾動和抗噪性能較弱,無法滿足判據(jù)可靠性要求。采用電流故障分量的積分值可以提高判據(jù)對噪聲信號和采樣誤差的容忍度,但不同工況和故障條件下的電流故障分量存在一定差異,不利于方向判據(jù)整定。因此,本文采用故障分量絕對值的積分值對其實際值的積分值做歸一化處理,以便于工程應(yīng)用?；谏鲜隹紤],構(gòu)造電流故障分量的極性指示變量如下：

式中：ΔT為算法數(shù)據(jù)窗,取決于積分數(shù)據(jù)點數(shù)μ和采樣頻率fs,ΔT=μ/fs。

式（11）中,D的取值在電流故障分量極性為正時為1,極性為負時為?1,在不同方向故障下存在顯著差異。因此,可利用故障初期的電流故障分量極性特征實現(xiàn)故障方向判斷?？紤]采樣過程中的噪聲信號和采樣誤差影響,方向判據(jù)為：

工程實際中,噪聲信號一般不會改變測量信號極性,采樣壞點雖然可能改變信號極性,但出現(xiàn)概率較低。因此,正向故障時D的取值一般不會低于0.5,反向故障時不會高于?0.5,式（12）能夠可靠識別故障方向。

以低電壓判據(jù)作為啟動元件,若電流故障分量連續(xù)5 次滿足判據(jù)式（12）中的方向特征,則利用低壓判據(jù)保持方向判斷結(jié)果。低壓判據(jù)為：

式中：Udcset為低壓判據(jù)的整定值,可選取為70%～80%額定電壓。

4.2 配電網(wǎng)保護方案

由附錄A 圖A1 可見,集中型結(jié)構(gòu)相當(dāng)于單級饋線的輻射型結(jié)構(gòu),而雙端型結(jié)構(gòu)通過雙側(cè)方向元件的各自配合,可以解耦為兩個相對的輻射型結(jié)構(gòu)。本文以輻射型結(jié)構(gòu)為例進行保護方案介紹。保護方案可分為母線保護和饋線保護,如附錄A 圖A9所示。

4.2.1 母線保護方案

母線故障時,與故障母線相連接的所有饋線開關(guān)位置的方向判別結(jié)果均為反向。而母線外部（饋線）故障時,故障饋線上的開關(guān)位置處的方向判斷結(jié)果與母線故障時的結(jié)果相反。因此,采用式（12）中方向元件的母線保護方案為,與母線相連的全部饋線方向判別結(jié)果均為反向,即

式中：DB1至DBk為與故障母線B 相連的饋線電流故障分量極性指示變量。

以附錄A 圖A9 中母線B1的故障為例,當(dāng)F1或F2故障時,K1處的方向判斷結(jié)果為正。當(dāng)F3故障時,K4處的方向判斷結(jié)果為正。均不能滿足判據(jù)式（14）。因此,判據(jù)式（14）能夠可靠區(qū)分母線和饋線故障。對于輻射型結(jié)構(gòu)的單端電源母線,如圖A9中的母線B3,無須配置專門的母線保護。對B3的故障只需要作為饋線F3末端故障進行處理。

4.2.2 饋線保護方案

饋線故障時,若方向判斷結(jié)果為正向,則啟動計時元件,并以判據(jù)式（13）作為保持元件,通過分段時間配合方式實現(xiàn)選擇性。同時,上游保護能夠承擔(dān)下游保護的遠后備功能。保護判據(jù)為：

式中：DFi為饋線Fi的電流故障分量的極性指示變量；tset為延時整定值。

tset的整定原則為：

式中：M為饋線分級最大值；m為待整定級；Δt為保護延時。

Δt的整定方法為：

式中：tcut為斷路器的故障切除時間；trec為電壓恢復(fù)時間；trel為時間裕度。

以雙端型LVDC 配電網(wǎng)為例,由式（16）整定得到的動作時間配合方法如附錄A 圖A10 所示。采用方向元件后,線路兩側(cè)開關(guān)的時間配合可以分別整定,二者之間互不影響。

5 仿真驗證

在PSCAD/EMTDC 中建立附錄A 圖A11 所示LVDC 配電網(wǎng)模型。圖中給出了PET、DG 和負荷的容量,以及各饋線長度。電流正方向的規(guī)定如圖中的i0至i10所示。DG1為儲能,采用圖A2（a）所示接口,DG2為光伏電源,采用圖A2（b）所示接口。L1至L4為負荷,其變換器采用圖A2（d）所示接口。fb1至fb3為母線短路故障,f1至f3為饋線短路故障,故障位置均為饋線中間。仿真系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)見附錄B 表B1。

5.1 主動限流控制方法驗證

對于饋線故障f2,未采用ACLC 的情況下,PET直流電壓及電流如附錄A 圖A12 所示。故障初期,短路電流迅速上升,達到PET 閉鎖電流。PET 閉鎖后,其端口電容放電導(dǎo)致直流電壓迅速跌落,進入電感放電階段。采用ACLC 時,PET 的直流電壓及電流如附錄A 圖A13 所示,其中Ilim表示限流控制目標值。限流控制的啟動條件滿足后,PET 切換至ACLC 模式,主動干預(yù)LVDC 配電網(wǎng)的故障過程,經(jīng)過整機電容放電、端口電容放電、電流衰減等階段,將直流電流限制在長期運行允許的限值,從而避免PET 因過流而閉鎖。對比圖A12 和圖A13 中的電流可知,ACLC 的干預(yù)能夠縮短前級H 橋穩(wěn)壓電容放電時間,從而限制電流峰值,降低直流配電網(wǎng)的切斷容量需求。在穩(wěn)定輸出階段,PET 能夠?qū)崿F(xiàn)［0,Imax］區(qū)間任意電流值的輸出。

PET的ACLC啟動、運行及恢復(fù)全過程見圖4。圖中：usm為子模塊電壓,usmave為子模塊平均電壓。由圖4 可見,當(dāng)0.2 s 時刻饋線故障時,PET 能夠及時啟動ACLC。在控制過程中,前級H 橋電容電壓及其平均值維持穩(wěn)定,從而防止交流側(cè)過流。同時,DAB 環(huán)節(jié)能夠通過移相角調(diào)節(jié)控制輸出電壓,限制H 橋穩(wěn)壓電容參與放電,以防止DAB 環(huán)節(jié)過流。當(dāng)0.23 s 時刻饋線故障被K4切除后,直流電壓能夠迅速地自動恢復(fù)。當(dāng)電壓達到Uret時,PET 切換為正?？刂?LVDC 配電系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

圖4 主動控制故障響應(yīng)Fig.4 Fault response with active control

5.2 LVDC 配電系統(tǒng)保護方案驗證

5.2.1 故障特性及方向元件

在附錄A 圖A11 中的3 處母線故障下,不同開關(guān)位置的電流如附錄A 圖A14 所示。故障fb1對于K1為反向故障,此時DG 存在電容放電及電感放電2個階段,由圖A14（a）可見,在故障初期電流i1具有負的故障分量。K5處的負荷電流由于上游短路而迅速衰減,由圖A14（b）可見,電流i5具有負的故障分量。fb2對于K6是反向故障,fb3對于K2是正向故障,由圖A14（c）和（d）可見,上述2 種故障下,i6和i2的故障分量分別具有負的和正的極性。綜上,LVDC 配電網(wǎng)的電流故障分量極性具有明確的方向特征。

在附錄A 圖A14 所示的電流中,按照20 dB 的信噪比加入白噪聲,并加入采樣壞點,采用式（11）和式（12）中的方法進行方向判斷。電流及判據(jù)分析結(jié)果如附錄A 圖A15 所示。在噪聲和采樣壞點干擾下,方向判據(jù)仍能有效實現(xiàn)故障方向判別。由于存在噪聲和采樣壞點,電流變化率判據(jù)以及直接極性判斷的可靠性將受到嚴重影響。而對于本文所提方法,只要噪聲不影響電流故障分量的極性,就不會對分析結(jié)果造成任何影響。即使部分采樣壞點造成極性變化,方向判據(jù)仍能可靠判別故障方向。

5.2.2 保護方案驗證

在附錄A 圖A11 中不同故障下,對各開關(guān)安裝位置的測量電流按照20 dB 的信噪比加入白噪聲干擾,并隨機增加采樣壞點。方向判據(jù)分析結(jié)果如附錄B 表B2 所示。表B2 中的數(shù)據(jù)為方向判據(jù)連續(xù)5點滿足的情況下,正的最小值或負的最大值。以母線故障fb1為例,表B2 中方向判據(jù)結(jié)果D0至D3小于零,即與母線B1 相連的饋線方向元件判別結(jié)果均為反向,因此能夠判斷母線B1發(fā)生故障,母線保護瞬時動作于跳開斷路器K0至K3。對于故障f1,D3和D6判斷結(jié)果為正向,其余為反向。此時,3 個母線保護不 滿 足 動 作 條 件。K6與K5、K2進 行 延 時 配 合,K3與K9、K7進行延時配合,滿足動作時間條件時,動作于隔離故障。

LVDC 配電網(wǎng)電壓等級低,額定負載電阻很小,一般情況下短路為金屬性短路。本文針對饋線故障f2,取額定負荷電阻的10%,30%,50%為過渡電阻,對保護性能進行驗證。不同過渡電阻條件下的分析結(jié)果在附錄B 表B3 中給出。其中,D的取值原則與表B2 相同。由表B3 可見,本文所提方向判據(jù)在過渡電阻條件下能夠?qū)崿F(xiàn)正確的方向判斷。在此基礎(chǔ)上,保護系統(tǒng)可實現(xiàn)故障的正確判斷與隔離。

6 結(jié)語

本文提出了LVDC 配電網(wǎng)ACLC 方法,分析了其故障特性,并構(gòu)建了保護方案。

1）ACLC 能主動干預(yù)LVDC 配電網(wǎng)的故障發(fā)展過程,將故障電流限制在長期運行允許的范圍內(nèi),從而避免PET 過流閉鎖。同時,ACLC 具備電壓自恢復(fù)能力。通過ACLC,可減小停電范圍、縮短恢復(fù)周期、降低斷路器切斷容量要求。

2）各類變換器的LVDC 接口具有電容反并聯(lián)二極管這一相同結(jié)構(gòu),因而饋出的短路電流具有明確的方向特征。本文利用電流故障分量的極性特征,構(gòu)建了LVDC 配電網(wǎng)的故障方向元件。該方向元件具有較強的抗干擾能力和抗噪性能。

3）通過方向元件、低壓元件和延時元件之間的配合,構(gòu)建了不依賴于通信系統(tǒng)和附加邊界元件的保護方案。仿真試驗驗證了ACLC 方法及保護方案的正確性和有效性。

本文提出了PET 直流端口的主動限流方法,下一步將開展PET 交流端口的故障穿越方法研究,以實現(xiàn)PET 在交直流配電網(wǎng)多類故障下的可靠穿越。此外,所提保護方案主要針對低壓直流配電工程中常用的輻射型和雙端型結(jié)構(gòu),隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,該方案在環(huán)型結(jié)構(gòu)中的適用性有待進一步研究。

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