基于電流差動的直流配電網(wǎng)保護方案

吉興全，孫灝，陳爾奎，史小雪，張玉振

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

0 引 言

分布式發(fā)電(Distributed Generation, DG)技術(shù)的日臻成熟，其在配電系統(tǒng)中的滲透程度愈來愈高，對交流配電網(wǎng)的安全運行形成越來越大的壓力。相比較于交流配電網(wǎng)，柔性直流配電網(wǎng)在接納分布式電源方面擁有更大的優(yōu)勢[1]。文獻[2]中介紹了芬蘭某公司在農(nóng)村地區(qū)用低壓直流配電線路替代了老舊中壓交流分支線路，提高了配電網(wǎng)的經(jīng)濟性和可靠性。然而，直流配電網(wǎng)的故障特征與交流配電網(wǎng)有本質(zhì)上的差異，已有的交流配電網(wǎng)的保護技術(shù)對于直流配電網(wǎng)并不完全適用。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對柔性直流配電網(wǎng)的故障特性和保護技術(shù)做了一定的探討。文獻[3]對現(xiàn)有的直流配電網(wǎng)故障檢測和故障定位方法進行了評述。文獻[4]利用本地測量和通信技術(shù)，提出了一種低壓直流配電網(wǎng)保護方案，能實現(xiàn)限制故障電流和可靠的快速恢復(fù)。文獻[5-6]利用暫態(tài)電容電流確定故障區(qū)間。文獻[7-9]針對不同的直流配電系統(tǒng)，提出了不同的故障檢測方法和故障隔離手段，但是沒有分析單端電源向無源網(wǎng)絡(luò)供電的情況。文獻[10-11]依托深圳六端柔性直流配電示范工程，以背靠背典型兩端直流配電網(wǎng)為例，分析了直流線路極間短路故障時的暫態(tài)特性及其對交流系統(tǒng)、換流器及直流側(cè)的影響。文獻[12]中提出了電流微分量保護，但是未考慮負載變化引起線路電流突變時對保護的影響。

目前的研究鮮有關(guān)于單端直流電源向無源網(wǎng)絡(luò)供電的情況，設(shè)計的保護很難達到快速切除故障的要求，且未考慮投切負載時造成的電流變化對保護的影響。針對含分布式電源的直流配電網(wǎng)向無源網(wǎng)絡(luò)供電的情形搭建了仿真模型，分析了極間短路和單極接地短路下的故障電壓特性，提出了欠電壓保護和電流差動保護的綜合保護方法，并通過投切后備電源提高供電的可靠性。

1 直流配電網(wǎng)建模與故障分析

1.1 輻射狀直流配電網(wǎng)建模

目前，我國的交流配電網(wǎng)以輻射狀結(jié)構(gòu)為主，發(fā)展直流配電網(wǎng)過程中，可以在原有的配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)上進行改造，用低壓直流配電技術(shù)替代老舊中壓分支線路。所以，研究輻射狀直流配電網(wǎng)具有重要的現(xiàn)實意義。

以輻射狀拓撲結(jié)構(gòu)的直流配電網(wǎng)分析故障特性和保護方案，如圖1所示。其中，與交流主網(wǎng)連接的電壓源換流器(VSC)采用三相兩電平結(jié)構(gòu)，光伏電源(PV)經(jīng)Boost升壓電路接于±7.5 kV直流母線。為了方便分析，直流負載和交流負載分別用阻性負載等效代替。

圖1 輻射狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 直流網(wǎng)絡(luò)故障分析

直流網(wǎng)絡(luò)故障主要是指直流線路的故障。對于直流線路，最常發(fā)生的是極間短路或接地短路故障[13]。

1.2.1 極間短路故障分析

極間短路故障是直流線路中最嚴重的一類故障，發(fā)生極間短路故障時，可用圖2所示的等效電路進行分析。

根據(jù)直流線路兩極短路故障電路響應(yīng)特性，可以將故障過程大體分為三個階段：直流側(cè)電容放電階段、電感放電階段和不可控整流穩(wěn)態(tài)階段。

(1)直流側(cè)電容放電階段

當發(fā)生極間短路故障時，IGBT瞬間鎖定，此時，交流側(cè)通過續(xù)流二極管與直流側(cè)連接。由于此時的直流側(cè)電壓大于交流側(cè)電壓，直流線路故障電流將以直流電容向短路點放電為主[14]。因此，直流側(cè)可等效為一個RLC二階放電電路，等效電路圖如3所示，Lr、Rr分別為母線到故障點的等效電感和電阻。

圖2 直流配電網(wǎng)極間短路故障等效電路

圖3 電容放電階段等效電路圖

系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時的直流側(cè)電壓為Udc，電流為I0。在故障發(fā)生時，可得：

(1)

udc(t)=e-bt[A1sin(ωdt)+A2cos(ωdt)]

(2)

電容放電電流為：

(A1b-A2ωd)cos(ωdt)]

(3)

(2)電感放電階段

電容器放電完成后，其兩端電壓變?yōu)?，此時，換流器中反向并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，電感釋放吸收的電能以維持電流的連續(xù)性，等效電路如圖4所示。

圖4 電感放電階段等效電路圖

(4)

由圖4可知流過反向并聯(lián)二極管的電流為直流線路上故障電流的三分之一。其值是正常運行時二極管電流的幾十倍甚至上百倍[12]，可能會直接導(dǎo)致二極管損壞。

(3)不可控整流穩(wěn)態(tài)階段

電感放電階段完成后系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)，電壓源換流器相當于一個三相不可控整流橋，其等效電路圖如圖5所示。這時，交流電源將持續(xù)提供故障電流，極間電壓降落到幾乎為0。

圖5 不可控整流穩(wěn)態(tài)階段等效電路圖

1.2.2 單極接地短路故障分析

在實際運行中，極間短路故障發(fā)生的幾率較小，最常發(fā)生的是單極接地短路故障。假設(shè)故障發(fā)生在正極，如圖6所示。

由于直流側(cè)電容中性點接地，所以正極電容與接地點形成一個RLC二階放電回路。負極的電容仍連接在電路中，換流器直流側(cè)輸出電壓將直接加到此電容兩側(cè)。若電容放電回路為過阻尼回路，對于直流負載而言，經(jīng)過故障的暫態(tài)過程后，其供電電壓將恢復(fù)正常，對負載回路沒有影響。

圖6 正極接地短路故障示意圖

若系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時的直流側(cè)電壓和電流分別為Udc和I0。在故障發(fā)生時，首先是正極電容的放電，電路方程表示為：

(5)

if(t)=Ce-bt[(A1ωd+A2b)sin(ωdt)+

(A1b-A2ωd)cos(ωdt)]

(6)

故障極電容放電完成后，電容兩端的電壓變?yōu)?，而非故障極電容兩端的電壓上升，變?yōu)闃O間電壓Udc。

2 直流配電網(wǎng)保護方案

2.1 電流差動保護

為保護直流設(shè)備安全及柔性直流配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，檢測到直流線路短路故障后應(yīng)盡快隔離故障。

通過上文的故障分析過程可以看出，在直流電容放電階段，故障電流幅值會在短時間內(nèi)急劇上升。如果在無法將故障快速切除，會使VSC中與IGBT反向并聯(lián)的二極管流過大電流，可能燒壞二極管。所以，所設(shè)計的保護應(yīng)該在電容放電階段就將故障切除，保護的速動性顯得尤為重要。

電流差動保護以線路兩端電流的差值為動作依據(jù)，其保護范圍明確，動作幾乎沒有延時，適合于直流配電網(wǎng)。電流差動保護的動作判據(jù)為：

|Idiff|>KrelIS1

(7)

Idiff=Idc1-Idc2

(8)

式中Idc1和Idc2分別代表線路首末兩端的電流；Krel是可靠系數(shù)，一般取1.15～1.5，IS1是差分電流閾值。

當被保護線路上發(fā)生短路故障時，由上文的短路分析可知，線路首端電流Idc1突升。由于線路末端也有大電容，所以，電容與故障點也構(gòu)成一個RLC二階電路，線路的電感有一定的續(xù)流能力，隨著的電容的放電，末端電流Idc2會先減小，減小到0之后會反向增大，此時，Idc1和Idc2方向相反。在短路時，在Idiff很短的時間內(nèi)就會大于設(shè)定的差分電流的閾值。通過仿真驗證，在短路之后的0.5 ms處，電流差動保護動作，實現(xiàn)了速動性。

2.2 欠電壓保護

若只配置電流差動保護，無法切除直流母線的短路故障，所以，還應(yīng)該配置一種保護來保護直流母線。從故障分析中可看出，直流配電網(wǎng)無論發(fā)生極間短路故障還是單極接地短路故障，在電容放電階段，故障極電壓都會急速減小，所以，欠電壓保護是一種具有顯著優(yōu)勢的保護方案。欠電壓保護的動作判據(jù)為：

Udc≤U0

(9)

在直流電壓下降到額定電壓的70%時，大多數(shù)用電設(shè)備仍能正常工作[15]，因此，文中欠電壓保護整定值為正常運行電壓的0.7倍，即：

Uset=0.7Udc

(10)

發(fā)生極間短路故障時，隨著直流側(cè)大電容放電，極間電壓迅速減小，當極間電圧減小到欠電壓保護整定值時，斷路器動作，切除故障。

3 仿真驗證

3.1 保護原理仿真

發(fā)生單極接地短路故障時，若僅僅切除故障極，會發(fā)生電壓偏移。

如圖7所示，在3 s時刻發(fā)生正極接地短路故障，持續(xù)時間為1 s，短路期間，正極電壓為0，負極電壓為穩(wěn)態(tài)運行時的2倍。故障切除后，兩極電壓恢復(fù)正常。

圖7 發(fā)生單極故障電壓變化

若只將故障極切除，電壓波形如圖8所示。同樣，在3 s時發(fā)生正極接地短路故障，故障極電壓下降，非故障極電壓增大，在3.1 s時故障極斷路器動作，故障極電壓升高直到極間電圧，而非故障極電壓減小到0。

圖8 切除故障極后電壓變化

可見，當發(fā)生單極接地短路故障時，如果僅僅將故障極電路切除，直流配電網(wǎng)系統(tǒng)也無法向負載供電，所以應(yīng)將非故障極線路同時切除。

在PSCAD/EMTDC平臺中搭建了如圖9所示的綜合保護方案。圖中只顯示了正極線路保護部分，負極保護的原理與正極保護相同。Eb和Ea分別代表正極對地電壓和負極對地電壓。當Eb，Ea的值小于設(shè)定的欠電壓保護的整定值時，發(fā)出動作信號。Edc1代表極間電壓，當該電壓值小于設(shè)定的整定值時也發(fā)出動作信號。Idc1和Idc2分別代表線路首末兩端的電流。若首末兩端的電流差值的絕對值大于設(shè)定閾值，則可判斷線路中發(fā)生短路故障。正極發(fā)生短路故障時，負極兩端的電流沒有差別，負極的電流差動保護不會動作。所以，在設(shè)計差動保護時應(yīng)同時選取正負兩極的差分信號。

圖9 正極線路保護方案仿真圖

3.2 仿真結(jié)果

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建含有分布式電源的直流配電系統(tǒng)模型。交流主電網(wǎng)的電壓為35 kV，VSC中SPWM的頻率為2.0 kHz，換流電抗器電感為5.61 mH，等效損耗電阻為0.2 Ω，直流側(cè)大電容為8 000 μF，輸電線路的等效電阻為0.36 Ω，等效電感為5 mH，交流負載側(cè)母線電壓為10 kV，直流負載的等效電阻為20.8 Ω，交流負載的等效電阻為25 Ω。仿真時間為5 s，仿真步長為100 μs，同一條線路的兩端的斷路器動作特性一致，所以在本文中只展示始端斷路器的動作特性。設(shè)各種短路故障都發(fā)生在t=3 s時刻。BRK3代表正極直流輸電線路首端斷路器，BRK4代表負極直流輸電線路首端斷路器，Vdc1代表直流輸電線路的極間電壓。Idc1代表正極直流輸電線路電流，Udc代表系統(tǒng)電壓。

直流配電系統(tǒng)發(fā)生極間短路故障時，電壓波形圖和斷路器動作特性如圖10所示；直流配電系統(tǒng)發(fā)生正極接地短路故障時，電壓波形圖和斷路器動作特性如圖11所示；母線短路時，電壓波形圖和斷路器動作特性如圖12所示；直流配電系統(tǒng)負載側(cè)切除交流負載時，電壓波形圖和斷路器動作特性如圖13所示。

從圖13中可以看出，當一部分負載退出運行時，直流配電系統(tǒng)的直流電壓經(jīng)過一小段時間的波動后，繼續(xù)保持穩(wěn)定，直流線路上電流降低，但斷路器沒有誤動作。

圖10 極間短路時的電壓波形和斷路器動作情況

圖11 單極接地短路時的電壓波形和斷路器動作情況

圖12 母線短路時系統(tǒng)的電壓波形圖和斷路器動作情況

圖13 切除負載時電壓、電流波形圖和斷路器動作情況

由仿真結(jié)果可知，正常運行時和切除負載時，斷路器都不會誤動作；而發(fā)生極間短路故障和單極接地短路故障的時候，正負極的斷路器都會動作，從而切除故障；母線處發(fā)生短路故障時，斷路器也能迅速動作。

由上述結(jié)果還可以看出，輻射狀直流配電網(wǎng)供電可靠性相對較低，當有重要負荷時，為了保證供電的連續(xù)性和可靠性，可以加裝儲能裝置。若直流線路發(fā)生短路故障，VSC退出運行后，投入分布式電源和蓄電池，來提供直流電壓，本仿真中的分布式電源用直流電源等效代替。在t=3 s時設(shè)置故障，交流負載處電壓為10.5 kV，仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 VSC退出及儲能投入蓄后的電壓波形和斷路器動作情況

圖14中Vs是交流電壓有效值，vLoad是交流負載電壓的實際值。從結(jié)果中可以看出，發(fā)生故障時，斷路器斷開，VSC立即退出運行，此時，分布式電源為負載供電，交流負載處的交流電壓幾乎保持不變，說明了此方法行之有效。

4 結(jié)束語

分析了直流配電網(wǎng)向無源網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)中的故障類型，以及分析了故障過程，根據(jù)其故障特征，設(shè)計了電流差動保護和欠電壓保護聯(lián)合的保護方案。當VSC退出運行后，通過投入儲能裝置提高了供電的可靠性和連續(xù)性。最后，在PSCAD/EMTDC中進行了仿真驗證，證明了該方法的有效性。