基于柔性限流器的直流配電網方向縱聯(lián)保護

陳衛(wèi)中，李清波，王東鵬，栗靜男，林佳壕，鄭峰

(1.廣東電網有限責任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515000；2.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663；3. 福州大學 電氣工程自動化學院，福建 福州 350116)

隨著分布式電源、直流儲能裝置的不斷發(fā)展，直流配電技術廣泛地運用于各個領域。相比于交流配電網，直流配電網線路損耗小，不涉及相位、頻率控制和無功功率及交流充電電流等問題，便于分布式電源、儲能裝置的接入，供電可靠性高[1-4]。但直流配電系統(tǒng)的電力電子設備和系統(tǒng)阻尼小，慣性環(huán)節(jié)少，若直流輸電線路發(fā)生故障，電壓突變較大且故障發(fā)展過程快[5]，在短時內就可能危及整個電網安全[6]。因此，提高直流輸電線路繼電保護的技術、運行水平對于保證直流輸電系統(tǒng)的安全性、可靠性具有重大意義。

目前，直流配電網中方向縱聯(lián)保護的范圍不能覆蓋全段線路，由于保護的啟動信號沿線傳送，保護動作有一定的延遲。但是在工程應用中，方向縱聯(lián)保護既可用作線路的主保護也可用作后備保護。因為保護動作時間的延時特性，為滿足保護的可靠性要求，方向縱聯(lián)保護裝置需要進行速動性和可靠性方面的完善。文獻[7-8]通過直流線路兩端的突變量來整定保護判據，指定整定原則來區(qū)分保護區(qū)內和區(qū)外故障。文獻[9]通過線路兩端反行波幅值積分的比值來識別區(qū)內故障，但需要故障發(fā)生一定的時間之后才能對行波進行有效的分析。為提高方向縱聯(lián)保護的速動性，許多學者進行了相應的研究，通過改變保護的啟動判據來實現(xiàn)保護的速動。文獻[10]利用故障前后高頻功率的幅值變化，提出基于線路兩側高頻功率相關系數(shù)的故障識別和選極判據，減少了方向縱聯(lián)保護的響應時間。

綜上分析，當直流配電線路出現(xiàn)故障時，傳統(tǒng)的方向縱聯(lián)保護在故障發(fā)生幾毫秒后才會開始動作，并且由于啟動信號的傳輸延時，從故障發(fā)生到故障隔離需要一定的時間。隨著直流配電網的快速發(fā)展，在工程中換流站的閉鎖電流閾值一般設定為額定電流的1.4倍。故障發(fā)生后極短的時間內換流站會因為自身的保護而閉鎖[11-12]。若在保護動作之前換流器閉鎖，將改變故障回路，相當于在附加網絡中引入了新的電源，交流電饋入直流線路，增大了故障電流，并形成新的故障回路，影響保護啟動，降低方向縱聯(lián)保護在直流系統(tǒng)中的靈敏性[13]。因此，在故障發(fā)生時，需要限流器與保護配合，防止換流站在方向縱聯(lián)保護動作之前閉鎖。

限流器主要可分為超導限流器和基于電力電子器件的固態(tài)限流器[14-15]。文獻[16]提出一種固態(tài)直流限流器拓撲結構，在出現(xiàn)故障時，該拓撲經過自然換流技術，將電流切換到限流電感上。文獻[17]提出了阻容型混合限流器，通過負載換相開關(load commutation switch，LCS)和超快速機械開關(ultra-fast disconnector，UFD)將故障回路切換到阻容型限流支路；然而固態(tài)限流器的電力電子器件較多，一些超出其耐受值的沖擊電流會損壞限流器本身。文獻[18]提出了高溫超導帶材失超電阻的計算模型，驗證了超導限流器的可行性。文獻[19]建立超導限流器模型配合直流線路縱聯(lián)保護，通過超導失超的快速性保證縱聯(lián)保護的速動性和可靠性；然而，文中沒有涉及超導材料失超狀態(tài)的恢復問題，這也是目前超導限流器應用的難點。因此，研究一種限流效果好、可靠性高且不使用超導材料的直流限流器是十分必要的。

本文提出一種結構簡單且能夠控制故障電流的柔性限流器，將其裝設于換流站出口處與方向縱聯(lián)保護配合，通過整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)限流電感上鉗位電壓的柔性控制，針對不同的故障電流設定不同的鉗位電壓，進而有效抑制出口電容與系統(tǒng)側的故障電流。該限流器以具有方向特征的電流作為保護啟動判據，以保證方向縱聯(lián)保護的可靠性和速動性。

1 極間短路模型

典型的直流配電網絡拓撲結構主要有3種類型：兩端直流配電網、多端輻射狀直流配電網和多端環(huán)狀直流配電網。其中，兩端直流配電網控制策略簡單，故障識別容易，適用于點對點的供電模式，故障暫態(tài)特性的分析較易于實現(xiàn)。因此，本文選取直流配電網中的兩端直流配電網進行方向縱聯(lián)保護分析，其供電模型如圖1所示[20]。

圖1 單端供電模型Fig.1 Single terminal power supply model

根據直流側正負極母線的電流方向，選用兩電平的電壓源換流器(voltage source converter，VSC)即滿足其方向特征，便于分析。分別研究直流配電線路出現(xiàn)極間短路故障時換流站閉鎖的3個階段(電容放電階段、二極管依次導通階段和交流側接入階段)電流的暫態(tài)特性，通過公式表征各個狀態(tài)的電流方向特征。各階段等值電路如圖2所示。

圖2 極間短路故障各階段等值電路Fig.2 Equivalent circuit of each stage of inter-pole short circuit fault

極間短路故障出現(xiàn)后，回路的故障電流主要由換流站出口電容放電產生。電容放電階段等值電路如圖2(a)所示，其二階放電的表達式為：

(1)

二極管的依次導通階段始于換流站出口電容電壓衰減至交流側電壓，該階段電流

(2)

交流側接入階段在二極管全部導通之后。此時換流站相當于1個二極管的三相不控整流橋，因為二極管的單項導通特性，可以保證此時直流側的電流大于0?？梢缘贸?，在換流站閉鎖的各個階段，故障電流方向性都一致，可以用作方向縱聯(lián)保護的判據，同時這3個階段維持的時間均很短，因此在以下將3個階段合并分析。

在工程中，換流站的閉鎖閾值一般為額定電流的1.4倍，在極間短路故障出現(xiàn)后很短的時間內，就會出現(xiàn)換流站閉鎖。換流站閉鎖將改變故障回路，雖然用電流的方向性特征作為方向縱聯(lián)保護的啟動判據，但在此期間還需考慮因故障回路切換而產生噪聲和諧波對電流方向性的影響；因此，需要限流器限制故障電流，配合保護的動作。

2 電流方向縱聯(lián)保護

2.1 區(qū)內、區(qū)外故障的電流特性

配電線路的方向縱聯(lián)保護如圖3所示。

圖3 方向縱聯(lián)保護示意圖Fig.3 Schematic diagram of directional pilot protection

當配電網線路出現(xiàn)極間短路故障的時候，故障電流的方向性依然具有固定特征，可以根據這一方向性特征來判斷區(qū)內區(qū)外故障。不同故障位置的電流方向特性如圖4所示。圖4中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示正常運行狀態(tài)、區(qū)內極間短路故障和2種區(qū)外極間短路故障時的電流方向特性，箭頭方向為實際電流的方向。

圖4 不同故障位置的電流方向特性Fig.4 Current directional characteristics at different fault locations

正常運行狀態(tài)下，正負極直流母線上的電流方向與電源極性保持一致。區(qū)內極間短路故障時，兩端換流站的上下極性，同正同負。當故障發(fā)生在保護區(qū)段外時，受保護電路的電流極性也為一正一負。

2.2 啟動元件

保護元件的啟動判據為

|Δiφ|>k1IN或|iφ|>k2IN.

(3)

式中：Δiφ為瞬時電流的變化值，可通過時刻φ的電流值減去前一時刻的電流值獲得；IN為電流的額定值；iφ為電流瞬時值；k1、k2均為電流的整定系數(shù)。

2.3 方向元件

方向元件可采用以下判據：

(4)

式中：Ip、In分別為檢測到的正負極電流瞬時值；Udc為極間電壓的測量值；UN為額定電壓；Iset為電流設定閾值。

電流閾值的設定為

Iset=k3IN，

(5)

式中k3為閾值整定系數(shù)。為保證保護的可靠性應使得電流設定值大于額定電流IN，為保證保護的靈敏性應使k3足夠小，綜合考慮取k3=1.2。

方向縱聯(lián)保護的動作流程如圖5所示。

圖5 方向縱聯(lián)保護的動作流程Fig.5 Action process of directional pilot protection

本文所提出的保護需同時滿足啟動元件和方向元件判據，保護才會跳閘，同時收信元件動作，通過延時確認，本側保護動作且遠跳對側。因此保護的動作有一定的時限，在保護動作之前，需要保證換流站不閉鎖。

3 柔性限流器

為確保在極間短路故障時方向縱聯(lián)保護能可靠動作，應保證換流站在保護動作之前不會閉鎖，因此需要限流器的配合。本文提出一種由整流器控制的柔性限流器。系統(tǒng)正常運行時，在控制信號的控制下，限流電感對線路沒有影響；當故障出現(xiàn)，由于限流器沒有延時環(huán)節(jié)，其動作時刻在縱聯(lián)保護動作之前，限制了故障電流的快速上升。

在故障期間，系統(tǒng)電源和換流站出口電容均向故障點進行放電，此時直流側電容上電壓比交流側電壓更大，電流沖擊主要是電容放電產生的；同時，交流側的電流過大會使得流過換流站的電流超過其自身保護的閾值而引起換流站閉鎖。因此，配置限流器可在保護系統(tǒng)設備不受電流沖擊的同時，防止換流站在縱聯(lián)保護動作前閉鎖。由于限流器對電流的抑制作用，在直流側出現(xiàn)瞬時性故障時，可實現(xiàn)故障穿越，保護不動作，延長其使用壽命。

3.1 限流器的基本結構

限流器通過整流橋向交流側取電，并且裝設在換流站出口處，盡可能保護全段直流母線，電感電壓公式為

(6)

式中：UL為限流電感電壓；I為限流電感電流。

只需給電感提供斜率穩(wěn)定的電流，即可使其在配電線路中產生穩(wěn)定的電壓，可等效為故障時在放電回路中串聯(lián)1個反向電源，以減小故障電流。為了保證方向元件的可靠動作，應保證故障時Udc<0.9UN。限流器的基本結構如圖6所示，其中Uset為限流電感電壓的設定值，Id和Iq為三相電流在dq坐標系下的分量。

圖6 限流器基本結構Fig.6 Basic structure of current limiter

在電力電子應用中，常使用0.01～0.1 μF的陶瓷電容濾除高頻的波形噪聲。為保證電感兩側的電壓穩(wěn)定性，整流器出口電容起到了旁路電容的作用，數(shù)值較小。限流電感的鉗位電壓由整流器提供的線性上升電流產生，受電流波動的影響較大，選擇0.1 μF的旁路電容與受控電感配合。限流電感和整流器出口電容的諧振頻率在800～1 000 Hz，整流器提供的波形頻率較低，故限流器中電感和出口電容不會諧振。

限流器通過整流器從交流側取電，向限流電感提供穩(wěn)定斜率的電流[21]。整流器采用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制，對限流電感兩側的電壓進行采樣，和故障時需要限流器鉗位的電壓值做差，以實現(xiàn)穩(wěn)定限流電感電壓的作用。其具體的控制流程如圖7所示，其中KPi、KIi分別為PI控制器的比例、積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子，Iqref為q軸電流參考值。

圖7 控制流程Fig.7 Control flow chart

通過改變Uset的數(shù)值，可以根據實際情況來改變限流電感的鉗位電壓，實現(xiàn)限流器的靈活可控。

3.2 橋型電路

為保證限流電感在系統(tǒng)正常工作對直流線路沒有影響，且在故障切除后限流電感的電流能夠穩(wěn)定恢復至限流器動作前的狀態(tài)，引入1個橋型電路，限流器裝設在橋型電路的中間支路上，如圖8所示，其中Idc為直流線路電流，Ib為中間支路電流。

圖8 橋型電路Fig.8 Bridge circuit

當系統(tǒng)正常運行時，Idc>0，由于在中間支路存在正偏的電壓，故Ib>Idc，流過二極管D1和D4的電流為(Ib+Idc)/2>0，而流過二極管D2和D3的電流為(Ib-Idc)/2>0；因此，4個二極管均導通，直流線路上的電流不會流過中間支路，限流裝置被旁路。當直流配電網出現(xiàn)短路故障時，線路上的電流增大，導致Ib

3.3 裝置啟動的判據

限流器應與方向縱聯(lián)保護相配合，在限制電流不會快速超過換流站閉鎖閾值的同時，也不能影響方向縱聯(lián)保護啟動元件和方向元件的動作；因此，限流器投入運行的判據應和啟動元件判據保持一致，一旦電流超過了1.1IN時，限流器投入運行，在方向縱聯(lián)保護動作之前，將電流限制在1.4IN以下，保證方向縱聯(lián)保護的可靠性。

3.4 限流作用

整流器在故障出現(xiàn)的瞬間開始向限流電感提供穩(wěn)定斜率的電流。限流電感在橋型電路的作用下接入系統(tǒng)，同時帶有穩(wěn)定的鉗位電壓以減小電容放電階段故障回路的放電電壓，保證了限流的瞬時性。

限流器作用后暫態(tài)等效電路如圖9所示，其中L′為限流電感，L″為直流線路電感與限流電感之和。在限流器接入系統(tǒng)后，在故障回路中接入可控電壓的限流電感，其電感電壓UL與換流站出口電壓UC方向相反，從而減小了電容放電階段的放電電壓U，同時增大了回路電感，延緩了故障電流的突變，如式(7)所示。

圖9 限流器作用后的暫態(tài)等效電路Fig.9 Transient equivalent circuit after action of current limiter

(7)

電容放電階段的放電特征同二階電路一致，因此故障電流

(8)

式中：A為直流線路電流幅值；φ-β為直流線路電流的初相角。

故障時電壓和電流的初值分別為U0和I0，根據這個初始條件可以求得

(9)

由式(7)、(8)、(9)分析可得到，若限流電感能夠提供穩(wěn)定的電壓，則在故障開始時出口電容的放電就會被抑制，此時的故障電流主要由電容放電產生，故相應也會減小。

3.5 限流電感的選擇

自激式限流器中直接的限流元件為電感，電感上的電動勢E、電流I與磁場有如下關系：

(10)

式中：ψ為電感的磁鏈；φ為電感的磁通；n為電感線圈的匝數(shù)。從式(10)可以看出，一般情況下電感電流和磁鏈、磁通為線性關系。當磁場持續(xù)上升，達到電感飽和后，鐵磁材料內的磁通的變化量會突然減少，導致在線圈中產生的感應的恒定電場變小，在線圈中總的恒定電場強度會急劇上升，導致電流急劇上升且電感值無法維持。電感和磁通的關系如圖10所示。

圖10 電流與磁通的關系Fig.10 Relationship between current and magnetic flux

電感磁飽和時的電流又稱為電感飽和電流。電感電流到達飽和前，電流的增加不會影響電感值的大小，稱為線性區(qū)；反之，若電流超過飽和電流值，電感則無法保持穩(wěn)定，其伏安特性也處于非線性的狀態(tài)。

(11)

式中：LC為線性區(qū)電感值的大?。籌L為電感電流；IK為電感飽和電流臨界值；Isat為電感值下降程度的指標，一般設電感值下降到20%時的電流為Isat?？梢钥闯?，超過飽和電流之后，限流電感無法滿足限流要求；因此，需要根據所建立系統(tǒng)模型和控制模型的實際運行情況選取電感。

4 仿真驗證

4.1 模型選擇和參數(shù)設計

本文通過兩電平VSC的單端供電行路對柔性限流器的限流效果進行驗證。該部分為低壓直流配電網的一段，終端為低壓交流負載，所以直流線路兩端均為換流站。選取額定電壓為750 V，額定電流為40.2 A。

在限流器中，限流電感為主要元件，電感在電流飽和之后無法保持原有電感的大小，在電感電流值大于飽和電流的時候，鉗位電壓無法維持，所以需要針對限流時間選擇合適的電感值。據前文分析，確定限流電感需維持鉗位電壓的時間為0.1 s，選擇電感值為500 mH，為保證方向元件的可靠工作，鉗位電壓值不得大于0.9UN。

正常工作時，配電線路電流狀態(tài)如圖11所示。

圖11 正常狀態(tài)的直流側電流Fig.11 DC side current in normal state

4.2 限流器作用情況

當直流線路出現(xiàn)金屬性極間短路故障時，系統(tǒng)形成1個阻抗較小的放電回路(主要為第一階段的換流站出口電容放電)，產生1個極大的電流沖擊，對配電系統(tǒng)和線路元器件造成影響。由于需要一定的時間延遲來確定和收發(fā)信號，在方向縱聯(lián)保護動作前，換流站可能已經完成閉鎖，從而進一步擴大了事故的影響范圍；因此，需要快速動作的限流器來配合方向縱聯(lián)保護。

4.2.1 柔性限流器應用效果

由整流器控制的限流電感在故障回路中提供穩(wěn)定的鉗位電壓。通過控制回路的控制，電感兩端的電壓保持穩(wěn)定，通過調節(jié)Uset值控制供給電感的電流斜率來滿足電感的耐壓條件。系統(tǒng)的正常電壓為750 V，為盡可能減小放電電壓，同時考慮到電感經濟性和電流飽和特性，將3個500 mH受控電感串聯(lián)。電感兩端的電壓如圖12所示，可通過控制調整限流電感兩端的電壓，減小放電電壓，實現(xiàn)故障電流的柔性控制。

3個可控電感串聯(lián)分別在故障回路中分別提供了450 V、600 V和690 V的鉗位電壓，對應的系統(tǒng)波形如圖13所示。

由圖13可知，柔性限流器可以很好地抬高直流側電壓，通過控制電壓的大小，快速實現(xiàn)對故障電流的控制和調節(jié)，滿足了極間短路故障瞬間線路的保護要求，為方向縱聯(lián)保護的啟動提供了準備的時間。

圖12 電感兩端電壓Fig.12 Voltage at both ends of inductor

圖13 不同鉗位電壓下的系統(tǒng)電壓、電流Fig.13 System voltage and current waveforms under different clamping voltages

4.2.2 區(qū)內故障

雖然負載側沒有電源，但是負載側換流站的出口電容上的電能在故障初期仍會向故障點放電；因此，區(qū)內故障的電流方向如圖4(b)所示，確保滿足方向縱聯(lián)保護的啟動元件判據和方向元件判據。負載側直流線路電流Iload如圖14所示。

圖14 負載側直流線路故障電流Fig.14 Load side DC line fault current

根據線路的長短不同，方向縱聯(lián)保護的動作時間為5～10 ms，同時，換流站閉鎖的電流閾值為1.4IN；因此，在保護動作前，通過限流器將故障電流限制在1.4IN以下，以保證保護的可靠性。

系統(tǒng)直流母線上發(fā)生極間短路故障后，直流側的故障電流包括電容和交流側向故障點放電而產生的電流。當出口電容的能量在短時間內完全釋放后，進入極間短路的第3階段，僅交流電源向故障點放電?？梢钥闯?，交流側饋入換流站的電流超過1.4IN，因此需要配備限流器，防止換流站在保護動作前閉鎖。將柔性限流器接入直流配電網配合方向縱聯(lián)保護限流前后的電流波形如圖15所示。

圖15 限流器作用效果Fig.15 Effect of current limiter

當故障電流超過1.1IN時，限流器投入運行，對故障電流進行限制，同時，方向縱聯(lián)保護的啟動元件發(fā)信。這一階段電流進一步升高，同時滿足啟動元件和方向元件判據，收信元件動作，經過短暫的出口延時，保護動作。如圖15所示，故障出現(xiàn)時，傳統(tǒng)限流器能夠消除故障電流的沖擊，但是由于其本身無法改變固有屬性的局限性，無法根據縱聯(lián)保護的要求對故障電流進行限制。而本文提出的柔性限流器可以通過整流器控制將限流電感電壓鉗位在不同的數(shù)值，進而保證電流在滿足縱聯(lián)保護啟動判據的同時，不超過換流站閉鎖閾值。

4.2.3 區(qū)外故障

在配電線路中，線路保護區(qū)段外的故障可以分為靠近電源側和靠近負載側的區(qū)外故障。區(qū)外故障電流如圖16所示。

在區(qū)外故障時，因不滿足判據，方向縱聯(lián)保護不會動作。但是此時的故障電流依舊較大，為了保證系統(tǒng)不被損壞，限流器應該可靠地投入使用，限制故障電流。柔性限流器通過控制鉗位電壓對限流效果進行調整，其主要作用在于消除故障電流的脈沖，防止系統(tǒng)中的電力電子設備受大電流沖擊而損壞。限流后的電流方向特征沒有改變，同時其大小也遠超正常運行時的額定電流值。柔性限流器的限流效果可根據各類保護的整定判據進行調整，降低對其他保護的影響，實用性較強[22-23]。

圖16 區(qū)外故障電流Fig.16 External fault current

4.3 限流器電感電流的恢復

因為電感電流持續(xù)上升，會造成電感飽和，從而影響限流器的重復使用，所以在完成一次限流之后，電感需要放電，保證電感電流不會達到其飽和值。由于限流電感是向交流側取電，在保護動作之后，電感通過整流器向交流側方向放電，實現(xiàn)逆變，電感電流重新恢復至零。

限流電感的電流IL如圖17所示，共可分為4個階段。在正常運行時(階段1)，限流電感因串接在中間支路而被旁路，沒有電流流過。故障出現(xiàn)時(階段2)，因橋型電流將中間支路串入直流母線，電感受整流器控制，電流線性上升且斜率穩(wěn)定；因其向網側取電，所受故障電流峰值影響較小。故障切除后(階段3、4)，為保證限流電感的循環(huán)使用，需要釋放電感能量，此時橋型電路再次將中間支路旁路，電感通過逆變器向網側釋放能量。因旁路作用，該電流變化產生的電感電壓不會串在直流側回路中，能夠很好地完成電感的恢復。

圖17 限流電感的電流Fig.17 Current of current-limiting inductance

5 結論

本文提出一種整流器控制的柔性限流器，結合方向縱聯(lián)保護，形成較為可靠的直流配電網保護策略，主要研究成果如下：

a)在故障初期通過限流器對故障電流進行限制，在保護動作之前防止換流站閉鎖，加強方向縱聯(lián)保護的可靠性。

b)采用直流電路電流的方向性作為方向縱聯(lián)保護的判據，在保證可靠性的同時加快了動作響應速度。

c)柔性限流器可以很好地對故障電流起到限制作用，延長了可供方向縱聯(lián)保護的準備時間。限流電感的電流能量通過網側釋放，使得該限流器可循環(huán)使用，提高了經濟性。