含復(fù)合儲(chǔ)能的直流微電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)與定位

高衛(wèi)宏，原 新

（山西晉中理工學(xué)院，山西 晉中 030600）

0 引 言

文章提出一種控制直流微電網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)與定位的方法，其中復(fù)合儲(chǔ)能部分用超級(jí)電容器和蓄電池組并聯(lián)模擬，利用非線性干擾觀測(cè)器實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的擾動(dòng)，同時(shí)配合小波包故障特征分析進(jìn)行故障定位。當(dāng)擾動(dòng)超出直流電網(wǎng)允許值時(shí)，考慮樣本誤差在故障暫態(tài)，經(jīng)過數(shù)學(xué)建模和特征能量選取，利用db15小波對(duì)各共模電流進(jìn)行小波分解，最終選線定位線路故障至故障解除。整個(gè)過程中，非線性干擾觀測(cè)器實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)的擾動(dòng)，結(jié)果顯示其在允許值范圍內(nèi)。

1 直流微電網(wǎng)故障特征分析

直流微電網(wǎng)故障類型如圖1所示。設(shè)置直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，接入分布式電源和復(fù)合儲(chǔ)能，其中復(fù)合儲(chǔ)能部分用超級(jí)電容器和蓄電池組并聯(lián)模擬。在分析直流微電網(wǎng)故障時(shí)，以最常見的單相接地故障為例[1]。雖然此類故障在電力系統(tǒng)中較為常見，但是發(fā)生時(shí)需要對(duì)整條線路進(jìn)行停電檢測(cè)。

圖1 直流微電網(wǎng)故障類型

1.1 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的輸出電流特征

直流微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，非線性干擾觀測(cè)器在直流微電網(wǎng)采取雙閉環(huán)控制下實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，輸出的擾動(dòng)電流波形如圖2所示[2]。直流微電網(wǎng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制，擾動(dòng)電流兩者誤差逐漸減小，趨于穩(wěn)定。此時(shí)誤差在允許范圍內(nèi)，可以忽略。

圖2 非線性干擾觀測(cè)器觀測(cè)波形

1.2 系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的輸出電流特征

由圖1可知，直流微電網(wǎng)故障類型和交流電網(wǎng)故障類型相似。直流微電網(wǎng)中發(fā)生極間故障危害最大，但此故障發(fā)生概率低，而單相接地故障發(fā)生概率較高，因此以單相接地故障為例進(jìn)行分析[3]。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障線路模型，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障線路模型

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型為

中性點(diǎn)對(duì)地電壓、零序電壓以及零序電流均為零，系統(tǒng)中無零序分量[4,5]。

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，以A相故障為例，UN和0值改變，故障電流K為

此時(shí)會(huì)出現(xiàn)零序分量。故障線路和非故障線路出現(xiàn)零序電流的區(qū)別在于：故障線路上零序電流方向?yàn)榫€路流向母線，方向與非故障線路零序電流方向相反。檢測(cè)到故障繼電器時(shí)，先根據(jù)常規(guī)時(shí)間分級(jí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，當(dāng)1個(gè)繼電器做出時(shí)間設(shè)定最快的跳閘決定后，對(duì)側(cè)的繼電器會(huì)在1個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)檢測(cè)到聲音相電流的變化，以加速動(dòng)作。

2 故障狀態(tài)分析

2.1 直流微電網(wǎng)故障

故障期間，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）受自我保護(hù)因素的影響，使反向二極管暴露于過電流。無論直流電纜上發(fā)生的故障處于何處，均可用等效電路表示，如圖4所示。

圖4 單相接地故障系統(tǒng)電容放電階段等效電路

直流微電網(wǎng)RLC電路的數(shù)學(xué)模型為

式中：Rf為電纜線電阻。當(dāng)發(fā)生故障使得電阻值降低、故障電阻很小時(shí)，電容開始放電，故障電流變大，故障電流達(dá)到峰值且電容器電壓小于輸入電壓的峰值。

根據(jù)計(jì)算，電容放電階段會(huì)使直流微電網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流紋波變大，如圖5所示。此時(shí)，電容縮減為原來的1/2，直流母線電壓與故障下的電壓基本沒有差別，系統(tǒng)仍可以故障運(yùn)行一段時(shí)間。該階段需要找到線路的故障位置，第一時(shí)間解決故障，否則故障電壓會(huì)隨著故障時(shí)間的增加而增加。

圖5 系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)輸出波形

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電容開始放電，故障電流急速上升，擾動(dòng)電流值隨之變大，兩者誤差急速變大。因?yàn)橹绷髂妇€電壓Udc變化非常小，所以發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)仍可以穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間。此時(shí)，非線性干擾觀測(cè)器仍在實(shí)時(shí)追蹤擾動(dòng)，但無法判定故障位置。通過小波包對(duì)零序信號(hào)的分析，可以獲得擾動(dòng)的范圍區(qū)間，并進(jìn)一步確定故障位置。故障發(fā)生后迅速放電抬升故障電流，電力電子變換器此時(shí)對(duì)直流母線電容進(jìn)行穩(wěn)壓。若找不到故障線路，電容將持續(xù)放電，電壓隨著故障時(shí)間推延升高，系統(tǒng)的直流母線電壓和直流母線電流會(huì)升高至原來的50倍。當(dāng)故障進(jìn)入續(xù)流二極管電流放電階段時(shí)，電容開始充電，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)由故障暫態(tài)進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)。

2.2 直流微電網(wǎng)故障特征提取

故障特征提取數(shù)學(xué)建模為

式中：Ts=1/fs；fs為采樣頻率；2-(n+1)fs≤f；ωTs=2π/N；N為所取周期內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

基波幅值和相角計(jì)算公式為

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)選擇2條線路，分別記為線路1和線路2。提取故障特征，提取值分別如表1、表2、表3以及表4所示。

表1 I0的5次諧波幅值與相角特征提?。ㄖ行渣c(diǎn)不接地）

表2 I0的5次諧波幅值與相角特征提取（中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地）

表3 零序電流有功分量特征提?。ㄖ行渣c(diǎn)不接地）

表4 零序電流有功分量特征提?。ㄖ行渣c(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地）

2.3 小波包能量故障特征

采用db15小波基函數(shù)對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行5層分解，將第4尺度內(nèi)的小波包能量作為特征值。提取能量特征值發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)故障時(shí)的小波能量大于系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的能量，故障特征提取結(jié)果如表5和表6所示。

表5 小波包能量特征提取（中性點(diǎn)不接地）

表6 小波包能量特征提?。ㄖ行渣c(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地）

3 結(jié) 論

通過非線性干擾觀測(cè)器實(shí)時(shí)追蹤直流微電網(wǎng)母線電壓波動(dòng)，分析直流微電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的擾動(dòng)波形和發(fā)生單相接地故障時(shí)的擾動(dòng)波形。結(jié)果顯示：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的擾動(dòng)波形觀測(cè)值和實(shí)際輸出值二者誤差幾乎為零，可以忽略。發(fā)生單相接地故障時(shí)有故障暫態(tài)（電容放電）和故障穩(wěn)態(tài)（續(xù)流二極管放電）2種狀態(tài)。故障暫態(tài)時(shí)，故障電流持續(xù)升高，故障電壓持續(xù)升高，電壓電流升高為原來的50倍。進(jìn)入故障穩(wěn)態(tài)時(shí)，故障電壓和原始設(shè)定的母線電壓相差不大，故障電流有一個(gè)回落然后繼續(xù)上升。線路繼續(xù)運(yùn)行1～2 h，如果任其發(fā)展，故障問題將擴(kuò)大。

此外，可通過觀測(cè)波形得知線路發(fā)生故障，利用小波包進(jìn)行故障特征分析和故障定位。經(jīng)過數(shù)學(xué)建模和特征能量選取，利用db15小波對(duì)各共模電流進(jìn)行小波分解，通過迭代次數(shù)判斷選線正確率，最終選線定位線路故障。