基于電流差動的直流配電網保護方案

吉興全，孫灝，陳爾奎，史小雪，張玉振

(山東科技大學，山東 青島 266590)

0 引 言

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

目前，國內外學者對柔性直流配電網的故障特性和保護技術做了一定的探討。文獻[3]對現有的直流配電網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，提出了一種低壓直流配電網保護方案，能實現限制故障電流和可靠的快速恢復。文獻[5-6]利用暫態電容電流確定故障區間。文獻[7-9]針對不同的直流配電系統，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絡供電的情況。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為例，分析了直流線路極間短路故障時的暫態特性及其對交流系統、換流器及直流側的影響。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。

目前的研究鮮有關于單端直流電源向無源網絡供電的情況，設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向無源網絡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 直流配電網建模與故障分析

1.1 輻射狀直流配電網建模

目前，我國的交流配電網以輻射狀結構為主，發展直流配電網過程中，可以在原有的配電網的結構上進行改造，用低壓直流配電技術替代老舊中壓分支線路。所以，研究輻射狀直流配電網具有重要的現實意義。

以輻射狀拓撲結構的直流配電網分析故障特性和保護方案，如圖1所示。其中，與交流主網連接的電壓源換流器(VSC)采用三相兩電平結構，光伏電源(PV)經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 輻射狀直流配電網結構圖

1.2 直流網絡故障分析

直流網絡故障主要是指直流線路的故障。對于直流線路，最常發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。

根據直流線路兩極短路故障電路響應特性，可以將故障過程大體分為三個階段：直流側電容放電階段、電感放電階段和不可控整流穩態階段。

(1)直流側電容放電階段

當發生極間短路故障時，IGBT瞬間鎖定，此時，交流側通過續流二極管與直流側連接。由于此時的直流側電壓大于交流側電壓，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

系統在穩態運行時的直流側電壓為Udc，電流為I0。在故障發生時，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，其兩端電壓變為0，此時，換流器中反向并聯的二極管導通，電感釋放吸收的電能以維持電流的連續性，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]，可能會直接導致二極管損壞。

(3)不可控整流穩態階段

電感放電階段完成后系統進入穩定狀態，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 不可控整流穩態階段等效電路圖

1.2.2 單極接地短路故障分析

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

由于直流側電容中性點接地，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，換流器直流側輸出電壓將直接加到此電容兩側。若電容放電回路為過阻尼回路，對于直流負載而言，經過故障的暫態過程后，其供電電壓將恢復正常，對負載回路沒有影響。

圖6 正極接地短路故障示意圖

若系統在穩定運行時的直流側電壓和電流分別為Udc和I0。在故障發生時，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，電容兩端的電壓變為0，而非故障極電容兩端的電壓上升，變為極間電壓Udc。

2 直流配電網保護方案

2.1 電流差動保護

為保護直流設備安全及柔性直流配電網的穩定運行，檢測到直流線路短路故障后應盡快隔離故障。

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反向并聯的二極管流過大電流，可能燒壞二極管。所以，所設計的保護應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，其保護范圍明確，動作幾乎沒有延時，適合于直流配電網。電流差動保護的動作判據為：

|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，一般取1.15～1.5，IS1是差分電流閾值。

當被保護線路上發生短路故障時，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，電容與故障點也構成一個RLC二階電路，線路的電感有一定的續流能力，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很短的時間內就會大于設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，直流配電網無論發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勢的保護方案。欠電壓保護的動作判據為：

Udc≤U0

(9)

在直流電壓下降到額定電壓的70%時，大多數用電設備仍能正常工作[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)

發生極間短路故障時，隨著直流側大電容放電，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

發生單極接地短路故障時，若僅僅切除故障極，會發生電壓偏移。

如圖7所示，在3 s時刻發生正極接地短路故障，持續時間為1 s，短路期間，正極電壓為0，負極電壓為穩態運行時的2倍。故障切除后，兩極電壓恢復正常。

圖7 發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，直流配電網系統也無法向負載供電，所以應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的值小于設定的欠電壓保護的整定值時，發出動作信號。Edc1代表極間電壓，當該電壓值小于設定的整定值時也發出動作信號。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定閾值，則可判斷線路中發生短路故障。正極發生短路故障時，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，在設計差動保護時應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 仿真結果

根據圖1所示結構，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建含有分布式電源的直流配電系統模型。交流主電網的電壓為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。設各種短路故障都發生在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代表系統電壓。

直流配電系統發生極間短路故障時，電壓波形圖和斷路器動作特性如圖10所示；直流配電系統發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；直流配電系統負載側切除交流負載時，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，直流配電系統的直流電壓經過一小段時間的波動后，繼續保持穩定，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；母線處發生短路故障時，斷路器也能迅速動作。

由上述結果還可以看出，輻射狀直流配電網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性和可靠性，可以加裝儲能裝置。若直流線路發生短路故障，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時設置故障，交流負載處電壓為10.5 kV，仿真結果如圖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。從結果中可以看出，發生故障時，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 結束語

分析了直流配電網向無源網絡供電系統中的故障類型，以及分析了故障過程，根據其故障特征，設計了電流差動保護和欠電壓保護聯合的保護方案。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性。最后，在PSCAD/EMTDC中進行了仿真驗證，證明了該方法的有效性。