交流諧波干擾的直流配電網故障保護方案

徐英杰， 曾憲文， 高桂革

(上海電機學院電氣學院，上海 201306)

隨著配電網絡的不斷發展，電壓源換流器(Voltage Source Converter, VSC)型直流配電網受到越來越多的關注[1-2]，而光伏發電、燃料電池和電動汽車動力電池等各種儲能設備需要進行相應的逆變才能并入傳統電網[3-4]。國內外研究資料表明，直流配電網在輸送容量、可控性以及供電質量等方面具有更好的性能[5-8]。然而，作為直流配電系統的關鍵技術之一，繼電保護技術目前尚處于起步階段。國內外一些學者開展了關于直流電網故障分析及保護的研究工作，并取得了一定的成果[9-16]，但關于直流配電網協同保護方案的研究較少。由于交直流互聯裝置中含有敏感的電力電子器件，為避免電力電子器件因過流而損壞，直流保護動作往往要比交流保護迅速[17-18]，也就是說，在保護正常動作情況下，直流故障引起交流保護誤動的可能性較小。因此，學者們更傾向于探究交流故障擾動對直流側的影響。

在直流輸電領域，交流側故障、換流閥故障以及變壓器鐵心飽和等原因會使直流側出現工頻和二倍頻波動[19-23]，很多文獻分析討論了交流故障產生的諧波擾動對直流線路和換流站的影響[24-25]，并指出交流諧波擾動可能導致直流保護誤動，因此，直流輸電系統通常在直流側配有直流諧波保護(50 Hz和100 Hz保護)。然而，直流配電網中導致直流側出現諧波擾動的原因較少(主要為交流不對稱故障)，因此沒有必要專門配備直流諧波保護，但交流故障引起的諧波擾動對直流配電網的影響卻不能忽視。與直流輸電系統不同，直流配電網直流側含有大量敏感的直流負荷以及各類分布式電源(Distributed Gengeration, DG)，交流故障產生的諧波擾動不僅會對直流線路造成影響，還會影響DG控制系統，導致其輸出功率產生波動。

本文首先針對典型拓撲結構的直流配電網發生典型交流故障的情況進行研究，并結合典型DG的控制策略，分析諧波擾動對DG內環參考電流的影響。之后，利用PSCAD/EMTDC軟件仿真實驗平臺，搭建直流配電網故障等值模型，驗證理論分析的正確性。最后，根據分析結果和相關保護建議，提出一種適用于直流配電網的故障保護方案。

1 直流配電網諧波擾動分析

直流配電網中含有大量DG、儲能裝置以及直流負荷。DG功率的波動，大容量負荷的投切以及交流側故障都會造成直流側波動，而直流系統的波動情況又以交流故障最為嚴重[20-22]。根據高壓直流輸電系統故障分析，當電容中性點接地的直流配電網交流側出現不對稱故障時，直流電壓不僅會出現負序故障分量產生的二次諧波擾動，還會出現零序故障分量產生的工頻諧波擾動，主要因為直流電容中性點接地為零序故障分量提供通路，使得交流故障產生的工頻諧波擾動通過互聯變流器傳遞至直流側。

1.1 研究系統概述

本文研究的直流配電網系統如圖1所示，其中直流側和交流側通過雙向AC / DC互聯變流器連接。直流微電網的供電方式有兩種：單極供電和雙極供電，雙極供電方式的輸送容量大、靈活性好、可靠性高，可滿足直流負荷對供電電壓多樣性的要求[26]，因此，直流配電網直流側采用雙極供電方式。文獻[27]表明,直流TT系統(即電源側直接接地，用電設備外露導電部分直接接地)能很好兼顧供電可靠性以及電氣安全性，且系統接地故障電流較大，便于故障檢測與定位，因此本文直流配電網直流側采用電容中性點直接接地方式，其中DG1,DG2和DG3采用定功率控制，互聯變流器采用定電壓控制。

圖1 直流配電網典型拓撲

1.2 交流故障諧波擾動對直流微電網的影響

直流配電網交流側故障產生的工頻及二倍頻諧波擾動不僅會對直流側負荷及其保護造成影響，還會影響DG功率輸出的穩定性。主要因為DG控制系統的快速調節特性會對交流諧波擾動快速響應，使得DG輸出功率產生波動，可能導致相關保護誤動作。因此，在為直流配電網設計直流保護時需要考慮交流諧波擾動對DG控制系統的影響，通過采取相應的措施減少由于DG控制系統調節能力不足而導致的保護誤動作。

圖2為不同交流故障情況下直流母線電壓諧波含量圖。由圖可知，工頻諧波主要出現在接地故障情況。通過對比發現，單相接地故障的各次諧波含量要比其他故障類型高，且單相接地故障在各類交流故障中發生概率最高。因此本文將主要分析單相接地故障產生的諧波擾動對直流系統的影響，由于DG對諧波擾動響應的分析方法類似，故本文只對工頻諧波擾動進行分析，具體為結合典型DG控制策略——定功率控制，分析諧波擾動對控制系統內環參考電流Idref的影響。

圖2 不同交流故障下直流電壓諧波含量圖

直流配電網中的儲能裝置通常采用定電壓控制，以起到穩壓作用。儲能裝置通過雙向DC/DC換流器接入直流母線，雙向換流器結構如圖3所示。

圖3 雙向DC/DC換流器

定電壓控制的控制目標是保持DC/DC換流器并網點電壓恒定。當直流電壓中含有工頻擾動時，為了維持電壓穩定，內環參考電流Idref中也將出現工頻擾動量(見圖4)。以下推導內環參考電流與交流電壓不對稱度以及工頻諧波擾動之間的數學關系。

圖4 定功率控制原理圖

定義三相電壓不平衡度

(1)

式中：U1、U0分別為交流電壓正序和零序分量。

對于經阻抗Zf接地的單相(a相)接地故障，根據電力系統對稱分量法可知

(2)

(3)

由圖4可知，控制器內環參考電流為

(kp+ki/s)·(UDC0(s)+ΔUDC(s))

(4)

(5)

根據式(5)可知：交流側發生接地故障時，DG內環參考電流包含工頻擾動部分，且三相電壓不平衡度εa越大，內環參考電流Idref諧波響應就越劇烈，DG輸出的功率就越不穩定，直流保護誤動的概率就比較高，這顯然不利于直流配電網穩定運行。

2 仿真分析

本文在PSCAD/EMTDC軟件搭建直流配電網單相接地故障模型(如圖1所示)，其中交流電壓為380 V，直流電壓±400 V，DG1額定功率為20 kW，DG2為25 kW，DG3為40 kW，直流負荷為45 kW。假設系統在第5 s發生交流側單相接地故障，在第9 s發生直流側正極接地故障，對比分析交流故障產生的諧波擾動和直流故障對直流配電網的影響。

2.1 直流側電壓響應分析

圖5為直流電壓對交流諧波擾動和直流故障響應，第5 s發生交流側單相接地故障，諧波擾動經互聯變流器傳遞至直流側，使得直流電壓產生較小波動，這是由于互聯變流器采用定電壓控制策略，在一定擾動范圍內，能夠將直流電壓穩定在合理水平；而直流側發生單極接地故障時，由于接地點的鉗位作用使得直流電壓出現較大程度的跌落，超出了互聯變流器的調節范圍，此時直流電壓與接地電阻有關；與直流電壓不同，電壓變化率dUDC/dt在諧波擾動狀態下波動較大，觀察波形發現，諧波擾動對電壓變化率影響的嚴重程度接近于直流接地故障，可能引起保護誤動作，也就是說，此時基于dUDC/dt的直流保護無法有效判斷系統的故障類型，因此，有必要對該類型的保護進行改進。

圖5 直流側電壓UDC響應特性

2.2 直流線路電流響應分析

圖6為直流線路電流以及直流DG功率的響應特性，直流負荷的端電壓為直流母線電壓，由于互聯變流器采用定電壓控制，諧波擾動期間，直流電壓能夠穩定在一定范圍內，而直流負荷多為線性負荷，因此，負荷電流震蕩并不明顯。但是，受諧波擾動的影響，直流線路電流變化率diL/dt波動較大，雖不及故障瞬間電流變化率峰值，但與故障穩態期間的數值接近，有可能導致保護誤動。

圖6 直流線路電流以及DG功率響應

2.3 直流側DG功率響應分析

通過圖6可以看到，交流諧波擾動期間，直流側DG輸出功率震蕩要比直流故障劇烈，主要是控制系統快速調節特性對諧波擾動快速響應造成的。由式(5)可知，內環參考電流Idref的諧波分量導致輸出電流無法正常跟蹤參考電流，使得DG輸出功率劇烈波動，這與之前的理論分析相吻合，也進一步說明交流故障諧波擾動對直流側DG的影響比直流負荷更嚴重。

3 直流配電網協同保護方案

仿真結果表明，交流諧波擾動雖然對基于電壓、電流幅值的直流保護(過流保護、低壓保護)影響較小，但對基于電壓、電流變化率的保護影響較大。而且，由于直流保護一般要比交流保護動作快，通常在十幾ms內即可完成跳閘動作，因此，可能會出現直流配電網交流側發生接地故障時，直流保護先于交流保護動作的情況，故在為直流配電網配置保護時需要協調各側保護的動作時序。

3.1 交流側保護

由于直流配電網電壓等級不高，參照傳統電網10 kV以下電壓等級的交流保護方案，采用“3段式過流保護”能夠滿足直流配電網交流系統對保護的要求[28]。

3.2 直流線路保護

在為直流配電網直流側線路配置保護時，應盡量采用基于電壓或電流幅值類型的保護。這是因為交流諧波擾動對直流線路電壓及電流的幅值影響較小，直流線路電壓或電流在交流諧波擾動以及直流故障狀態下區別較為明顯，對交流諧波擾動辨識度較高，因此，直流線路采用基于幅值類型的保護可有效避免交流諧波擾動導致的直流保護誤動。

直流線路故障電流最大值Ifmax能夠很好判別母線故障和饋線故障以及直流故障和交流故障[9]，考慮到DG出力的波動性和不可預測性，現引入最大故障電流時間tmax，即故障線路電流從故障瞬間上升至最大故障電流所用時間，并選取Ifmax/tmax作為直流線路保護的故障參量。故障電流最大值Ifmax與故障點到母線的距離l關系如圖7所示，tmax與l的關系如圖8所示，Ifmax/tmax與l的關系如圖9所示。

圖7 最大故障電流Ifmax與距離l的關系

圖8 最大故障電流所用時間tmax與距離l的關系

圖9 Ifmax,tmax的比值與距離l的關系

由圖7可知，最大故障電流與距離呈反比特性，故障點距離母線越近，Ifmax的值就越大，有利于故障檢測與定位。由圖8可知，故障線路電流從故障瞬間至峰值所用時間tmax與故障點到母線距離l呈正相關性，也就是說，故障點距離母線越近，故障電流到達峰值所用時間就越少。如圖9所示，以Ifmax/tmax作為故障參量不僅有利于故障檢測與定位，而且由于tmax的引入，能夠減少因DG出力波動較大而造成的保護誤動。

此時直流線路保護的動作條件為

Ifmax/tmax>(Ifmax/tmax)set

(6)

式中：(Ifmax/tmax)set為保護故障參量(Ifmax/tmax)的整定值。

3.3 直流側DG保護

在為直流側DG設計保護時，應盡量選用基于du/dt或di/dt等變化率類型的保護。因為，基于變化率類型的保護不僅對直流故障較為敏感，對交流故障諧波擾動同樣具有較高的辨識度。考慮到DG出力波動性和不可預測性，僅以直流電流變化率diDC/dt作為動作條件無法保證DG在出力波動較大的情況下正常運行，現將直流電壓變化量ΔU引入DG保護的整定條件中，采用 “直流電流變化率”和“直流電壓變化量”兩條判據相結合的動作條件。

直流故障下，DG保護的動作條件為

(7)

式中：(diDC/dt)set和(ΔU)set分別為直流電流變化率和直流電壓變化量的整定值。

對于交流故障情況，由之前的分析可知，交流諧波擾動對直流側DG的影響較大，DG長時間工作在諧波擾動狀態將嚴重危害DG換流器內部電力電子器件，因此，對于DG可將交流諧波擾動作為一種故障情況處理。此時，DG保護僅作為保護其內部元件避免長時間處于諧波擾動狀態的一種預保護措施，其動作優先級最低。交流故障發生后，保護不必立即動作，只有在交流故障長時間未被切除的情況下，DG保護才會動作。因此，DG保護需要引入延時因子。

仿真結果表明:交流諧波擾動狀態下，直流側工頻諧波含量THD_1較直流故障狀態下高，而DG的出力波動不會使直流側THD_1發生明顯變化，因此，THD_1能較好地區分交流故障和直流故障以及DG出力波動較大情況。故本文選取直流側工頻諧波THD_1作為DG保護的延時因子。

交流故障下，DG保護延時動作的條件為

(8)

式中：( THD_1)set為直流側工頻諧波含量的整定值。

若DG保護的延遲時間Δt選取不合適，可能導致DG保護因交流保護拒動而動作，從而擴大故障影響范圍，因此，需要保證Δt大于故障線路的上級線路遠后備保護的動作時間，通常取1～1.5 s。在交流諧波擾動狀態下，Δt使得DG保護只有在與故障線路相關的保護全都拒動的極端情況下動作。對于一般的交流主保護拒動，不會導致DG保護動作而使得DG退出運行，擴大故障影響范圍。

在直流故障情況下，DG保護滿足整定條件(不滿足延時條件)而立即動作；在交流故障情況下，由于諧波擾動的影響，導致直流側電壓變化率和工頻諧波含量較高，因此，觸發DG保護經時間Δt延遲后動作，此時，DG保護僅作為保護其內部元件避免長時間處于諧波擾動狀態的一種預保護措施，其動作優先級最低；而對于DG出力波動較大的不正常工作情況，由于DG出力波動并不會使ΔU和THD_1發生明顯變化。因此，根據上述整定條件，在DG出力波動較大情況下，DG保護可靠不動作。

3.4 直流配電網各側保護配合關系

當交流側發生單相接地故障時，判斷各側保護是否滿足動作條件：若交流保護滿足動作條件，則觸發交流斷路器跳閘；若此時直流DG保護也滿足動作條件，則需要再次判斷是否滿足延時動作條件，若滿足，則說明此時直流側出現交流諧波擾動，直流DG保護應當延時Δt后再動作。延時期間，若交流保護正常動作，DG保護因不再滿足動作條件而不再動作；若交流保護拒動，DG保護應在延時Δt后動作，之后由交流側后備保護將交流故障切除。若發生單極接地故障，直流線路滿足動作條件而迅速動作，而直流DG因不滿足延時動作條件同樣在故障瞬間動作，又因為直流保護較交流保護動作迅速，直流斷路器跳閘后，交流保護因不再滿足動作條件而不再動作，系統保護的可靠性得到滿足。

4 結 語

本文基于單相接地故障產生的諧波擾動對直流配電網的影響分析，提出了一種適用于直流配電網的故障保護方案。首先，結合典型DG控制策略，分析交流諧波擾動對DG的影響，指出交流諧波擾動使得控制系統內環參考電流含有諧波分量，導致DG輸出電流無法正常跟蹤參考電流，輸出功率發生紊亂。之后，通過對比仿真結果可知，交流諧波擾動對基于幅值類型的直流保護影響較小，而對基于變化率類型的直流保護影響較大，嚴重時可導致相關保護誤動作。最后，從保護動作時序角度出發，提出一種直流配電網協同保護方案，該方案根據直流配電網各部分的保護需求，通過選擇適當的故障參量及延時動作因子，保證了系統保護的選擇性，降低了交流諧波擾動對直流系統的影響。

然而，由于現階段直流配電網實際工程中應用較少，本文只對典型拓撲結構的直流配電網發生典型交流接地故障產生的諧波擾動進行分析，對于結構和故障情況更加復雜的直流配電網的分析有待深入研究。