基于LCL故障電流控制器的故障快速檢測

袁曉冬， 史明明， 楊景剛 ， 葛雪峰， 尹靖元

(1. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院,江蘇 南京 211103；2. 中國科學院電工研究所，北京 100190)

0 引言

隨著電力電子技術的發展，相比交流配電網，直流配電網在線路成本、輸電損耗、供電可靠性等方面具有優勢，可有效提高供電容量與電能質量，充分發揮分布式能源的價值和效益。因此，兼具可靠性、安全性、穩定性、經濟性的直流配電網具有巨大的市場潛力和經濟價值[1—4]。

相較交流配電網，直流配電網中同樣存在著故障限流阻斷和電能質量治理的問題[5—6]。當直流線路發生故障時，短路電流迅速上升，因此需要在線路中串聯接入限流裝置，抑制故障電流的上升率[7—8]。同時直流電網故障發生后，由于沒有自然過零點，需要斷路裝置進行故障阻斷，保護線路負載[9—11]。

在直流環網中，線路數量大于電源終端數量，導致線路上潮流分配和線路阻抗相關，重載線路長時間運行增加線路故障率[12—14]。文獻[15—17]指出通過增加潮流控制器進行潮流調度，實現線路之間潮流解耦。在直流配網末端，由于線路阻抗原因，導致末端電壓低于額定電壓，影響末端電能質量[18]。文獻[19]指出在線路中增加電壓調節裝置，實現對饋線末端電能質量補償。潮流調度和電壓調節需要長時間運行，而故障限流阻斷是瞬時性故障，如將多種功能集成到一種設備，可有效減少系統裝置數量，降低系統成本。

為實現潮流調度、電壓補償和故障下限流阻斷，文中提出了基于LCL型的多功能故障電流控制器。通過串聯接入線路可調直流源，改變線路等效阻抗，實現潮流和電壓的調節；通過串聯接入限流器件和反向電壓，實現對故障的快速限流和阻斷。針對多功能故障電流控制器，提出故障快速檢測方法，實現多種類型故障的快速可靠檢測。

1 LCL型多功能故障電流控制器工作原理

LCL型多功能故障電流控制器的原理見圖1。

圖1 LCL型故障電流控制器拓撲結構Fig.1 Topology of fault current controller based LCL

由圖1可知，該拓撲結構采用串并聯連接結構，在電網側并聯接入DC/DC，用于提供補償能量，并維持中間直流電壓(電容C2電壓)的穩定，同時直流電容并聯避雷器Z，防止電壓過高。串聯側通過H橋電路和LCL型濾波器連接電網和負荷之間。穩態時，H橋電路通過LCL濾波器在電網和負荷之間輸出可控直流電壓，實現對線路潮流和電壓的調節。故障時，LCL濾波器起到限流作用，當封鎖脈沖后，電容C2電壓可串聯到線路，起到故障電流快速阻斷的作用。穩態時，電感L2和電容C1主要起到濾除諧波電壓的作用，此時L1相當于線路電感。當發生故障時，電感L1起到限流作用，并通過電感L1和電容C1的諧振，可快速降低故障電流，并通過電感L2對直流電容充電，進一步實現故障阻斷。因此LCL結構起到故障和穩態濾波的復用功能。

圖1中并聯側部分的DC/DC需要采用隔離型拓撲，例如雙主動全橋(dual active bridge,DAB)DC-DC結構，如圖2所示，故障電流控制器等效電路如圖3所示。

圖2 故障電流控制器工作原理Fig.2 Schematic diagram of fault current controller

圖3 故障電流控制器等效電路Fig.3 Equivalent circuit diagram of fault current controller

圖2(a)為穩態時控制電壓和潮流示意圖，其中R為負載，Rf為短路阻抗，VS為線路電壓，S1—S4為串聯側開關器件，L1，L2，C1為串聯側濾波器。VT1，VT2分別為直流電網電源側電壓和負荷側電壓，串聯部分進行電壓源控制，使其輸出補償電壓VT0=VT2-VT1，通過調整VT0值即可實現對負荷電壓的補償。在直流線路里，潮流控制實際上也是通過改變線路壓降來實現的，故通過改變VT0值同樣可實現對線路潮流調節的作用。補償電壓所需能量通過并聯側從電網吸收實現。

圖2(b)是故障電流控制器工作在限流模式示意圖，當檢測到故障時，H橋兩下管S3、S4導通(或者兩上管S1、S2導通)，此時LCL限流器件投入線路中，等效電路如圖3(a)所示，故障電流首先通過L1和C1振蕩限制其故障電流上升率，在L1和C1諧振周期時間故障電流開始下降。同時在諧振周期內故障電流控制器進行判斷或接受系統指令，是否需要進行故障阻斷，如不需要則維持次狀態，如需要則切換到阻斷模式。圖2(c)是故障電流控制器工作在阻斷模式的示意圖，當接受到系統故障分斷指令時，封鎖H橋脈沖，故障電流通過IGBT反并聯二極管將直流電容C2串聯接入線路中，等效示意圖如圖3(b)所示，由于C2的方向電壓存在，使得線路故障電流快速下降，實現故障電流完全阻斷。

多功能故障電流控制器的設計思路在于穩態時通過并聯側提供能量，故障時通過串聯側濾波器提供限流阻斷功能。基于此方式，圖1的拓撲結構可根據實際情況進行適當的調整。例如并聯側DC/DC也可采用其他結構的隔離型拓撲，或者取締并聯側，在中間直流側接入儲能電池，用來實現電壓補償和潮流控制的作用，類似于交流電網中的動態電壓恢復器(dynamic voltage restorer,DVR)。串聯側H橋結構也可根據具體需求進行調整，例如當直流線路電壓為1 500 V時，可考慮采用三電平結構，實現裝置的效率優化。

在真雙極的直流配電網中，需要正負極母線同時接入故障電流控制器，并進行正負極的獨立控制，實現雙極的獨立電壓補償、潮流調節和故障限流阻斷。真雙極結構下的多功能故障電流控制器拓撲結構如圖4所示。穩態工作時，無論電壓補償還是潮流控制，核心思路都是實現對線路電壓的調節，即調節圖2(a)中VT1和VT2之間電壓。因此圖2(a)中串聯側需要進行電壓環控制，實現電壓暫降、暫升和脈動電壓補償。

圖4 真雙極故障電流控制器拓撲結構Fig.4 Topology of true bipolar fault current controller

圖5 故障電流控制器穩態控制Fig.5 Steady state control of fault current controller

2 故障電流控制器故障快速檢測方法

文中故障電流控制器由于采用LCL結構，通過對兩個電感電流的分別采樣，可實現對故障的快速判斷。文中以故障電流控制器中限流電感的電壓變化率和限流電容的電流變化率為基準，對兩組變量進行綜合比對后，對為故障判斷特征量，設計了故障檢測方案。由于故障電流控制器可能安裝在真雙極結構中，同時需要區分短路故障和高阻故障，因此故障檢測方案包括故障極識別和故障類型判斷。在此基礎上，故障電流控制器還可通過限流模式和阻斷模式的切換，實現瞬時性故障和永久性故障的穿越。

2.1 故障檢測方案

直流故障發生后，故障線路上限流電感L1和L2的電壓變化率迅速增大，電容C1的電流變化率同樣迅速發生變化，遠遠大于非故障線路的限流器件電壓電流變化率。與傳統故障判斷只能通過限流電感電壓變化率判斷不同，故障電流控制器限流器更為復雜，所以可通過多維度變化率綜合判斷，提升故障判斷的快速性，并降低系統誤故障判斷率。故障電流控制器綜合比對限流電感L1的電壓變化率和電容C1的電流變化率，據此設置故障線路判斷閾值：

(1)

式中：duref/dt和diref/dt分別為電感L1的電壓變化率和電容C1的電流變化率的判斷閾值。

系統采用真雙極結構，完整系統結構如圖4所示。根據系統結構，可以分為單極故障和雙極故障，單極故障如圖2(b)所示，正極對地短路，或者負極對地短路，也可能出現正負極之間短路的情況。

在真雙極系統中，故障可能出現在正極、負極或者正負極之間，因此需進行故障類型判斷，判定故障是極間短路故障還是單極對地故障。

發生極間短路故障后，直流側故障電流同時流經正極和負極線路，因此正極和負極線路上的限流電感的電壓變化率基本相等，電容電流的變化率同樣基本相等。而單極接地故障的正負極線路限流電感電壓變化率差別較大，可將此特征作為故障類型判斷依據，當滿足式(2)條件時，為雙極故障。

(2)

當滿足式(3)條件時，為單極故障。

(3)

進行故障類型判斷時，首先判斷故障是單極故障還是極間故障。限流電感的電壓變化率和限流電容電流變化率作差，并將該差值取絕對值后進行判斷。當絕對值差值高于設定故障類型判斷閾值時，說明正極和負極限流器件變化率差異較大，因此判定此時為單極接地故障。反之，絕對值差值低于設定故障類型判斷閾值時，說明正負極限流器件電壓電流變化率幾乎一致，因此正極和負極線路均在故障回路中，此時判定為極間短路故障。

當故障類型判斷結果為極間短路故障后，此時正負極同時發生故障，需要故障電流控制器的正負極同時動作，故不需要再單獨判定故障極。若故障類型判斷結果為單極接地故障，則還需要進一步明確故障定位，是正極故障還是負極故障。正極故障極識別判據如下：

(4)

負極故障極識別判據如下：

(5)

在進行正負極故障判斷時，可直接利用正極和負極限流電感電壓變化率和限流電容電流變化率的差值，無需再進行絕對值處理。如果該差值高于設定故障極識別閾值，則正極線路限流電感電壓變化率大于負極線路限流電感電壓變化率，正極線路限流電容電流變化率大于負極線路電容電流變化率，即正極線路所在回路的阻抗較小，正極線路發生故障。若該差值低于故障極識別閾值，并為負值，即負極線路所在回路的阻抗較小，負極線路發生故障。根據上述閾值判斷，可識別單極故障、雙極故障，并可明確故障發生位置。

低阻故障判斷的閾值設定，此時將式(1)中的uref和iref調整為urefp和irefp，需要考慮線路阻抗，故障放電回路的阻抗越大，限流電感上電流的變化越小，所引起的電壓變化率越小。計算線路上限流電感的最小電壓變化率，需要將線路中的最大阻抗參數帶入計算。因此，根據圖3(a)中等效電路，將直流故障線路全線路長度對應的阻抗帶入求解，得到直流故障發生后，限流電感電壓變化率的最小值urefp和限流電容電流變化率的最小值irefp。為了保證故障類型判斷的準確性，設定故障線路判斷閾值高于限流電容電流變化率的最小值和限流電感電壓變化率的最小值。考慮一定裕度情況下，引入故障裕度調節參數，一次故障線路判斷閾值的設計可調整為：

(6)

式中：kref為故障裕度調節參數。

當kref取值較大時，故障時限流電感電壓變化率和限流電容的電流變化率需更長時間超過閾值，從而完成故障判斷。但同時非故障線路上限流電感電壓變化率和限流電容的電流變化率卻不容易超過故障線路判斷閾值，誤報概率降低；當kref取值較小時，限流電感電壓變化率和限流電容的電流變化率能夠在較短時間內超過閾值，完成故障類型判斷。但故障裕度調節參數取值過低，非故障線路上限流電感電壓變化率或限流電容電流變化率出現波動時，容易超過該閾值，誤報概率增加。綜合考慮故障類型判斷的正確性和快速性，kref可取值范圍為95%～105%。

上述故障判斷時考慮低阻故障。當發生高阻故障時，故障后各換流站直流線路限流電感電壓變化率比低阻故障時小很多，因此需要對高阻故障提出直流故障的后備檢測方案，實現對低阻故障和高阻故障的多類型故障綜合判斷。

高阻故障判斷主要容易和負荷突變發生混淆，主要判斷依據在于限流電感的電壓變化率和限流電容的電流變化率，所以只要保證故障的閾值大于滿負荷突投引起的電壓電流變化率即可實現對高阻故障的判斷。通過計算可得出負荷從零到滿額突投時限流電感的電壓變化率urefe和限流電容的電流變化率irefe，定義高阻電壓變化率閾值uref3和電容電流變化率閾值iref3，得出兩者關系：

(7)

krefe取值應大于1，取值越大，非故障極被誤判為故障極的幾率越低，但也將降低故障極識別速度。krefe取值要遠低于阻故障閾值，為了將二者進行有效區分，對于高阻故障加入線路電流幅值判定，即必須同時滿足式(7)的變化率閾值，且滿足線路電流:

iL1>iref4

(8)

式中：iref4為線路額定負載電流。

當系統同時滿足式(7)和式(8),才可判斷為高阻故障，避免和負荷突投相沖突；當系統滿足式(1)一個條件時，即可以判定低阻故障，實現對低阻故障判斷的快速性和高阻故障判斷的準確性。

2.2 限流和阻斷模式判斷

限流模式的目的是為了降低故障電流的上升率，但并不能有效完整抑制故障電流，因此需進入到故障阻斷模式，才能進行故障抑制。在此定義限流模式為投入可控電壓的直流母線電容，該過程是將故障電流限制在一定水平，即使低阻故障，線路也不會出現較大幅值的電流。目的在于：

(1) 如線路中故障時間很短，即出現瞬時性故障，故障電流控制器可保證線路的快速重合閘，恢復額定供電；

(2) 當故障出現在饋線位置時，故障電流控制器并不會直接將母線切斷，將故障電流限制在一定水平范圍內等待主控指令，如接受指令為饋線位置，則繼續維持電流在區間范圍，等待饋線開關切斷后，故障電流控制器恢復母線額定供電；

(3) 當故障出現在母線出口位置時，故障電流控制器接受系統調度，進入完全阻斷模式，保證線路供電安全性。

故障判斷的時序根據式(1)—式(6)進行故障類別判斷，識別單極/雙極故障，正極/負極故障。當故障判斷邏輯從限流模式進入到阻斷模式后，系統需重新加入判定依據來確定此故障是否可自恢復。當限流器件投入后，線路電流開始下降，此時設定電流下降閾值，當電流下降到該閾值后，系統可恢復到旁路狀態。因為對于故障判斷時間的約束主要在于最初的旁路狀態到限流器件投入，故電流下降僅通過幅值判定即可。在此狀態后，需設定限流狀態時間，而限流時間設定的依據選定為式(7)高阻故障閾值。低于此閾值時，系統恢復至額定負荷；高于此閾值時，線路故障依然存在，需要完全切除故障，系統完全進入到阻斷模式。

3 仿真驗證

為驗證文中故障電流控制限流阻斷功能，搭建直流配電系統仿真平臺，系統方案如圖4所示，系統參數如表1所示。

表1 系統參數Table 1 System parameters

圖6為電壓跌落時仿真波形，結合圖4系統結構所示線路電壓和負載電壓，負載額定電壓保持目標為750 V，而線路電壓為820 V。0.1 s之前負載電壓和線路電壓相等；0.1 s之后加入電壓補償控制，使得負載電壓保持750 V額定，驗證故障電流控制器具備電壓調節能力。

圖6 電壓跌落補償仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of voltage sag compensation

圖7為高阻短路故障電流阻斷波形。故障發生之前，線路額定電流為700 A。0.499 s時刻發生線路金屬短路故障，根據式(1)的故障閾值進行判斷。

圖7 高阻短路故障電流阻斷波形Fig.7 High resistance short circuit fault current blocking waveforms

由圖7可知，系統發生短路故障后，0.500 s時封鎖全部脈沖，即1 ms可實現故障檢測，檢測速度可適用于直流配電線路。檢測到故障后，由于直流母線的投入，線路電流在0.500 s時刻完全下降。0.499 s到0.500 s之間的線路電流振蕩由L1C1振蕩引起，同時能量完全轉移到中間直流電容，直流電壓由800 V升到900 V，電壓升幅取決于中間電容容值。

為了驗證高阻短路故障和負載突投的判斷識別，圖8給出了負載突投仿真波形。0.499 s時刻投入額定負載，同樣由于L1C1存在線路電流開始有一個諧振峰，之后電流恢復至額定，由于電流幅值和變化率的限制，使得故障電流控制器可明確區分負載突投和短路故障。

圖8 突投額定負載波形Fig.8 Rated load waveforms of sudden switching

在實際直流配電系統中，可能存在永久性故障或瞬時性故障，在發生瞬時性故障時，故障電流控制器可快速恢復故障，將故障時刻的電流進行限制。圖9為瞬時性金屬短路故障波形，0.499 s故障發生后，故障電流快速上升；0.500 s封鎖脈沖后，電流開始下降；0.505 s時刻閉合S3和S4，此時故障已經消失，電流恢復至額定，實現瞬時性故障穿越。

圖9 瞬時故障穿越波形Fig.9 Transient fault ride through waveform

圖10為永久性金屬短路故障波形。0.499 s故障發生后，故障電流快速上升；0.500 s封鎖脈沖后，電流開始下降；0.504 s時刻再次閉合S3和S4，此時由于故障依然存在，故障電流快速上升，根據限流器件電流變化率和電壓變化率閾值判斷，認定此時依然存在短路故障；0.505 s再次封鎖脈沖，故障電流下降到零，通過2次判斷實現永久性故障阻斷。

圖10 永久性故障穿越波形Fig.10 Permanent fault ride through waveform

4 結語

針對直流電網中存在短路電流快速上升，末端電壓波形等問題，文中提出了一種基于LCL型多功能故障電流控制器拓撲結構，通過對LCL濾波器的功能復用，使其同時具備故障限流、故障阻斷和電壓調節等功能，減少了直流系統的設備數量。

在LCL多功能故障電流控制器拓撲結構基礎上，提出了故障電流快速檢測方法，通過對限流器件電壓變化率和電流變化率的綜合判斷，實現低阻故障、高阻故障和負載突投等多種情況的快速識別，并可以實現線路瞬時性故障穿越和永久性故障阻斷。最后通過搭建仿真系統驗證故障電流控制器拓撲結構及其故障快速檢測方法的有效性。

本文得到國網江蘇省電力有限公司科技項目“交直流系統PET與FCL協調控制技術研究” (J2 0 1 9 1 34)資助，謹此致謝！