直流微電網接地故障分析及接地設計研究

趙勇囈，趙創業，孫振興

(國網安徽省電力有限公司淮北供電公司，安徽 淮北 235000)

0 引言

隨著可再生分布式發電(如太陽能光伏)的普及[1]，以及電子負載和電動汽車的日益普及，人們產生了使用直流微電網(DCMG)的想法。與交流微電網(ACMG)相比，DCMG有幾個優勢，但在DCMG保護方面，如接地、接地故障檢測、定位和故障隔離仍然是開放的研究。

電力系統接地是一個非常重要的因素[2]，它影響接地和沖擊故障電流，并確保人類和牲畜免受電力的危害。本文評價了DCMG不同接地方案的性能，通過對接地設計權衡和DCMG接地故障檢測方案的研究，確定了不同接地配置下的故障檢測可靠方案。

1 接地注意事項

DCMG接地和保護方案的目的是在故障條件下最大限度地保證人員和設備的安全[3]。在這方面必須考慮：故障電流大小，接觸電壓、故障檢測和電流限制。由于這些需求通常是相互對立的，在設計適合DCMG的接地方案時，必須進行一定的權衡。

電網規范的要求之一就是要具有故障穿越能力，它要求DCMG在故障期間保持其母線電壓穩定[4]，并且需要DCMG控制方案參與故障期間母線電壓穩定的維護。

2 系統結構

本文采用廣義DCMG模型，該模型由以下部分組成：兩級并網電壓源變換器(G-VSC)控制直流母線電壓[5]；儲能系統(ESS)通過一個雙向降壓升壓變換器連接到直流母線上；太陽能光伏(PV)電站通過一個單向升壓變換器連接到直流母線上；將幾種直流負載分別建模為線性負載和固定功率負載。表1列出了DCMG模型的特征數據。

表1 直流微電網特征數據

3 電力電子變換器在故障期間的行為

DCMG故障導致直流母線電壓波動，進而導致PE轉換器行為變化。下面討論了故障條件下兩級變電壓控制和DC/DC降壓升壓變換器的運行行為，假設在整個分析過程中都沒有故障保護/中斷，PE轉換器在發生故障后繼續向負載和故障輸送電力。

3.1 G-VSC

G-VSC正極接地故障，如圖1所示，接地故障電阻Rg的減小會導致電壓波動較大，從而導致G-VSC失去控制。根據直流電壓Vdc的不同，有3種不同的操作行為，即線性調制、過度調制、不規則調制。

圖1 VSC正極接地故障

3.2 DC/DC變換器

穩態下，ESS和PV電站都會產生接地故障電流，但前提是有閉合回路。圖2a為DC/DC升壓變換器的正極接地故障。

故障可使Vdc脫離調節，但仍高于DC/DC變換器的輸入電壓Vin，變換器的額定電流將限制PV電站或ESS產生故障電流。然而，如果Vdc低于Vin，電感電流將無限制地增加，以致變換器控制也不能限制電流。因此，ESS和PV電站產生的接地故障電流將遠高于最大額定電流。當故障電流流過二極管時，即使采用IGBT去飽和保護方案阻止IGBT操作，也不能限制電流。圖2b為二極管續流故障電流的等效電路。

圖2 故障電路

4 接地故障分析

本節采用DCMG模型進行PSCAD/EMTDC仿真,分析了不同的接地配置:(1)交流電網變壓器中性點接地，直流母線隔離；(2)交流電網變壓器中性點隔離，直流負極母線接地；(3)交流電網變壓器中性點隔離，直流母線中性點接地。為了便于分析，忽略電纜電阻和電感，故障均設定在t=2 s時。

4.1 交流電網變壓器中性點接地，直流母線隔離

4.1.1 高接地故障電阻(Rg=5 Ω)

在發生高阻接地故障后，Vdc被G-VSC控制系統恢復到額定值(圖3a)。圖3b為故障發生后直流正極相對于地的電位Vpole+。如圖3c所示，故障后Ig與Vpole+具有相同的波形和頻率，Ig的直流分量只能通過VSC的續流二極管。

對于高Rg，通過G-VSC的直流分量方向，從上端子向外為Ivsc+(圖3d)，從下端子向內為Ivsc-(圖3e)。對于PV電站電流Ipv和ESS電流Iess，在穩態下，任何接地故障電流均不存在閉合回路。因此ESS和PV電站不給接地故障供電，只給負載電流供電，如圖3f、3g所示。

從上到下分別為直流母線電壓、直流正極與地之間的電壓、接地故障電流、VSC上端電流、VSC下端電流、PV電站電流、ESS電流。圖3 DCMG中直流母線隔離、交流電網變壓器中性點可靠接地時發生高Rg接地故障的電壓和電流

該接地配置可采用基于Ig測量的接地故障檢測方案來檢測高電阻接地故障。但如果Rg很高或接地不可靠，由于Ig很小，無法檢測到故障，此時可采用絕緣監測進行檢測，識別由接地故障引起的絕緣電阻下降。

4.1.2 低接地故障電阻(Rg=0.1 Ω)

如圖4a所示，當Rg較低時，Vdc脫離調節。圖4b為直流正極與地之間的電勢，圖4c為Ig的變化。故障發生后，Vdc隨著直流側電容Icap的放電而減小(圖4d)。由于Vdc變化迅速，在穩定狀態下，故障電流通過電容器。

對于低Rg，PV電站電流Ipv和ESS電流Iess及故障電流存在閉合回路。Ipv的變化(圖4g)和故障后的Iess(圖4h)說明PV電站和ESS在這種情況下為接地故障供電。

通過監測Ig可以檢測這種類型的故障。

4.2 交流電網變壓器中性點隔離，直流負極母線接地

在這個系統中，直流正極接地故障將被所有G-VSC,ESS和PV電站視為一個具有低電阻的額外負載。

4.2.1 高接地故障電阻(Rg=5 Ω)

Rg=5 Ω時的仿真結果，如圖5所示。Vdc(圖5a)被VSC控制帶回到額定值。Ig(圖5b)由G-VSC電流Ivsc(圖5c)，PV電流Ipv(圖5d)，ESS放電電流Iess(圖5e)和電容放電電流Icap(圖5f)組成。然而，在此故障期間ESS放電電流Iess會因為VSC控制快速恢復Vdc而非常小。

從上到下分別為直流母線電壓、接地故障電流、VSC電流、PV電站電流、ESS電流、電容放電電流。圖5 DCMG中直流母線負極接地、交流電網變壓器中性點隔離時發生高Rg接地故障的電壓和電流

4.2.2 低接地故障電阻(Rg=0.1 Ω)

對于較低的Rg，如0.1Ω，Ig將高于G-VSC，PV電站和ESS的最大允許電流。因此，故障期間Vdc(圖6a)低于額定值。在不受變換器控制和保護方案限制的情況下，Ig(圖6b)可以達到相當高的值。從Ivsc的變化(圖6c)可看出，故障發生后，通過G-VSC的電流已經超過G-VSC的電流限值，G-VSC不再在調制區域工作。

Ipv和Iess在故障后的行為分別如圖6d，6e所示。電壓突然下降是由于接地故障后直流側電容放電電流(圖6f)造成的。

從上到下分別為直流母線電壓、接地故障電流、VSC電流、PV電站電流、ESS電流、電容放電電流。圖6 DCMG中直流母線負極接地、交流電網變壓器中性點隔離時發生低Rg接地故障的電壓和電流

在該接地配置下，由于Ig很高，容易檢測出低Rg接地故障。為保護人員和設備免受高Ig影響，應采用快速故障檢測和隔離方案。

4.3 交流電網變壓器中性點隔離，直流母線中性點接地

直流母線中性點接地的優點是每極電壓為極間電壓的一半,直流母線中點可采用電容分壓器或電阻分壓器。

接地故障發生后，穩態時，G-VSC，ESS和PV電站均不給接地故障供電，Ig的直流分量沒有閉合回路流動。圖7為Rg=0.1 Ω的仿真結果。不管Rg為多少，Vdc(圖7a)可以保持在額定值。Ig(圖7b)由G-VSC，ESS，PV電站和直流側電容放電電流組成。Vpole+(圖7c)被拉到零且與Rg無關，這是直流正極電容器放電電流Icap1(圖7d)造成的。

VSC和ESS對故障電流的貢獻分別如圖7e、7f所示,該故障電流在負極電容處重新閉合，增大了Vpole-(圖7g)。

從上到下分別為直流母線電壓、接地故障電流、直流正極與地之間的電壓、電容放電電流、VSC電流、ESS電流、PV電站電流、直流負極與地之間的電壓。圖7 DCMG中直流中性點接地、交流電網變壓器中性點隔離時發生低Rg接地故障的電壓和電流

由于電容器放電和充電會產生瞬態Ig，可利用基于故障檢測方案的接地故障電流檢測,絕緣監測裝置也可用于檢測這些高阻故障。

表2總結了適用于各種接地配置的接地故障檢測方案。

表2 各種基礎配置及其適合的接地故障檢測方案

5 結論

本文研究了不同接地方式下直流微電網的接地故障特征，評估了設計考慮和權衡了選擇接地配置。正確選擇接地配置和接地故障檢測方案，有利于DCMG安全可靠運行。最后，總結了適用于各種接地結構的故障檢測方案，便于可靠的故障檢測。