基于电流差动的直流配电网保护方案

吉兴全，孙灏，陈尔奎，史小雪，张玉振

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

0 引 言

分布式发电(Distributed Generation, DG)技术的日臻成熟，其在配电系统中的渗透程度愈来愈高，对交流配电网的安全运行形成越来越大的压力。相比较于交流配电网，柔性直流配电网在接纳分布式电源方面拥有更大的优势[1]。文献[2]中介绍了芬兰某公司在农村地区用低压直流配电线路替代了老旧中压交流分支线路，提高了配电网的经济性和可靠性。然而，直流配电网的故障特征与交流配电网有本质上的差异，已有的交流配电网的保护技术对于直流配电网并不完全适用。

目前，国内外学者对柔性直流配电网的故障特性和保护技术做了一定的探讨。文献[3]对现有的直流配电网故障检测和故障定位方法进行了评述。文献[4]利用本地测量和通信技术，提出了一种低压直流配电网保护方案，能实现限制故障电流和可靠的快速恢复。文献[5-6]利用暂态电容电流确定故障区间。文献[7-9]针对不同的直流配电系统，提出了不同的故障检测方法和故障隔离手段，但是没有分析单端电源向无源网络供电的情况。文献[10-11]依托深圳六端柔性直流配电示范工程，以背靠背典型两端直流配电网为例，分析了直流线路极间短路故障时的暂态特性及其对交流系统、换流器及直流侧的影响。文献[12]中提出了电流微分量保护，但是未考虑负载变化引起线路电流突变时对保护的影响。

目前的研究鲜有关于单端直流电源向无源网络供电的情况，设计的保护很难达到快速切除故障的要求，且未考虑投切负载时造成的电流变化对保护的影响。针对含分布式电源的直流配电网向无源网络供电的情形搭建了仿真模型，分析了极间短路和单极接地短路下的故障电压特性，提出了欠电压保护和电流差动保护的综合保护方法，并通过投切后备电源提高供电的可靠性。

1 直流配电网建模与故障分析

1.1 辐射状直流配电网建模

目前，我国的交流配电网以辐射状结构为主，发展直流配电网过程中，可以在原有的配电网的结构上进行改造，用低压直流配电技术替代老旧中压分支线路。所以，研究辐射状直流配电网具有重要的现实意义。

以辐射状拓扑结构的直流配电网分析故障特性和保护方案，如图1所示。其中，与交流主网连接的电压源换流器(VSC)采用三相两电平结构，光伏电源(PV)经Boost升压电路接于±7.5 kV直流母线。为了方便分析，直流负载和交流负载分别用阻性负载等效代替。

图1 辐射状直流配电网结构图

1.2 直流网络故障分析

直流网络故障主要是指直流线路的故障。对于直流线路，最常发生的是极间短路或接地短路故障[13]。

1.2.1 极间短路故障分析

极间短路故障是直流线路中最严重的一类故障，发生极间短路故障时，可用图2所示的等效电路进行分析。

根据直流线路两极短路故障电路响应特性，可以将故障过程大体分为三个阶段：直流侧电容放电阶段、电感放电阶段和不可控整流稳态阶段。

(1)直流侧电容放电阶段

当发生极间短路故障时，IGBT瞬间锁定，此时，交流侧通过续流二极管与直流侧连接。由于此时的直流侧电压大于交流侧电压，直流线路故障电流将以直流电容向短路点放电为主[14]。因此，直流侧可等效为一个RLC二阶放电电路，等效电路图如3所示，Lr、Rr分别为母线到故障点的等效电感和电阻。

图2 直流配电网极间短路故障等效电路

图3 电容放电阶段等效电路图

系统在稳态运行时的直流侧电压为Udc，电流为I0。在故障发生时，可得：

(1)

udc(t)=e-bt[A1sin(ωdt)+A2cos(ωdt)]

(2)

电容放电电流为：

(A1b-A2ωd)cos(ωdt)]

(3)

(2)电感放电阶段

电容器放电完成后，其两端电压变为0，此时，换流器中反向并联的二极管导通，电感释放吸收的电能以维持电流的连续性，等效电路如图4所示。

图4 电感放电阶段等效电路图

(4)

由图4可知流过反向并联二极管的电流为直流线路上故障电流的三分之一。其值是正常运行时二极管电流的几十倍甚至上百倍[12]，可能会直接导致二极管损坏。

(3)不可控整流稳态阶段

电感放电阶段完成后系统进入稳定状态，电压源换流器相当于一个三相不可控整流桥，其等效电路图如图5所示。这时，交流电源将持续提供故障电流，极间电压降落到几乎为0。

图5 不可控整流稳态阶段等效电路图

1.2.2 单极接地短路故障分析

在实际运行中，极间短路故障发生的几率较小，最常发生的是单极接地短路故障。假设故障发生在正极，如图6所示。

由于直流侧电容中性点接地，所以正极电容与接地点形成一个RLC二阶放电回路。负极的电容仍连接在电路中，换流器直流侧输出电压将直接加到此电容两侧。若电容放电回路为过阻尼回路，对于直流负载而言，经过故障的暂态过程后，其供电电压将恢复正常，对负载回路没有影响。

图6 正极接地短路故障示意图

若系统在稳定运行时的直流侧电压和电流分别为Udc和I0。在故障发生时，首先是正极电容的放电，电路方程表示为：

(5)

if(t)=Ce-bt[(A1ωd+A2b)sin(ωdt)+

(A1b-A2ωd)cos(ωdt)]

(6)

故障极电容放电完成后，电容两端的电压变为0，而非故障极电容两端的电压上升，变为极间电压Udc。

2 直流配电网保护方案

2.1 电流差动保护

为保护直流设备安全及柔性直流配电网的稳定运行，检测到直流线路短路故障后应尽快隔离故障。

通过上文的故障分析过程可以看出，在直流电容放电阶段，故障电流幅值会在短时间内急剧上升。如果在无法将故障快速切除，会使VSC中与IGBT反向并联的二极管流过大电流，可能烧坏二极管。所以，所设计的保护应该在电容放电阶段就将故障切除，保护的速动性显得尤为重要。

电流差动保护以线路两端电流的差值为动作依据，其保护范围明确，动作几乎没有延时，适合于直流配电网。电流差动保护的动作判据为：

|Idiff|>KrelIS1

(7)

Idiff=Idc1-Idc2

(8)

式中Idc1和Idc2分别代表线路首末两端的电流；Krel是可靠系数，一般取1.15～1.5，IS1是差分电流阈值。

当被保护线路上发生短路故障时，由上文的短路分析可知，线路首端电流Idc1突升。由于线路末端也有大电容，所以，电容与故障点也构成一个RLC二阶电路，线路的电感有一定的续流能力，随着的电容的放电，末端电流Idc2会先减小，减小到0之后会反向增大，此时，Idc1和Idc2方向相反。在短路时，在Idiff很短的时间内就会大于设定的差分电流的阈值。通过仿真验证，在短路之后的0.5 ms处，电流差动保护动作，实现了速动性。

2.2 欠电压保护

若只配置电流差动保护，无法切除直流母线的短路故障，所以，还应该配置一种保护来保护直流母线。从故障分析中可看出，直流配电网无论发生极间短路故障还是单极接地短路故障，在电容放电阶段，故障极电压都会急速减小，所以，欠电压保护是一种具有显著优势的保护方案。欠电压保护的动作判据为：

Udc≤U0

(9)

在直流电压下降到额定电压的70%时，大多数用电设备仍能正常工作[15]，因此，文中欠电压保护整定值为正常运行电压的0.7倍，即：

Uset=0.7Udc

(10)

发生极间短路故障时，随着直流侧大电容放电，极间电压迅速减小，当极间电圧减小到欠电压保护整定值时，断路器动作，切除故障。

3 仿真验证

3.1 保护原理仿真

发生单极接地短路故障时，若仅仅切除故障极，会发生电压偏移。

如图7所示，在3 s时刻发生正极接地短路故障，持续时间为1 s，短路期间，正极电压为0，负极电压为稳态运行时的2倍。故障切除后，两极电压恢复正常。

图7 发生单极故障电压变化

若只将故障极切除，电压波形如图8所示。同样，在3 s时发生正极接地短路故障，故障极电压下降，非故障极电压增大，在3.1 s时故障极断路器动作，故障极电压升高直到极间电圧，而非故障极电压减小到0。

图8 切除故障极后电压变化

可见，当发生单极接地短路故障时，如果仅仅将故障极电路切除，直流配电网系统也无法向负载供电，所以应将非故障极线路同时切除。

在PSCAD/EMTDC平台中搭建了如图9所示的综合保护方案。图中只显示了正极线路保护部分，负极保护的原理与正极保护相同。Eb和Ea分别代表正极对地电压和负极对地电压。当Eb，Ea的值小于设定的欠电压保护的整定值时，发出动作信号。Edc1代表极间电压，当该电压值小于设定的整定值时也发出动作信号。Idc1和Idc2分别代表线路首末两端的电流。若首末两端的电流差值的绝对值大于设定阈值，则可判断线路中发生短路故障。正极发生短路故障时，负极两端的电流没有差别，负极的电流差动保护不会动作。所以，在设计差动保护时应同时选取正负两极的差分信号。

图9 正极线路保护方案仿真图

3.2 仿真结果

根据图1所示结构，在PSCAD/EMTDC软件中搭建含有分布式电源的直流配电系统模型。交流主电网的电压为35 kV，VSC中SPWM的频率为2.0 kHz，换流电抗器电感为5.61 mH，等效损耗电阻为0.2 Ω，直流侧大电容为8 000 μF，输电线路的等效电阻为0.36 Ω，等效电感为5 mH，交流负载侧母线电压为10 kV，直流负载的等效电阻为20.8 Ω，交流负载的等效电阻为25 Ω。仿真时间为5 s，仿真步长为100 μs，同一条线路的两端的断路器动作特性一致，所以在本文中只展示始端断路器的动作特性。设各种短路故障都发生在t=3 s时刻。BRK3代表正极直流输电线路首端断路器，BRK4代表负极直流输电线路首端断路器，Vdc1代表直流输电线路的极间电压。Idc1代表正极直流输电线路电流，Udc代表系统电压。

直流配电系统发生极间短路故障时，电压波形图和断路器动作特性如图10所示；直流配电系统发生正极接地短路故障时，电压波形图和断路器动作特性如图11所示；母线短路时，电压波形图和断路器动作特性如图12所示；直流配电系统负载侧切除交流负载时，电压波形图和断路器动作特性如图13所示。

从图13中可以看出，当一部分负载退出运行时，直流配电系统的直流电压经过一小段时间的波动后，继续保持稳定，直流线路上电流降低，但断路器没有误动作。

图10 极间短路时的电压波形和断路器动作情况

图11 单极接地短路时的电压波形和断路器动作情况

图12 母线短路时系统的电压波形图和断路器动作情况

图13 切除负载时电压、电流波形图和断路器动作情况

由仿真结果可知，正常运行时和切除负载时，断路器都不会误动作；而发生极间短路故障和单极接地短路故障的时候，正负极的断路器都会动作，从而切除故障；母线处发生短路故障时，断路器也能迅速动作。

由上述结果还可以看出，辐射状直流配电网供电可靠性相对较低，当有重要负荷时，为了保证供电的连续性和可靠性，可以加装储能装置。若直流线路发生短路故障，VSC退出运行后，投入分布式电源和蓄电池，来提供直流电压，本仿真中的分布式电源用直流电源等效代替。在t=3 s时设置故障，交流负载处电压为10.5 kV，仿真结果如图14所示。

图14 VSC退出及储能投入蓄后的电压波形和断路器动作情况

图14中Vs是交流电压有效值，vLoad是交流负载电压的实际值。从结果中可以看出，发生故障时，断路器断开，VSC立即退出运行，此时，分布式电源为负载供电，交流负载处的交流电压几乎保持不变，说明了此方法行之有效。

4 结束语

分析了直流配电网向无源网络供电系统中的故障类型，以及分析了故障过程，根据其故障特征，设计了电流差动保护和欠电压保护联合的保护方案。当VSC退出运行后，通过投入储能装置提高了供电的可靠性和连续性。最后，在PSCAD/EMTDC中进行了仿真验证，证明了该方法的有效性。