韓杰祥，張 哲，冉啟勝，尹項(xiàng)根

（強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）,湖北省 武漢市 430074）

0 引言

近年來,城市負(fù)荷密度、直流負(fù)荷占比及分布式電源（distributed generator,DG）并網(wǎng)容量不斷增長(zhǎng)。直流配電網(wǎng)因其傳輸容量大、控制靈活、直流負(fù)荷匹配性能好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注［1-3］。低壓直流（low-voltage direct current,LVDC）配電網(wǎng)直接面向電力用戶,對(duì)終端電能質(zhì)量和供電可靠性的維持和提高具有決定性作用。

LVDC 配電網(wǎng)主要采用半橋型電壓源換流器（voltage source converter,VSC）［4］或級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器（power electronic transformer,PET）作為主供電源［5］。LVDC 配電網(wǎng)短路時(shí),電流將迅速上升,可能在數(shù)毫秒內(nèi)達(dá)到換流器閉鎖電流［6］。半橋型VSC 不具備故障阻隔能力,直流電壓跌落時(shí)運(yùn)行于不控整流狀態(tài),對(duì)交流電網(wǎng)造成過流沖擊。如果交流過流保護(hù)動(dòng)作,將導(dǎo)致LVDC 配電網(wǎng)全網(wǎng)停電。相較于半橋型VSC,PET 直接接入中壓配電網(wǎng),容量大、功能豐富、具備故障阻隔能力［7-8］。PET直接閉鎖雖能實(shí)現(xiàn)故障阻隔,但同樣會(huì)造成LVDC配電網(wǎng)停電,且重啟和恢復(fù)周期長(zhǎng)［9］。為提高供電可靠性,需要在PET 閉鎖前完成故障隔離,但這對(duì)保護(hù)的速動(dòng)性提出了較高的要求。另外,LVDC 配電網(wǎng)存在短饋線、多分支等特點(diǎn),不同位置故障的特征差異較小,保護(hù)整定配合困難。

如果能發(fā)揮PET 的控制效能,在電網(wǎng)故障期間主動(dòng)干預(yù)故障發(fā)展過程,對(duì)短路電流進(jìn)行限制,則可以避免PET 閉鎖,縮短故障恢復(fù)時(shí)間,并降低直流斷路器的切斷容量要求。同時(shí),可以延長(zhǎng)故障允許運(yùn)行時(shí)間,減小保護(hù)在故障識(shí)別和選擇性跳閘方面的難度［8-9］。目前,對(duì)PET 的研究主要集中于拓?fù)湓O(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)控制性能改進(jìn)、電能優(yōu)化管理、交流側(cè)故障穿越等方面［10-12］,對(duì)其LVDC 端口的主動(dòng)限流控制研究不足。文獻(xiàn)［13］通過在PET 低壓直流端口增設(shè)電力電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)限流功能,但所需開關(guān)容量與PET 總?cè)萘肯喈?dāng),實(shí)際應(yīng)用存在一定困難。文獻(xiàn)［14］在子模塊輸出電容支路上串聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）進(jìn)行限流控制,但所需開關(guān)數(shù)量多,且需要改變PET 主電路拓?fù)?增加制造成本、影響設(shè)備運(yùn)行可靠性。LVDC 端口的限流控制是PET 工程化應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一,相關(guān)研究亟待深入［8］。

考慮到LVDC 配電網(wǎng)對(duì)保護(hù)的性能需求,現(xiàn)有研究主要基于其故障暫態(tài)特性展開［6］。文獻(xiàn)［15］利用電流變化率構(gòu)造了反時(shí)限保護(hù)判據(jù)以解決多級(jí)饋線之間的配合問題。但是,在饋線長(zhǎng)度較短的應(yīng)用場(chǎng)合,該判據(jù)在相鄰保護(hù)之間的整定配合較為困難。文獻(xiàn)［16］提出在饋線上采用過電流保護(hù),僅適用于集中式結(jié)構(gòu),無法解決多級(jí)饋線保護(hù)之間的配合問題。文獻(xiàn)［17］提出基于母線功率變化率的差動(dòng)保護(hù),但故障功率與電流平方成正比,采用功率變化率構(gòu)成的判據(jù)容易受噪聲影響。文獻(xiàn)［18］借助通信系統(tǒng)進(jìn)行饋線過電流保護(hù)間的動(dòng)作配合,對(duì)配電網(wǎng)提出較高的通信要求,在通信系統(tǒng)故障時(shí)保護(hù)失去選擇性。文獻(xiàn)［19］基于正常與故障時(shí)回路模型的差異提出線路故障測(cè)距方法,但需要在每條線路兩端增加輔助電感。文獻(xiàn)［20］在線路間增設(shè)投切受控的并聯(lián)電感,基于改變后的回路模型,進(jìn)行故障定位。綜上,LVDC 配電系統(tǒng)饋線多、線路短,現(xiàn)有饋線保護(hù)整定及配合困難。部分保護(hù)借助通信系統(tǒng)和邊界元件降低了各級(jí)保護(hù)間的配合要求,但需要加裝大量輔助設(shè)備,增加了建設(shè)成本。

本文發(fā)揮PET 的控制效能,提出LVDC 配電網(wǎng)的主動(dòng)限流控制（active-current-limiting control,ACLC）方法,并結(jié)合各類低壓直流變換器的接口特點(diǎn),分析了電流故障分量的方向性特征?；诖?提出了不依賴于通信且無須附加邊界元件的LVDC配電網(wǎng)的保護(hù)方案。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了主動(dòng)限流控制方法及保護(hù)方案的正確性和有效性。

1 LVDC 配電網(wǎng)架構(gòu)

1.1 LVDC 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

LVDC 配電網(wǎng)包括集中型、輻射型以及雙端型結(jié)構(gòu),如附錄A 圖A1 所示,圖中,MV 表示中壓。其中,部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到工程示范應(yīng)用［21-22］。故障隔離是直流電網(wǎng)研究中的難點(diǎn),在高壓大容量領(lǐng)域,直流斷路器仍是直流電網(wǎng)發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。然而,在低壓系統(tǒng)中,直流斷路器技術(shù)已相對(duì)成熟,且成本較低,性能良好［1-4］。采用限流控制后,對(duì)直流斷路器切斷時(shí)間和容量的要求將進(jìn)一步降低。因此,可在不閉鎖PET 的情況下,利用直流斷路器實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)故障的有效隔離。

附錄A 圖A2 所示是具有LVDC 接口的變換器結(jié)構(gòu)。圖A2（a）和（b）所示為DC/DC 變換器結(jié)構(gòu),HFT（high frequency transformer）為高頻變 壓器。圖A2（c）所示為DC/AC 變換器結(jié)構(gòu)。上述變換器均可實(shí)現(xiàn)功率雙向傳輸,可用于DG 以及儲(chǔ)能并網(wǎng)。圖A2（d）所示為直流負(fù)荷接口,可防止電網(wǎng)故障時(shí)負(fù)荷電壓驟降［19］。

1.2 PET 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及控制系統(tǒng)

PET 是LVDC 配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)之間的關(guān)鍵設(shè)備,一般采用串聯(lián)輸入并聯(lián)輸出（input series output parallel,ISOP）結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)MV/低壓（LV）變換。PET 可劃分為AC/DC 和DC/DC 結(jié)構(gòu),如附錄A 圖A3（a）和（b）所示。圖A3（c）所示為AC/DCPET 的子模塊結(jié)構(gòu),其中H 橋（H-bridge,HB）和雙有源橋（dual active bridge,DAB）分別實(shí)現(xiàn)AC/DC和DC/DC 變換。如圖A3（c）所示,本文將子模塊中的HB 表示為前級(jí)H 橋,將DAB 兩側(cè)的HB 表示為一次側(cè)和二次側(cè)H 橋,以便于后續(xù)分析。

AC/DC-PET 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需要同時(shí)控制前級(jí)H橋和級(jí)聯(lián)DAB。因此,本文以該結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析,相關(guān)結(jié)論可用于DC/DC-PET。正?？刂颇Ｊ较?AC/DC-PET 的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附錄A 圖A4 所示。圖中：u為子模塊電壓指令值；usmave為子模塊平均電壓；u、P*、Q*和udc、P、Q分別為直流電壓、有功功率及無功功率的指令值和測(cè)量值；i和i分別為d、q軸電流的指令值；uoref為輸出電壓的參考值；usmi（i=1,2,…,n）表示子模塊i的測(cè)量電壓；φ/和φ/分別表示不同控制方式下DAB 的頻移/相移指令值；Δφi/Δfi表示均壓調(diào)節(jié)的頻移/相移附加值；Gx（x=vh,vo,p,q,vf,df）表示各控制環(huán)的控制器傳遞函數(shù)。直流電壓穩(wěn)定時(shí),PET 采用功率外環(huán)工作在恒功率模式；需要調(diào)節(jié)直流電壓時(shí),PET 采用直流電壓外環(huán)工作在恒電壓模式。電流內(nèi)環(huán)根據(jù)外環(huán)控制器輸出的電流指令值調(diào)節(jié)生成輸出電壓參考值。不同工作模式下,PET 可采用統(tǒng)一或分級(jí)控制方式［23-24］。

2 LVDC 配電網(wǎng)主動(dòng)限流控制方法

2.1 主動(dòng)限流控制目標(biāo)

從改善配電網(wǎng)故障運(yùn)行性能、提高供電可靠性的角度出發(fā),制定主動(dòng)限流控制目標(biāo)如下：

1）減小LVDC 配電網(wǎng)故障對(duì)中壓主干配電網(wǎng)的影響。在短路期間,穩(wěn)定DAB 一次側(cè)電容電壓,從而消除對(duì)中壓電網(wǎng)的過流沖擊,將故障影響限制在LVDC 配電網(wǎng)內(nèi)。

2）減小停電范圍并降低斷路器切斷時(shí)間及容量要求。在故障期間將直流故障電流限制在一定范圍內(nèi),從而防止PET 閉鎖造成LVDC 配電網(wǎng)全網(wǎng)停電,并降低斷路器切斷時(shí)間及容量要求。

3）控制切換靈活、供電恢復(fù)迅速。在短路期間能夠自動(dòng)切換為ACLC。故障切除后,具備自動(dòng)恢復(fù)能力,快速恢復(fù)非故障饋線的電力供應(yīng)。

2.2 主動(dòng)限流控制方法

2.2.1 控制啟動(dòng)方案

利用LVDC 配電網(wǎng)短路時(shí)電壓跌落和電流上升的特點(diǎn),可采用低電壓和過電流元件與門出口作為限流控制的啟動(dòng)方案,判據(jù)為：

式中：udc和idc分別為PET 的端口電壓和輸出電流；Ust和Ist分別為啟動(dòng)電壓和啟動(dòng)電流,取值為PET 長(zhǎng)期運(yùn)行的最小允許電壓和最大允許電流。

當(dāng)式（1）判據(jù)滿足時(shí),PET 從正?？刂颇Ｊ角袚Q至故障控制模式,進(jìn)行主動(dòng)限流控制。

2.2.2 前級(jí)H 橋控制前級(jí)H 橋控制策略如附錄A 圖A5 所示。采用電壓外環(huán)控制H 橋電容平均電壓,以防止級(jí)聯(lián)H 橋環(huán)節(jié)進(jìn)入不控整流狀態(tài)引起交流側(cè)過流。電流內(nèi)環(huán)仍采用dq解耦控制。只要DAB 環(huán)節(jié)能夠有效限制故障電流,即限制短路功率,圖A5 控制策略就能實(shí)現(xiàn)電容電壓的可靠維持。其中,ud和uq分別為PET并網(wǎng)點(diǎn)電壓的d、q軸分量,u和u分別為交流側(cè)調(diào)制電壓d、q軸指令值,其余變量含義與圖A4 中相同。

2.2.3 級(jí)聯(lián)DAB 控制

要實(shí)現(xiàn)ACLC 和前級(jí)H 橋電容電壓的穩(wěn)定,關(guān)鍵在于通過DAB 對(duì)短路電流進(jìn)行限制,從而限制子模塊的傳輸功率。為限制短路電流,需要自適應(yīng)調(diào)節(jié)PET 的輸出直流電壓。故障期間,由于端口電壓較低,DAB 二次側(cè)H 橋工作于不控整流狀態(tài),因此輸出電壓調(diào)節(jié)功能主要由一次側(cè)H 橋?qū)崿F(xiàn)。如圖1（a）所示,調(diào)節(jié)一次側(cè)H 橋觸發(fā)脈沖的內(nèi)移相角Δθ,則其輸出電壓u1的占空比得到有效調(diào)節(jié),進(jìn)而調(diào)節(jié)二次側(cè)H 橋輸出直流電壓。

圖1 級(jí)聯(lián)型PET 的主動(dòng)限流控制原理Fig.1 ACLC principle of cascaded PET

圖1（b）為ISOP 型DAB 的等值模型。其中,nT為HFT 變比,Leq和Req分別為PET 端口至故障點(diǎn)的電感和電阻。DAB 輸入電壓由前級(jí)H 橋環(huán)節(jié)控制,可等值為恒定電壓源。故障期間,一次側(cè)H 橋采用內(nèi)移相角控制,二次側(cè)H 橋由于端口電壓跌落而工作于不控整流狀態(tài),HFT 按照比例環(huán)節(jié)處理。基于此,利用電流外環(huán)實(shí)現(xiàn)ACLC,并通過電壓內(nèi)環(huán)提高調(diào)節(jié)速度。控制策略如圖1（c）所示,將PET 端口電壓和輸出電流經(jīng)反饋環(huán)節(jié)與各自的指令值u和i進(jìn)行比較,并通過外環(huán)和內(nèi)環(huán)的控制器調(diào)節(jié)生成移相角,提供給受控系統(tǒng),即

式中：Gin(s)和Gout(s)分別為內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制器傳遞函數(shù)。PET 端口電壓和輸出電流均為直流量,因此,內(nèi)環(huán)和外環(huán)控制器傳遞函數(shù)可按照對(duì)直流量的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)誤差為零的原則靈活選取,本文中選取比例-積分（PI）控制器。限流指令可以給定為［0,Imax］區(qū)間的任意值,Imax為允許DAB 長(zhǎng)期運(yùn)行的最大電流。

2.2.4 自動(dòng)恢復(fù)方案

故障切除后,PET 電流處于較低水平。如果限流值選取為故障前電流,由圖1（c）可知,電流外環(huán)將因?yàn)檎{(diào)節(jié)誤差而增大直流電壓指令,從而增大控制內(nèi)環(huán)輸出,進(jìn)而減小Δθ,向輸出并聯(lián)電容充電,直流電壓逐漸恢復(fù)。可利用故障切除后電壓自動(dòng)上升的特點(diǎn)構(gòu)造恢復(fù)判據(jù),即當(dāng)udc上升至電壓閾值Uret時(shí),PET 由故障控制模式切換至正常運(yùn)行模式。電壓閾值Uret可選取為60%～70%額定電壓。

綜上,考慮ACLC 的PET 調(diào)節(jié)過程如附錄A 圖A6 所示。在LVDC 配電網(wǎng)故障下,當(dāng)啟動(dòng)條件滿足時(shí),PET 從正常模式切換至ACLC 模式。故障切除后,PET 直流電壓在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下自動(dòng)恢復(fù)。當(dāng)輸出電壓上升到模式切換電壓后,從ACLC 模式切換至正常模式,LVDC 配電系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 LVDC 配電網(wǎng)故障特性分析

3.1 故障等值建模

以圖2（a）所示LVDC 配電網(wǎng)為例進(jìn)行故障分析。圖2 中：Ld為限流電感；Ks為交流斷路器,K0至K5為直流斷路器；B1至B3為母線；F1至F4為饋線；f1為饋線短路故障,f2為母線短路故障。電流正向規(guī)定為：由母線指向饋線的方向?yàn)檎?如圖2（a）中的電流i0至i6所示。

故障f1的等值電路如圖2（b）所示。因?yàn)轲伨€F3和F4向直流負(fù)荷供電,直流負(fù)荷一般采用圖A2（d）所示接口,所以F3和F4為無源支路。此外,LVDC配電網(wǎng)電壓等級(jí)低、饋線短,其分布電容可忽略不計(jì)。因此,在f1故障中,饋線F3和F4可做開路處理。電流i2由下游DG 或儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）提供。圖A2 中各雙向功率變換器的LVDC 接口具有相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),如圖2（c）所示。圖2（b）中,R1和L1為故障點(diǎn)到母線的饋線電阻及電感；R2和L2為短路點(diǎn)下游線路相應(yīng)電氣參數(shù)；Deq為等效二極管；Ceq為PET 等值電容。

圖2 低壓直流電網(wǎng)故障分析Fig.2 Analysis on LVDC power grid fault

式中：λ為PET 結(jié)構(gòu)系數(shù)；γ為控制狀態(tài)系數(shù)；N為橋臂級(jí)聯(lián)子模塊數(shù)；C1和C2分別為DAB 輸入和輸出電容。

對(duì)于圖A3（a）和（b）中的PET,并聯(lián)放電的子模 塊 總 數(shù) 分 別 為3N和N,因 此λ分 別 取3 和1。PET 的ACLC 投入前,γ取值為1；ACLC 投入后,由于故障電流遠(yuǎn)大于指令值,圖1（c）中的控制器將迅速達(dá)到限幅值,調(diào)節(jié)C1退出放電回路,此時(shí)γ取值為0。

3.2 不同階段的故障電流特性分析

根據(jù)LVDC 接口特點(diǎn)及PET 運(yùn)行特性,在LVDC 配電網(wǎng)短路期間,故障發(fā)展可劃分3 個(gè)階段：電容放電、電流衰減和穩(wěn)定輸出。

3.2.1 第1 階段：電容放電

故障初期,由圖2（b）可見,該階段不同類型接口的回路方程均為：

式中：R,L和C的參數(shù)可根據(jù)具體回路得到。直流系統(tǒng)一般滿足欠阻尼條件,即

由于ACLC 的作用,PET 在第1 階段內(nèi)的故障發(fā)展可以進(jìn)一步劃分為整機(jī)電容放電和端口電容放電2 個(gè)子階段,對(duì)應(yīng)式（3）中γ為1 和0 的情況。整機(jī)電容放電階段,直流電壓跌落,電流迅速上升。此時(shí),PET 由自由放電狀態(tài)切換至附錄A 圖A5 和圖1所示的ACLC 狀態(tài)。該階段內(nèi),DAB 一次側(cè)和二次側(cè)電容均參與放電,回路電流在電流限值Ist以下,不會(huì)對(duì)PET 造成過流威脅。進(jìn)入ACLC 狀態(tài)后,故障電流高于限流指令,Δθ在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下迅速增大,調(diào)節(jié)至上限值時(shí),DAB 一次側(cè)電容退出放電,故障過程發(fā)展至端口電容放電階段。該階段的放電過程如圖3 中的回路2 所示,端口電容通過回路2 進(jìn)一步放電,回路中的電流持續(xù)上升。端口電容放電電流僅在故障回路中流通,不會(huì)造成PET 過流。圖A2（a）至（c）中各變換器接口的放電過程與PET 端口電容放電過程相似。

圖3 饋線短路電流示意圖Fig.3 Schematic diagram of feeder short-circuit current

3.2.2 第2 階段：電流衰減

當(dāng)端口電容電壓跌落至零時(shí),由圖3 可知,DAB二次側(cè)H 橋續(xù)流二極管導(dǎo)通,將電容電壓鉗位為0,故障發(fā)展至第2 階段。該階段的故障回路為圖3 中的回路3。由圖2（c）可知,其他LVDC 接口在第2階段的回路與圖3 中的回路3 相似。忽略二極管導(dǎo)通電阻,該階段回路方程為：

求解式（6）可得第2 階段的電流為：

式中：I為第2 階段的初始電流。

在第2 階段,故障電流經(jīng)二極管續(xù)流通路逐漸衰減。在電流衰減至PET 限流指令之前,控制系統(tǒng)一直處于飽和狀態(tài),即Δθ按上限輸出,DAB 一次側(cè)H 橋輸出為零。在該階段,電流流通于直流回路和DAB 二次側(cè)H 橋的反并聯(lián)二極管。由圖3 可見,由于3N個(gè)子模塊的H 橋并聯(lián)續(xù)流,每個(gè)全橋的續(xù)流二極管中通過的電流僅為故障回路電流的1/（6N）,因而不會(huì)造成PET 主電路過流。

3.2.3 第3 階段：穩(wěn)定輸出

電流衰減至限流指令時(shí),控制系統(tǒng)退出飽和,進(jìn)入第3 階段。在故障切除前,PET 調(diào)節(jié)端口電壓,將輸出電流控制為限流值。附錄A 圖A2（a）所示的DC/DC 變換器具有限流能力,如果該變換器采用限流控制,則故障響應(yīng)與PET 相同；如果DC/DC 變換器閉鎖,則穩(wěn)定輸出電流為0。圖A2（c）所示的DC/AC 變換器不具備故障隔離能力,如果交流側(cè)有源,則交流系統(tǒng)會(huì)向直流系統(tǒng)注入穩(wěn)定的短路電流。

若PET 采用恒電壓控制向額定負(fù)載供電,當(dāng)0.2 s 時(shí)發(fā)生出口短路,利用上述各階段的故障電流公式求得的計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果如附錄A 圖A7 所示（系統(tǒng)參數(shù)詳見第5 章）,可見計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果吻合程度良好,計(jì)算相對(duì)誤差在4%以內(nèi),驗(yàn)證了本文故障等值處理和分析結(jié)果的正確性。該工況下,A 相橋臂1 號(hào)子模塊中的開關(guān)載流情況如附 錄A 圖A8 所 示。圖 中：iHB、iDABI和iDABII分 別 為前級(jí)H 橋、DAB 一次側(cè)H 橋以及二次側(cè)H 橋中的電 流；iG1、iG2和iG3表 示 不 同 位 置H 橋 中IGBT 的 電流；iD1、iD2和iD3表示不同位置H 橋中二極管的電流。由圖A8 可見,在ACLC 調(diào)節(jié)過程中,PET 的開關(guān)器件均不會(huì)發(fā)生過流,能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)故障的安全穿越。

3.3 電流故障分量的方向性特征

由3.2 節(jié)可知,LVDC 配電網(wǎng)中的短路電流在不同發(fā)展階段呈現(xiàn)出不同故障特性,其最明顯的故障特性在于,因變換器端口的反并聯(lián)二極管續(xù)流作用而不存在振蕩過程。相較于中高壓系統(tǒng)的振蕩衰減過程,LVDC 系統(tǒng)的短路電流極性更為明確。另外,考慮LVDC 配電網(wǎng)功率雙向流動(dòng)的特點(diǎn),其電流極性受初值影響較大。因此,可使用式（8）中的電流故障分量Δi構(gòu)建方向元件,從而充分利用電流的極性特征,且消除初始電流極性的影響。

式中：if為故障電流。

在第1 階段,電流故障分量的變化率為：

式中：A=（I0Rω0?2U0ω0）/（2ωL）；B=?I0ω02/ω；θ=arctan（A/B）。

故障初始時(shí)刻電流故障分量的變化率為：

式中：RL為故障前負(fù)載電阻。

結(jié)合式（9）和式（10）可得（β+θ）∈（?π/2,π/2）。因此,從故障時(shí)刻起的（π/2+β+θ）/ω時(shí)間間隔內(nèi),電流故障分量的變化率恒為正。由電容放電的物理過程亦可知,第1 階段電流故障分量逐漸增大。

在第2 和第3 階段,故障電流由最大電流衰減至穩(wěn)定輸出電流。若初始電流為負(fù),則電流故障分量恒為正。若初始電流為非負(fù),如果PET 限流值大于初始電流,則故障分量恒為正。如果PET 限流值小于初始電流,或?qū)τ谄渌€(wěn)定輸出電流為零的接口情況,當(dāng)電流衰減至初始電流或零時(shí),電流故障分量由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值或零。綜上,LVDC 配電網(wǎng)短路電流故障分量的方向性特征如下：

1）對(duì)于正向故障,如圖2（a）中饋線F1故障時(shí)的電流i1和i2,其故障分量極性恒為正,或初期極性為正,后期轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)或零。

2）對(duì)于反向故障,如圖2（a）中饋線F2故障時(shí)的電流i2,或F3故障時(shí)的電流i1,其故障分量極性與正向故障相反,即故障分量極性恒為負(fù),或初期極性為負(fù),后期轉(zhuǎn)變?yōu)檎蛄恪?/p>

3）單向功率負(fù)荷接口所在饋線的電流故障分量也具備方向特性。由前述分析可知,圖2（a）中饋線F1故障時(shí),i3的故障分量恒為負(fù)；饋線F2故障時(shí),i3的故障分量恒為正或初期極性為正。

4 LVDC 配電網(wǎng)保護(hù)方案

由3.3 節(jié)分析可知,LVDC 配電網(wǎng)的電流故障分量在故障初期具有明確的方向特征,可用于構(gòu)造方向元件。由2.2 節(jié)分析可知,PET 采用ACLC 后,能夠延長(zhǎng)LVDC 配電網(wǎng)的故障運(yùn)行允許時(shí)間,從而降低對(duì)保護(hù)速動(dòng)性的要求。因此,本文構(gòu)建了基于方向元件延時(shí)配合的LVDC 配電網(wǎng)保護(hù)方案。

4.1 故障方向判斷方法

LVDC 配電網(wǎng)的電流故障分量極性可用于故障方向判別,但是單點(diǎn)極性判斷方式的抗擾動(dòng)和抗噪性能較弱,無法滿足判據(jù)可靠性要求。采用電流故障分量的積分值可以提高判據(jù)對(duì)噪聲信號(hào)和采樣誤差的容忍度,但不同工況和故障條件下的電流故障分量存在一定差異,不利于方向判據(jù)整定。因此,本文采用故障分量絕對(duì)值的積分值對(duì)其實(shí)際值的積分值做歸一化處理,以便于工程應(yīng)用?；谏鲜隹紤],構(gòu)造電流故障分量的極性指示變量如下：

式中：ΔT為算法數(shù)據(jù)窗,取決于積分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)μ和采樣頻率fs,ΔT=μ/fs。

式（11）中,D的取值在電流故障分量極性為正時(shí)為1,極性為負(fù)時(shí)為?1,在不同方向故障下存在顯著差異。因此,可利用故障初期的電流故障分量極性特征實(shí)現(xiàn)故障方向判斷?？紤]采樣過程中的噪聲信號(hào)和采樣誤差影響,方向判據(jù)為：

工程實(shí)際中,噪聲信號(hào)一般不會(huì)改變測(cè)量信號(hào)極性,采樣壞點(diǎn)雖然可能改變信號(hào)極性,但出現(xiàn)概率較低。因此,正向故障時(shí)D的取值一般不會(huì)低于0.5,反向故障時(shí)不會(huì)高于?0.5,式（12）能夠可靠識(shí)別故障方向。

以低電壓判據(jù)作為啟動(dòng)元件,若電流故障分量連續(xù)5 次滿足判據(jù)式（12）中的方向特征,則利用低壓判據(jù)保持方向判斷結(jié)果。低壓判據(jù)為：

式中：Udcset為低壓判據(jù)的整定值,可選取為70%～80%額定電壓。

4.2 配電網(wǎng)保護(hù)方案

由附錄A 圖A1 可見,集中型結(jié)構(gòu)相當(dāng)于單級(jí)饋線的輻射型結(jié)構(gòu),而雙端型結(jié)構(gòu)通過雙側(cè)方向元件的各自配合,可以解耦為兩個(gè)相對(duì)的輻射型結(jié)構(gòu)。本文以輻射型結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行保護(hù)方案介紹。保護(hù)方案可分為母線保護(hù)和饋線保護(hù),如附錄A 圖A9所示。

4.2.1 母線保護(hù)方案

母線故障時(shí),與故障母線相連接的所有饋線開關(guān)位置的方向判別結(jié)果均為反向。而母線外部（饋線）故障時(shí),故障饋線上的開關(guān)位置處的方向判斷結(jié)果與母線故障時(shí)的結(jié)果相反。因此,采用式（12）中方向元件的母線保護(hù)方案為,與母線相連的全部饋線方向判別結(jié)果均為反向,即

式中：DB1至DBk為與故障母線B 相連的饋線電流故障分量極性指示變量。

以附錄A 圖A9 中母線B1的故障為例,當(dāng)F1或F2故障時(shí),K1處的方向判斷結(jié)果為正。當(dāng)F3故障時(shí),K4處的方向判斷結(jié)果為正。均不能滿足判據(jù)式（14）。因此,判據(jù)式（14）能夠可靠區(qū)分母線和饋線故障。對(duì)于輻射型結(jié)構(gòu)的單端電源母線,如圖A9中的母線B3,無須配置專門的母線保護(hù)。對(duì)B3的故障只需要作為饋線F3末端故障進(jìn)行處理。

4.2.2 饋線保護(hù)方案

饋線故障時(shí),若方向判斷結(jié)果為正向,則啟動(dòng)計(jì)時(shí)元件,并以判據(jù)式（13）作為保持元件,通過分段時(shí)間配合方式實(shí)現(xiàn)選擇性。同時(shí),上游保護(hù)能夠承擔(dān)下游保護(hù)的遠(yuǎn)后備功能。保護(hù)判據(jù)為：

式中：DFi為饋線Fi的電流故障分量的極性指示變量；tset為延時(shí)整定值。

tset的整定原則為：

式中：M為饋線分級(jí)最大值；m為待整定級(jí)；Δt為保護(hù)延時(shí)。

Δt的整定方法為：

式中：tcut為斷路器的故障切除時(shí)間；trec為電壓恢復(fù)時(shí)間；trel為時(shí)間裕度。

以雙端型LVDC 配電網(wǎng)為例,由式（16）整定得到的動(dòng)作時(shí)間配合方法如附錄A 圖A10 所示。采用方向元件后,線路兩側(cè)開關(guān)的時(shí)間配合可以分別整定,二者之間互不影響。

5 仿真驗(yàn)證

在PSCAD/EMTDC 中建立附錄A 圖A11 所示LVDC 配電網(wǎng)模型。圖中給出了PET、DG 和負(fù)荷的容量,以及各饋線長(zhǎng)度。電流正方向的規(guī)定如圖中的i0至i10所示。DG1為儲(chǔ)能,采用圖A2（a）所示接口,DG2為光伏電源,采用圖A2（b）所示接口。L1至L4為負(fù)荷,其變換器采用圖A2（d）所示接口。fb1至fb3為母線短路故障,f1至f3為饋線短路故障,故障位置均為饋線中間。仿真系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)見附錄B 表B1。

5.1 主動(dòng)限流控制方法驗(yàn)證

對(duì)于饋線故障f2,未采用ACLC 的情況下,PET直流電壓及電流如附錄A 圖A12 所示。故障初期,短路電流迅速上升,達(dá)到PET 閉鎖電流。PET 閉鎖后,其端口電容放電導(dǎo)致直流電壓迅速跌落,進(jìn)入電感放電階段。采用ACLC 時(shí),PET 的直流電壓及電流如附錄A 圖A13 所示,其中Ilim表示限流控制目標(biāo)值。限流控制的啟動(dòng)條件滿足后,PET 切換至ACLC 模式,主動(dòng)干預(yù)LVDC 配電網(wǎng)的故障過程,經(jīng)過整機(jī)電容放電、端口電容放電、電流衰減等階段,將直流電流限制在長(zhǎng)期運(yùn)行允許的限值,從而避免PET 因過流而閉鎖。對(duì)比圖A12 和圖A13 中的電流可知,ACLC 的干預(yù)能夠縮短前級(jí)H 橋穩(wěn)壓電容放電時(shí)間,從而限制電流峰值,降低直流配電網(wǎng)的切斷容量需求。在穩(wěn)定輸出階段,PET 能夠?qū)崿F(xiàn)［0,Imax］區(qū)間任意電流值的輸出。

PET的ACLC啟動(dòng)、運(yùn)行及恢復(fù)全過程見圖4。圖中：usm為子模塊電壓,usmave為子模塊平均電壓。由圖4 可見,當(dāng)0.2 s 時(shí)刻饋線故障時(shí),PET 能夠及時(shí)啟動(dòng)ACLC。在控制過程中,前級(jí)H 橋電容電壓及其平均值維持穩(wěn)定,從而防止交流側(cè)過流。同時(shí),DAB 環(huán)節(jié)能夠通過移相角調(diào)節(jié)控制輸出電壓,限制H 橋穩(wěn)壓電容參與放電,以防止DAB 環(huán)節(jié)過流。當(dāng)0.23 s 時(shí)刻饋線故障被K4切除后,直流電壓能夠迅速地自動(dòng)恢復(fù)。當(dāng)電壓達(dá)到Uret時(shí),PET 切換為正常控制,LVDC 配電系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖4 主動(dòng)控制故障響應(yīng)Fig.4 Fault response with active control

5.2 LVDC 配電系統(tǒng)保護(hù)方案驗(yàn)證

5.2.1 故障特性及方向元件

在附錄A 圖A11 中的3 處母線故障下,不同開關(guān)位置的電流如附錄A 圖A14 所示。故障fb1對(duì)于K1為反向故障,此時(shí)DG 存在電容放電及電感放電2個(gè)階段,由圖A14（a）可見,在故障初期電流i1具有負(fù)的故障分量。K5處的負(fù)荷電流由于上游短路而迅速衰減,由圖A14（b）可見,電流i5具有負(fù)的故障分量。fb2對(duì)于K6是反向故障,fb3對(duì)于K2是正向故障,由圖A14（c）和（d）可見,上述2 種故障下,i6和i2的故障分量分別具有負(fù)的和正的極性。綜上,LVDC 配電網(wǎng)的電流故障分量極性具有明確的方向特征。

在附錄A 圖A14 所示的電流中,按照20 dB 的信噪比加入白噪聲,并加入采樣壞點(diǎn),采用式（11）和式（12）中的方法進(jìn)行方向判斷。電流及判據(jù)分析結(jié)果如附錄A 圖A15 所示。在噪聲和采樣壞點(diǎn)干擾下,方向判據(jù)仍能有效實(shí)現(xiàn)故障方向判別。由于存在噪聲和采樣壞點(diǎn),電流變化率判據(jù)以及直接極性判斷的可靠性將受到嚴(yán)重影響。而對(duì)于本文所提方法,只要噪聲不影響電流故障分量的極性,就不會(huì)對(duì)分析結(jié)果造成任何影響。即使部分采樣壞點(diǎn)造成極性變化,方向判據(jù)仍能可靠判別故障方向。

5.2.2 保護(hù)方案驗(yàn)證

在附錄A 圖A11 中不同故障下,對(duì)各開關(guān)安裝位置的測(cè)量電流按照20 dB 的信噪比加入白噪聲干擾,并隨機(jī)增加采樣壞點(diǎn)。方向判據(jù)分析結(jié)果如附錄B 表B2 所示。表B2 中的數(shù)據(jù)為方向判據(jù)連續(xù)5點(diǎn)滿足的情況下,正的最小值或負(fù)的最大值。以母線故障fb1為例,表B2 中方向判據(jù)結(jié)果D0至D3小于零,即與母線B1 相連的饋線方向元件判別結(jié)果均為反向,因此能夠判斷母線B1發(fā)生故障,母線保護(hù)瞬時(shí)動(dòng)作于跳開斷路器K0至K3。對(duì)于故障f1,D3和D6判斷結(jié)果為正向,其余為反向。此時(shí),3 個(gè)母線保護(hù)不 滿 足 動(dòng) 作 條 件。K6與K5、K2進(jìn) 行 延 時(shí) 配 合,K3與K9、K7進(jìn)行延時(shí)配合,滿足動(dòng)作時(shí)間條件時(shí),動(dòng)作于隔離故障。

LVDC 配電網(wǎng)電壓等級(jí)低,額定負(fù)載電阻很小,一般情況下短路為金屬性短路。本文針對(duì)饋線故障f2,取額定負(fù)荷電阻的10%,30%,50%為過渡電阻,對(duì)保護(hù)性能進(jìn)行驗(yàn)證。不同過渡電阻條件下的分析結(jié)果在附錄B 表B3 中給出。其中,D的取值原則與表B2 相同。由表B3 可見,本文所提方向判據(jù)在過渡電阻條件下能夠?qū)崿F(xiàn)正確的方向判斷。在此基礎(chǔ)上,保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障的正確判斷與隔離。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了LVDC 配電網(wǎng)ACLC 方法,分析了其故障特性,并構(gòu)建了保護(hù)方案。

1）ACLC 能主動(dòng)干預(yù)LVDC 配電網(wǎng)的故障發(fā)展過程,將故障電流限制在長(zhǎng)期運(yùn)行允許的范圍內(nèi),從而避免PET 過流閉鎖。同時(shí),ACLC 具備電壓自恢復(fù)能力。通過ACLC,可減小停電范圍、縮短恢復(fù)周期、降低斷路器切斷容量要求。

2）各類變換器的LVDC 接口具有電容反并聯(lián)二極管這一相同結(jié)構(gòu),因而饋出的短路電流具有明確的方向特征。本文利用電流故障分量的極性特征,構(gòu)建了LVDC 配電網(wǎng)的故障方向元件。該方向元件具有較強(qiáng)的抗干擾能力和抗噪性能。

3）通過方向元件、低壓元件和延時(shí)元件之間的配合,構(gòu)建了不依賴于通信系統(tǒng)和附加邊界元件的保護(hù)方案。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了ACLC 方法及保護(hù)方案的正確性和有效性。

本文提出了PET 直流端口的主動(dòng)限流方法,下一步將開展PET 交流端口的故障穿越方法研究,以實(shí)現(xiàn)PET 在交直流配電網(wǎng)多類故障下的可靠穿越。此外,所提保護(hù)方案主要針對(duì)低壓直流配電工程中常用的輻射型和雙端型結(jié)構(gòu),隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,該方案在環(huán)型結(jié)構(gòu)中的適用性有待進(jìn)一步研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。