鄭 濤，郭勇帆，呂文軒，樸 勇

（1.新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）,北京市102206；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司番禺供電局,廣東省廣州市511400）

0 引言

直流配電網(wǎng)［1-2］可高效連接光伏、儲(chǔ)能等分布式電源［3-4］,還具有線路損耗低、電能質(zhì)量高和功率密度高等優(yōu)點(diǎn),在配電系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器（power electronic transformer with cascaded H-bridge,CHB-PET）［5］也稱固態(tài)變壓器［6］,是直流配電網(wǎng)的重要組成成分,可為直流配電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓支撐和功率交互。然而,直流配電網(wǎng)發(fā)生故障后［7］,電流上升速度快且故障電流峰值較高,但CHB-PET 和各類直流換流器由大量電力電子器件組成,耐受故障能力弱,會(huì)在故障后的極短時(shí)間內(nèi)閉鎖。而直流保護(hù)識(shí)別故障時(shí)間和斷路器動(dòng)作時(shí)間（通常為毫秒級(jí)）［8-9］遠(yuǎn)大于電力電子器件閉鎖時(shí)間（通常為微秒級(jí)）［10］。保護(hù)裝置在識(shí)別到故障之前,換流器已經(jīng)閉鎖,造成故障信息丟失,直流線路保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)較高。

目前,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)此問題進(jìn)行了廣泛的研究,主要分為電力電子變壓器（power electronic transformer,PET）故障穿越策略和低壓直流配電網(wǎng)保護(hù)兩方面。合理的故障穿越策略可保證故障信息的持續(xù)與穩(wěn)定,對(duì)提升直流保護(hù)性能具有重要作用。文獻(xiàn)［11］在PET 的低壓直流端口增加絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）模塊,在故障后通過閉鎖IGBT 來阻斷故障電流通路,徹底消除故障電流。但故障信息將隨著IGBT 閉鎖而丟失,給故障識(shí)別帶來困難。文獻(xiàn)［12］通過切換故障情況下PET 隔離級(jí)中雙有源橋（dual active bridge,DAB）的控制策略,自適應(yīng)控制DAB 的低壓直流側(cè)電流,但對(duì)控制器的要求較高,且控制策略中須閉鎖DAB 中高頻變壓器副邊H 橋,對(duì)系統(tǒng)的故障恢復(fù)帶來影響。文獻(xiàn)［13］分析了DAB 故障后低壓直流電流直流偏置的成因,并提出了一種初步限制故障電流幅值的方案。文獻(xiàn)［14］提出了一種適用于高電壓、高功率場(chǎng)景的新型PET 拓?fù)?具備在部分DC/DC 模塊故障時(shí)持續(xù)運(yùn)行的能力。文獻(xiàn)［15］通過在低壓交流側(cè)串入電阻性超導(dǎo)故障限流器,實(shí)現(xiàn)了PET 在中等和嚴(yán)重故障下的故障穿越,具有自適應(yīng)觸發(fā)、電流抑制效果好和體積小等優(yōu)點(diǎn),但超導(dǎo)限流組件帶來了更高的成本。文獻(xiàn)［16］通過在旁路開關(guān)上串聯(lián)電阻以限制故障電流,但對(duì)于電壓和功率等級(jí)較高的場(chǎng)景,配置電阻的成本較高,電阻損耗也將顯著提升。

此外,由于直流配電網(wǎng)線路通常較短且缺乏基頻,高壓直流輸電系統(tǒng)中的行波保護(hù)［17-18］和基于電氣量序分量的傳統(tǒng)交流保護(hù)［19-20］在直流配電網(wǎng)中很難適用。因此,有研究在故障穿越策略的基礎(chǔ)上,將換流器本身的拓?fù)涮攸c(diǎn)和控制特點(diǎn)與保護(hù)配置相結(jié)合來完成直流線路保護(hù)。文獻(xiàn)［21-22］提出主動(dòng)注入的思想進(jìn)行故障識(shí)別。直流線路故障時(shí),安裝在母線附近的探頭電源單元向故障網(wǎng)絡(luò)注入探測(cè)電流,探測(cè)電流的故障響應(yīng)情況反映故障位置。但此方案需要附加額外的硬件設(shè)備,且定位精度受故障電阻的影響較大。文獻(xiàn)［23］針對(duì)雙端CHB-PET 直接相連的拓?fù)?以CHB-PET 低壓直流側(cè)電感為邊界,提出了一種雙端故障測(cè)距方案,但針對(duì)特定拓?fù)涮岢龅谋Ｗo(hù)方案在普適性上仍有待研究。文獻(xiàn)［24］針對(duì)10 kV 直流配電網(wǎng)雙極短路故障,以電容放電電流的諧振頻率分量構(gòu)造保護(hù)判據(jù),以各換流器靠近母線側(cè)的電容為高頻電流邊界,設(shè)計(jì)了單端量的直流保護(hù)方案。

本文針對(duì)750 V 低壓直流配電網(wǎng)在直流線路發(fā)生雙極短路故障后需閉鎖CHB-PET 進(jìn)行故障切除的問題,提出了一種基于CHB-PET 輸入級(jí)與隔離級(jí)協(xié)同配合的無閉鎖故障穿越方案,根據(jù)CHBPET 輸入級(jí)直流側(cè)電容與隔離級(jí)直接相連的拓?fù)涮攸c(diǎn),通過設(shè)置隔離級(jí)組成模塊DAB 高壓側(cè)IGBT內(nèi)移相比來控制級(jí)聯(lián)H 橋（CHB）直流側(cè)電容放電,保證其電容電壓穩(wěn)定,不會(huì)過充或過放,消除了CHB-PET 內(nèi)部電力電子器件的過流,從而保證故障后CHB-PET 可持續(xù)提供穩(wěn)定電流。在此基礎(chǔ)上,通過傅里葉變換提取CHB-PET 低壓直流側(cè)電流的高頻分量,以高頻電流幅值在給定時(shí)間窗的積分值與全電流在給定時(shí)間窗的積分值之比構(gòu)造保護(hù)判據(jù),進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種基于CHB-PET 低壓直流側(cè)電流高頻特性的單端暫態(tài)量保護(hù)。通過主線路與分支線路的整定值配合,實(shí)現(xiàn)了故障區(qū)域的快速識(shí)別與切除。PSCAD/EMTDC 的仿真結(jié)果表明,所提保護(hù)方法能夠可靠動(dòng)作,準(zhǔn)確識(shí)別故障線路。

1 基于CHB-PET 的柔性直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

CHB-PET 拓?fù)淙鐖D1 所示。圖中:Ea、Eb、Ec分別為A、B、C 相電網(wǎng)電壓；Larm為橋臂電感；ULVDC和ILVDC分別為低壓直流側(cè)的電壓和電流。每相橋臂由相同的子模塊串聯(lián)而成,每個(gè)子模塊由全橋子模塊和DAB 串聯(lián)而成,實(shí)現(xiàn)電壓變換、功率傳遞和高頻隔離功能。低壓直流端并聯(lián)形成低壓直流端口。

圖1 CHB-PET 拓?fù)銯ig.1 Topology of CHB-PET

DAB 變換器的拓?fù)淙鐖D2 所示。圖中:Lt為傳輸電感；uH1和uH2分別為高壓側(cè)H 橋和低壓側(cè)H 橋的交流側(cè)電壓；S1至S4為高壓側(cè)H 橋的IGBT；T1至T4為低壓側(cè)H 橋的IGBT。原邊橋?yàn)楦邏簜?cè)H 橋,副邊橋?yàn)榈蛪簜?cè)H 橋,二者通過高頻變壓器連接。DAB 低壓側(cè)可接入低壓直流母線,為低壓直流配電網(wǎng)提供穩(wěn)定電壓。

圖2 DAB 變換器拓?fù)銯ig.2 Topology of DAB converter

CHB-PET 的控制方式一般為經(jīng)典的雙閉環(huán)控制,通過控制低壓直流側(cè)電壓,經(jīng)比例-積分（PI）控制后生成d軸電流指令值,通過控制無功功率為0,經(jīng)PI 控制后生成q軸指令值,實(shí)現(xiàn)中壓交流到低壓直流的電壓變換。

圖3 為典型含多分支的交直流配電網(wǎng)拓?fù)?CHB-PET 實(shí)現(xiàn)了中壓交流到低壓直流的電壓等級(jí)變換,經(jīng)一段線路后接入低壓直流母線。分布式光伏和儲(chǔ)能裝置經(jīng)DAB 接入低壓直流母線,直流負(fù)載經(jīng)DC/DC 換流器接入低壓直流母線。CHB-PET所在直流主線路首末兩端和各分支線首端配備負(fù)荷開關(guān),光伏和儲(chǔ)能換流器經(jīng)過負(fù)荷開關(guān)與分支線路相連。現(xiàn)有直流配電網(wǎng)在低壓直流側(cè)常采用不接地的方式,若發(fā)生單極接地故障,系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重過電流,對(duì)保護(hù)的響應(yīng)速度要求不高。因此,本文的故障特性分析以及所提保護(hù)主要針對(duì)雙極短路故障,同時(shí)規(guī)定電流的參考方向?yàn)槟妇€指向線路。

圖3 含CHB-PET 的交直流配電網(wǎng)拓?fù)銯ig.3 Topology of AC/DC distribution network with CHB-PET

2 雙極短路故障下CHB-PET 的故障穿越策略

在以CHB-PET 為主站的多分支低壓直流配電網(wǎng)中,CHB-PET 須配備合理的故障穿越策略,保證故障下電力電子器件不會(huì)因過流而損壞,同時(shí)CHB-PET 可持續(xù)輸出穩(wěn)定故障電流,確保線路保護(hù)的可靠動(dòng)作。CHB-PET 主要由輸入級(jí)（CHB）和隔離級(jí)（DAB）組成,在故障下均會(huì)面臨嚴(yán)重過流,下面分別闡述針對(duì)DAB 和CHB 的限流措施,以確保CHB-PET 整體的可靠故障穿越。

2.1 針對(duì)DAB 的限流措施

低壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后,CHB-PET的DAB 模塊最靠近故障點(diǎn),將首先對(duì)故障點(diǎn)放電并出現(xiàn)過流現(xiàn)象。文獻(xiàn)［25］中詳細(xì)介紹了DAB 低壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后的限流措施,通過阻斷副邊電容放電,增加副邊電感,調(diào)整開關(guān)頻率和內(nèi)移相比,使得低壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后,DAB可在不閉鎖的情況下實(shí)現(xiàn)故障穿越。DAB 限流拓?fù)湟姼戒汚 圖A1。

該方案將DAB 內(nèi)部電力電子器件的電流應(yīng)力和DAB 低壓直流側(cè)電流限制在安全范圍內(nèi),保證了故障情況下DAB 可持續(xù)輸出穩(wěn)定電流,有利于故障識(shí)別和保護(hù)可靠動(dòng)作。

2.2 針對(duì)CHB 的限流措施

CHB-PET 的輸入級(jí)直流側(cè)與隔離級(jí)中壓直流側(cè)直接相連,且共用一個(gè)電容。因此,在低壓直流側(cè)故障后,其電容迅速放電,隨后中壓側(cè)電容也向故障點(diǎn)放電,造成CHB 橋臂和子模塊的過流。下文將從CHB 的控制策略出發(fā),闡述其故障穿越策略。

故障前后CHB 模塊控制策略變化示意圖見附錄A 圖A2。穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓外環(huán)控制通過將低壓直流電壓實(shí)測(cè)值與指令值作差,經(jīng)PI 控制器后生成電流內(nèi)環(huán)d軸指令值id,ref,將無功功率實(shí)測(cè)值與指令值作差,生成q軸指令值。Park 變換得到的三相電流的dq軸分量經(jīng)過dq解耦控制后,再經(jīng)Park 反變換得到原始調(diào)制波,然后經(jīng)過載波移相調(diào)制得到各個(gè)H橋變換器的驅(qū)動(dòng)脈沖。

在低壓直流側(cè)雙極短路故障發(fā)生后,由于低壓直流側(cè)靠近故障點(diǎn),電壓外環(huán)控制失效。同時(shí),CHB 子模塊電容開始放電,其中,二極管正向?qū)ê?交流源將通過CHB 向短路點(diǎn)放電,橋臂電流將迅速上升。

故障發(fā)生后,PET 將首先感受到過流,隨后切換至故障穿越策略。將電壓外環(huán)的控制量由低壓直流側(cè)電壓改為CHB 子模塊電容電壓。電壓控制環(huán)的指令值為CHB 三相橋臂所有H 橋子模塊電容電壓之和再除以3,受控量即為每相橋臂的H 橋子模塊電容電壓之和,無功功率控制環(huán)和內(nèi)環(huán)控制不變。

根據(jù)2.1 節(jié)分析,DAB 限流措施中給定高壓H橋內(nèi)移相比,使得CHB 子模塊電容向短路點(diǎn)的放電得到控制,CHB 在故障穿越控制策略下的電壓控制環(huán)不再限幅,電壓控制有效,由此得到了合理的三相電流d軸分量指令值,可實(shí)現(xiàn)CHB 模塊的故障穿越。該控制策略既可以實(shí)現(xiàn)故障后CHB 子模塊電容電壓的均壓,又保證子模塊電容不會(huì)因過充或過放而損壞。

2.3 故障穿越策略下CHB-PET 的故障特征分析

未引入故障穿越控制的CHB-PET 故障特性已有較多文獻(xiàn)分析,此處不再贅述。本節(jié)根據(jù)2.1 節(jié)與2.2 節(jié)介紹的故障穿越策略,分析CHB-PET 在故障穿越策略下的暫態(tài)響應(yīng)特征。

由于副邊電容被阻斷,故障后第1 階段為CHB子模塊電容通過DAB 向短路點(diǎn)放電。隨著CHB 子模塊二極管的正向?qū)?故障發(fā)展至第2 階段,交流源將通過CHB 子模塊向短路點(diǎn)放電。

DAB 低壓直流側(cè)短路故障發(fā)生后,故障穿越控制策略下CHB-PET 單相故障電流示意圖見附錄A圖A3。

故障期間的微分方程如下:

式中:uCSM為高壓H 橋電容電壓；iLeq為流過高壓側(cè)電感的電流；Leq為等效電感,包括高壓側(cè)電感和低壓側(cè)電感折算至高壓側(cè)的電感數(shù)值；Lline和Rline分別為線路電感和電阻；Rf為過渡電阻；k為高頻變壓器變比。

求解式（1）可得高壓側(cè)電感電流表達(dá)式如下:

式中:iL0為故障初始時(shí)刻流過DAB 高壓H 橋電感的電流。

式（2）為DAB 高壓H 橋開關(guān)管處于導(dǎo)通情況下高壓側(cè)電感電流的表達(dá)式。隨著開關(guān)管的高頻開斷,電容電壓將隨之不斷反轉(zhuǎn)。不同開斷情況下的微分方程表達(dá)式相似,僅電容電壓的方向發(fā)生變化。因此,在故障穿越控制策略下,CHB-PET 低壓直流側(cè)電流將含有一定量的高頻諧波,DAB 的開關(guān)頻率決定了諧波頻率。

3 基于CHB-PET 故障穿越策略的低壓直流配電網(wǎng)保護(hù)方案

直流配電網(wǎng)低壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后,CHB-PET 最先感受到故障,切換至第2 章所述的故障穿越策略,向直流配電網(wǎng)注入含高頻分量的暫態(tài)電流。線路保護(hù)可依據(jù)故障穿越策略下CHB-PET低壓直流側(cè)高頻電流與全電流比值的大小來識(shí)別故障線路。

3.1 基于高頻電流比值的保護(hù)判據(jù)

1）保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)

低壓直流配電網(wǎng)在發(fā)生高阻故障時(shí),故障特征不明顯,采用常規(guī)的電壓、電流突變量作為保護(hù)判據(jù)容易發(fā)生拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。因此,本文基于三階Teager 能量算子（Teager energy operator,TEO）構(gòu)造保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)。

離散非線性信號(hào)的三階TEO 定義為:

式中:ψ（αn）為電流實(shí)時(shí)Teager 算子能量值；αn為時(shí)刻n對(duì)應(yīng)的電流采樣值。

故障發(fā)生后,TEO 表現(xiàn)出明顯的瞬態(tài)階躍特性,其大于整定值后可啟動(dòng)保護(hù)。本文將啟動(dòng)判據(jù)設(shè)計(jì)為:

式中:ψset為TEO 整定值。

2）故障識(shí)別判據(jù)

本文提出的故障識(shí)別判據(jù)計(jì)算方法為:保護(hù)測(cè)點(diǎn)所測(cè)電流的高頻分量幅值在時(shí)間窗內(nèi)的積分值除以全電流在時(shí)間窗內(nèi)的積分值,如式（5）所示。

式中:T為故障設(shè)別判據(jù)；IhfM為高頻電流幅值；if為故障電流；Δt為時(shí)間窗。

根據(jù)式（5）可知,若保護(hù)正方向發(fā)生短路故障,則故障識(shí)別判據(jù)為正；若保護(hù)反方向發(fā)生短路故障,則故障識(shí)別判據(jù)為負(fù)。

根據(jù)2.3 節(jié)分析,CHB-PET 整體可等效為壓控電流源,故障穿越策略下CHB-PET 低壓直流側(cè)電流可以等效為幅值穩(wěn)定的直流電壓源疊加高頻源向短路點(diǎn)的放電電流。等效電壓源Ueq的電壓表達(dá)式如下:

式中:Udc為直流電壓源；Um為疊加的高頻電壓源幅值；f為高頻源的頻率。

等效電壓源提供短路電流的拓?fù)涫疽鈭D見附錄A 圖A4。

故障回路微分方程如下:

求解故障電流的表達(dá)式為:

式中:i0為故障初始時(shí)刻的電流值；ω為角頻率。

從式（8）可以看出,if為二元函數(shù),其中,故障距離x和時(shí)間t為自變量。

為了求出故障電流的高頻分量幅值,將if(x,t)以傅里葉級(jí)數(shù)展開如下:

其中,

式中:A為直流分量幅值；m為傅里葉分解后的諧波次 數(shù)；f(t)為 故 障 電 流；τ0為 積 分 下 限；Δτ為 積 分窗長(zhǎng)。

式（10）中理想高頻源的頻率即為基波頻率,m取1 即可得到高頻電流ihf(x,t)隨時(shí)間和故障距離變化的表達(dá)式如下:

其中,

將式（10）代入式（13）可求出a1和b1:

采用傅里葉變換可得高頻電流幅值的函數(shù)關(guān)系式如下:

將故障電流if在給定時(shí)間窗Δt對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分,可得到電流積分值If隨故障距離x的變化關(guān)系,同理可得到高頻電流幅值的積分值隨故障距離x的變化關(guān)系如下:

式中:If（x）為全電流瞬時(shí)值積分值隨故障距離的函數(shù)關(guān)系式；IhfM,I(x)為高頻電流幅值積分值隨故障距離的函數(shù)關(guān)系式。

可將式（5）改寫為:

將式（17）和式（18）代入式（19）可以得到判據(jù)T(x)的具體表達(dá)式:

3.2 保護(hù)定值整定

故障發(fā)生于不同位置時(shí),高頻電流大小存在差異,可根據(jù)傅里葉變換計(jì)算得到的高頻電流大小進(jìn)行保護(hù)的整定計(jì)算。對(duì)圖3 所示的直流配電網(wǎng)主線路及分支線路進(jìn)行保護(hù)定值整定。

對(duì)于主線路即圖3 所示的線路1-2 的分析如下。

1）保護(hù)Ⅰ段整定策略

線路1-2 發(fā)生故障時(shí),對(duì)于保護(hù)1 來說是區(qū)內(nèi)故障,保護(hù)Ⅰ段應(yīng)立刻動(dòng)作。保護(hù)Ⅰ段的整定判據(jù)為:

式中:SⅠ1為保護(hù)1 的Ⅰ段整 定值；KrⅠel為保護(hù)Ⅰ段可靠系數(shù)；TⅠ1為線路1-2 末端發(fā)生金屬性短路時(shí)高頻電流幅值積分值與故障電流積分值之比。

CHB-PET 低壓直流側(cè)電流會(huì)隨著故障距離的增加而逐漸減小,電流的高頻分量也逐漸減小。考慮線路1-2 末端發(fā)生金屬性故障,對(duì)故障電流進(jìn)行傅里葉變換,提取DAB 開關(guān)頻率的高頻電流幅值在時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行積分,除以故障電流在時(shí)間窗內(nèi)的積分,記為TⅠ1:

式中:k為采樣點(diǎn)編號(hào)；Ns為采樣點(diǎn)數(shù)；dⅠ1(k)為線路1-2 末端故障時(shí)經(jīng)傅里葉變換求得的高頻電流幅值；i1（k）為線路1-2 末端故障時(shí)的故障電流。

2）保護(hù)Ⅱ段整定策略

保護(hù)Ⅱ段的整定判據(jù)為:

式中:SⅡ1為保護(hù)1 的Ⅱ段整 定值；KrⅡel為保護(hù)Ⅱ段可靠系數(shù)；TⅡ1為線路1-2 所連下級(jí)線路40%處故障時(shí)保護(hù)1 測(cè)量的高頻電流幅值積分值與故障電流積分值的比值。

由3.2 節(jié)可知,Ⅰ段保護(hù)只能保護(hù)部分線路。因此,Ⅱ段保護(hù)的保護(hù)范圍應(yīng)延長(zhǎng)至下級(jí)線路。本文以延長(zhǎng)至下級(jí)線路40%進(jìn)行整定。對(duì)保護(hù)測(cè)點(diǎn)測(cè)量到的故障電流進(jìn)行傅里葉變換,計(jì)算對(duì)應(yīng)于DAB 開關(guān)頻率的高頻電流積分值與故障電流積分值的比值,記為TⅡ1:

式中:dⅡ1(k)為線路1-2 所連分支線路40%處發(fā)生故障時(shí),利用傅里葉變換求得的高頻電流幅值；(k)為線路1-2 所連分支線路40%處故障時(shí)的故障電流。

考慮保護(hù)裝置測(cè)量誤差等因素后,電流保護(hù)Ⅱ段的可靠系數(shù)KⅡrel取1.1。

由于分支線為末端線路,可僅配置Ⅰ段保護(hù),實(shí)現(xiàn)全線速動(dòng)保護(hù)。

3.3 保護(hù)時(shí)序配合

在本文所研究的直流配電網(wǎng)中,主線路Ⅱ段保護(hù)的保護(hù)范圍會(huì)延伸至下一級(jí)分支線路,因此在分支線發(fā)生故障時(shí),應(yīng)由分支線路保護(hù)的Ⅰ段優(yōu)先動(dòng)作。主線路Ⅱ段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)較分支線Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)限高一個(gè)時(shí)間階段。

直流配電網(wǎng)發(fā)生故障后,線路保護(hù)在收到保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)后,采集故障前1 ms 和故障后3 ms 的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,此時(shí)間記為t1；實(shí)測(cè)值若滿足整定值,負(fù)荷開關(guān)將切除故障線路,此時(shí)間記為t2；綜合考慮其他影響保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間記為t3。因此,直流配電網(wǎng)中各保護(hù)Ⅰ段切除故障線路的時(shí)間tⅠ可表示為:

因此,主線路保護(hù)Ⅱ段的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)延時(shí)tⅠ來為分支線路保護(hù)提供裕度。

綜上,可以得到基于CHB-PET 低壓直流側(cè)電流高頻分量的保護(hù)動(dòng)作流程圖如圖4 所示。

圖4 保護(hù)動(dòng)作流程圖Fig.4 Flow chart of protection action

3.4 影響因素及適用性分析

1）量測(cè)誤差的影響

根據(jù)文獻(xiàn)［26］,直流配電網(wǎng)量測(cè)誤差通常為±5%。為了具有普適性,本節(jié)考慮量測(cè)誤差為-ε時(shí)對(duì)故障識(shí)別判據(jù)的影響。

由3.1 節(jié)分析可知,CHB-PET 低壓直流側(cè)發(fā)生雙極短路故障后,當(dāng)故障電流量測(cè)誤差為-ε時(shí),故障電流變?yōu)?1-ε)if,根據(jù)式（16）,高頻分量幅值變?yōu)?

式中:IhfM,error為測(cè)量誤差為-ε時(shí)高頻電流積分值的大小。

故障識(shí)別判據(jù)可表示為:

式中:Terror（x）為測(cè)量誤差為-ε時(shí)的故障識(shí)別判據(jù)。

從式（27）可以看出,故障識(shí)別判據(jù)的分子分母均會(huì)受到量測(cè)誤差的影響,但可通過比值抵消。從理論分析的角度,量測(cè)誤差對(duì)所提故障識(shí)別判據(jù)影響較小。

2）過渡電阻的影響

本文通過故障電流高頻分量幅值積分值與故障電流積分值之比構(gòu)造故障識(shí)別判據(jù),在高阻故障時(shí),電流幅值將大幅減小,約為負(fù)荷電流的1.3 倍,保護(hù)存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。而故障電流中的高頻分量除受過渡電阻的影響外,還會(huì)受CHB-PET 中DAB 的開關(guān)頻率影響。因此,基于高頻分量比值的故障識(shí)別判據(jù)在高阻故障時(shí),分子與分母均有不同程度的減小,使得故障電流中的高頻分量占比仍能保持較高數(shù)值,有利于故障識(shí)別和保護(hù)的正確動(dòng)作。傳統(tǒng)故障識(shí)別判據(jù)與本文提出的高頻電流比值判據(jù)經(jīng)不同過渡電阻故障時(shí)的變化波形見附錄A 圖A5。

3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響

除第1 章介紹的輻射狀拓?fù)渫?手拉手型拓?fù)湟彩侨嵝灾绷髋潆娋W(wǎng)常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了提高本文方案的普適性,以手拉手型拓?fù)涞娜嵝灾绷髋潆娋W(wǎng)為例分析所提方案的適用情況。

3.1 節(jié)提出的高頻電流比值判據(jù)與故障電流中的高頻分量相關(guān),而故障電流中的高頻分量是由PET 中DAB 開關(guān)管的高頻開斷產(chǎn)生的。因此,3.1節(jié)所提出的保護(hù)算法可適用以PET 作為主站的兩種拓?fù)洹＝?jīng)典的手拉手型配電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D5 所示。

圖5 手拉手型配電網(wǎng)拓?fù)銯ig.5 Topology of hand-in-hand distribution network

如圖5 所示,線路1-2 兩端配有保護(hù)測(cè)點(diǎn)1 至4和負(fù)荷開關(guān),線路3-5 配有保護(hù)測(cè)點(diǎn)5 至7 和負(fù)荷開關(guān)。線路3-5 發(fā)生雙極短路故障時(shí),可由保護(hù)測(cè)點(diǎn)5至7 利用高頻識(shí)別判據(jù)來識(shí)別故障位置并完成故障隔離；線路1-2 發(fā)生故障時(shí),可依靠保護(hù)測(cè)點(diǎn)1 至4的三段式保護(hù)來識(shí)別故障位置并完成故障隔離。

4 仿真驗(yàn)證

本文仿真算例基于PSCAD/EMTDC 仿真平臺(tái)搭建,系統(tǒng)拓?fù)湟姼戒汚 圖A6。CHB-PET 的具體拓?fù)淙鐖D1 所示,輸入級(jí)為CHB,每相由12 個(gè)全橋子模塊串聯(lián)而成,隔離級(jí)為12 個(gè)DAB 模塊采用中壓側(cè)與CHB 直接相連、低壓側(cè)并聯(lián)組成。光伏和儲(chǔ)能裝置經(jīng)DAB 接入分支線路,直流負(fù)載經(jīng)Buck-Boost 換流器接入分支線路。采樣頻率為100 kHz。仿真模型的具體參數(shù)見附錄B 表B1 至表B3,保護(hù)配置見附錄B 表B4。

當(dāng)故障發(fā)生于線路1-2、3-4、5、6-7,即附錄A 圖A6 所 示 故 障1 至4 時(shí),對(duì)CHB-PET 的 故 障 穿 越 策略和保護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 CHB-PET 故障穿越策略驗(yàn)證

根據(jù)第2 章介紹的故障穿越策略,在PSCAD 仿真平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。考慮最嚴(yán)重故障情況,于CHB-PET 低壓直流側(cè)端口設(shè)置金屬性雙極短路故障。

未采取限流措施時(shí)CHB-PET 各電氣量在故障前后的示意圖見附錄A 圖A7。采取限流措施的變化示意圖見附錄A 圖A8。

由于切換了控制策略,橋臂電流未明顯上升,可有效保護(hù)CHB-PET 中的電力電子器件不會(huì)損壞。電容的充放電劇烈程度大幅下降,可有效保護(hù)電容元件不會(huì)損壞。中壓直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)明顯失壓。

流過CHB 和DAB 中IGBT 的電流見附錄A 圖A9。在故障穿越策略下,CHB-PET 中各電力電子器件未明顯過流。

4.2 基于高頻電流比值判據(jù)的保護(hù)動(dòng)作情況

根據(jù)第3 章介紹的保護(hù)方案,當(dāng)故障發(fā)生在CHB-PET 低壓直流側(cè)所連的主線路,即附錄A 圖A6 所示故障1 位置時(shí),對(duì)保護(hù)方案的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

當(dāng)金屬性短路發(fā)生于主線路的不同位置時(shí),保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果見附錄A 圖A10。

主線路發(fā)生金屬性短路故障時(shí),比值判據(jù)可以可靠動(dòng)作,Ⅰ段保護(hù)范圍約為線路的70%,Ⅱ段保護(hù)可保護(hù)線路全長(zhǎng)。

4.3 經(jīng)過渡電阻故障的保護(hù)動(dòng)作情況

低壓直流配電網(wǎng)發(fā)生經(jīng)5 Ω 的過渡電阻短路后,故障電流幅值約為負(fù)荷電流的1.3 倍。因此,5 Ω的過渡電阻對(duì)于750 V 低壓直流配電網(wǎng)來說可算作高阻故障。

在仿真算例中設(shè)置低壓直流配電網(wǎng)線路發(fā)生5 Ω 過渡電阻短路,CHB-PET 低壓直流側(cè)電流、傳統(tǒng)突變量啟動(dòng)判據(jù)和TEO 的波形見附錄A 圖A11。由圖A11 可知,經(jīng)5 Ω 過渡電阻的雙極短路故障發(fā)生后,故障電流峰值為1.3 p.u.,峰值較小且電流變化率也較小。本文采樣頻率為100 kHz,100 μs內(nèi)有10 個(gè)采樣點(diǎn),傳統(tǒng)突變量啟動(dòng)判據(jù)變化也較小,采樣點(diǎn)未超過整定值,啟動(dòng)判據(jù)存在拒動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。TEO 的階躍現(xiàn)象仍較為明顯,采樣點(diǎn)均大于整定值,保護(hù)可正常啟動(dòng)。

在距離主線路首端30%處設(shè)置過渡電阻5 Ω 短路故障,本文方案與傳統(tǒng)方案的動(dòng)作結(jié)果對(duì)比如附錄A 圖A12 和圖A13 所示。由圖A12 和圖A13 可知,在距離主線路首端30%處發(fā)生經(jīng)5 Ω 過渡電阻短路故障時(shí),傳統(tǒng)判據(jù)Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作,識(shí)別故障用時(shí)12.7 ms,比值判據(jù)Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作,識(shí)別故障用時(shí)1.7 ms。

于主線路不同位置設(shè)置2 Ω 和5 Ω 過渡電阻短路故障,對(duì)保護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)比本文方案與傳統(tǒng)方案的動(dòng)作結(jié)果。本文方案與傳統(tǒng)方案的動(dòng)作結(jié)果示意圖見附錄A 圖A14 和圖A15。由圖A14 可知,過渡電阻為2 Ω 時(shí),本文所提方案的保護(hù)范圍為線路前70%；過渡電阻為5 Ω 時(shí),保護(hù)范圍為線路前50%。由圖A15 可知,過渡電阻為2 Ω 時(shí),傳統(tǒng)方案的保護(hù)范圍為線路前10%；過渡電阻為5 Ω 時(shí),Ⅰ段保護(hù)范圍縮短至0,主線路需依靠Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作。

當(dāng)故障發(fā)生在低壓直流母線的分支線,即附錄A 圖A6 所示故障2、3、4 位置時(shí),類似于4.2 節(jié),考慮分支線不同位置發(fā)生故障,對(duì)保護(hù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。以故障發(fā)生于線路3-4,即故障2 位置時(shí)為例進(jìn)行說明,保護(hù)的動(dòng)作結(jié)果見附錄A 圖A16。由圖A16 可知,由于分支線是末級(jí)線路,僅配置Ⅰ段保護(hù),可在金屬性短路和過渡電阻為5 Ω 時(shí)可靠動(dòng)作。由于分支線故障時(shí),分支線保護(hù)測(cè)得的電流由CHB-PET 和其他分支線提供,高頻電流比值相較于主線路有所降低,但仍可保護(hù)線路全長(zhǎng)。

其他分支線發(fā)生故障時(shí),保護(hù)動(dòng)作結(jié)果與線路3-4 類似,在此不再贅述。

5 結(jié)語

本文針對(duì)以CHB-PET 作為主站的多分支柔性直流配電網(wǎng)在直流線路發(fā)生雙極短路故障后,以CHB-PET 為核心的主站均需閉鎖而導(dǎo)致全網(wǎng)停電的問題,提出了一種適用于CHB-PET 的無閉鎖故障穿越方案。理論分析及仿真驗(yàn)證說明,所提方案使得故障發(fā)生后CHB-PET 在不承擔(dān)因過流損壞器件風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),可持續(xù)輸出含高頻諧波的穩(wěn)定電流,有利于直流保護(hù)的正確動(dòng)作。在此基礎(chǔ)上,通過傅里葉變換提取CHB-PET 低壓直流側(cè)電流的高頻分量,以高頻電流幅值在給定時(shí)窗內(nèi)的積分值與全電流在給定時(shí)窗內(nèi)的積分值的比值作為判據(jù),構(gòu)造了一種基于單端量的直流保護(hù)方案。根據(jù)不同的整定值配合,可快速可靠地識(shí)別直流區(qū)域不同的故障點(diǎn)并進(jìn)行切除,滿足保護(hù)速動(dòng)性和選擇性的要求,相較于傳統(tǒng)的直流故障后閉鎖直流區(qū)域的方案,減小了停電范圍,同時(shí)具備了一定耐受過渡電阻的能力。

直流配電網(wǎng)中的核心器件為PET,具有兩種拓?fù)?即CHB-PET 和模塊化多電平型PET,本文僅對(duì)前者的故障穿越策略進(jìn)行了研究,下一步將對(duì)模塊化多電平型PET 進(jìn)行研究。

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。