霍銳成，黃文燾，余墨多，邰能靈，姚 剛，王 云

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海市 200240；2.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106；3.智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇省南京市 211106；4.國網(wǎng)上海市電力公司,上海市200122）

0 引言

直流微電網(wǎng)技術(shù)對(duì)推進(jìn)節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,在未來智能配用電系統(tǒng)尤其是分布式能源供應(yīng)的系統(tǒng)發(fā)展中,占據(jù)了重要地位［1-3］。直流微電網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)之一是缺乏有效的保護(hù)解決方案［4］。直流微電網(wǎng)相較于直流配電網(wǎng)線路更短、阻抗更低,且分布式電源和負(fù)荷的投切增加了保護(hù)方案整定與判別的難度,因此,用于直流配電網(wǎng)、高壓直流電網(wǎng)中的常規(guī)保護(hù)方案將不再適用［5］?？焖贆z測(cè)和消除故障電流是直流微電網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)［6］,利用暫態(tài)信息快速、有選擇地切除故障是有效的解決方案,已有許多學(xué)者對(duì)直流微電網(wǎng)的暫態(tài)保護(hù)進(jìn)行了研究?？紤]到直流微電網(wǎng)故障響應(yīng)迅速,文獻(xiàn)［7］指出快速、有效的保護(hù)方案是直流微電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ),并對(duì)直流微電網(wǎng)的故障暫態(tài)模型進(jìn)行了詳細(xì)分析；文獻(xiàn)［5］提出一種利用振蕩頻率和振蕩第1 周期的相關(guān)瞬態(tài)功率來保護(hù)直流微電網(wǎng)的方法；文獻(xiàn)［8］利用母線兩側(cè)暫態(tài)功率變化率作為差動(dòng)量,構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。

與直流輸電網(wǎng)、直流配電網(wǎng)相類似,為避免在直流故障檢測(cè)期間損壞電力電子設(shè)備,直流微電網(wǎng)在線路上需安裝限流電抗器,以抑制故障電流上升率［9-10］,也相應(yīng)地為直流微電網(wǎng)提供了邊界條件。故障后線路邊界具有較為豐富的暫態(tài)特征,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,主要可分為單端邊界保護(hù)和雙端邊界保護(hù)［11］。

對(duì)于單端邊界保護(hù),文獻(xiàn)［12］提出可利用限流電抗器電壓的變化率檢測(cè)網(wǎng)狀多端系統(tǒng)中的直流故障,但其僅考慮了兩極故障。文獻(xiàn)［13］設(shè)計(jì)了線路電壓變化率保護(hù)判據(jù),但該方案受到限流電抗器取值的影響。文獻(xiàn)［14］利用限流電抗器暫態(tài)電壓能量來識(shí)別內(nèi)部故障和正向外部故障,并通過電壓幅值比來判斷故障方向,但該方法考慮了行波［15］,不適用于線路較短的直流微電網(wǎng)。

對(duì)于雙端邊界保護(hù),文獻(xiàn)［16］利用暫態(tài)能量差構(gòu)成保護(hù)判據(jù)。文獻(xiàn)［17］將原本的限流電抗器邊界擴(kuò)大,并通過擴(kuò)大后邊界的暫態(tài)能量進(jìn)行故障判斷,該方案對(duì)數(shù)據(jù)同步有一定的要求。文獻(xiàn)［18］利用限流電抗器故障區(qū)內(nèi)外電壓的不同構(gòu)成保護(hù)判據(jù),能夠?qū)崿F(xiàn)故障選線和選極,但面對(duì)較高故障電阻時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)的情況。文獻(xiàn)［19］利用故障后限流電抗器出口與換流器出口電壓比構(gòu)成保護(hù)判據(jù),提出了單端與雙端保護(hù)配合的判據(jù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)速動(dòng)性和選擇性,但該方案對(duì)采樣頻率要求較高。

針對(duì)現(xiàn)有單端邊界保護(hù)難以判斷線路末端故障和雙端邊界保護(hù)要求采樣頻率較高、速動(dòng)性相對(duì)不足等問題,本文所提出的保護(hù)方案利用故障后線路兩側(cè)限流電抗器暫態(tài)高頻電壓模值的大小關(guān)系作為保護(hù)判據(jù),保護(hù)易整定且無須上、下級(jí)線路配合。通過選擇合適的頻率解決了線路背側(cè)阻抗呈容性導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)問題,對(duì)通信要求較低,可以較快識(shí)別且定位直流故障區(qū)域,且能夠避免新能源接入電網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的影響。仿真實(shí)驗(yàn)表明,該方法在不同故障類型、運(yùn)行方式以及較高過渡電阻下,均能夠快速檢測(cè)并有選擇性地切除故障。

1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與故障特性

1.1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

直流微電網(wǎng)具有放射形、環(huán)形等結(jié)構(gòu)［20-21］。放射形直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建設(shè)成本較低,且在線路電能的傳輸過程中相互解耦,在研究線路故障和保護(hù)方案時(shí)線路單獨(dú)考慮即可。環(huán)網(wǎng)中的電源可對(duì)負(fù)荷進(jìn)行雙向供電,故該結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的可靠性及故障或設(shè)備檢修期間運(yùn)行的靈活性,但又因?yàn)榄h(huán)形結(jié)構(gòu)包含故障和任何節(jié)點(diǎn)之間的兩條路徑,環(huán)網(wǎng)在線路電能的傳輸過程中相互耦合,在研究線路故障和保護(hù)方案時(shí)需要考慮上、下級(jí)保護(hù)的配合。因此,放射形電網(wǎng)的保護(hù)方案在環(huán)網(wǎng)中常常不適用,環(huán)網(wǎng)的故障識(shí)別更為困難［22］。為此,本文針對(duì)環(huán)形直流微電網(wǎng)的保護(hù)方案進(jìn)行了研究。

五端環(huán)形直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。五端結(jié)構(gòu)由多類型換流器、直流線路和變壓器等連接風(fēng)機(jī)、光伏、直流負(fù)荷、儲(chǔ)能和交流系統(tǒng)組成。接地方式為直流側(cè)經(jīng)分裂電容中點(diǎn)直接接地。本文以兩極故障為例,單極接地故障可按照同樣的方法分析。

圖1 五端環(huán)形直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of five-terminal ring DC microgrid

1.2 故障特性分析

在系統(tǒng)發(fā)生線路故障時(shí),對(duì)于電壓源換流器（voltage source converter,VSC）端口故障暫態(tài)過程可分為3 個(gè)階段［23］:直流電容放電階段、二極管自然換向?qū)A段、二極管同時(shí)導(dǎo)通階段,本文主要討論直流電容放電階段。對(duì)于AC/DC 和DC/DC 端口,在故障時(shí)可同樣將其等效為電容并聯(lián)在線路一側(cè)［24］。

系統(tǒng)發(fā)生短路故障后,短路點(diǎn)處電壓出現(xiàn)類似于階躍信號(hào)的波形,會(huì)瞬間跌落到一定值［25］,利用傅里葉變換可以發(fā)現(xiàn)該信號(hào)含有各個(gè)頻率的諧波分量［26］。直流故障發(fā)生后,故障頻域的附加網(wǎng)絡(luò)可等效為在故障點(diǎn)處疊加一個(gè)電壓源［27］,本文僅針對(duì)一個(gè)特定頻率f的附加網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。

1.2.1 區(qū)內(nèi)故障分析

以圖1 中Line1 區(qū)內(nèi)兩極故障為例,故障附加網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示。圖中:L1和L2為線路兩側(cè)限流電抗器電抗值；Zm和Zn分別為母線到故障點(diǎn)的等效高頻阻抗；F為故障點(diǎn)；Rg為過渡電阻；C1和C2為整流器端口電容；Z3和Z4分別為m和n母線所連接的另一條線路的等效高頻阻抗；UF為故障點(diǎn)處高頻電壓分量；Imp和Imn分別為m側(cè)母線流向線路的正、負(fù)極高頻電流；Inp和Inn分別為n側(cè)母線流向線路的正、負(fù)極高頻電流。

圖2 區(qū)內(nèi)故障時(shí)頻域的附加網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Additional network in frequency domain during internal faults

由圖2 可知,m、n背側(cè)到接地點(diǎn)的等效高頻阻抗ZM、ZN可由下式表示:

式中:ω為角頻率。

可得,m側(cè)和n側(cè)正極限流電抗器左右兩點(diǎn)對(duì)地電壓分別為:

式中:Upa和Upb分別為m側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓；Upc和Upd分別為n側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓；下標(biāo)a、b和c、d分別表示m側(cè)和n側(cè)限流電抗器的左、右兩端。

若ZM和ZN為感性阻抗,則有

式中:|Upa|和|Upb|分別為m側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓的模值；|Upc|和|Upd|分別為n側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓的模值。

根據(jù)式（3）可得,系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),m側(cè)和n側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓有以下關(guān)系:

同理,系統(tǒng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),m側(cè)和n側(cè)負(fù)極限流 電 抗 器 兩 端 對(duì) 地 高 頻 電 壓Una、Unb、Unc、Und有 以下關(guān)系:

式（4）和式（5）說明,發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí),線路兩側(cè)限流電抗器靠近故障點(diǎn)一端的對(duì)地高頻電壓模值大于靠近母線一端的高頻電壓模值。

1.2.2 區(qū)外故障分析

由圖3 可知,發(fā)生反向區(qū)外故障且ZM和ZN為感性阻抗,則有

圖3 反向區(qū)外兩極故障時(shí)頻域的等效附加網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Equivalent additional network in frequency domain during reverse directional external faults

根據(jù)式（6）可得,系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí),m側(cè)和n側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓有以下關(guān)系:

同理,系統(tǒng)發(fā)生區(qū)外故障時(shí),m側(cè)和n側(cè)負(fù)極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓有以下關(guān)系:

式（7）和式（8）說明,發(fā)生區(qū)外故障時(shí),限流電抗器距離故障點(diǎn)最近的端對(duì)地高頻電壓最大,并隨著故障點(diǎn)距離增大對(duì)地高頻電壓減小。

1.2.3 單極故障時(shí)的非故障極線路分析

直流線路在電能的傳輸過程中,正負(fù)極線路存在耦合［27］,當(dāng)單極故障發(fā)生時(shí),在故障極,閉合回路中的高頻電流IF1和IF2產(chǎn)生交變磁場(chǎng)Bi。如附錄A圖A1 所示,由于磁場(chǎng)作用,會(huì)在非故障極感應(yīng)出高頻電壓Ui。圖4 進(jìn)一步呈現(xiàn)了單極故障時(shí),非故障極的故障頻域附加網(wǎng)絡(luò)［25］。

圖4 非故障極的故障頻域附加網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Additional network in fault frequency domain of non-fault pole

由圖4 可知,單極故障時(shí)非故障極的故障特征與區(qū)外故障相類似,有

式中:|Ua|和|Ub|分別為非故障極m側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓的模值；|Uc|和|Ud|分別為非故障極n側(cè)正極限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓的模值。

綜上,區(qū)內(nèi)外故障限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓模值的大小關(guān)系如表1 所示。

表1 區(qū)內(nèi)外故障限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓模值的關(guān)系Table 1 Relationship of amplitude of high-frequency voltage-to-ground between two ends of fault current limiting reactor for internal and external faults

2 容性阻抗和頻率選取

2.1 容性阻抗

系統(tǒng)故障的暫態(tài)過程與系統(tǒng)的換流器有著密不可分的關(guān)系,現(xiàn)有工程在交流供電側(cè)常用的換流器有模塊化多電平換流器（modular multilevel converter,MMC）和兩電平VSC。因其在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的區(qū)別,故障時(shí)的暫態(tài)電路模型也有著很大不同［6］。如圖5 所示,MMC 的故障暫態(tài)電路可等效為RLC 串聯(lián)電路。圖中:Ls為交流系統(tǒng)到換流器的等效電感；La為橋臂電感；SM1 為MMC 的子模塊；If為故障電流。而對(duì)于VSC、AC/DC 和DC/DC 的故障暫態(tài)電路,可等效為單個(gè)的電容電路。

圖5 故障后整流器暫態(tài)等效電路Fig.5 Transient equivalent circuit of rectifier after fault

第1 章中,判斷區(qū)內(nèi)外故障所用的公式是假設(shè)m、n背側(cè)阻抗ZM和ZN為感性阻抗時(shí)成立的。因此,本文提出的保護(hù)方案能夠較好地適用于兩端或者多端的MMC 系統(tǒng)。而對(duì)于存在VSC、AC/DC 和DC/DC 的兩端或者多端系統(tǒng)中,由于換流器端口電容的存在,會(huì)使得ZM和ZN呈容性,需要進(jìn)一步考慮解決方案。下文以圖2 為例,考慮到Z3為另一線路的等效阻抗且存在限流電感,故Z3在高頻電路下呈感性阻抗,但因其并聯(lián)電容C1的存在,則可能使得ZM呈容性,導(dǎo)致式（4）、式（5）不成立。

為解決m、n背側(cè)阻抗呈容性導(dǎo)致無法利用式（4）、式（5）、式（8）、式（9）判斷區(qū)內(nèi)外故障的問題,需考慮這樣一種場(chǎng)景:以圖1 中Line1 故障為例,故障附加網(wǎng)絡(luò)如圖2 所示,C1為VSC 端口電容,C2為AC/DC 端口電容；由于直流微電網(wǎng)線路較短,可忽略Z3、Z4中的線路阻抗,則Z3=Z4=j2ωL（即限流電抗器的阻抗）。對(duì)于m側(cè)（n側(cè)可同理得到）,區(qū)內(nèi)故障時(shí)有|Upa|<|Upb|,即

式中:ω1為多端系統(tǒng)臨界角頻率；L為限流電抗器電抗值；C為換流器端口電容。

考慮到存在兩端系統(tǒng)的情況,需計(jì)算僅存在C1和C2時(shí)的角頻率ω2:

由式（11）、式（12）可以看出,若L、C越小,則|Upa|<|Upb|時(shí)的臨界角頻率越大。一般情況下,限流電抗L取5～10 mH。這里考慮較為嚴(yán)重的情況,L取5 mH,計(jì)算在不同電容C下,使得|Upa|<|Upb|時(shí)的臨界頻率,結(jié)果如表2 所示。表中:f1為多端系統(tǒng)臨界頻率；f2為兩端系統(tǒng)臨界頻率。

表2 不同電容下的臨界頻率Table 2 Critical frequencies with different capacitance

由表2 可知,隨著電容減小,臨界頻率增大。但換流器上的并聯(lián)電容一般不會(huì)小于0.1 mF,因此,頻率取500 Hz 以上能夠較好地消除m、n背側(cè)并聯(lián)電容的影響。

同樣,由式（11）、式（12）可以得到,當(dāng)ω2LC>2.5 時(shí),本文保護(hù)理論成立。L取值一定時(shí),換流器并聯(lián)電容C越大,角頻率取值范圍越大。

2.2 頻率選取

結(jié)合上述結(jié)論,在選擇頻率f時(shí)有以下要求:

1）消除母線m、n背側(cè)并聯(lián)電容的影響,由2.1節(jié)分析可知,選擇頻率f應(yīng)大于500 Hz；

2）在正常運(yùn)行時(shí),要求系統(tǒng)產(chǎn)生該頻率的高頻分量模值較小；

3）在發(fā)生故障后,要求系統(tǒng)產(chǎn)生該頻率的高頻分量的模值較大,易于故障判別。

附錄A 圖A2 所示為利用傅里葉算法實(shí)時(shí)計(jì)算出的不同頻率下,正常運(yùn)行時(shí)的限流電抗器對(duì)地電壓模值大小［27］。由圖A2 可知,頻率為500 Hz 正常運(yùn)行時(shí),限流電抗器對(duì)地電壓的最大值在3 V 左右,當(dāng)大于1 500 Hz 正常運(yùn)行時(shí),限流電抗器對(duì)地電壓的最大值在1 V 左右。在該仿真實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下,正常運(yùn)行時(shí)1 500～3 000 Hz 的高頻對(duì)地電壓模值的最大值相差不大,因此,選取1 500 Hz 頻率作為保護(hù)方法所用的頻率。這樣,既能保證線路一側(cè)的限流電抗器阻抗的模值遠(yuǎn)大于m、n背側(cè)容性阻抗的模值,即滿足式（4）、式（5）、式（7）—式（9）,又能保證在故障后有較高模值的高頻量易于故障判別。

2.3 新能源接入電網(wǎng)對(duì)高頻分量的影響

新能源接入電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化較為頻繁,會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生高頻分量。

首先,需考慮關(guān)于分布式電源及負(fù)載投切問題。如圖1 所示,以風(fēng)機(jī)退出運(yùn)行瞬間為例,相當(dāng)于在保護(hù)1、保護(hù)10 的反向區(qū)外加入了一個(gè)類似階躍的信號(hào),會(huì)使得系統(tǒng)高頻分量突增。由本文的保護(hù)理論分析可知,該情況為保護(hù)1、保護(hù)10 發(fā)生反向區(qū)外故障。

其次,關(guān)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化,即系統(tǒng)開環(huán)、閉環(huán)瞬間。由于隔離開關(guān)位于限流電抗器靠近母線側(cè),在開環(huán)、閉環(huán)瞬間與分布式電源及負(fù)載投切相類似,發(fā)生反向區(qū)外故障。

最后,外界環(huán)境因素的變化（風(fēng)速和光照強(qiáng)度的變化）及自身控制策略的影響會(huì)輸出一定的高頻分量。外界環(huán)境變化與投切問題和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化相類似,相當(dāng)于保護(hù)的區(qū)外故障。而在換流器脈寬調(diào)制（pulse width modulation,PWM）的調(diào)制方式中,開關(guān)頻率通常大于5 kHz 甚至達(dá)幾十kHz［28］。本文所選取的高頻頻率為1.5 kHz,躲過了因外界環(huán)境因素的變化及自身控制策略影響所產(chǎn)生的高頻諧波范圍,故影響較小。

3 基于限流電抗器對(duì)地高頻電壓保護(hù)方案

3.1 故障啟動(dòng)判據(jù)

當(dāng)直流線路發(fā)生短路故障時(shí),會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生較為豐富的高頻分量,可以利用這一特征構(gòu)造故障啟動(dòng)判據(jù),如式（13）或式（14）所示。

式中:|Upb（k）|和|Upc（k）|分別為正極側(cè)在采樣點(diǎn)k處靠近故障點(diǎn)一端的對(duì)地高頻電壓模值；|Unb（k）|和|Unc（k）|分別為負(fù)極側(cè)在采樣點(diǎn)k處靠近故障點(diǎn)一端的對(duì)地高頻電壓模值；|Uset|為保護(hù)啟動(dòng)的閾值。系統(tǒng)發(fā)生故障后,首先通過對(duì)地高頻電壓的判據(jù),當(dāng)線路b、c點(diǎn)對(duì)地高頻電壓的模值均大于整定值時(shí),保護(hù)啟動(dòng)。

由式（13）、式（14）可知,電壓定值根據(jù)b、c兩點(diǎn)對(duì)地電壓選取,以b點(diǎn)對(duì)地電壓為例:

式中:Im為m側(cè)高頻電流。

由2.1 節(jié)分析可得,1-2ω2LC恒小于0,當(dāng)Im、ω和L一定時(shí),換流器并聯(lián)電容C越大,|Ub|越小,電壓定值取值越小。

分布式電源及負(fù)載投切和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化時(shí),類似發(fā)生區(qū)外故障。因此,本文保護(hù)啟動(dòng)僅需躲過穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行時(shí)的最大值,即外界環(huán)境因素的變化及自身控制策略產(chǎn)生的高頻分量最大值。假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),b、c點(diǎn)對(duì)地電壓的最大值為|UM|,保護(hù)啟動(dòng)的整定值為|Uset|=k|UM|,其中k取2～5,本文k取5。

3.2 故障識(shí)別與選極

由第2 章分析可知,在不同故障類型下,線路兩側(cè)的限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓模值存在差異。以區(qū)內(nèi)故障為例,可推導(dǎo)得到:

由式（16）可以看出,當(dāng)選取的頻率一定時(shí),判據(jù)比值只與背端阻抗和限流電抗器的大小有關(guān)。

由 本 文2.1 節(jié) 可 得,當(dāng)ω2LC>2.5 時(shí),有|Upb|/|Upa|>1 且|Upc|/|Upd|>1。即本文所選1 500 Hz 頻率下,定值為1 的適用系統(tǒng)參數(shù)范圍為LC>3×10-8。而一般情況下,在1 500 Hz 以上的頻率范圍,恒有LC>3×10-8。

可利用該性質(zhì)來構(gòu)造識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障的判據(jù)W1、W2、W3、W4,如式（17）所示。

式中:n為時(shí)間窗內(nèi)采樣點(diǎn)總數(shù)。故障識(shí)別與選極判據(jù)如式（18）所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

本文在MATLAB/Simulink 中,搭建了電壓等級(jí)為±500 V 的五端環(huán)型直流微電網(wǎng)仿真模型,并在RT-LAB 中模擬現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行采樣誤差、干擾等。采用頻率為1 500 Hz 高頻信號(hào)；數(shù)據(jù)采樣頻率為10 kHz。在t=1.5 s 時(shí)發(fā)生故障,仿真模型參數(shù)如附錄A 表A1 所示。

4.1 正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的高頻分量

直流微電網(wǎng)中包含風(fēng)機(jī)、光伏等分布式電源。在正常運(yùn)行時(shí),分布式電源由于外界環(huán)境因素的變化,其輸出會(huì)產(chǎn)生一定的高頻分量。包括:1）風(fēng)速的變化導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的變化,使其產(chǎn)生一定的高頻分量；2）光照強(qiáng)度的變化同樣會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電輸出功率的變化,使其產(chǎn)生一定的高頻分量。

附錄A 圖A3 所示為風(fēng)速、光照強(qiáng)度在1.5 s 同時(shí)變化時(shí),產(chǎn)生的對(duì)地高頻電壓。其中,風(fēng)速由10.5 m/s 增加到13 m/s；光照強(qiáng)度由1 000 W/m2增加到1 200 W/m2。由圖A3 可知,正常運(yùn)行時(shí)外界產(chǎn)生的b、c點(diǎn)對(duì)地高頻電壓的最大值|UM|=1 V,可得本文閾值|Uset|=5 V。

4.2 區(qū)內(nèi)故障

直流微電網(wǎng)換流站中存在許多電力電子元件,需要在故障時(shí)迅速切除故障,防止較大的故障電流損壞電力電子元件。首先,對(duì)區(qū)內(nèi)故障進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在設(shè)定的閾值下,由附錄A 圖A4—圖A6 可以看出,發(fā)生區(qū)內(nèi)單極故障和兩極故障時(shí),b、c點(diǎn)對(duì)地電壓在故障后0.1 ms 內(nèi)超過閾值,具有較好的速動(dòng)性；發(fā)生200 Ω 過渡電阻故障時(shí),保護(hù)能夠正確動(dòng)作,具有較好的抗過渡電阻能力。

表3所示為不同故障類型和故障電阻下的區(qū)內(nèi)故障及其啟動(dòng)判據(jù)的動(dòng)作時(shí)間。在故障電阻為100 Ω時(shí),仍具有較好的靈敏性和速動(dòng)性。對(duì)于各種情形的區(qū)內(nèi)故障,各線路的故障判別結(jié)果如表4 所示。

表3 不同故障類型下的保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)動(dòng)作時(shí)間Table 3 Operating time of protection start criterion with different fault types

表4 區(qū)內(nèi)故障判別結(jié)果Table 4 Identification results of internal faults

4.3 區(qū)外故障

以Line5 發(fā)生兩極故障為例,對(duì)于Line1 而言,Line5 發(fā)生兩極故障為區(qū)外故障,Line1 的正、負(fù)極線路兩側(cè)限流電抗器兩端對(duì)地的高頻電壓模值波形如附錄A 圖A7 所示。由圖A7 可 見,即使b、c兩點(diǎn)的對(duì)地高頻電壓超過設(shè)定的閾值,但因兩側(cè)限流電抗器兩端的對(duì)地高頻電壓滿足式（18）的區(qū)外故障判斷邏輯,線路Line1 上的保護(hù)不動(dòng)作。

對(duì)于各種情形的區(qū)外故障,故障判別結(jié)果如表5 所示。對(duì)于Line1 線路,其他線路故障都屬于區(qū)外故障,會(huì)出現(xiàn)式（18）區(qū)外故障的判斷邏輯和Line1的保護(hù)不啟動(dòng)的情況。因此,發(fā)生區(qū)外故障時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)。

表5 區(qū)外故障判別結(jié)果Table 5 Identification results of external faults

4.4 運(yùn)行模式變化對(duì)故障判斷的影響

環(huán)形直流微電網(wǎng)有多種運(yùn)行方式,其中包括開環(huán)運(yùn)行和閉環(huán)運(yùn)行,保護(hù)方案需要在這些運(yùn)行方式下正確動(dòng)作,且在切換運(yùn)行方式時(shí)不誤動(dòng)。本節(jié)驗(yàn)證了不同運(yùn)行方式下保護(hù)的可靠性,主要考慮以下場(chǎng)景:

場(chǎng)景1:開環(huán)運(yùn)行,在Line5 退出運(yùn)行時(shí),同樣在1.5 s 發(fā)生故障,驗(yàn)證Line1 上的保護(hù)是否正確動(dòng)作。

場(chǎng)景2:由開環(huán)運(yùn)行變?yōu)殚]環(huán)運(yùn)行,Line1 在1.5 s 前退出運(yùn)行,系統(tǒng)為開環(huán)運(yùn)行,在1.5 s 時(shí)刻Line1 投入運(yùn)行,系統(tǒng)變?yōu)殚]環(huán)運(yùn)行,驗(yàn)證Line1 投入時(shí)Line1 上的保護(hù)是否誤動(dòng)。

場(chǎng)景3:由閉環(huán)運(yùn)行變?yōu)楹祥_環(huán)運(yùn)行,Line5 在1.5 s 前投入運(yùn)行,系統(tǒng)為閉環(huán)運(yùn)行,在1.5 s 時(shí)刻Line5 退出運(yùn)行,系統(tǒng)變?yōu)殚_環(huán)運(yùn)行,驗(yàn)證Line1 投入時(shí)Line1 上的保護(hù)是否誤動(dòng)。

附錄A 圖A8 表明,無論是何種運(yùn)行方式,該保護(hù)方案均能準(zhǔn)確判別故障,不受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響。

由附錄A 圖A9（a）可知,由開環(huán)運(yùn)行變?yōu)殚]環(huán)運(yùn)行時(shí),保護(hù)1、2 測(cè)量到的b、c兩點(diǎn)對(duì)地高頻電壓模值最大值在1～2 V,本文設(shè)定的閾值為5 V,因此,保護(hù)1、2 不會(huì)啟動(dòng),并且如3.1 節(jié)所述,該過程類似發(fā)生區(qū)外故障,保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。由圖A9（b）可知,由閉環(huán)運(yùn)行變?yōu)殚_環(huán)運(yùn)行時(shí),如3.1 節(jié)所述,該過程類似發(fā)生區(qū)外故障,即|Ua|<|Ub|<|Uc|<|Ud|,保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。

4.5 通信延時(shí)對(duì)保護(hù)的影響

光纖中信號(hào)傳輸?shù)乃俾始s為2.04×108m/s［25］,可采用專用光纖通道進(jìn)行傳輸,以保證信號(hào)傳輸?shù)乃俾?。由于在直流微電網(wǎng)中線路較短且線路兩端均設(shè)置保護(hù)啟動(dòng)元件,兩端只需傳遞動(dòng)作邏輯信號(hào),對(duì)數(shù)據(jù)同步無嚴(yán)格要求。本文所選時(shí)間窗為2 ms,由表4 可知,保護(hù)可在0.03～0.05 ms 啟動(dòng),總體的線路保護(hù)方案可在2 ms 左右迅速動(dòng)作,因此,在動(dòng)作時(shí)間上滿足保護(hù)的要求。

4.6 數(shù)據(jù)窗的選取及影響

數(shù)據(jù)窗長度的選擇會(huì)直接影響到保護(hù)的性能。若數(shù)據(jù)窗選擇過短,則高頻分量計(jì)算時(shí)用到的基頻頻率范圍有限；若數(shù)據(jù)窗選擇太長,則對(duì)保護(hù)速動(dòng)性有影響。因此,本文折中選擇了2 ms 作為本文保護(hù)所用數(shù)據(jù)窗。

傅里葉算法中,令基頻頻率為500 Hz,則基頻周期為2 ms,諧波次數(shù)取為3,可得本文用到的1 500 Hz 高頻分量。算法數(shù)據(jù)窗需根據(jù)基頻周期選取,同樣設(shè)為2 ms。若數(shù)據(jù)窗選取小于2 ms,則數(shù)據(jù)窗為1 ms 時(shí),可選擇的最小基頻頻率為1 000 Hz,可用頻率范圍減小,且無法獲取本文所選頻率。若數(shù)據(jù)窗選取大于2 ms,以正極故障為例得到區(qū)內(nèi)故障4 ms 后的限流電抗器對(duì)地高頻電壓波形如附錄A 圖A4（a）所示。由仿真波形可得,故障后的2 ms內(nèi),故障線路的限流電抗器b、c點(diǎn)對(duì)地高頻電壓在一定范圍內(nèi)振蕩,始終大于a、d點(diǎn)對(duì)地高頻電壓；故障后的2 ms,故障線路的限流電抗器b、c點(diǎn)對(duì)地高頻電壓開始衰減到與a、d點(diǎn)對(duì)地高頻電壓相近,根據(jù)式（18）判據(jù)可準(zhǔn)確判斷故障,但為了滿足保護(hù)的速動(dòng)性要求,滿足本文故障識(shí)別條件的可用時(shí)間窗長取2 ms 較為合適。

4.7 與現(xiàn)有邊界保護(hù)方案對(duì)比

文獻(xiàn)［29］利用線路兩端高頻功率幅值作為啟動(dòng)判據(jù),根據(jù)兩端高頻功率差異判別區(qū)內(nèi)外故障。附錄A 圖A10 給出了發(fā)生金屬性故障、過渡電阻為20 Ω、系統(tǒng)由開環(huán)變?yōu)殚]環(huán)時(shí)兩端高頻功率幅值的波形。由圖A10（a）、（b）可知,高頻功率受過渡電阻影響極大,僅當(dāng)過渡電阻為20 Ω 時(shí)保護(hù)就可能拒動(dòng)；由圖A10（c）可知,系統(tǒng)由開環(huán)變?yōu)殚]環(huán)時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的高頻功率幅值,可能會(huì)使得保護(hù)誤動(dòng)作。

文獻(xiàn)［18］利用兩側(cè)限流電抗器電壓進(jìn)行故障檢測(cè),當(dāng)限流電抗器電壓大于閾值時(shí)保護(hù)動(dòng)作。附錄A 圖A11 給出了過渡電阻為150 Ω 且正向區(qū)外故障時(shí),系統(tǒng)由開環(huán)變?yōu)殚]環(huán)時(shí)的限流電抗器電壓波形。由圖A11（a）、（b）可知,隨著過渡電阻增大,若要判別高阻故障,需將閾值設(shè)小,而當(dāng)該故障發(fā)生在正向區(qū)外或反向區(qū)外出口處故障時(shí),若上、下級(jí)保護(hù)因某些原因拒動(dòng),則本線路保護(hù)可能會(huì)因?yàn)殡妷哼_(dá)到保護(hù)閾值而誤動(dòng)。由圖A11（c）可知,系統(tǒng)由開環(huán)變?yōu)殚]環(huán)時(shí),會(huì)在限流電抗器兩端產(chǎn)生大電壓,可能會(huì)使得保護(hù)誤動(dòng)作。

由附錄A 表A2 可知,本文利用限流電抗器對(duì)地高頻電壓的保護(hù)方法,在不同故障場(chǎng)景和運(yùn)行方式下均能可靠進(jìn)行故障識(shí)別和故障選極,且具有較強(qiáng)的抗過渡電阻能力。

5 結(jié)語

本文提出一種暫態(tài)對(duì)地高頻電壓保護(hù)方法。通過故障后線路兩側(cè)限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓的差異性識(shí)別區(qū)內(nèi)外故障,并利用正負(fù)極的限流電抗器兩端對(duì)地高頻電壓模值比來進(jìn)行故障選極。本文方法具有以下優(yōu)勢(shì):

1）無須計(jì)算穩(wěn)態(tài)時(shí)的潮流和故障電流電壓,且故障閾值易整定。

2）在高頻下,換流器并聯(lián)電容的阻抗值很小,使得本文推導(dǎo)出的區(qū)內(nèi)外故障判據(jù)成立,本文方法在VSC 和MMC 系統(tǒng)均適用。

3）保護(hù)方法在不同故障場(chǎng)景和運(yùn)行方式下,均能可靠進(jìn)行故障識(shí)別和故障選極,保護(hù)速動(dòng)性、靈敏性良好,有較強(qiáng)的耐受過渡電阻能力,對(duì)采樣頻率要求低,對(duì)數(shù)據(jù)同步要求低。

4）利用本文提到的限流電抗器上a、b、c、d點(diǎn)的對(duì)地電壓模值大小的比值進(jìn)行故障識(shí)別和故障選極,能夠避免新能源接入電網(wǎng)時(shí),如分布式電源及負(fù)載投切問題及結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生的影響,保護(hù)方法更具可靠性。

本文保護(hù)方法是針對(duì)環(huán)形直流微電網(wǎng)提出的,在未來直流微電網(wǎng)發(fā)展過程中會(huì)出現(xiàn)更為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),還需要進(jìn)一步研究其保護(hù)方法。

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