基于電流微分量的多端直流配 電網(wǎng)保護策略研究

陳小軍，靳一林，顧博川，潘凱巖

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080，2.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 221116)

隨著分布式能源滲透率越來越高以及智能家居使用率的不斷提升，直流微電網(wǎng)的應(yīng)用日益廣泛。直流微電網(wǎng)接入設(shè)備變化大、電源種類多，形成了網(wǎng)架復(fù)雜的多端直流配電系統(tǒng)[1-4]。但直流配電網(wǎng)中接入的分布式電源間歇性、隨機性強，所以傳統(tǒng)保護方案在多端直流配電網(wǎng)中應(yīng)用效果不佳[5-10]。

傳統(tǒng)直流配電網(wǎng)的保護通常利用直流熔斷器和固態(tài)斷路器作為保護器件。直流熔斷器只能實現(xiàn)簡單的選擇，無法滿足日益復(fù)雜的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[11-13]；固態(tài)斷路器造價高、經(jīng)濟性差，影響了直流微電網(wǎng)的推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)保護方案難以適應(yīng)直流微電網(wǎng)多變的運行方式，保護整定困難重重[14-17]。

本文利用串聯(lián)電抗器可提供電流微分量的特點，提出了一種基于電流微分量的多端直流系統(tǒng)保護方案。通過在該系統(tǒng)的各條線路兩端裝設(shè)線路串聯(lián)感抗器實現(xiàn)故障短路電流的微分量獲取，利用單端電流最大微分量區(qū)分本側(cè)母線、本側(cè)饋線、相鄰母線和相鄰饋線等故障類型，并將單端故障信息上傳；綜合分析后實現(xiàn)多端直流配電系統(tǒng)的故障定位，并利用斷路器和隔離開關(guān)的配合投切實現(xiàn)故障隔離。

1 多端直流配電系統(tǒng)

本文應(yīng)用串聯(lián)電抗器構(gòu)建了典型的多端直流環(huán)網(wǎng)配電系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)由4條直流母線構(gòu)成，每條母線通過隔離開關(guān)(QS)連接負(fù)荷和相鄰母線，通過斷路器(QF)連接分布式能源(光伏電源、風(fēng)機電源)、蓄電池組和交流配電網(wǎng)。本地電源優(yōu)先實現(xiàn)就地消納，電源不足的負(fù)荷點通過線路得到電能補給，微電網(wǎng)整體電量不足則通過交流配電網(wǎng)供給。

圖1 多端直流配電系統(tǒng)短路故障類型示意圖Fig.1 Short-circuit fault types of multi-terminal DC distribution system

直流配電網(wǎng)保護策略研究直流母線和電源點之間使用固態(tài)變壓器(DC/DC、AC/DC)和斷路器連接，母線與負(fù)荷及線路出口均安裝了隔離開關(guān)。相鄰母線之間的電纜上安裝了串聯(lián)電抗器，正常運行時，串聯(lián)電抗器對直流電流不產(chǎn)生影響，當(dāng)發(fā)生接地故障時，可限制短路電流并提供短路電流微分量。

本文設(shè)置了以下故障類型：直流母線1短路故障F1；直流母線1和2之間線路短路故障F2；直流母線2短路故障F3；直流母線1和直流母線3之間線路短路故障F4；直流母線2和4之間的線路短路故障F5；連接負(fù)荷的直流母線3短路故障F6。

2 短路電流分析和保護方案

2.1 故障短路電流分析

多端直流配電系統(tǒng)的故障類型分為2類：一類是母線故障，例如故障F1、F3和F6；另一類為線路故障，例如故障F2、F4和F5。以F1和F2為例，分析母線故障和線路故障的區(qū)別。

圖2表示故障F1和裝設(shè)了不同串聯(lián)電抗器的故障F2短路電流時間變化。當(dāng)串聯(lián)電抗器電感值L=0.02 mH時，F(xiàn)2a(串聯(lián)電抗器電感值L=0.02 mH時故障F2)與F1的短路電流幅值、峰值時間和增長率接近，故障類型難以區(qū)分；當(dāng)L=0.5 mH時，F(xiàn)1與F2c(串聯(lián)電抗器電感值L=0.5 mH時故障F2)短路電流曲線區(qū)別明顯，但F2c短路電流曲線無明顯峰值，故障識別困難；當(dāng)L=0.1 mH時，F(xiàn)1和F2b(串聯(lián)電抗器電感值L=0.1 mH時故障F2)短路電流曲線區(qū)別明顯，且F2b短路電流曲線有明顯峰值，故障類型識別容易，所以本文選用加裝的串聯(lián)電抗器L為0.1 mH。

圖2 故障F1和加裝不同串聯(lián)電抗器的故障F2短路 電流對照曲線Fig.2 Comparison of fault F1 and fault F2 with different series reactors

故障電流實時值分別受到線路故障與出口的距離、短路電阻等因素的影響，因此難以區(qū)分故障類型，無法作為保護動作的判據(jù)。圖表示故障F1和故障F2下短路電流對時間的微分量變化曲線。由圖3可見，故障F1下的短路電流微分量峰值比故障F2下的短路電流微分量峰值的差異較大，可明顯區(qū)分2種短路故障類型。

圖3 故障F1和故障F2短路電流微分值變化曲線Fig.3 Variation curves of short-circuit current differential values of fault F1 and fault F2

2.2 保護方案

2.2.1 保護策略

如圖4所示,每側(cè)的保護單元通過2層電氣量判別故障類型，一層為基于本地電氣量信息的初始判斷，另一層是基于多端配電系統(tǒng)全局信息的高級判斷。先判定是否為本側(cè)母線故障，若是，則待斷路器動作后，本側(cè)所有隔離開關(guān)動作以隔離故障，且保持本側(cè)斷路器斷開，待故障隔離后其他側(cè)斷路器閉合恢復(fù)供電；若非本側(cè)母線故障，結(jié)合其他側(cè)短路電流微分量信息，判別是否為本側(cè)線路。若是則對應(yīng)線路隔離開關(guān)斷開，各側(cè)斷路器等待隔離完畢后閉合以恢復(fù)供電；若非本側(cè)線路故障，則根據(jù)其他側(cè)保護信息，判別是否為相鄰母線故障。如果為相鄰母線故障，待故障隔離后斷路器閉合恢復(fù)供電；若為相鄰線路故障，斷路器動作而隔離開關(guān)不動作，待故障隔離后斷路器閉合恢復(fù)供電。

圖4 保護單元動作策略Fig.4 Protection unit action strategy

2.2.2 保護流程

如圖5所示，通過對本次短路電流微分量來區(qū)分母線故障還是線路故障。當(dāng)發(fā)生母線故障時，斷開本次所有的隔離開關(guān)，完成故障隔離并發(fā)送故障隔離完成信息，其他母線恢復(fù)正常供電。當(dāng)發(fā)生線路故障時，如果是本側(cè)線路故障，則斷開相應(yīng)的隔離開關(guān)，并等待對側(cè)隔離開關(guān)斷開后，閉合斷路器恢復(fù)供電；當(dāng)發(fā)生相鄰線路故障時，等待故障隔離完成信息，閉合斷路器恢復(fù)供電。

圖5 多端直流配電系統(tǒng)的保護流程Fig.5 Protection process of multi-terminal DC distribution system

2.2.3 保護時序

如圖6所示，當(dāng)發(fā)生故障時，保護單元進行故障檢測，確定為故障時，斷路器動作，同時保護單元根據(jù)各側(cè)短路電流微分量識別故障類型，隔離開關(guān)根據(jù)故障定位信息進行故障隔離，各側(cè)故障隔離完畢后經(jīng)過一定延時斷路器閉合恢復(fù)供電。

t0、t1、t2、t3、t4、t5分別為故障發(fā)生、檢測、清除、定位、隔離及斷路器閉合恢復(fù)供電時刻。圖6 多端直流配電系統(tǒng)的保護時序圖Fig.6 Protection sequence diagram of multi-terminal DC distribution system

3 仿真算例

3.1 母線故障

下面以故障F1為例，驗證母線故障時的保護動作情況。正常工作時，母線1側(cè)電源和母線2側(cè)電源負(fù)責(zé)供給所有負(fù)荷的電能，母線4側(cè)直流蓄電池不提供電能。

當(dāng)直流母線1發(fā)生短路故障時，如圖7所示，經(jīng)5.15 ms后，斷路器切斷各側(cè)電源，母線2電壓UBus2在斷路器動作時下降到0，光伏電源側(cè)DC-DC變換器的電流ipv出現(xiàn)短路峰值，隨著斷路器的動作，下降到0；經(jīng)11.3 ms后，斷路器切斷各側(cè)電源完成故障隔離，斷路器恢復(fù)供電。交流配電網(wǎng)側(cè)的AC-DC變換器的電流iAC出現(xiàn)短路峰值，隨著斷路器的動作，短路電流下降到0，之后恢復(fù)供電，iAC回復(fù)到正常的負(fù)荷電流，且比之前稍大，原因是光伏電源側(cè)電源被切斷，母線3側(cè)的部分負(fù)荷由母線2側(cè)的電源轉(zhuǎn)供。由圖7中直流蓄電池電流iBA曲線可知，母線3側(cè)直流蓄電池在故障隔離恢復(fù)供電后開始為系統(tǒng)供能。母線2側(cè)的負(fù)荷電壓Ul2從318 V最低下降到308 V，降比為3.7%，壓降不明顯，保證了系統(tǒng)供電的可靠性。

圖7 F1故障仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of fault F1

3.2 線路故障

下面以故障F2為例，驗證線路故障時的保護動作情況。正常工作時光伏電源主要提供負(fù)荷1的電能，部分轉(zhuǎn)供負(fù)荷2和負(fù)荷4。故障點設(shè)置在母線1至母線2出現(xiàn)距離母線1出口10 m處。

如圖8所示，發(fā)生短路故障時，母線1電壓UBus1在斷路器動作時下降到0，母線1側(cè)ipv出現(xiàn)短路峰值，母線2側(cè)iAC出現(xiàn)短路峰值。經(jīng)5.08 ms后，斷路器切斷各側(cè)電源，故障線路2側(cè)隔離開關(guān)動作，經(jīng)11.7 ms完成故障隔離，斷路器動作恢復(fù)供電。負(fù)荷電壓Ul1從318 V最低下降到307 V，降比為3.6%，保證了系統(tǒng)的供電可靠性。

圖8 F2故障仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of fault F2

4 結(jié)束語

本文分析了多端直流配電系統(tǒng)的短路電流特性，利用獲取的短路電流微分量，區(qū)分母線故障和線路故障，并通過斷路器和隔離開關(guān)投切配合的保護方案，實現(xiàn)故障切除、故障隔離和恢復(fù)供電；同時，以母線故障和線路故障為算例進行仿真計算，結(jié)果表明當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生母線故障或者線路故障時，保護方案能夠可靠動作并及時切除故障，從而完成故障隔離和快速回復(fù)供電，且全過程負(fù)荷電壓降控制在合理范圍。該保護策略既滿足供電的穩(wěn)定性和可靠性要求，又不需要加裝額外的電氣設(shè)備，節(jié)約了微電網(wǎng)的構(gòu)建成本。