基于主動探測的直流微電網故障區段辨識與快速恢復策略

馮懌彬，張雪松，汪湘晉，趙 波，郭 力

（1. 國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，浙江 杭州310014；2. 天津大學 智能電網教育部重點實驗室，天津300072）

0 引言

近年來，分布式電源和直流負荷的大量接入導致中低壓配電網的形態發生巨大變化。直流微電網以其運行效率高、轉化環節少、便于新能源接入等優勢，引起國內外學者的廣泛關注［1-3］。然而，因微電網內的電力電子設備抗沖擊能力較弱，且故障后直流電流上升迅猛，導致故障特征持續時間短［4］，給故障區段的準確辨識帶來巨大挑戰。可靠的故障辨識技術，是實現故障快速隔離的重要保障，對縮短系統停電時間、提高供電可靠性具有重要意義［5-6］。

現階段，直流微電網的故障辨識與保護技術仍處于理論研究階段，這已成為制約其推廣應用的主要因素之一［7］。當前，直流微電網保護策略大部分都是基于傳統交流保護思想，即被動接收故障信號，利用短窗提取電氣量的暫態特征［8-9］，實現故障辨識。由于電力電子裝置的脆弱性，直流微電網在隔離故障時將更依賴于斷路器的快速開斷能力和通信設備的可靠性，導致被動式保護在可靠性、速動性和經濟性之間的矛盾難以調和［10-11］。因此，主動保護應運而生［12］。主動保護是指故障發生后，電力電子設備主動改變自身控制策略，進而改變系統的故障特性，以達到故障辨識和故障隔離的目的［10］。文獻［13］在直流電流控制中注入方波信號，進一步改變模塊化多電平換流器（MMC）上下橋臂子模塊的投入數量，通過特征信號識別直流線路的故障類別。文獻［14］將故障后的AC-DC 變流器切換為單相整流電路，實現了故障電流的周期性半波變化，進而完成對線路的單端測距保護。該方法由于需要改造直流微電網內的所有設備，且相關參數受線路長度與負荷功率影響較大，對實際工程的適用性有待檢驗。文獻［15］在光伏直流匯集系統發生故障后，通過令光伏變流器輸出低幅值的故障電流，實現了故障定位與隔離；文獻［16］在直流環網故障解列后，令變流器產生特定頻率的諧波信號，從而準確定位故障線路。文獻［15-16］所提策略均需要基于隔離型的DC-DC變流器，將大幅增加系統的建設成本。

綜上，現有的直流微電網主動保護技術，主要關注長直流線路下的故障辨識、測距與定位，當系統內饋線較多且線路長度較短時，以上方法將不再適用。同時，上述文獻均沒有考慮故障清除后，直流系統的供電恢復方案。為此，本文基于主動保護的思想，提出了一種直流微電網故障區段辨識與快速恢復策略，通過設計AC-DC 變流器的故障控制模塊，主動注入可控的探測電流，構造穩定的短路電流特征；進一步協同直流保護裝置，實現對故障點的準確識別和快速隔離；微電網內的各變流器還能根據設備端口電壓和探測電流自動診斷故障消除情況，以快速恢復系統供電。最后，基于實時數字仿真（RTDS）平臺的仿真結果驗證了所提策略的有效性。

1 直流微電網系統結構

本文研究的直流微電網系統結構如圖1 所示［17-18］，主要由以下4個部分組成：AC-DC變流器；以光伏為代表的分布式電源；儲能單元，包括蓄電池儲能和超級電容等；直流負荷。實際系統中，直流微電網內的各組成單元均通過一段線路（L1—L5）和直流斷路器（S1—S5）接入直流母線。

圖1 典型直流微電網系統結構Fig.1 Structure of typical DC microgrid system

直流微電網的接地方式是保護分析的基礎，按照接地電阻劃分，主要可分為不接地、高阻接地、直接接地3 種［19］，由具體的應用場景和需求決定。目前大量的低壓直流系統都是用不接地或高阻接地方式［19］。而在直流微電網故障類型中，極間短路危害最為嚴重，容易導致系統崩潰。因此，本文主要針對高阻接地的直流微電網極間短路故障展開研究。

1.1 AC-DC變流器拓撲結構

直流微電網中，AC-DC 變流器的電路拓撲如圖2 所示。該變流器采用傳統三相橋式結構，交流側配置LCL濾波器，直流側為穩壓電容C1，電容電壓為Udc1。為了快速限制直流故障電流，本文在變流器的直流側額外設計了故障控制模塊，如圖中虛框部分所示，由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）T1、反并聯二極管D1和限流電感Lf1三部分組成。變流器端口電壓為Uo1，輸出電流為i1。正常運行時，AC-DC變流器采用直流電壓控制模式，將Udc1維持在額定值Urate附近。此時T1導通，故障控制模塊不起作用，可以等效為一個串聯電感，且Uo1≈Udc1。

圖2 AC-DC變流器結構Fig.2 Structure of AC-DC converter

1.2 DC-DC變流器拓撲結構

直流微電網中，光伏和儲能均通過DC-DC 變流器接入電網，其電路拓撲如圖3 所示。該變流器采用傳統Buck 型降壓電路，輸入側接光伏電源或儲能電池，輸出側通過濾波電感Lf2和穩壓電容C2接入直流母線。為了限制短路電流，在電容支路還安裝了故障切除裝置。變流器端口電壓為Uo2，輸出電流為i2。正常運行時，DC-DC 變流器采用功率控制模式，實現對直流微電網的功率支撐。

圖3 DC-DC變流器結構Fig.3 Structure of DC-DC converter

2 變流器故障控制策略

2.1 AC-DC變流器故障控制策略

當直流微電網內發生極間短路故障時，AC-DC變流器的出口電容C1短路放電，輸出電流i1迅速上升。此時，故障控制模塊檢測到設備過流，立即閉鎖T1，將變流器與故障隔離；D1導通，為故障電流提供續流回路。待短路電流大幅衰減后，故障控制模塊還具備主動向直流微電網注入穩定可控探測電流的能力，為直流保護的正確動作奠定基礎。具體的故障控制策略說明如下（控制邏輯如圖4所示）。

（1）當i1超過設備的保護動作值I1時，故障控制模塊啟動，閉鎖T1，隔離故障；T1左側的三相橋式整流電路繼續保持電壓閉環控制，維持Udc1穩定。

（2）待故障電流衰減后（約10 ms），故障控制模塊以一定占空比d逐漸導通T1，使得變流器主動向故障點注入探測電流，并通過電流閉環將i1控制在設備額定電流Irate的50%。

（3）當外部故障清除后，變流器輸出的探測電流會自動流向直流微電網中的光伏／儲能DC-DC 變流器出口電容充電，使得直流母線電壓抬升。當Uo1超過閾值Uth時，故障控制模塊轉為采用電壓控制，將直流電壓調節到Urate，系統重新恢復正常運行。若Uo1長時間小于Uth（超過200 ms），則認為直流故障清除失敗，關斷T1，AC-DC變流器停機。

圖4 AC-DC變流器故障控制邏輯Fig.4 Fault control logic for AC-DC converter

故障控制模塊電流、電壓閉環控制框圖見圖5。

圖5 故障控制模塊控制框圖Fig.5 Control block diagram of fault control module

當Uo1≤Uth時，開關狀態S=1，故障控制模塊采用電流控制，具體工作原理說明如下。首先通過比較電流參考50%Irate與變流器輸出電流i1（即探測電流）得到偏差信號Δi1，經過經典的比例-積分（PI）控制器得到占空比d，最后通過脈寬調制（PWM）得到驅動信號，控制T1的通斷。當i1受到擾動發生變化時，假設i1減小，此時Δi1增大，經過PI 控制后d同樣增大，使得T1導通時間增加，i1增大，重新恢復至參考值附近，實現對電流的快速跟蹤與無差調節。當Uo1>Uth時，開關狀態S=2，故障控制模塊轉為采用電壓控制，采用電壓電流雙環結構。外環為電壓環，通過比較電壓參考值Urate與變流器端口電壓Uo1，得到偏差信號ΔU1，經過PI 控制后得到內環電流參考值Iref，之后的控制過程與電流控制一致，最終實現了Uo1=Urate=Udc1，T1重新完全導通，恢復正常運行。

2.2 DC-DC變流器故障控制策略

與AC-DC 變流器故障控制不同，DC-DC 變流器作為功率源，在直流微電網發生極間短路故障時，主要采取限功率措施，具體策略如下。

（1）當檢測到輸出電流i2超過保護動作值I2時，DC-DC 變流器立即閉鎖Buck 電路開關，同時故障切除裝置啟動，切除出口電容C2并放電。

（2）待故障電流衰減后（約10 ms），重新投入C2，使變流器處于待機狀態。當檢測到端口電壓Uo2恢復正常后，重啟設備，進入正常運行模式。若直流電壓超過200 ms 沒有恢復正常，則認為直流故障清除失敗，DC-DC變流器停機。

3 直流微電網故障辨識與快速恢復策略

3.1 基于主動探測的故障區段辨識

由第2 節研究分析可得，在直流故障控制階段，AC-DC變流器能夠主動向直流微電網注入穩定可控的故障探測電流。基于該探測電流，進一步協同直流保護裝置，可實現對直流系統不同故障區段的準確識別和快速隔離。對于圖1 所示的直流微電網系統，短路故障點按區段劃分主要可以分為進線故障f1、電源故障f2、負荷故障f3和母線故障f4這4 類，如圖6 所示。直流保護裝置的測點分布在開關S1—S5上，具備母差保護和帶方向的過流保護等功能。

圖6 直流微電網故障區段劃分Fig.6 Fault section division of DC microgrid

當進線f1處發生短路故障時，直流微電網內的AC-DC、DC-DC 變流器等設備首先進入閉鎖狀態，以限制短路電流。隨后，AC-DC 變流器的故障控制模塊會主動向直流系統注入穩定的故障電流。故障電流分布如圖6 中實線箭頭所示。饋線L1上，1 號ACDC 變流器產生的故障探測電流直接流入故障點f1；饋線L2上，2 號AC-DC 變流器產生的探測電流分別經過斷路器S2、直流母線和斷路器S1流入f1。以流出母線作為直流保護的參考方向，此時流過非故障饋線上的探測電流與保護參考方向相反，流過故障饋線上的探測電流與保護參考方向相同。饋線L3—L5上，由于DC-DC 變流器閉鎖、負荷屬于無源設備，均不會產生持續性的短路電流。

當光伏電源f2處發生短路故障時，2 臺AC-DC變流器產生的探測電流匯集于f2，如圖6中虛線箭頭所示。該工況下，饋線探測電流和保護參考方向的判據與發生進線故障f1時相同；所有饋線流出直流母線的電流均為穿越性電流，其和為0。饋線L4和L5上沒有持續性的短路電流。負荷故障f3特性與電源故障f2基本一致，因此不再贅述。

當直流母線f4處發生短路時，2 臺AC-DC 變流器產生的探測電流流入母線，如圖6 中點劃線箭頭所示。此時流過饋線上的探測電流均與保護參考方向相反，所有饋線流出直流母線的電流之和不為0。因此，與交流保護類似，可以快速識別母線故障。

綜上，基于AC-DC 變流器所注入的探測電流，直流保護裝置僅需獲取所有饋線出口的電壓／電流信息，就可以實現整個直流微電網的故障區段辨識。不同故障區段下，直流微電網饋線故障電流分布特征如表1所示。

表1 不同故障區段下的饋線故障電流分布特征Table 1 Distribution characteristics of feeder fault current under different fault sections

由表1 可知，當發生饋線故障f1—f3時，所有流出直流母線的電流之和恒為0，故障線路的短路電流方向與保護參考方向一致，此時線路保護閉鎖，待接收到AC-DC 變流器發出的解鎖信號后，直流保護裝置才啟動故障辨識，完成故障隔離；當發生母線故障f4時，流出直流母線的電流之和不為0，直流保護裝置可立即識別故障類型，正確動作。

3.2 直流保護協同控制時序流程

本文所提的直流微電網主動保護策略保護動作時序如圖7所示。

（1）t0時刻，直流微電網發生短路故障，故障電流上升迅猛，在1 ms 內便達到變流器的保護動作值，AC-DC、DC-DC 變流器故障閉鎖，限制短路電流。此時，直流保護裝置的線路保護處于閉鎖狀態。

（2）經過約10 ms 的暫態過程，直流故障電流衰減，故障特征消失。AC-DC 變流器的故障控制模塊啟動，向直流微電網主動注入探測電流，使得系統內呈現持續、穩定的故障電流特征，同時向直流保護裝置發送解鎖信號。保護裝置啟動線路故障辨識。

（3）t3時刻，直流保護裝置辨識故障區段，完成故障定位，保護跳閘出口，經過30～40 ms，饋線上對應的直流斷路器分斷［7］，實現故障隔離。

（4）短路故障清除后，直流母線電壓抬升，ACDC 變流器故障控制模塊自動轉為采用電壓控制模式，將母線電壓重新調節到Urate。DC-DC 變流器檢測到電壓正常后，重新啟動，直流微電網恢復運行。

由圖7 可知，從直流故障發生到系統恢復運行，直流保護動作總時間小于100 ms，本文所提策略最大限度地減小了系統故障對負荷供電的影響，有助于實現負荷的短時故障穿越［20］，提高供電可靠性。

4 仿真驗證

為了驗證本文所提策略的有效性，在RTDS 平臺中搭建了如圖6 所示的直流微電網的半實物仿真模型，搭建的RTDS平臺如附錄中圖A1所示，并分別對進線故障、負荷故障和母線故障進行仿真分析。直流系統相關參數如附錄中表A1所示。

正常運行時，直流負荷功率為100 kW，光伏和儲能分別向系統輸出40 kW 功率，2 臺AC-DC 變流器均分剩余功率，即均為10 kW。假設直流微電網發生金屬性短路，過渡電阻Rg取0.1 Ω。

（1）進線故障。

圖7 保護動作邏輯時序圖Fig.7 Time sequence diagram of protection action logic

圖8 進線故障f1時電壓、電流波形圖Fig.8 Waveforms of voltage and current under line fault f1

圖8 為直流微電網在進線f1處發生極間短路故障的電壓、電流波形。圖中，Udcbus、iacdc1、iacdc2、idcdc1、idcdc2、iload分別為直流母線電壓、1 號AC-DC 變流器輸出電流、2 號AC-DC 變流器輸出電流、1 號DC-DC 變流器電感電流、2 號DC-DC 變流器電感電流和直流負荷電流。由圖8 可知，t0=100 ms時故障發生，直流母線電壓瞬間跌落至0 附近，變流器檢測到過流后迅速閉鎖；10 ms后（t2時刻），故障電流衰減，2臺ACDC 變流器的故障控制模塊主動向直流微電網注入大小為50%Irate（約187.5 A）的探測電流，為直流保護提供了穩定的故障特征；直流保護裝置基于表1 所示的故障電流分布特征，將故障定位在饋線L1上，并于約30 ms 后（t4時刻）成功分斷直流斷路器S1，實現故障清除；2 號AC-DC 變流器故障控制模塊檢測到電壓抬升后自動轉為采用電壓控制模式，于t5時刻將母線電壓恢復到額定值400 V；最后，2 臺DC-DC變流器重啟，直流微電網重新恢復正常運行（t6時刻），直流保護動作總時間小于100 ms。

由于故障點位于饋線L1處，開關S1斷開后，1號ACDC 變流器將繼續向短路點注入探測電流。200 ms后，由于端口電壓并未抬升，認為故障隔離失敗，1號AC-DC變流器停機，實現對設備自身保護。

（2）負荷故障。

附錄中圖A2 為直流微電網在負荷f3處發生極間短路故障的電壓、電流波形。由圖A2 可知，t0=100 ms 時故障發生，直流母線電壓跌落至0 附近，變流器檢測到過流后迅速閉鎖；10 ms 后（t2時刻），ACDC 變流器主動向直流系統注入探測電流，探測電流流入饋線L5，形成了穩定的故障特征；直流保護裝置基于表1 所示的特性，成功辨識故障區段，并于t4時刻成功分斷直流斷路器S5，實現故障清除；此時探測電流自動轉為向DC-DC 變流器出口電容充電，直流電壓抬升，當超過電壓閾值時，AC-DC變流器的故障控制模塊轉換為采用電壓控制模式，于t5時刻將母線電壓恢復到額定值；當DC-DC 變流器檢測到母線電壓恢復正常后自動重啟，完成整個直流保護協同配合流程，總時間控制在100 ms內。

當電源f2處發生短路時，其故障特性與負荷故障基本一致，受篇幅限制，不再贅述。

（3）母線故障。

當直流微電網發生母線故障時，各設備端口電壓、電流波形如附錄中圖A3所示。由圖可知，t0時刻故障發生，直流母線電壓快速跌落，變流器檢測到過流而閉鎖；由于母線故障特征較為特殊，直流保護裝置基于表1 所示的特性就能直接辨識，實現保護跳閘出口；經過約30 ms 后（t4時刻），饋線L1—L5上所有直流斷路器均斷開，完成故障隔離。

（4）過渡電阻的影響。

基于附錄中圖A2 的負荷故障場景，分別減小、增大過渡電阻阻值，對本文所提策略的適用性進行進一步驗證。附錄中圖A4—A6 分別為過渡電阻取0.05、0.2、0.3 Ω 時，直流微電網發生負荷故障下的母線電壓和AC-DC 變流器輸出電流波形。由圖可知，隨著過渡電阻增大，直流母線電壓跌落和短路電流上升速度變緩，故障區段辨識與快速恢復策略依然準確可靠。

5 結論

針對直流微電網極間短路故障，本文基于主動保護思想，將變流器的就地故障控制與直流保護相結合，提出了一種直流微電網的故障區段辨識與快速恢復策略，得到結論如下：

（1）AC-DC變流器中所設計的故障控制模塊，能夠主動向直流系統注入恒定可控的探測電流，為直流微電網構造了持續、穩定的故障特征；

（2）故障控制模塊能夠基于端口電壓變化自動診斷故障消除情況，以快速恢復系統運行；

（3）所提方法能在短路故障發生后100 ms 內完成故障隔離與系統恢復，大幅降低了對負荷供電的影響。

目前，該方法已在浙江上虞交直流微電網工程和海寧交直流微電網工程得到應用，設備改造便捷，應用效果較好，對未來直流微電網工程的保護方案設計具有一定的指導借鑒意義。

附錄見本刊網絡版（http：//www.epae.cn）。