放射直流微電網短路故障保護策略

張偉亮，張 輝，2，支 娜，王韓偉，杜明橋

（1. 西安理工大學 電氣工程學院，陜西 西安710048；2. 清華大學 電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室，北京100084）

0 引言

隨著可再生清潔能源與智能電網相關建設的推進，柔性直流輸電技術日趨成熟，直流微電網契合智能電網發展需求，已逐步成為未來能源互聯網的重要組成部分［1-2］。直流微電網通常由分布式微源、儲能、保護監控和交直流負荷構成［3-4］。直流微電網運行靈活，易擴充，但含有大量電力電子設備，運行工況復雜，短路電流沖擊大且不存在過零點，使得故障檢測與切除尤為困難［5］，因此快速可靠地檢測并切除故障是直流微電網推廣的關鍵技術之一［6-8］。目前直流固態斷路器已可在微秒級時間內切斷短路電流，而故障檢測時間多數仍在毫秒級［9］，因此研究直流微電網故障檢測方法，減少保護動作時間，具有重要意義。

直流微電網架構主要分為放射狀、環狀以及網狀架構［10］。國內外已有學者分別針對不同架構直流微電網的保護策略開展研究，思路主要是優化網絡拓撲，引入智能裝置或保護算法，然后根據故障電流或電壓特性，以電流或電壓為參考值，設定相應的動作閾值以識別故障工況，進而下達相應的控制指令來隔離或切除故障，避免故障的擴大，提高系統的穩定性。文獻［11-13］提出了不同的限流措施，以降低故障電流對電力電子裝置的沖擊，同時對直流系統進行潮流控制，限制故障電流上升速度并切斷故障電流；文獻［14］針對環形直流微電網，采用電流差動保護作為主保護、欠電壓保護作為后備保護方案，可有效檢測區內故障，但受短路阻抗影響較大，據此，文獻［9］提出基于功率變化率的差動保護，降低了短路電阻對保護的影響，提高了保護靈敏度且可在百微秒級的時間內檢測并切除故障，但該方法及文獻［14］中的方法均不適用于放射直流微電網。文獻［15］為提高放射直流微電網保護的靈敏度，采用橫聯保護并引入電阻限流器，擴大了保護范圍；文獻［16］利用限流電抗器暫態電壓比，實現對故障的檢測與識別；文獻［17］采用外部串聯電感檢測直流故障，利用接地電流檢測高阻抗接地故障，該保護方法可以檢測出接地阻抗小于25 Ω 的接地故障，其平均檢測時間為1.25 ms，提高了故障定位的精度和靈敏度，但由于串聯電抗的存在，短路電流上升變慢，增加了故障檢測時間，致使其速動性下降；文獻［18］提出采用熔斷器作為低壓直流微電網的保護策略，其結構簡單，價格低廉，但為了保證可靠性和快速性，需要配備較大容量的儲能電容，確保在發生故障時，提供足夠大的電流讓熔斷器迅速熔斷，然而過大的尖峰電流會對系統造成較大的沖擊，對電力電子設備不利，同時需要較多的儲能電容，且在發生高阻抗短路故障時，儲能放電電流減小，造成保護不能快速切除故障；文獻［19］為了保證直流微電網保護的選擇性，提出了一種直流微電網單元保護方案，利用線段兩端的疊加故障電流區分內部和外部故障。

以上文獻通過改變拓撲或引入限流裝置，降低發生故障時電流突增對電力電子裝置的破壞，一定程度上提高了直流微電網的可靠性，但是網絡拓撲的改變或限流裝置的引入增加了電流上升至閾值的時間，降低了保護的速動性。對于基于故障電流量或電壓量的保護，故障值達到閾值需要一定的時間，所以無法在故障發生瞬間識別并切除故障，且基于故障電流量或電壓量的保護只是單一地利用故障電流或電壓量，不利于靈敏度的提高，據此，本文針對放射直流微電網，提出基于支路兩端導納差值導數的故障檢測方法，利用支路電流與電壓，求解支路兩端導納差值的一階導數，將其作為判斷故障、保護動作的整定量，充分利用了線路故障參量，提高了保護靈敏度，且導納差值的導數在故障發生時刻最大，可立即判斷是否發生了故障，縮短了電流或電壓變化量達到閾值的時間，實現了故障的瞬時識別。相比以電流量或電壓量構成的保護，本文方法具有更好的速動性和更高的靈敏性。最后通過仿真驗證了本文方法的有效性。

1 放射直流微電網短路故障與支路導納分析

放射直流微電網的結構示意圖如圖1 所示，其由光伏陣列、風電機組、儲能裝置、本地負荷以及并網變換器等組成。并網變換器連接交流電網，在直流微電網發生故障后，其保護由交流主網執行，光伏陣列、風電機組及儲能裝置自身故障則由其自身器件保護執行相應的動作。本文主要針對放射直流微電網線路短路故障進行保護研究。

圖1 放射直流微電網示意圖Fig.1 Schematic diagram of radial DC microgrid

放射直流微電網線路短路故障主要包含母線到負荷間（負荷支路）短路故障、分布式微源到母線間（分布式微源支路）短路故障以及儲能到母線間（儲能支路）短路故障。放射直流微電網穩態運行及短路故障等值電路如圖2所示。圖中，R、L和C分別為直流微電網等效電阻、電抗和母線電容；iS、RS分別為直流微電網等效電流和電阻；iSj、RSj分別為微源j的等效電流和電阻；Rf和RL分別為短路阻抗和負荷電阻；R1、R2與L1、L2分別為支路短路故障點到線路兩端的電阻與電抗值；i1、i2為發生支路短路故障時，支路兩端流入短路點的電流；i、iC、iL和if分別為支路電流、母線電容電流、負荷電流和短路電流；ubus、ibus分別為母線電壓和電流。

直流微電網穩態運行時，其等值電路如圖2（a）所示，此時各支路電流關系如式（1）所示。

穩態運行時，母線電容電流很小，可忽略，可得故障前直流母線負荷側導納為：

圖2 放射直流微電網等值電路Fig.2 Equivalent circuits of radial DC microgrid

其中，u0和Y0分別為穩態時負荷電壓和導納。

當發生短路故障時，母線電壓迅速下降，等效微源和電容通過母線向短路點注入電流，電流突增，變換器可進行自我保護，電流則通過變換器續流二極管續流，由于電流較大，存在燒毀二極管的風險，如故障未能及時切除，則進入系統激勵狀態，此時，過大的電流將導致主網及各微源的保護動作，造成整個直流微電網的癱瘓。故障發生瞬間，支路電流和電壓關系為：

短路故障發生前，iS≈iL；短路故障初始階段，電容放電電流遠大于微源等效輸出電流，故iC≈i=if，則R、Rf、L、C組成二階振蕩電流，暫態方程如式（4）所示，求解式（4）可得式（5）。

其中，uC為母線電容電壓；z1、z2分別為式（4）的正、負特征根。

由式（4）和式（5）可解得母線電容電壓表達式為：

則可由式（6）、（7）求得直流母線負荷側瞬時暫態導納Y的表達式為：

2 基于支路兩端導納差值導數的保護整定

基于支路兩端導納差值導數判據框圖如圖3 所示。圖中，H為故障判據系數；Y′op為基于支路兩端導納差值的保護的動作值；dY為被保護支路兩端導納差值；u1、u2為支路兩端電壓。首先計算支路首、末端導納并作差，得到支路首、末端導納差值然后求其導數，將該導數與Y′op作差得到H。當該導數大于Y′op時，H>0，保護動作。與基于單一電壓或電流的保護方法相比，本文所提保護方法具有更高的靈敏度，同時，基于支路兩端導納差值導數的判據可在短路故障瞬間對運行工況的改變做出判斷，提高了保護的速動性。

圖3 基于支路兩端導納差值導數的保護框圖Fig.3 Block diagram of protection based on derivative of admittance difference between two sides of branch

2.1 保護判據

基于基于支路兩端導納差值導數的判據為：

放射直流微電網的短路故障中，負荷支路短路故障可等效為雙端輸入網，微源支路短路故障可等效為單端輸入網，如圖4所示。

圖4 放射直流微電網支路短路故障等值電路Fig.4 Circuit of branch short circuit faults of radial DC microgrid

負荷支路發生短路故障時，短路阻抗與負荷阻抗并聯，其兩端的瞬時導納差值為：

同理，當微源支路發生短路故障時，其兩端的瞬時導納差值為：

基于式（12）、（13）進行如下分析。

（1）工況1：微源支路或負荷支路正常運行。此時，該支路功率無論是恒定還是發生改變，支路兩端電壓、電流均存在如下關系：

u1>u2，i1=i2，則dY<0，H<0，保護不動作；

（2）工況2：微源或負荷支路區外短路故障。同理可得，u1>u2，i1=i2，dY<0，H<0，保護不動作。

（3）工況3：微源支路區內發生短路故障，u1≈u2，i1=-i2，dY?0，H>0，保護動作；負荷支路發生區內短路故障，u1>u2，i1>i2，dY>0，且dY/dt>Y′op，H>0，保護動作。

由上述分析可知，支路正常運行或支路區外短路故障情況下，支路導納發生改變，但兩端導納差值不變，H<0，因此，本文所提的保護方法不受功率變化和支路區外故障的影響；微源支路區內短路故障情況下，支路兩端電壓、電流大小改變，且電流方向相反，H>0，保護動作，切除該支路；負荷支路區內短路故障情況下，發生金屬性短路故障時，支路末端電壓、電流改變，但支路末端導納不變，而首端電壓突降，電流突增，首端導納突增，則支路兩端導納差值突變，H>0，保護動作，隨著短路電阻的增大，支路兩端導納差值減小，當短路電阻增大到一定程度時，H≈0，此時保護可能無法識別故障，則該值是負荷支路保護臨界值，負荷支路短路阻抗應小于臨界值。

2.2 閾值整定

直流微電網接地故障通常分為單極接地短路和極間短路故障，在相同的參數和運行工況下，單極接地短路電流小于極間短路電流，因此，若本文所提保護方法能有效切除單極接地故障，則對極間短路故障同樣有效。根據國家電力行業標準規定，在配電系統中，母線到負荷、微源到母線的允許壓差分別為±7%、±5%［20］，為保證本文所提保護方法的可靠性，其整定值應躲開正常運行時各支路首、末端壓差引起導納變化的最大誤差，即：

其中，Y′f.min為保護可識別的最小短路電流對應的導納差值導數；Ksen為靈敏度系數，取值為1.3。

3 仿真驗證

基于MATLAB2017a／Simulink，構建圖1 所示的20 kW、400 V 放射直流微電網模型以驗證本文所提方法的有效性。具體仿真參數為：直流母線電壓ubus為380～420 V；光伏、風機、蓄電池的輸出功率分別為5、10、5 kW；R、L、C分別為0.1 Ω、1 mH 和2 200 μF；Rf為0.01～60 Ω。

3.1 保護速動性驗證

保護需要盡快檢測并切除短路故障，避免故障擴大以致燒毀電力電子器件。為驗證本文所提保護方法具有更好的速動性，仿真中將基于電流量和電壓量的過電流保護和低電壓保護作為對比。

在0.01 s 時，突加16 kW 負荷，負荷支路電流為40 A，光伏輸出功率為5 kW、電流為12.5 A，風機輸出功率為10 kW、電流為25 A，儲能輸出功率為1 kW、電流為2.5 A；在0.06 s時，光伏支路發生Rf=0.5 Ω的短路故障。對應的仿真波形如圖5 所示。圖中，iPV、uPV分別為光伏支路的電流、電壓；圖中給出了部分點的橫、縱坐標作為參考。由圖5（c）可見，0.03 s 時光伏支路受到擾動，峰值電流達到18.3 A；0.06 s 時光伏支路發生短路故障，支路末端電流方向改變。由圖5（d）可見，在突加負載和受到擾動時，本文保護方法的判據H<0，保護均不動作；0.06 s 時H>0，保護在約136 μs的時間內切除故障。相同的參數設置下，負荷支路短路故障的仿真波形見圖6。圖中，uL分別為負荷支路的電壓。

表1為在光伏支路和負荷支路短路故障下，3種保護方法切除故障支路的時間及故障支路承受的最大沖擊電流。由表1 可知，本文所提保護方法在速動性上遠優于低電壓和過電流保護，降低了短路沖擊電流幅值，提高了直流微電網的穩定性。

圖5 光伏支路短路故障下，保護速動性仿真驗證結果Fig.5 Simulative verification results of speed under short circuit fault in PV branch

綜上所述，本文保護可在約140 μs 內識別并切除故障，且不受負載擾動影響。

3.2 保護靈敏性驗證

為驗證本文所提方法具有更高的短路故障識別能力，計算過電流保護、低電壓保護及本文所提保護方法的保護范圍。

過電流保護動作值Iop為：

其中，UN、IN分別為負荷額定電壓、額定電流；Krel1為可靠系數，取為1.5。

根據圖3 可得過電流保護可識別的短路電阻范圍與電壓、電流、電阻參數的關系為：

其中，umin為最小允許運行電壓。由式（19）可求解得到過電流保護可識別的Rf范圍為：

圖6 負荷支路短路故障下，保護速動性仿真驗證結果Fig.6 Simulative verification results of rapidity under short circuit fault in load branch

表1 3種保護方法的性能對比Table 1 Performance comparison among three protection methods

根據式（20），計算得到過電流保護可識別的最大短路阻抗為0～12.4 Ω。同理可得，低電壓保護可識別的最大短路阻抗為0～12 Ω。

由本文所提保護方法的整定可知：

依據保護判據可得：

可求解得到本文所提保護方法可識別的Rf范圍為：

由于負荷到母線的線路阻值較小，0.138R可忽略，則本文所提保護方法可識別的短路阻抗范圍為0～76 Ω。由上述分析計算結果可知，本文所提保護方法具有更高的靈敏度。

圖7 為3 種保護方法在負荷支路發生高阻抗短路故障時的仿真結果。由圖可知，低電壓保護在短路阻抗為12 Ω 時，負荷支路電壓降至360.5 V，大于動作值，保護無法識別短路故障；過電流保護在短路阻抗為12.4 Ω時，峰值電流為74.3 A，小于動作值，保護同樣不能識別故障；本文所提保護方法在短路阻抗為60 Ω 時，負荷支路電流為56 A，此時H≈3 100，仍可有效識別并切除故障，所以本文保護方法具有更大的故障識別范圍，在相同短路阻抗下的靈敏度更高。

圖7 負荷支路短路故障下，保護靈敏性仿真驗證結果Fig.7 Simulative verification results of sensitivity under short circuit fault in load branch

3.3 保護選擇性與可靠性

為驗證本文所提保護方法的選擇性和可靠性，對微源支路、負荷支路短路故障進行仿真。由于儲能和風機到母線短路故障的等效電路與光伏支路故障類似，以光伏支路短路故障代表微源短路故障。在0.01 s時投入16 kW負荷，此時風機、光伏、儲能分別輸出10、5、1 kW，0.06 s 時光伏支路和負荷支路分別發生短路故障，本文所提保護動作前、后各支路電流變化情況見圖8。圖中，iW、iB分別為風機支路、儲能支路電流。

圖8 光伏支路和負荷支路發生短路故障時，本文所提保護動作前、后各支路電流波形Fig.8 Current waveforms of each branch before and after operation of proposed protection under short circuit fault in PV and load branches

從圖8（a）可看出，光伏支路發生短路故障時，本文所提保護迅速切除故障，對于風機支路、儲能支路和負荷支路屬于區外故障，保護不動作，光伏支路被切除，而其他支路仍然正常運行；由圖8（b）可知，負荷支路短路故障被切除后，其他支路不受影響。

綜上所述，本文所提保護方法具有良好的選擇性，減小了停電范圍，提高了放射直流微電網的可靠性和能源利用率。

4 結論

本文針對放射直流微電網，提出直流微電網導納導數保護判據，該方法利用故障電壓與電流參量，求解支路兩端導納差值并對其求導，以導納差值導數為故障判斷量，減少了故障識別時電流或電壓變化至閾值的時間，實現了故障的瞬時檢測，提高了保護速動性，同時利用故障電流突增、電壓突降的特性，由支路暫態導納代替暫態電壓或電流，其變化靈敏度高于電壓或電流單獨變化的靈敏度，增大了故障識別范圍，提高了保護靈敏度。

本文著重研究了放射直流微電網各支路短路保護的有效性，對于故障定位尚未討論，后續將對該方法在放射直流微電網群落的應用及故障定位繼續開展研究。