含復合儲能的直流微電網故障監測與定位

高衛宏，原 新

（山西晉中理工學院，山西 晉中 030600）

0 引 言

文章提出一種控制直流微電網故障監測與定位的方法，其中復合儲能部分用超級電容器和蓄電池組并聯模擬，利用非線性干擾觀測器實時追蹤系統發生故障時的擾動，同時配合小波包故障特征分析進行故障定位。當擾動超出直流電網允許值時，考慮樣本誤差在故障暫態，經過數學建模和特征能量選取，利用db15小波對各共模電流進行小波分解，最終選線定位線路故障至故障解除。整個過程中，非線性干擾觀測器實時追蹤系統的擾動，結果顯示其在允許值范圍內。

1 直流微電網故障特征分析

直流微電網故障類型如圖1所示。設置直流微電網系統，接入分布式電源和復合儲能，其中復合儲能部分用超級電容器和蓄電池組并聯模擬。在分析直流微電網故障時，以最常見的單相接地故障為例[1]。雖然此類故障在電力系統中較為常見，但是發生時需要對整條線路進行停電檢測。

圖1 直流微電網故障類型

1.1 系統正常運行時的輸出電流特征

直流微電網穩定運行時，非線性干擾觀測器在直流微電網采取雙閉環控制下實時追蹤系統動態，輸出的擾動電流波形如圖2所示[2]。直流微電網系統采用傳統PI雙閉環控制，擾動電流兩者誤差逐漸減小，趨于穩定。此時誤差在允許范圍內，可以忽略。

圖2 非線性干擾觀測器觀測波形

1.2 系統發生單相接地故障時的輸出電流特征

由圖1可知，直流微電網故障類型和交流電網故障類型相似。直流微電網中發生極間故障危害最大，但此故障發生概率低，而單相接地故障發生概率較高，因此以單相接地故障為例進行分析[3]。系統發生單相接地故障線路模型，如圖3所示。

圖3 系統發生單相接地故障線路模型

中性點不接地系統穩態運行時的數學模型為

中性點對地電壓、零序電壓以及零序電流均為零，系統中無零序分量[4,5]。

當發生單相接地故障時，以A相故障為例，UN和0值改變，故障電流K為

此時會出現零序分量。故障線路和非故障線路出現零序電流的區別在于：故障線路上零序電流方向為線路流向母線，方向與非故障線路零序電流方向相反。檢測到故障繼電器時，先根據常規時間分級協調動作，當1個繼電器做出時間設定最快的跳閘決定后，對側的繼電器會在1個時間窗口內檢測到聲音相電流的變化，以加速動作。

2 故障狀態分析

2.1 直流微電網故障

故障期間，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）受自我保護因素的影響，使反向二極管暴露于過電流。無論直流電纜上發生的故障處于何處，均可用等效電路表示，如圖4所示。

圖4 單相接地故障系統電容放電階段等效電路

直流微電網RLC電路的數學模型為

式中：Rf為電纜線電阻。當發生故障使得電阻值降低、故障電阻很小時，電容開始放電，故障電流變大，故障電流達到峰值且電容器電壓小于輸入電壓的峰值。

根據計算，電容放電階段會使直流微電網系統輸出電流紋波變大，如圖5所示。此時，電容縮減為原來的1/2，直流母線電壓與故障下的電壓基本沒有差別，系統仍可以故障運行一段時間。該階段需要找到線路的故障位置，第一時間解決故障，否則故障電壓會隨著故障時間的增加而增加。

圖5 系統發生擾動時輸出波形

當系統發生故障時，電容開始放電，故障電流急速上升，擾動電流值隨之變大，兩者誤差急速變大。因為直流母線電壓Udc變化非常小，所以發生單相接地故障時，系統仍可以穩定運行一段時間。此時，非線性干擾觀測器仍在實時追蹤擾動，但無法判定故障位置。通過小波包對零序信號的分析，可以獲得擾動的范圍區間，并進一步確定故障位置。故障發生后迅速放電抬升故障電流，電力電子變換器此時對直流母線電容進行穩壓。若找不到故障線路，電容將持續放電，電壓隨著故障時間推延升高，系統的直流母線電壓和直流母線電流會升高至原來的50倍。當故障進入續流二極管電流放電階段時，電容開始充電，直流微電網系統由故障暫態進入故障穩態。

2.2 直流微電網故障特征提取

故障特征提取數學建模為

式中：Ts=1/fs；fs為采樣頻率；2-(n+1)fs≤f；ωTs=2π/N；N為所取周期內的采樣點個數。

基波幅值和相角計算公式為

當發生單相接地故障時選擇2條線路，分別記為線路1和線路2。提取故障特征，提取值分別如表1、表2、表3以及表4所示。

表1 I0的5次諧波幅值與相角特征提取（中性點不接地）

表2 I0的5次諧波幅值與相角特征提取（中性點經消弧線圈接地）

表3 零序電流有功分量特征提取（中性點不接地）

表4 零序電流有功分量特征提取（中性點經消弧線圈接地）

2.3 小波包能量故障特征

采用db15小波基函數對故障信號進行5層分解，將第4尺度內的小波包能量作為特征值。提取能量特征值發現，系統故障時的小波能量大于系統正常運行時的能量，故障特征提取結果如表5和表6所示。

表5 小波包能量特征提取（中性點不接地）

表6 小波包能量特征提取（中性點經消弧線圈接地）

3 結 論

通過非線性干擾觀測器實時追蹤直流微電網母線電壓波動，分析直流微電網在穩態運行下的擾動波形和發生單相接地故障時的擾動波形。結果顯示：穩態運行下的擾動波形觀測值和實際輸出值二者誤差幾乎為零，可以忽略。發生單相接地故障時有故障暫態（電容放電）和故障穩態（續流二極管放電）2種狀態。故障暫態時，故障電流持續升高，故障電壓持續升高，電壓電流升高為原來的50倍。進入故障穩態時，故障電壓和原始設定的母線電壓相差不大，故障電流有一個回落然后繼續上升。線路繼續運行1～2 h，如果任其發展，故障問題將擴大。

此外，可通過觀測波形得知線路發生故障，利用小波包進行故障特征分析和故障定位。經過數學建模和特征能量選取，利用db15小波對各共模電流進行小波分解，通過迭代次數判斷選線正確率，最終選線定位線路故障。