直流微电网中电压源型变流器故障穿越控保协同策略_冯怿彬.pdf
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1、第 44 卷第 7 期2023 年 7 月电力建设Electric Power ConstructionVol.44No.7Jul 2023http:/www cepc com cn基金项目:国家重点研发计划项目(2020YFB1506800)直流微电网中电压源型变流器故障穿越控保协同策略冯怿彬1,2,张后谊3,谢宇哲1,2,周盛1,2,韩寅峰1,2,权超1,2(1 国网浙江省电力有限公司宁波供电公司,浙江省宁波市 315000;2 宁波市新型电力系统数字物理混合仿真重点实验室,浙江省宁波市 315000;3 贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵阳市 550002)摘要:目前,直流微电网的保
2、护方案主要是基于传统保护思想,由于直流故障时冲击电流大、上升速度快,可供使用的数据信息极少,导致对保护装置的快速检测和开断能力要求较高,大幅增加了系统的建设运行成本。以典型直流微电网为研究对象,深入分析了 AC/DC、DC/DC 等电压源型变流器的故障特性,提出了一种具备直流故障穿越能力的电压源型变流器控保协同策略,通过设计通用的直流故障穿越模块,能够在故障发生时快速隔离故障,并主动输出稳定可控的短路电流,以降低保护检测难度;同时,该附加模块还能自动诊断外部故障清除情况,以快速恢复系统运行。最后通过仿真验证了所提控保协同策略的有效性。关键词:直流微电网;故障穿越;控保协同;故障恢复Contro
3、l and Protection Cooperation Strategy for a Voltage SourceConverter in a DC Microgrid During a Fault ide-throughFENG Yibin1,2,ZHANG Houyi3,XIE Yuzhe1,2,ZHOU Sheng1,2,HAN Yinfeng1,2,QUAN Chao1,2(1 State Grid Ningbo Power Supply Company,Ningbo 315000,Zhejiang Province,China;2 Ningbo Key Laboratory of
4、New Power System Digital-Physical Hybrid Emulation Lab,Ningbo 315000,ZhejiangProvince,China;3 Electric Power esearch Institute of Guizhou Power Grid Co,Ltd,Guiyang 550002,China)ABSTACT:The current protection scheme for DC microgrids is mainly based on the traditional protection strategyBecause of th
5、e large and rapid rising impact current during a DC fault,the available data information for protection is quiterare This has resulted in high requirements for the rapid detection and breaking capability of protection devices,which inturn considerably increases the construction and operation costs o
6、f DC microgrids In this study,based on a typical DCmicrogrid,the fault characteristics of voltage source converters such as AC/DC and DC/DC are thoroughly analysed Thestudy then proposes a control and protection cooperation strategy for a voltage source converter in a DC microgrid during afault ride
7、-through(FT)This method designs a universal DC FT module that can realize quick fault isolation and inject acontrollable short circuit current during a DC fault,which reduces the difficulty of protection detection Simultaneously,theDC FT module can also quickly restore system operation by automatica
8、lly identifying whether the fault is rectified Finally,a simulation model is constructed to verify the effectiveness of the proposed control and protection cooperation strategyThis work is supported by the National Key esearch and Development Program of China(No 2020YFB1506800)KEYWODS:DC microgrid;f
9、ault ride-through;control and protection cooperation;fault recovery中图分类号:TM732文献标志码:A文章编号:1000 7229(2023)07 0070 07DOI:10.12204/j issn.1000 7229.2023.07.0080引言在新型电力系统背景下,微电网作为一种分布式新能源高效消纳的技术手段,得到了国内外学者的广泛关注1-4。相比于交流系统,直流微电网具有能量利用率高5、线路损耗小6、运行调控灵活7、便于分布式能源接入8 等特点,被认为是未来电力系统的重要发展方向9-11。目前,针对直流微电网的研究主要
10、包括拓扑结第 7 期冯怿彬,等:直流微电网中电压源型变流器故障穿越控保协同策略http:/www cepc com cn构、稳定机理、协调控制和能量优化等方面。保护技术作为直流微电网可靠运行的关键,仍处于理论研究阶段12-13。文献 14提出了一种基于小波变换的直流微电网单极接地故障定位方法,通过提取对地电容的放电特征,判别接地故障点。文献 15提出了一种直流微电网双斜率电流差动保护方法,在不改变差动保护原有性能的基础上,增加了对区内高阻故障的灵敏度。文献 16针对电流导数算法的缺陷,提出了使用故障电流一阶和二阶导数共同定位的改进算法,仅需要本地信息就能快速检测和甄别直流故障。综上,当前对于直
11、流微电网的保护方案主要还是基于传统保护思想17,即通过快速提取电压、电流等信息,实现故障定位和隔离。由于直流微电网内包含大量的 AC/DC、DC/DC 等电力电子设备,抗冲击能力弱,在设备故障闭锁后的几毫秒内,流过续流二极管中的故障电流可能非常大18-19,因此传统直流保护对速动性要求较高,将大幅增加保护的配置成本。考虑到电力电子设备通常具备优良的快速调节能力,可以利用变流器自身或附加的可控环节,将控制与保护相结合,通过故障穿越主动支撑,改变系统原有的故障特征,从而降低保护检测难度。近年来,基于变流器控保协同的直流微电网保护策略成为新的研究方向20-23。文献 21 针对半桥式结构无法有效抑制
12、故障电流的问题,提出将直流微电网变流器中的续流二极管替换为具有关断能力的绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)元件,实现设备与故障点隔离。文献 22通过在 AC/DC桥臂电路与电容之间安装晶闸管消除了故障发生后的交流馈流,进一步利用直流电容放电特征实现故障定位。文献 23 将故障后的 AC/DC 变流器切换为单相不控整流电路,使得直流侧产生脉动的交流电流,完成对线路的单端测距保护。文献 24-25提出在故障时改变 DC/DC 的载波频率,将其改造为特定的谐波源来定位故障区域。上述文献所提的直流微电网控保协同策略仅适用于特定的变流器拓扑
13、,难以满足 AC/DC、DC/DC等多类型电力电子设备的故障穿越要求,同时所提策略均未涉及故障清除后变流器的快速恢复功能。为此,本文提出了一种具备直流故障穿越能力的直流微电网电压源型变流器控保协同策略,通过在变流器直流母线侧设计通用的直流故障穿越模块,在故障发生后快速将变流器与故障点隔离,并主动构造稳定可控的短路电流,为直流保护正确动作奠定基础;进一步,该附加模块还能自动诊断外部故障清除情况,以快速恢复系统正常运行。最后通过仿真验证了所提策略的有效性。1直流微电网拓扑结构本文研究的直流微电网拓扑结构如图 1 所示26-27,主要由并网 AC/DC 变流器、分布式发电单元、储能单元和负荷四部分组
14、成。其中分布式电源、储能和负荷均需要通过 DC/DC 变流器接入直流系统,并根据实际电压需求选择升压型 Boost 或降压型Buck 变流器。直流微电网中变流器的控制模式主要分为电压源型和电流源型两大类。通常,分布式发电单元采用电流源模式(最大功率跟踪控制),以最大程度利用可再生能源;并网 AC/DC 变流器和储能单元采用电压源模式,共同维持直流母线电压。图 1典型直流微电网系统结构Fig.1Configuration of DC microgrid system直流微电网的接地方式是保护分析的基础。目前在实际工程中,低压直流微电网广泛采用不接地或者高阻接地方式28,在发生单极接地故障时不会产
15、生明显的接地电流,而极间故障造成的危害较大。因此,本文主要针对直流微电网的极间短路故障开展研究分析工作。2直流微电网变流器故障特征2.1AC/DC 变流器故障特性本文研究的 AC/DC 变流器采用传统三相桥式结构,交流侧配置滤波电感,直流侧为稳压电容 C1。当直流微电网发生极间短路故障时,直流电容快速放电,AC/DC 变流器检测到过流迅速闭锁,其故障等效电路如图 2 所示。图中 L、LL分别为变流器到故障点的线路等效电阻和电抗,Uc1为直流电容电压,io1为变流器输出电流。AC/DC 变流器的短路故障可以分为 3 个阶段29:1)电容放电阶段。故障初期,由于直流电容上的电压 Uc1大于交流线电
16、压,故障电流以电容短路放电为主,交流侧只提供电感(Lg1)上的续流电流,因此变流器内部并不会出现过流。2)二极管自然换向导通阶段。当 Uc1下降到小于交流线电压时,变流器各桥臂上的二极管根据不控17电 力 建 设第 44 卷http:/www cepc com cn整流桥的自然换向原则,开始由交流向直流注入短路电流。此时交流系统和直流电容同时向故障点放电,变流器内部过流。3)二极管同时导通阶段。当 Uc1继续放电衰减过零时,直流侧电抗(LL)上的反向电动势使得 6 个二极管同时导通,交流系统相当于发生了三相短路。变流器内部受交流短路和直流电抗续流的同时作用而急剧过流。需要说明的是,阶段 2 和
17、阶段 3 是一个不断交替的过程,系统中的故障电流、电压逐渐减小最后趋于稳定30-31。图 2AC/DC 变流器直流故障等效电路Fig.2Equivalent circuit of AC/DCconverter during DC fault因此,为了确保 AC/DC 变流器的设备安全,直流保护需要在阶段 1 完成对故障的快速隔离。阶段1 电容放电阶段的故障电流、电压情况分析如下。此阶段,直流电容、线路阻抗与短路时的过渡电阻 g构成了 LC 二阶放电电路(图 3),其暂态过程为经典的零输入响应,可以表示为式(1):LLC1d2Uc1(t)dt2+(L+g)C1dUc1(t)dt+Uc1(t)=0
18、(1)图 3电容放电阶段等效电路Fig.3Equivalent circuit during C1discharging考虑到极间短路时,故障等效电阻较小,通常满足 L+g 2LL/C1。因此,式(1)的特征根是一对共轭复根。假设变流器故障闭锁时刻为 t0,初始条件 Uc1(t0)=U0,io1(t0)=I0,解得故障后直流电容电压和输出电流分别为:Uc1(t)=Aetsin(dt+)io1(t)=AC1LLetsin(dt+)(2)式中:=(L+g)/2LL称 为 衰 减 系 数;d=1/LLC1 2称为振荡角频率;A、分别为积分常数、电压相角参数和电流相角参数,具体定义如下:A=U02+(
19、U0dI0dC1)2=arctan(U0U0dI0dC1)=arctan(d)(3)由式(2)可得,阶段 1 直流电容放电为欠阻尼的振荡衰减过程如图4 所示,振荡周期 Td和峰值时间 t1计算如下:Td=2/dt1=(0.5 +)/d(4)为了减少短路电流峰值,保证变流器内部安全,故障隔离时间 tiso需要远小于 t1。图 4电容放电阶段的故障电流、电压衰减曲线Fig.4Fault current and voltage attenuationcurve during C1discharging2.2Boost 型 DC/DC 变流器故障特性Boost 型 DC/DC 变流器极间短路故障等效电
20、路如图 5 所示。图中 C2为直流侧稳压电容,U 为电容电压,io2为变流器输出电流。其故障过程可以分为 2个阶段:1)电容放电阶段。与 AC/DC 变流器类似,故障初期,由于电容电压 U 大于储能侧电压 Ubat,故障电流以电容短路放电为主,变流器内部并不会出现过流。2)二极管导通阶段。当 U Ubat时,桥臂上的反并联二极管 D2导通,开始由储能侧向直流微电网注入短路电流。此时储能系统和直流电容同时向故障点放电,变流器内部过流。最终,直流微电网将呈现持续性的短路电流特征。因此,为了确保 Boost 型 DC/DC 变流器的设备安全,直流保护同样需要在阶段 1 完成故障隔离。其阶段 1 中的
21、故障电流、电压变化特征与 AC/DC 变流器一致,受文章篇幅限制,不再赘述。27第 7 期冯怿彬,等:直流微电网中电压源型变流器故障穿越控保协同策略http:/www cepc com cn图 5Boost 型 DC/DC 变流器故障等效电路Fig.5Equivalent circuit of Boost DC/DCconverter during DC fault2.3Buck 型 DC/DC 变流器故障特性Buck 型 DC/DC 变流器极间短路故障等效电路如图 6 所示。图中 Lf3为滤波电感,C3为直流侧稳压电容,U 为电容电压,i 为变流器输出电流。由图易得,当变流器故障闭锁后,储能
22、无法向直流微电网侧提供短路电流支撑,从而确保了变流器内部的元件安全,实现了故障隔离的效果。此时,故障点的短路电流主要由滤波电感和直流侧稳压电容上的放电电流构成,经过振荡衰减最终将趋于零。图 6Buck 型 DC/DC 变流器故障等效电路Fig.6Equivalent circuit of Buck DC/DCconverter during DC fault3变流器故障穿越控保协同策略由上述分析可得,直流微电网中电压源型变流器在发生极间短路故障时,首先进入电容的快速放电阶段。AC/DC 变流器和 Boost 型 DC/DC 变流器由于无法将源端(交流系统/储能)与直流微电网隔离,最终导致电源短
23、路,变流器输出持续、不可控的短路大电流,极易损坏设备。而 Buck 型 DC/DC 变流器拥有良好的短路电流抑制能力,能够为设备的故障穿越与直流保护动作奠定基础。因此,本文基于 Buck 型电路的故障隔离特征,设计了一种通用型的直流故障穿越模块,适用于 AC/DC、DC/DC 等多类型电压源型变流器,进一步提出了变流器故障穿越控保协同策略。对于光伏/风电等电流源型变流器,可通过出口限流电感和直流断路器相配合的方式,实现故障情况下的快速切除。3.1直流故障穿越模块设计本文对 Buck 型 DC/DC 变流器拓扑优化改进,得到直流故障穿越模块如图 7 所示,包括一组反向串联的 IGBT 管 T1、
24、T2及相应的反并联二极管 DT1、DT2、限流电感 L 和续流二极管 D。图中 Uc为故障穿越模块的输入电压,即为变流器端口电容电压;Uo、io分别为模块的输出电压和电流。图 7直流故障穿越模块拓扑结构Fig.7Topology of DC FT module正常运行时,T1、T2导通,故障穿越模块不起作用,变流器与直流微电网实现功率交互;当直流系统发生极间短路故障时,变流器端口电容快速放电导致过流,T1、T2闭锁实现故障隔离。此时,变流器仍保持正常运行状态,维持端口电压 Uc稳定;故障穿越模块中的二极管 D、限流电感 L 与线路阻抗构成了一阶放电回路,电流 io按指数规律衰减,最终至零。直流
25、故障穿越模块中,IGBT 和二极管可以按照变流器额定电流的1.5 倍配置;电感 L 主要用于限制短路电流的上升速率,其大小选取方法如下。考虑极端情况,变流器以额定功率运行,io=Irate,Uc=Urate。极间短路时,线路阻抗为 0,端口电压 Uc全部施加在电感 L 上,则电感理论设计值:L Ucdtdio=Uratetiso1.5Irate Irate=2UratetisoIrate(5)式中:故障隔离时间 tiso为从故障发生到 T1、T2成功闭锁的时间,包括检测时间、处理时间和驱动时间,一般为几微秒到几十微秒。当实际电感取值超过理论值时,可满足保护对速动性要求。3.2故障穿越控保协同策
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