低壓直流配電系統故障限流與保護方法與流程
2023-05-05 15:04:22
本發明涉及電力系統繼電保護和自動化領域，具體涉及一種適用於低壓直流配電系統的故障限流與保護方法。
背景技術：
隨著新能源、新材料和電力電子技術的長足發展和廣泛應用，以及城市負荷需求的不斷提高，用戶對電能的穩定性、高效性和經濟性要求日益增加。一方面，由於分布式電源和負荷大多採用直流形式，需要通過交流進行多級電力電子變換裝置進行電能變換，導致交流配電網存在變換效率低的短板；另一方面，光伏、風電等新能源具有間歇性和隨機性等特點，嚴重影響了交流配電網的運行穩定性；加之交流配電網本身面臨的響應速度慢、傳輸功率小、損耗大等諸多問題，嚴重製約了可再生能源的推廣和電力產業的發展。
較之交流配電網系統，直流配電網可以直接通過dc/dc變換器將多種電源和負荷接入系統，無需額外的能量轉換環節，極大程度提高配電網的傳送效率。此外，在電壓等級、導體截面、電流密度和走廊寬度相當的情況下，直流配電網輸送的功率高於交流系統。同時，直流配電網不存在交流系統頻率、相位等同步問題，在分布式電源併網時具有明顯技術優勢。對於日漸緊張的城市人口、交通和城市環境等問題，通過可再生能源接入的直流配電網，能夠實現綠色生態、低碳高效的電力能源傳輸。
保護技術作為直流配電網的應用瓶頸，仍處於理論研究階段。當直流線路發生雙極短路故障時，由於二極體的脆弱性，致使vsc的過電流能力有限，故障電流易損壞vsc，另外，分布式電源的接入，使得故障發生後，非故障部分脫網後繼續運行成為可能，這就要求保護技術可以快速可靠隔離故障線路。因此，線路保護技術對低壓直流配電系統安全可靠運行具有至關重要的作用。
技術實現要素：
直流配電系統保護配置面臨的主要問題，即二極體脆弱性和保護選擇性之間的矛盾，據此，本發明提出一種能夠保證vsc等脆弱器件的安全性實現非故障網絡正常運行的低壓直流配電系統故障限流與保護方法。該方法應用於輻射狀的直流配電系統，通過限流保證，通過保護方法判斷故障位置並隔離故障。技術方案如下：
一種低壓直流配電系統故障限流與保護方法，包括以下幾個方面：
(1)採用igbt與限流電阻相併聯，系統正常運行時igbt導通，當檢測到故障過電流後，控制igbt在數十個微秒內關斷，接入限流電阻，使故障電流降低；
(2)主保護在故障後瞬時動作，判據為：
式中inormal1為正常工作時線路首端通過的電流，inormal2為正常工作時線路末端通過的電流，i1為線路首端的測量電流，i2為線路末端的測量電流，電流的正方向為由母線流向線路；iset1、iset2為線路首端電流變化量的門檻值；
(3)後備保護為基於r-l測距的兩段式距離保護，若在一定時間內故障未清除，則判斷主保護失效，後備保護投入，後備保護利用延時和整定值實現選擇性，保護判據為：
lset1為距離i段的整定值，其值為本段線路80％處與本段線路保護安裝處之間的線路電感值，無延時；lset2為距離п段的整定值，其值為下段線路40％處與本段線路保護安裝處之間的線路電感值，tset為距離п段設定的延時。
優選地，限流電阻根據下式選取：
其中uam為vsc交流側相電壓的峰值，xl為vsc交流側電抗，idiode.lim為二極體可以承受正弦半波電流的最大峰值。
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
1、限流器採用電阻限流器即可，相較於電阻型超導限流器，成本低廉，由於限流電阻是考慮故障過電流及二極體承受故障電流能力而選擇，阻值較小，因此在限流器投入後，故障特性仍比較明顯，利於故障信息的提取和保護。
2、限流器的使用保證了器件安全性，使得保護利用延時實現選擇性成為可能。
3、本發明採用基於暫態電流突變量的主保護和基於r-l模型的後備保護方案，該保護方案適用範圍廣泛，且有良好的選擇性。此外，本保護方案僅要求限流處配置混合式固態斷路器，其餘節點配置動作較慢的塑殼斷路器即可，大大降低了直流配電系統推廣的成本。
附圖說明
圖1為電阻型限流器原理圖。
圖2為線路故障等效電路圖。
圖3為故障分量示意圖(區內故障)。
圖4為故障分量示意圖(區外故障)。
圖5為r-l模型原理圖。
圖6為直流配電系統結構圖。
圖7為保護方案整體時序圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實例對本發明作進一步的詳細說明。
圖1為電阻型限流器原理圖，系統正常運行時igbt導通，當檢測到故障過電流後，控制igbt在數十個微秒內關斷，限流電阻接入系統中，使故障電流降低，從而保護電力電子設備。該結構原理簡單，但考慮到損耗問題，僅可用於較低電壓等級的網絡中，單個igbt的通態損耗在1％左右，若電壓等級較高，則需串聯多個igbt，此時損耗增大。考慮到二極體可承受峰值低於9.pu.的工頻正弦半波電流10ms，實際上由於選型裕度、故障過渡電阻等因素，二極體可承受故障電流的能力遠大於10ms，故可將igbt替換為開斷速度較慢(10ms左右)的直流斷路器，如混合式固態直流斷路器。在限流的基礎上，系統中其他保護設備可選擇動作速度較慢的機械直流斷路器，大大降低了保護配置的成本。
限流電阻的參考值為：
其中uam為vsc交流側相電壓的峰值，xl為vsc交流側電抗，idiode.lim為二極體可以承受正弦半波電流的最大峰值。
主保護方案的原理說明如下：
故障發生後，vsc由於自身閉鎖致使電壓降低，但在故障後的很短的暫態過程中，dc-link電容上的電壓還未降低，此階段可認為vsc輸出的直流電壓不變。
則根據圖2所示的故障等效電路圖，故障點電壓為：
故障前，該點電壓為：
顯然，故障後該點電壓降低，根據疊加原理，相當於在正常網絡上疊加了一個負電源。對於區內故障，線路首端的暫態電流增大，而線路末端的暫態電流減小，如圖3所示；而區外故障，線路首端和末端暫態電流的變化趨勢相同，如圖4所示，據此可以將故障定位。基於暫態電流突變量的主保護判據為：
式中inormal1為正常工作時線路首端通過的電流，inormal2為正常工作時線路末端通過的電流，i1為線路首端的測量電流，i2為線路末端的測量電流，以上電流的正方向為由母線流向線路。iset1、iset2為線路首端電流變化量的門檻值，考慮到直流電流波動及互感器誤差的影響，一般取為正常工作電流的0.1倍。
後備保護方案的原理說明如下：
後備保護採用單端量保護，在通信失敗的情景下，作為主保護的後備。考慮到分布式電源故障穩態後的輸出電壓及功率難以事先得知，導致傳統的電流保護無法整定，而距離保護雖無需分布式電源故障後的輸出數據，但抵抗過渡電阻能力有限，故本發明選擇為系統配置基於r-l模型的距離保護，通過計算l確定故障點位置。r-l模型原理如圖5，保護處與故障點之間線路的電感值計算公式為：
其中d＝di/dt，為了將故障線路隔離，需要同一段線路雙端都配置保護。vsc故障後的電流為三相交流電流的包絡線，電流本身是波動的，而分布式電源的輸出是直流量，難以計算d，故需對分布式電源出口boost電路的控制做出相應調整：當系統正常運行時，boost中的igbt按最大功率跟蹤控制；當檢測到故障後，該igbt的控制信號變為50％佔空比的方波，從而使輸出電流產生波動，方便利用r-l模型進行故障定位。
然而，r-l模型的應用有著很大的局限性，特別是在雙端供電和過渡電阻較大的情況下，必須將雙端電源中的其中一端電源和系統中的負載切除，才能保證r-l測距的準確性。不過，由於後備保護是在主保護失敗的前提下作用，速度性要求不高，因此，為了保證系統安全性，有必要將上述電源和負載切除，於是，以圖6對該後備保護方案進行說明，保護作用情景如下：
假設線路3故障，若在一定時間內故障未清除，則判斷主保護失效，後備保護投入：
將dg1處的cb8，以及cb3、cb6關斷0.2s，在此期間，線路3僅單端供電，距離保護可準確定位並將cb4關斷。0.2s之後，cb3、cb6、cb8重合閘，由於cb4已經斷開，故障線路3仍單端供電，則cb5被距離保護觸發跳閘，從而將線路3隔離。
可見，當系統中存在多個分布式電源和vsc時，可將其中一個vsc單獨作為一組，而所有分布式電源和其他vsc作為另一組，時序是：先斷開所有分布式電源和其他vsc，僅單個vsc向故障點供電，使故障線路近該vsc一端的斷路器跳閘，之後將分布式電源和其他vsc重新接入電路中，使故障線路另一端跳閘，從而隔離故障。
在通過r-l測距的基礎上，文章中採用了兩段式距離保護，保護判據為：
其中i段的整定值為本段線路80％處與本段保護安裝處之間的線路電感值，無延時；п段的整定值為下段線路40％處與本段保護安裝處之間的線路電感值，延時0.1s，即：
該保護方案基於單端量，利用延時和時序的設置滿足選擇性，具有較強的抗過渡電阻能力，保護方案整體時序見圖7。