CN107171298A

CN107171298A - 低压直流配电系统故障限流与保护方法

Info

Publication number: CN107171298A
Application number: CN201710389841.XA
Authority: CN
Inventors: 薛士敏; 齐金龙; 刘冲; 廉杰; 史哲
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2017-05-27
Publication date: 2017-09-15
Anticipated expiration: 2037-05-27
Also published as: CN107171298B

Abstract

本发明涉及一种低压直流配电系统故障限流与保护方法，包括：采用IGBT与限流电阻相并联，系统正常运行时IGBT导通，当检测到故障过电流后，控制IGBT在数十个微秒内关断，接入限流电阻，使故障电流降低；主保护在故障后瞬时动作；后备保护为基于R‑L测距的两段式距离保护，若在一定时间内故障未清除，则判断主保护失效，后备保护投入，后备保护利用延时和整定值实现选择性。

Description

低压直流配电系统故障限流与保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护和自动化领域，具体涉及一种适用于低压直流配电系统的故障限流与保护方法。

背景技术

随着新能源、新材料和电力电子技术的长足发展和广泛应用，以及城市负荷需求的不断提高，用户对电能的稳定性、高效性和经济性要求日益增加。一方面，由于分布式电源和负荷大多采用直流形式，需要通过交流进行多级电力电子变换装置进行电能变换，导致交流配电网存在变换效率低的短板；另一方面，光伏、风电等新能源具有间歇性和随机性等特点，严重影响了交流配电网的运行稳定性；加之交流配电网本身面临的响应速度慢、传输功率小、损耗大等诸多问题，严重制约了可再生能源的推广和电力产业的发展。

较之交流配电网系统，直流配电网可以直接通过DC/DC变换器将多种电源和负荷接入系统，无需额外的能量转换环节，极大程度提高配电网的传送效率。此外，在电压等级、导体截面、电流密度和走廊宽度相当的情况下，直流配电网输送的功率高于交流系统。同时，直流配电网不存在交流系统频率、相位等同步问题，在分布式电源并网时具有明显技术优势。对于日渐紧张的城市人口、交通和城市环境等问题，通过可再生能源接入的直流配电网，能够实现绿色生态、低碳高效的电力能源传输。

保护技术作为直流配电网的应用瓶颈，仍处于理论研究阶段。当直流线路发生双极短路故障时，由于二极管的脆弱性，致使VSC的过电流能力有限，故障电流易损坏VSC，另外，分布式电源的接入，使得故障发生后，非故障部分脱网后继续运行成为可能，这就要求保护技术可以快速可靠隔离故障线路。因此，线路保护技术对低压直流配电系统安全可靠运行具有至关重要的作用。

发明内容

直流配电系统保护配置面临的主要问题，即二极管脆弱性和保护选择性之间的矛盾，据此，本发明提出一种能够保证VSC等脆弱器件的安全性实现非故障网络正常运行的低压直流配电系统故障限流与保护方法。该方法应用于辐射状的直流配电系统，通过限流保证，通过保护方法判断故障位置并隔离故障。技术方案如下：

一种低压直流配电系统故障限流与保护方法，包括以下几个方面：

(1)采用IGBT与限流电阻相并联，系统正常运行时IGBT导通，当检测到故障过电流后，控制IGBT在数十个微秒内关断，接入限流电阻，使故障电流降低；

(2)主保护在故障后瞬时动作，判据为：

式中i_normal1为正常工作时线路首端通过的电流，i_normal2为正常工作时线路末端通过的电流，i₁为线路首端的测量电流，i₂为线路末端的测量电流，电流的正方向为由母线流向线路；I_set1、I_set2为线路首端电流变化量的门槛值；

(3)后备保护为基于R-L测距的两段式距离保护，若在一定时间内故障未清除，则判断主保护失效，后备保护投入，后备保护利用延时和整定值实现选择性，保护判据为：

L_set1为距离I段的整定值，其值为本段线路80％处与本段线路保护安装处之间的线路电感值，无延时；L_set2为距离П段的整定值，其值为下段线路40％处与本段线路保护安装处之间的线路电感值，t_set为距离П段设定的延时。

优选地，限流电阻根据下式选取：

其中U_am为VSC交流侧相电压的峰值，X_L为VSC交流侧电抗，I_diode.lim为二极管可以承受正弦半波电流的最大峰值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、限流器采用电阻限流器即可，相较于电阻型超导限流器，成本低廉，由于限流电阻是考虑故障过电流及二极管承受故障电流能力而选择，阻值较小，因此在限流器投入后，故障特性仍比较明显，利于故障信息的提取和保护。

2、限流器的使用保证了器件安全性，使得保护利用延时实现选择性成为可能。

3、本发明采用基于暂态电流突变量的主保护和基于R-L模型的后备保护方案，该保护方案适用范围广泛，且有良好的选择性。此外，本保护方案仅要求限流处配置混合式固态断路器，其余节点配置动作较慢的塑壳断路器即可，大大降低了直流配电系统推广的成本。

附图说明

图1为电阻型限流器原理图。

图2为线路故障等效电路图。

图3为故障分量示意图(区内故障)。

图4为故障分量示意图(区外故障)。

图5为R-L模型原理图。

图6为直流配电系统结构图。

图7为保护方案整体时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

图1为电阻型限流器原理图，系统正常运行时IGBT导通，当检测到故障过电流后，控制IGBT在数十个微秒内关断，限流电阻接入系统中，使故障电流降低，从而保护电力电子设备。该结构原理简单，但考虑到损耗问题，仅可用于较低电压等级的网络中，单个IGBT的通态损耗在1％左右，若电压等级较高，则需串联多个IGBT，此时损耗增大。考虑到二极管可承受峰值低于9.pu.的工频正弦半波电流10ms，实际上由于选型裕度、故障过渡电阻等因素，二极管可承受故障电流的能力远大于10ms，故可将IGBT替换为开断速度较慢(10ms左右)的直流断路器，如混合式固态直流断路器。在限流的基础上，系统中其他保护设备可选择动作速度较慢的机械直流断路器，大大降低了保护配置的成本。

限流电阻的参考值为：

主保护方案的原理说明如下：

故障发生后，VSC由于自身闭锁致使电压降低，但在故障后的很短的暂态过程中，DC-Link电容上的电压还未降低，此阶段可认为VSC输出的直流电压不变。

则根据图2所示的故障等效电路图，故障点电压为：

故障前，该点电压为：

显然，故障后该点电压降低，根据叠加原理，相当于在正常网络上叠加了一个负电源。对于区内故障，线路首端的暂态电流增大，而线路末端的暂态电流减小，如图3所示；而区外故障，线路首端和末端暂态电流的变化趋势相同，如图4所示，据此可以将故障定位。基于暂态电流突变量的主保护判据为：

式中i_normal1为正常工作时线路首端通过的电流，i_normal2为正常工作时线路末端通过的电流，i₁为线路首端的测量电流，i₂为线路末端的测量电流，以上电流的正方向为由母线流向线路。I_set1、I_set2为线路首端电流变化量的门槛值，考虑到直流电流波动及互感器误差的影响，一般取为正常工作电流的0.1倍。

后备保护方案的原理说明如下：

后备保护采用单端量保护，在通信失败的情景下，作为主保护的后备。考虑到分布式电源故障稳态后的输出电压及功率难以事先得知，导致传统的电流保护无法整定，而距离保护虽无需分布式电源故障后的输出数据，但抵抗过渡电阻能力有限，故本发明选择为系统配置基于R-L模型的距离保护，通过计算L确定故障点位置。R-L模型原理如图5，保护处与故障点之间线路的电感值计算公式为：

其中D＝di/dt，为了将故障线路隔离，需要同一段线路双端都配置保护。VSC故障后的电流为三相交流电流的包络线，电流本身是波动的，而分布式电源的输出是直流量，难以计算D，故需对分布式电源出口Boost电路的控制做出相应调整：当系统正常运行时，Boost中的IGBT按最大功率跟踪控制；当检测到故障后，该IGBT的控制信号变为50％占空比的方波，从而使输出电流产生波动，方便利用R-L模型进行故障定位。

然而，R-L模型的应用有着很大的局限性，特别是在双端供电和过渡电阻较大的情况下，必须将双端电源中的其中一端电源和系统中的负载切除，才能保证R-L测距的准确性。不过，由于后备保护是在主保护失败的前提下作用，速度性要求不高，因此，为了保证系统安全性，有必要将上述电源和负载切除，于是，以图6对该后备保护方案进行说明，保护作用情景如下：

假设线路3故障，若在一定时间内故障未清除，则判断主保护失效，后备保护投入：

将DG1处的CB8，以及CB3、CB6关断0.2s，在此期间，线路3仅单端供电，距离保护可准确定位并将CB4关断。0.2s之后，CB3、CB6、CB8重合闸，由于CB4已经断开，故障线路3仍单端供电，则CB5被距离保护触发跳闸，从而将线路3隔离。

可见，当系统中存在多个分布式电源和VSC时，可将其中一个VSC单独作为一组，而所有分布式电源和其他VSC作为另一组，时序是：先断开所有分布式电源和其他VSC，仅单个VSC向故障点供电，使故障线路近该VSC一端的断路器跳闸，之后将分布式电源和其他VSC重新接入电路中，使故障线路另一端跳闸，从而隔离故障。

在通过R-L测距的基础上，文章中采用了两段式距离保护，保护判据为：

其中I段的整定值为本段线路80％处与本段保护安装处之间的线路电感值，无延时；П段的整定值为下段线路40％处与本段保护安装处之间的线路电感值，延时0.1s，即：

该保护方案基于单端量，利用延时和时序的设置满足选择性，具有较强的抗过渡电阻能力，保护方案整体时序见图7。

Claims

1.一种低压直流配电系统故障限流与保护方法，包括以下几个方面：

(2)主保护在故障后瞬时动作，判据为：

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&Delta;i</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>&GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&Delta;i</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>I</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>L</mi> <mo>&le;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>&le;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>&cap;</mo> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>&GreaterEqual;</mo> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>e</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>

L_set1为距离I段的整定值，其值为本段线路80％处与本段线路保护安装处之间的线路电感值，无延时；L_set2为距离П段的整定值，其值为下段线路40％处与本段线路保护安装处之间的线路电感值，t_set为距离П段设定的延时，其值为0.1s。

2.根据权利要求1所述的限流与保护方法，其特征在于，限流电阻根据下式选取：

3.根据权利要求1所述的限流与保护方法，其特征在于，I_set1、I_set2一般取为正常工作电流的0.1倍。

4.根据权利要求1所述的限流与保护方法，其特征在于，t_set为0.1s。