基于柔性限流器的直流配电网方向纵联保护

陈卫中，李清波，王东鹏，栗静男，林佳壕，郑峰

(1.广东电网有限责任公司汕头供电局，广东 汕头 515000；2.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；3. 福州大学 电气工程自动化学院，福建 福州 350116)

随着分布式电源、直流储能装置的不断发展，直流配电技术广泛地运用于各个领域。相比于交流配电网，直流配电网线路损耗小，不涉及相位、频率控制和无功功率及交流充电电流等问题，便于分布式电源、储能装置的接入，供电可靠性高[1-4]。但直流配电系统的电力电子设备和系统阻尼小，惯性环节少，若直流输电线路发生故障，电压突变较大且故障发展过程快[5]，在短时内就可能危及整个电网安全[6]。因此，提高直流输电线路继电保护的技术、运行水平对于保证直流输电系统的安全性、可靠性具有重大意义。

目前，直流配电网中方向纵联保护的范围不能覆盖全段线路，由于保护的启动信号沿线传送，保护动作有一定的延迟。但是在工程应用中，方向纵联保护既可用作线路的主保护也可用作后备保护。因为保护动作时间的延时特性，为满足保护的可靠性要求，方向纵联保护装置需要进行速动性和可靠性方面的完善。文献[7-8]通过直流线路两端的突变量来整定保护判据，指定整定原则来区分保护区内和区外故障。文献[9]通过线路两端反行波幅值积分的比值来识别区内故障，但需要故障发生一定的时间之后才能对行波进行有效的分析。为提高方向纵联保护的速动性，许多学者进行了相应的研究，通过改变保护的启动判据来实现保护的速动。文献[10]利用故障前后高频功率的幅值变化，提出基于线路两侧高频功率相关系数的故障识别和选极判据，减少了方向纵联保护的响应时间。

综上分析，当直流配电线路出现故障时，传统的方向纵联保护在故障发生几毫秒后才会开始动作，并且由于启动信号的传输延时，从故障发生到故障隔离需要一定的时间。随着直流配电网的快速发展，在工程中换流站的闭锁电流阈值一般设定为额定电流的1.4倍。故障发生后极短的时间内换流站会因为自身的保护而闭锁[11-12]。若在保护动作之前换流器闭锁，将改变故障回路，相当于在附加网络中引入了新的电源，交流电馈入直流线路，增大了故障电流，并形成新的故障回路，影响保护启动，降低方向纵联保护在直流系统中的灵敏性[13]。因此，在故障发生时，需要限流器与保护配合，防止换流站在方向纵联保护动作之前闭锁。

限流器主要可分为超导限流器和基于电力电子器件的固态限流器[14-15]。文献[16]提出一种固态直流限流器拓扑结构，在出现故障时，该拓扑经过自然换流技术，将电流切换到限流电感上。文献[17]提出了阻容型混合限流器，通过负载换相开关(load commutation switch，LCS)和超快速机械开关(ultra-fast disconnector，UFD)将故障回路切换到阻容型限流支路；然而固态限流器的电力电子器件较多，一些超出其耐受值的冲击电流会损坏限流器本身。文献[18]提出了高温超导带材失超电阻的计算模型，验证了超导限流器的可行性。文献[19]建立超导限流器模型配合直流线路纵联保护，通过超导失超的快速性保证纵联保护的速动性和可靠性；然而，文中没有涉及超导材料失超状态的恢复问题，这也是目前超导限流器应用的难点。因此，研究一种限流效果好、可靠性高且不使用超导材料的直流限流器是十分必要的。

本文提出一种结构简单且能够控制故障电流的柔性限流器，将其装设于换流站出口处与方向纵联保护配合，通过整流器的双闭环控制系统实现限流电感上钳位电压的柔性控制，针对不同的故障电流设定不同的钳位电压，进而有效抑制出口电容与系统侧的故障电流。该限流器以具有方向特征的电流作为保护启动判据，以保证方向纵联保护的可靠性和速动性。

1 极间短路模型

典型的直流配电网络拓扑结构主要有3种类型：两端直流配电网、多端辐射状直流配电网和多端环状直流配电网。其中，两端直流配电网控制策略简单，故障识别容易，适用于点对点的供电模式，故障暂态特性的分析较易于实现。因此，本文选取直流配电网中的两端直流配电网进行方向纵联保护分析，其供电模型如图1所示[20]。

图1 单端供电模型Fig.1 Single terminal power supply model

根据直流侧正负极母线的电流方向，选用两电平的电压源换流器(voltage source converter，VSC)即满足其方向特征，便于分析。分别研究直流配电线路出现极间短路故障时换流站闭锁的3个阶段(电容放电阶段、二极管依次导通阶段和交流侧接入阶段)电流的暂态特性，通过公式表征各个状态的电流方向特征。各阶段等值电路如图2所示。

图2 极间短路故障各阶段等值电路Fig.2 Equivalent circuit of each stage of inter-pole short circuit fault

极间短路故障出现后，回路的故障电流主要由换流站出口电容放电产生。电容放电阶段等值电路如图2(a)所示，其二阶放电的表达式为：

(1)

二极管的依次导通阶段始于换流站出口电容电压衰减至交流侧电压，该阶段电流

(2)

交流侧接入阶段在二极管全部导通之后。此时换流站相当于1个二极管的三相不控整流桥，因为二极管的单项导通特性，可以保证此时直流侧的电流大于0。可以得出，在换流站闭锁的各个阶段，故障电流方向性都一致，可以用作方向纵联保护的判据，同时这3个阶段维持的时间均很短，因此在以下将3个阶段合并分析。

在工程中，换流站的闭锁阈值一般为额定电流的1.4倍，在极间短路故障出现后很短的时间内，就会出现换流站闭锁。换流站闭锁将改变故障回路，虽然用电流的方向性特征作为方向纵联保护的启动判据，但在此期间还需考虑因故障回路切换而产生噪声和谐波对电流方向性的影响；因此，需要限流器限制故障电流，配合保护的动作。

2 电流方向纵联保护

2.1 区内、区外故障的电流特性

配电线路的方向纵联保护如图3所示。

图3 方向纵联保护示意图Fig.3 Schematic diagram of directional pilot protection

当配电网线路出现极间短路故障的时候，故障电流的方向性依然具有固定特征，可以根据这一方向性特征来判断区内区外故障。不同故障位置的电流方向特性如图4所示。图4中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示正常运行状态、区内极间短路故障和2种区外极间短路故障时的电流方向特性，箭头方向为实际电流的方向。

图4 不同故障位置的电流方向特性Fig.4 Current directional characteristics at different fault locations

正常运行状态下，正负极直流母线上的电流方向与电源极性保持一致。区内极间短路故障时，两端换流站的上下极性，同正同负。当故障发生在保护区段外时，受保护电路的电流极性也为一正一负。

2.2 启动元件

保护元件的启动判据为

|Δiφ|>k1IN或|iφ|>k2IN.

(3)

式中：Δiφ为瞬时电流的变化值，可通过时刻φ的电流值减去前一时刻的电流值获得；IN为电流的额定值；iφ为电流瞬时值；k1、k2均为电流的整定系数。

2.3 方向元件

方向元件可采用以下判据：

(4)

式中：Ip、In分别为检测到的正负极电流瞬时值；Udc为极间电压的测量值；UN为额定电压；Iset为电流设定阈值。

电流阈值的设定为

Iset=k3IN，

(5)

式中k3为阈值整定系数。为保证保护的可靠性应使得电流设定值大于额定电流IN，为保证保护的灵敏性应使k3足够小，综合考虑取k3=1.2。

方向纵联保护的动作流程如图5所示。

图5 方向纵联保护的动作流程Fig.5 Action process of directional pilot protection

本文所提出的保护需同时满足启动元件和方向元件判据，保护才会跳闸，同时收信元件动作，通过延时确认，本侧保护动作且远跳对侧。因此保护的动作有一定的时限，在保护动作之前，需要保证换流站不闭锁。

3 柔性限流器

为确保在极间短路故障时方向纵联保护能可靠动作，应保证换流站在保护动作之前不会闭锁，因此需要限流器的配合。本文提出一种由整流器控制的柔性限流器。系统正常运行时，在控制信号的控制下，限流电感对线路没有影响；当故障出现，由于限流器没有延时环节，其动作时刻在纵联保护动作之前，限制了故障电流的快速上升。

在故障期间，系统电源和换流站出口电容均向故障点进行放电，此时直流侧电容上电压比交流侧电压更大，电流冲击主要是电容放电产生的；同时，交流侧的电流过大会使得流过换流站的电流超过其自身保护的阈值而引起换流站闭锁。因此，配置限流器可在保护系统设备不受电流冲击的同时，防止换流站在纵联保护动作前闭锁。由于限流器对电流的抑制作用，在直流侧出现瞬时性故障时，可实现故障穿越，保护不动作，延长其使用寿命。

3.1 限流器的基本结构

限流器通过整流桥向交流侧取电，并且装设在换流站出口处，尽可能保护全段直流母线，电感电压公式为

(6)

式中：UL为限流电感电压；I为限流电感电流。

只需给电感提供斜率稳定的电流，即可使其在配电线路中产生稳定的电压，可等效为故障时在放电回路中串联1个反向电源，以减小故障电流。为了保证方向元件的可靠动作，应保证故障时Udc<0.9UN。限流器的基本结构如图6所示，其中Uset为限流电感电压的设定值，Id和Iq为三相电流在dq坐标系下的分量。

图6 限流器基本结构Fig.6 Basic structure of current limiter

在电力电子应用中，常使用0.01～0.1 μF的陶瓷电容滤除高频的波形噪声。为保证电感两侧的电压稳定性，整流器出口电容起到了旁路电容的作用，数值较小。限流电感的钳位电压由整流器提供的线性上升电流产生，受电流波动的影响较大，选择0.1 μF的旁路电容与受控电感配合。限流电感和整流器出口电容的谐振频率在800～1 000 Hz，整流器提供的波形频率较低，故限流器中电感和出口电容不会谐振。

限流器通过整流器从交流侧取电，向限流电感提供稳定斜率的电流[21]。整流器采用传统的双环控制，对限流电感两侧的电压进行采样，和故障时需要限流器钳位的电压值做差，以实现稳定限流电感电压的作用。其具体的控制流程如图7所示，其中KPi、KIi分别为PI控制器的比例、积分系数，s为拉普拉斯算子，Iqref为q轴电流参考值。

图7 控制流程Fig.7 Control flow chart

通过改变Uset的数值，可以根据实际情况来改变限流电感的钳位电压，实现限流器的灵活可控。

3.2 桥型电路

为保证限流电感在系统正常工作对直流线路没有影响，且在故障切除后限流电感的电流能够稳定恢复至限流器动作前的状态，引入1个桥型电路，限流器装设在桥型电路的中间支路上，如图8所示，其中Idc为直流线路电流，Ib为中间支路电流。

图8 桥型电路Fig.8 Bridge circuit

当系统正常运行时，Idc>0，由于在中间支路存在正偏的电压，故Ib>Idc，流过二极管D1和D4的电流为(Ib+Idc)/2>0，而流过二极管D2和D3的电流为(Ib-Idc)/2>0；因此，4个二极管均导通，直流线路上的电流不会流过中间支路，限流装置被旁路。当直流配电网出现短路故障时，线路上的电流增大，导致Ib

3.3 装置启动的判据

限流器应与方向纵联保护相配合，在限制电流不会快速超过换流站闭锁阈值的同时，也不能影响方向纵联保护启动元件和方向元件的动作；因此，限流器投入运行的判据应和启动元件判据保持一致，一旦电流超过了1.1IN时，限流器投入运行，在方向纵联保护动作之前，将电流限制在1.4IN以下，保证方向纵联保护的可靠性。

3.4 限流作用

整流器在故障出现的瞬间开始向限流电感提供稳定斜率的电流。限流电感在桥型电路的作用下接入系统，同时带有稳定的钳位电压以减小电容放电阶段故障回路的放电电压，保证了限流的瞬时性。

限流器作用后暂态等效电路如图9所示，其中L′为限流电感，L″为直流线路电感与限流电感之和。在限流器接入系统后，在故障回路中接入可控电压的限流电感，其电感电压UL与换流站出口电压UC方向相反，从而减小了电容放电阶段的放电电压U，同时增大了回路电感，延缓了故障电流的突变，如式(7)所示。

图9 限流器作用后的暂态等效电路Fig.9 Transient equivalent circuit after action of current limiter

(7)

电容放电阶段的放电特征同二阶电路一致，因此故障电流

(8)

式中：A为直流线路电流幅值；φ-β为直流线路电流的初相角。

故障时电压和电流的初值分别为U0和I0，根据这个初始条件可以求得

(9)

由式(7)、(8)、(9)分析可得到，若限流电感能够提供稳定的电压，则在故障开始时出口电容的放电就会被抑制，此时的故障电流主要由电容放电产生，故相应也会减小。

3.5 限流电感的选择

自激式限流器中直接的限流元件为电感，电感上的电动势E、电流I与磁场有如下关系：

(10)

式中：ψ为电感的磁链；φ为电感的磁通；n为电感线圈的匝数。从式(10)可以看出，一般情况下电感电流和磁链、磁通为线性关系。当磁场持续上升，达到电感饱和后，铁磁材料内的磁通的变化量会突然减少，导致在线圈中产生的感应的恒定电场变小，在线圈中总的恒定电场强度会急剧上升，导致电流急剧上升且电感值无法维持。电感和磁通的关系如图10所示。

图10 电流与磁通的关系Fig.10 Relationship between current and magnetic flux

电感磁饱和时的电流又称为电感饱和电流。电感电流到达饱和前，电流的增加不会影响电感值的大小，称为线性区；反之，若电流超过饱和电流值，电感则无法保持稳定，其伏安特性也处于非线性的状态。

(11)

式中：LC为线性区电感值的大小；IL为电感电流；IK为电感饱和电流临界值；Isat为电感值下降程度的指标，一般设电感值下降到20%时的电流为Isat。可以看出，超过饱和电流之后，限流电感无法满足限流要求；因此，需要根据所建立系统模型和控制模型的实际运行情况选取电感。

4 仿真验证

4.1 模型选择和参数设计

本文通过两电平VSC的单端供电行路对柔性限流器的限流效果进行验证。该部分为低压直流配电网的一段，终端为低压交流负载，所以直流线路两端均为换流站。选取额定电压为750 V，额定电流为40.2 A。

在限流器中，限流电感为主要元件，电感在电流饱和之后无法保持原有电感的大小，在电感电流值大于饱和电流的时候，钳位电压无法维持，所以需要针对限流时间选择合适的电感值。据前文分析，确定限流电感需维持钳位电压的时间为0.1 s，选择电感值为500 mH，为保证方向元件的可靠工作，钳位电压值不得大于0.9UN。

正常工作时，配电线路电流状态如图11所示。

图11 正常状态的直流侧电流Fig.11 DC side current in normal state

4.2 限流器作用情况

当直流线路出现金属性极间短路故障时，系统形成1个阻抗较小的放电回路(主要为第一阶段的换流站出口电容放电)，产生1个极大的电流冲击，对配电系统和线路元器件造成影响。由于需要一定的时间延迟来确定和收发信号，在方向纵联保护动作前，换流站可能已经完成闭锁，从而进一步扩大了事故的影响范围；因此，需要快速动作的限流器来配合方向纵联保护。

4.2.1 柔性限流器应用效果

由整流器控制的限流电感在故障回路中提供稳定的钳位电压。通过控制回路的控制，电感两端的电压保持稳定，通过调节Uset值控制供给电感的电流斜率来满足电感的耐压条件。系统的正常电压为750 V，为尽可能减小放电电压，同时考虑到电感经济性和电流饱和特性，将3个500 mH受控电感串联。电感两端的电压如图12所示，可通过控制调整限流电感两端的电压，减小放电电压，实现故障电流的柔性控制。

3个可控电感串联分别在故障回路中分别提供了450 V、600 V和690 V的钳位电压，对应的系统波形如图13所示。

由图13可知，柔性限流器可以很好地抬高直流侧电压，通过控制电压的大小，快速实现对故障电流的控制和调节，满足了极间短路故障瞬间线路的保护要求，为方向纵联保护的启动提供了准备的时间。

图12 电感两端电压Fig.12 Voltage at both ends of inductor

图13 不同钳位电压下的系统电压、电流Fig.13 System voltage and current waveforms under different clamping voltages

4.2.2 区内故障

虽然负载侧没有电源，但是负载侧换流站的出口电容上的电能在故障初期仍会向故障点放电；因此，区内故障的电流方向如图4(b)所示，确保满足方向纵联保护的启动元件判据和方向元件判据。负载侧直流线路电流Iload如图14所示。

图14 负载侧直流线路故障电流Fig.14 Load side DC line fault current

根据线路的长短不同，方向纵联保护的动作时间为5～10 ms，同时，换流站闭锁的电流阈值为1.4IN；因此，在保护动作前，通过限流器将故障电流限制在1.4IN以下，以保证保护的可靠性。

系统直流母线上发生极间短路故障后，直流侧的故障电流包括电容和交流侧向故障点放电而产生的电流。当出口电容的能量在短时间内完全释放后，进入极间短路的第3阶段，仅交流电源向故障点放电。可以看出，交流侧馈入换流站的电流超过1.4IN，因此需要配备限流器，防止换流站在保护动作前闭锁。将柔性限流器接入直流配电网配合方向纵联保护限流前后的电流波形如图15所示。

图15 限流器作用效果Fig.15 Effect of current limiter

当故障电流超过1.1IN时，限流器投入运行，对故障电流进行限制，同时，方向纵联保护的启动元件发信。这一阶段电流进一步升高，同时满足启动元件和方向元件判据，收信元件动作，经过短暂的出口延时，保护动作。如图15所示，故障出现时，传统限流器能够消除故障电流的冲击，但是由于其本身无法改变固有属性的局限性，无法根据纵联保护的要求对故障电流进行限制。而本文提出的柔性限流器可以通过整流器控制将限流电感电压钳位在不同的数值，进而保证电流在满足纵联保护启动判据的同时，不超过换流站闭锁阈值。

4.2.3 区外故障

在配电线路中，线路保护区段外的故障可以分为靠近电源侧和靠近负载侧的区外故障。区外故障电流如图16所示。

在区外故障时，因不满足判据，方向纵联保护不会动作。但是此时的故障电流依旧较大，为了保证系统不被损坏，限流器应该可靠地投入使用，限制故障电流。柔性限流器通过控制钳位电压对限流效果进行调整，其主要作用在于消除故障电流的脉冲，防止系统中的电力电子设备受大电流冲击而损坏。限流后的电流方向特征没有改变，同时其大小也远超正常运行时的额定电流值。柔性限流器的限流效果可根据各类保护的整定判据进行调整，降低对其他保护的影响，实用性较强[22-23]。

图16 区外故障电流Fig.16 External fault current

4.3 限流器电感电流的恢复

因为电感电流持续上升，会造成电感饱和，从而影响限流器的重复使用，所以在完成一次限流之后，电感需要放电，保证电感电流不会达到其饱和值。由于限流电感是向交流侧取电，在保护动作之后，电感通过整流器向交流侧方向放电，实现逆变，电感电流重新恢复至零。

限流电感的电流IL如图17所示，共可分为4个阶段。在正常运行时(阶段1)，限流电感因串接在中间支路而被旁路，没有电流流过。故障出现时(阶段2)，因桥型电流将中间支路串入直流母线，电感受整流器控制，电流线性上升且斜率稳定；因其向网侧取电，所受故障电流峰值影响较小。故障切除后(阶段3、4)，为保证限流电感的循环使用，需要释放电感能量，此时桥型电路再次将中间支路旁路，电感通过逆变器向网侧释放能量。因旁路作用，该电流变化产生的电感电压不会串在直流侧回路中，能够很好地完成电感的恢复。

图17 限流电感的电流Fig.17 Current of current-limiting inductance

5 结论

本文提出一种整流器控制的柔性限流器，结合方向纵联保护，形成较为可靠的直流配电网保护策略，主要研究成果如下：

a)在故障初期通过限流器对故障电流进行限制，在保护动作之前防止换流站闭锁，加强方向纵联保护的可靠性。

b)采用直流电路电流的方向性作为方向纵联保护的判据，在保证可靠性的同时加快了动作响应速度。

c)柔性限流器可以很好地对故障电流起到限制作用，延长了可供方向纵联保护的准备时间。限流电感的电流能量通过网侧释放，使得该限流器可循环使用，提高了经济性。