本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)繼電保護和自動化領(lǐng)域，具體涉及一種適用于低壓直流配電系統(tǒng)的故障限流與保護方法。

背景技術(shù)：

隨著新能源、新材料和電力電子技術(shù)的長足發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及城市負荷需求的不斷提高，用戶對電能的穩(wěn)定性、高效性和經(jīng)濟性要求日益增加。一方面，由于分布式電源和負荷大多采用直流形式，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(dǎo)致交流配電網(wǎng)存在變換效率低的短板；另一方面，光伏、風(fēng)電等新能源具有間歇性和隨機性等特點，嚴(yán)重影響了交流配電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性；加之交流配電網(wǎng)本身面臨的響應(yīng)速度慢、傳輸功率小、損耗大等諸多問題，嚴(yán)重制約了可再生能源的推廣和電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

較之交流配電網(wǎng)系統(tǒng)，直流配電網(wǎng)可以直接通過dc/dc變換器將多種電源和負荷接入系統(tǒng)，無需額外的能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，極大程度提高配電網(wǎng)的傳送效率。此外，在電壓等級、導(dǎo)體截面、電流密度和走廊寬度相當(dāng)?shù)那闆r下，直流配電網(wǎng)輸送的功率高于交流系統(tǒng)。同時，直流配電網(wǎng)不存在交流系統(tǒng)頻率、相位等同步問題，在分布式電源并網(wǎng)時具有明顯技術(shù)優(yōu)勢。對于日漸緊張的城市人口、交通和城市環(huán)境等問題，通過可再生能源接入的直流配電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色生態(tài)、低碳高效的電力能源傳輸。

保護技術(shù)作為直流配電網(wǎng)的應(yīng)用瓶頸，仍處于理論研究階段。當(dāng)直流線路發(fā)生雙極短路故障時，由于二極管的脆弱性，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(fā)生后，非故障部分脫網(wǎng)后繼續(xù)運行成為可能，這就要求保護技術(shù)可以快速可靠隔離故障線路。因此，線路保護技術(shù)對低壓直流配電系統(tǒng)安全可靠運行具有至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

直流配電系統(tǒng)保護配置面臨的主要問題，即二極管脆弱性和保護選擇性之間的矛盾，據(jù)此，本發(fā)明提出一種能夠保證vsc等脆弱器件的安全性實現(xiàn)非故障網(wǎng)絡(luò)正常運行的低壓直流配電系統(tǒng)故障限流與保護方法。該方法應(yīng)用于輻射狀的直流配電系統(tǒng)，通過限流保證，通過保護方法判斷故障位置并隔離故障。技術(shù)方案如下：

一種低壓直流配電系統(tǒng)故障限流與保護方法，包括以下幾個方面：

(1)采用igbt與限流電阻相并聯(lián)，系統(tǒng)正常運行時igbt導(dǎo)通，當(dāng)檢測到故障過電流后，控制igbt在數(shù)十個微秒內(nèi)關(guān)斷，接入限流電阻，使故障電流降低；

(2)主保護在故障后瞬時動作，判據(jù)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)后備保護為基于r-l測距的兩段式距離保護，若在一定時間內(nèi)故障未清除，則判斷主保護失效，后備保護投入，后備保護利用延時和整定值實現(xiàn)選擇性，保護判據(jù)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(shè)定的延時。

優(yōu)選地，限流電阻根據(jù)下式選?。?/p>

其中uam為vsc交流側(cè)相電壓的峰值，xl為vsc交流側(cè)電抗，idiode.lim為二極管可以承受正弦半波電流的最大峰值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

1、限流器采用電阻限流器即可，相較于電阻型超導(dǎo)限流器，成本低廉，由于限流電阻是考慮故障過電流及二極管承受故障電流能力而選擇，阻值較小，因此在限流器投入后，故障特性仍比較明顯，利于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(xiàn)選擇性成為可能。

3、本發(fā)明采用基于暫態(tài)電流突變量的主保護和基于r-l模型的后備保護方案，該保護方案適用范圍廣泛，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(tài)斷路器，其余節(jié)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(tǒng)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(qū)內(nèi)故障)。

圖4為故障分量示意圖(區(qū)外故障)。

圖5為r-l模型原理圖。

圖6為直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖7為保護方案整體時序圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

圖1為電阻型限流器原理圖，系統(tǒng)正常運行時igbt導(dǎo)通，當(dāng)檢測到故障過電流后，控制igbt在數(shù)十個微秒內(nèi)關(guān)斷，限流電阻接入系統(tǒng)中，使故障電流降低，從而保護電力電子設(shè)備。該結(jié)構(gòu)原理簡單，但考慮到損耗問題，僅可用于較低電壓等級的網(wǎng)絡(luò)中，單個igbt的通態(tài)損耗在1％左右，若電壓等級較高，則需串聯(lián)多個igbt，此時損耗增大?？紤]到二極管可承受峰值低于9.pu.的工頻正弦半波電流10ms，實際上由于選型裕度、故障過渡電阻等因素，二極管可承受故障電流的能力遠大于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(tài)直流斷路器。在限流的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)中其他保護設(shè)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(cè)相電壓的峰值，xl為vsc交流側(cè)電抗，idiode.lim為二極管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(fā)生后，vsc由于自身閉鎖致使電壓降低，但在故障后的很短的暫態(tài)過程中，dc-link電容上的電壓還未降低，此階段可認(rèn)為vsc輸出的直流電壓不變。

則根據(jù)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，故障后該點電壓降低，根據(jù)疊加原理，相當(dāng)于在正常網(wǎng)絡(luò)上疊加了一個負電源。對于區(qū)內(nèi)故障，線路首端的暫態(tài)電流增大，而線路末端的暫態(tài)電流減小，如圖3所示；而區(qū)外故障，線路首端和末端暫態(tài)電流的變化趨勢相同，如圖4所示，據(jù)此可以將故障定位?；跁簯B(tài)電流突變量的主保護判據(jù)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。

后備保護方案的原理說明如下：

后備保護采用單端量保護，在通信失敗的情景下，作為主保護的后備?？紤]到分布式電源故障穩(wěn)態(tài)后的輸出電壓及功率難以事先得知，導(dǎo)致傳統(tǒng)的電流保護無法整定，而距離保護雖無需分布式電源故障后的輸出數(shù)據(jù)，但抵抗過渡電阻能力有限，故本發(fā)明選擇為系統(tǒng)配置基于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故障后的電流為三相交流電流的包絡(luò)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(yīng)調(diào)整：當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，boost中的igbt按最大功率跟蹤控制；當(dāng)檢測到故障后，該igbt的控制信號變?yōu)?0％占空比的方波，從而使輸出電流產(chǎn)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(yīng)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(tǒng)中的負載切除，才能保證r-l測距的準(zhǔn)確性。不過，由于后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(tǒng)安全性，有必要將上述電源和負載切除，于是，以圖6對該后備保護方案進行說明，保護作用情景如下：

假設(shè)線路3故障，若在一定時間內(nèi)故障未清除，則判斷主保護失效，后備保護投入：

將dg1處的cb8，以及cb3、cb6關(guān)斷0.2s，在此期間，線路3僅單端供電，距離保護可準(zhǔn)確定位并將cb4關(guān)斷。0.2s之后，cb3、cb6、cb8重合閘，由于cb4已經(jīng)斷開，故障線路3仍單端供電，則cb5被距離保護觸發(fā)跳閘，從而將線路3隔離。

可見，當(dāng)系統(tǒng)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，之后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(chǔ)上，文章中采用了兩段式距離保護，保護判據(jù)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：

該保護方案基于單端量，利用延時和時序的設(shè)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。