陳衛(wèi)中，李清波，王東鵬，栗靜男，林佳壕，鄭峰

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515000；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663；3. 福州大學(xué) 電氣工程自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

隨著分布式電源、直流儲(chǔ)能裝置的不斷發(fā)展，直流配電技術(shù)廣泛地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。相比于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)線路損耗小，不涉及相位、頻率控制和無(wú)功功率及交流充電電流等問(wèn)題，便于分布式電源、儲(chǔ)能裝置的接入，供電可靠性高[1-4]。但直流配電系統(tǒng)的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)阻尼小，慣性環(huán)節(jié)少，若直流輸電線路發(fā)生故障，電壓突變較大且故障發(fā)展過(guò)程快[5]，在短時(shí)內(nèi)就可能危及整個(gè)電網(wǎng)安全[6]。因此，提高直流輸電線路繼電保護(hù)的技術(shù)、運(yùn)行水平對(duì)于保證直流輸電系統(tǒng)的安全性、可靠性具有重大意義。

目前，直流配電網(wǎng)中方向縱聯(lián)保護(hù)的范圍不能覆蓋全段線路，由于保護(hù)的啟動(dòng)信號(hào)沿線傳送，保護(hù)動(dòng)作有一定的延遲。但是在工程應(yīng)用中，方向縱聯(lián)保護(hù)既可用作線路的主保護(hù)也可用作后備保護(hù)。因?yàn)楸Ｗo(hù)動(dòng)作時(shí)間的延時(shí)特性，為滿足保護(hù)的可靠性要求，方向縱聯(lián)保護(hù)裝置需要進(jìn)行速動(dòng)性和可靠性方面的完善。文獻(xiàn)[7-8]通過(guò)直流線路兩端的突變量來(lái)整定保護(hù)判據(jù)，指定整定原則來(lái)區(qū)分保護(hù)區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障。文獻(xiàn)[9]通過(guò)線路兩端反行波幅值積分的比值來(lái)識(shí)別區(qū)內(nèi)故障，但需要故障發(fā)生一定的時(shí)間之后才能對(duì)行波進(jìn)行有效的分析。為提高方向縱聯(lián)保護(hù)的速動(dòng)性，許多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究，通過(guò)改變保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的速動(dòng)。文獻(xiàn)[10]利用故障前后高頻功率的幅值變化，提出基于線路兩側(cè)高頻功率相關(guān)系數(shù)的故障識(shí)別和選極判據(jù)，減少了方向縱聯(lián)保護(hù)的響應(yīng)時(shí)間。

綜上分析，當(dāng)直流配電線路出現(xiàn)故障時(shí)，傳統(tǒng)的方向縱聯(lián)保護(hù)在故障發(fā)生幾毫秒后才會(huì)開(kāi)始動(dòng)作，并且由于啟動(dòng)信號(hào)的傳輸延時(shí)，從故障發(fā)生到故障隔離需要一定的時(shí)間。隨著直流配電網(wǎng)的快速發(fā)展，在工程中換流站的閉鎖電流閾值一般設(shè)定為額定電流的1.4倍。故障發(fā)生后極短的時(shí)間內(nèi)換流站會(huì)因?yàn)樽陨淼谋Ｗo(hù)而閉鎖[11-12]。若在保護(hù)動(dòng)作之前換流器閉鎖，將改變故障回路，相當(dāng)于在附加網(wǎng)絡(luò)中引入了新的電源，交流電饋入直流線路，增大了故障電流，并形成新的故障回路，影響保護(hù)啟動(dòng)，降低方向縱聯(lián)保護(hù)在直流系統(tǒng)中的靈敏性[13]。因此，在故障發(fā)生時(shí)，需要限流器與保護(hù)配合，防止換流站在方向縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作之前閉鎖。

限流器主要可分為超導(dǎo)限流器和基于電力電子器件的固態(tài)限流器[14-15]。文獻(xiàn)[16]提出一種固態(tài)直流限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在出現(xiàn)故障時(shí)，該拓?fù)浣?jīng)過(guò)自然換流技術(shù)，將電流切換到限流電感上。文獻(xiàn)[17]提出了阻容型混合限流器，通過(guò)負(fù)載換相開(kāi)關(guān)(load commutation switch，LCS)和超快速機(jī)械開(kāi)關(guān)(ultra-fast disconnector，UFD)將故障回路切換到阻容型限流支路；然而固態(tài)限流器的電力電子器件較多，一些超出其耐受值的沖擊電流會(huì)損壞限流器本身。文獻(xiàn)[18]提出了高溫超導(dǎo)帶材失超電阻的計(jì)算模型，驗(yàn)證了超導(dǎo)限流器的可行性。文獻(xiàn)[19]建立超導(dǎo)限流器模型配合直流線路縱聯(lián)保護(hù)，通過(guò)超導(dǎo)失超的快速性保證縱聯(lián)保護(hù)的速動(dòng)性和可靠性；然而，文中沒(méi)有涉及超導(dǎo)材料失超狀態(tài)的恢復(fù)問(wèn)題，這也是目前超導(dǎo)限流器應(yīng)用的難點(diǎn)。因此，研究一種限流效果好、可靠性高且不使用超導(dǎo)材料的直流限流器是十分必要的。

本文提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能夠控制故障電流的柔性限流器，將其裝設(shè)于換流站出口處與方向縱聯(lián)保護(hù)配合，通過(guò)整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)限流電感上鉗位電壓的柔性控制，針對(duì)不同的故障電流設(shè)定不同的鉗位電壓，進(jìn)而有效抑制出口電容與系統(tǒng)側(cè)的故障電流。該限流器以具有方向特征的電流作為保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)，以保證方向縱聯(lián)保護(hù)的可靠性和速動(dòng)性。

1 極間短路模型

典型的直流配電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有3種類(lèi)型：兩端直流配電網(wǎng)、多端輻射狀直流配電網(wǎng)和多端環(huán)狀直流配電網(wǎng)。其中，兩端直流配電網(wǎng)控制策略簡(jiǎn)單，故障識(shí)別容易，適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的供電模式，故障暫態(tài)特性的分析較易于實(shí)現(xiàn)。因此，本文選取直流配電網(wǎng)中的兩端直流配電網(wǎng)進(jìn)行方向縱聯(lián)保護(hù)分析，其供電模型如圖1所示[20]。

圖1 單端供電模型Fig.1 Single terminal power supply model

根據(jù)直流側(cè)正負(fù)極母線的電流方向，選用兩電平的電壓源換流器(voltage source converter，VSC)即滿足其方向特征，便于分析。分別研究直流配電線路出現(xiàn)極間短路故障時(shí)換流站閉鎖的3個(gè)階段(電容放電階段、二極管依次導(dǎo)通階段和交流側(cè)接入階段)電流的暫態(tài)特性，通過(guò)公式表征各個(gè)狀態(tài)的電流方向特征。各階段等值電路如圖2所示。

圖2 極間短路故障各階段等值電路Fig.2 Equivalent circuit of each stage of inter-pole short circuit fault

極間短路故障出現(xiàn)后，回路的故障電流主要由換流站出口電容放電產(chǎn)生。電容放電階段等值電路如圖2(a)所示，其二階放電的表達(dá)式為：

(1)

二極管的依次導(dǎo)通階段始于換流站出口電容電壓衰減至交流側(cè)電壓，該階段電流

(2)

交流側(cè)接入階段在二極管全部導(dǎo)通之后。此時(shí)換流站相當(dāng)于1個(gè)二極管的三相不控整流橋，因?yàn)槎O管的單項(xiàng)導(dǎo)通特性，可以保證此時(shí)直流側(cè)的電流大于0。可以得出，在換流站閉鎖的各個(gè)階段，故障電流方向性都一致，可以用作方向縱聯(lián)保護(hù)的判據(jù)，同時(shí)這3個(gè)階段維持的時(shí)間均很短，因此在以下將3個(gè)階段合并分析。

在工程中，換流站的閉鎖閾值一般為額定電流的1.4倍，在極間短路故障出現(xiàn)后很短的時(shí)間內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)換流站閉鎖。換流站閉鎖將改變故障回路，雖然用電流的方向性特征作為方向縱聯(lián)保護(hù)的啟動(dòng)判據(jù)，但在此期間還需考慮因故障回路切換而產(chǎn)生噪聲和諧波對(duì)電流方向性的影響；因此，需要限流器限制故障電流，配合保護(hù)的動(dòng)作。

2 電流方向縱聯(lián)保護(hù)

2.1 區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障的電流特性

配電線路的方向縱聯(lián)保護(hù)如圖3所示。

圖3 方向縱聯(lián)保護(hù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of directional pilot protection

當(dāng)配電網(wǎng)線路出現(xiàn)極間短路故障的時(shí)候，故障電流的方向性依然具有固定特征，可以根據(jù)這一方向性特征來(lái)判斷區(qū)內(nèi)區(qū)外故障。不同故障位置的電流方向特性如圖4所示。圖4中(a)、(b)、(c)、(d)分別表示正常運(yùn)行狀態(tài)、區(qū)內(nèi)極間短路故障和2種區(qū)外極間短路故障時(shí)的電流方向特性，箭頭方向?yàn)閷?shí)際電流的方向。

圖4 不同故障位置的電流方向特性Fig.4 Current directional characteristics at different fault locations

正常運(yùn)行狀態(tài)下，正負(fù)極直流母線上的電流方向與電源極性保持一致。區(qū)內(nèi)極間短路故障時(shí)，兩端換流站的上下極性，同正同負(fù)。當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)段外時(shí)，受保護(hù)電路的電流極性也為一正一負(fù)。

2.2 啟動(dòng)元件

保護(hù)元件的啟動(dòng)判據(jù)為

|Δiφ|>k1IN或|iφ|>k2IN.

(3)

式中：Δiφ為瞬時(shí)電流的變化值，可通過(guò)時(shí)刻φ的電流值減去前一時(shí)刻的電流值獲得；IN為電流的額定值；iφ為電流瞬時(shí)值；k1、k2均為電流的整定系數(shù)。

2.3 方向元件

方向元件可采用以下判據(jù)：

(4)

式中：Ip、In分別為檢測(cè)到的正負(fù)極電流瞬時(shí)值；Udc為極間電壓的測(cè)量值；UN為額定電壓；Iset為電流設(shè)定閾值。

電流閾值的設(shè)定為

Iset=k3IN，

(5)

式中k3為閾值整定系數(shù)。為保證保護(hù)的可靠性應(yīng)使得電流設(shè)定值大于額定電流IN，為保證保護(hù)的靈敏性應(yīng)使k3足夠小，綜合考慮取k3=1.2。

方向縱聯(lián)保護(hù)的動(dòng)作流程如圖5所示。

圖5 方向縱聯(lián)保護(hù)的動(dòng)作流程Fig.5 Action process of directional pilot protection

本文所提出的保護(hù)需同時(shí)滿足啟動(dòng)元件和方向元件判據(jù)，保護(hù)才會(huì)跳閘，同時(shí)收信元件動(dòng)作，通過(guò)延時(shí)確認(rèn)，本側(cè)保護(hù)動(dòng)作且遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)。因此保護(hù)的動(dòng)作有一定的時(shí)限，在保護(hù)動(dòng)作之前，需要保證換流站不閉鎖。

3 柔性限流器

為確保在極間短路故障時(shí)方向縱聯(lián)保護(hù)能可靠動(dòng)作，應(yīng)保證換流站在保護(hù)動(dòng)作之前不會(huì)閉鎖，因此需要限流器的配合。本文提出一種由整流器控制的柔性限流器。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在控制信號(hào)的控制下，限流電感對(duì)線路沒(méi)有影響；當(dāng)故障出現(xiàn)，由于限流器沒(méi)有延時(shí)環(huán)節(jié)，其動(dòng)作時(shí)刻在縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作之前，限制了故障電流的快速上升。

在故障期間，系統(tǒng)電源和換流站出口電容均向故障點(diǎn)進(jìn)行放電，此時(shí)直流側(cè)電容上電壓比交流側(cè)電壓更大，電流沖擊主要是電容放電產(chǎn)生的；同時(shí)，交流側(cè)的電流過(guò)大會(huì)使得流過(guò)換流站的電流超過(guò)其自身保護(hù)的閾值而引起換流站閉鎖。因此，配置限流器可在保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備不受電流沖擊的同時(shí)，防止換流站在縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作前閉鎖。由于限流器對(duì)電流的抑制作用，在直流側(cè)出現(xiàn)瞬時(shí)性故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)故障穿越，保護(hù)不動(dòng)作，延長(zhǎng)其使用壽命。

3.1 限流器的基本結(jié)構(gòu)

限流器通過(guò)整流橋向交流側(cè)取電，并且裝設(shè)在換流站出口處，盡可能保護(hù)全段直流母線，電感電壓公式為

(6)

式中：UL為限流電感電壓；I為限流電感電流。

只需給電感提供斜率穩(wěn)定的電流，即可使其在配電線路中產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，可等效為故障時(shí)在放電回路中串聯(lián)1個(gè)反向電源，以減小故障電流。為了保證方向元件的可靠動(dòng)作，應(yīng)保證故障時(shí)Udc<0.9UN。限流器的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中Uset為限流電感電壓的設(shè)定值，Id和Iq為三相電流在dq坐標(biāo)系下的分量。

圖6 限流器基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structure of current limiter

在電力電子應(yīng)用中，常使用0.01～0.1 μF的陶瓷電容濾除高頻的波形噪聲。為保證電感兩側(cè)的電壓穩(wěn)定性，整流器出口電容起到了旁路電容的作用，數(shù)值較小。限流電感的鉗位電壓由整流器提供的線性上升電流產(chǎn)生，受電流波動(dòng)的影響較大，選擇0.1 μF的旁路電容與受控電感配合。限流電感和整流器出口電容的諧振頻率在800～1 000 Hz，整流器提供的波形頻率較低，故限流器中電感和出口電容不會(huì)諧振。

限流器通過(guò)整流器從交流側(cè)取電，向限流電感提供穩(wěn)定斜率的電流[21]。整流器采用傳統(tǒng)的雙環(huán)控制，對(duì)限流電感兩側(cè)的電壓進(jìn)行采樣，和故障時(shí)需要限流器鉗位的電壓值做差，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定限流電感電壓的作用。其具體的控制流程如圖7所示，其中KPi、KIi分別為PI控制器的比例、積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子，Iqref為q軸電流參考值。

圖7 控制流程Fig.7 Control flow chart

通過(guò)改變Uset的數(shù)值，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)改變限流電感的鉗位電壓，實(shí)現(xiàn)限流器的靈活可控。

3.2 橋型電路

為保證限流電感在系統(tǒng)正常工作對(duì)直流線路沒(méi)有影響，且在故障切除后限流電感的電流能夠穩(wěn)定恢復(fù)至限流器動(dòng)作前的狀態(tài)，引入1個(gè)橋型電路，限流器裝設(shè)在橋型電路的中間支路上，如圖8所示，其中Idc為直流線路電流，Ib為中間支路電流。

圖8 橋型電路Fig.8 Bridge circuit

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，Idc>0，由于在中間支路存在正偏的電壓，故Ib>Idc，流過(guò)二極管D1和D4的電流為(Ib+Idc)/2>0，而流過(guò)二極管D2和D3的電流為(Ib-Idc)/2>0；因此，4個(gè)二極管均導(dǎo)通，直流線路上的電流不會(huì)流過(guò)中間支路，限流裝置被旁路。當(dāng)直流配電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，線路上的電流增大，導(dǎo)致Ib

3.3 裝置啟動(dòng)的判據(jù)

限流器應(yīng)與方向縱聯(lián)保護(hù)相配合，在限制電流不會(huì)快速超過(guò)換流站閉鎖閾值的同時(shí)，也不能影響方向縱聯(lián)保護(hù)啟動(dòng)元件和方向元件的動(dòng)作；因此，限流器投入運(yùn)行的判據(jù)應(yīng)和啟動(dòng)元件判據(jù)保持一致，一旦電流超過(guò)了1.1IN時(shí)，限流器投入運(yùn)行，在方向縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作之前，將電流限制在1.4IN以下，保證方向縱聯(lián)保護(hù)的可靠性。

3.4 限流作用

整流器在故障出現(xiàn)的瞬間開(kāi)始向限流電感提供穩(wěn)定斜率的電流。限流電感在橋型電路的作用下接入系統(tǒng)，同時(shí)帶有穩(wěn)定的鉗位電壓以減小電容放電階段故障回路的放電電壓，保證了限流的瞬時(shí)性。

限流器作用后暫態(tài)等效電路如圖9所示，其中L′為限流電感，L″為直流線路電感與限流電感之和。在限流器接入系統(tǒng)后，在故障回路中接入可控電壓的限流電感，其電感電壓UL與換流站出口電壓UC方向相反，從而減小了電容放電階段的放電電壓U，同時(shí)增大了回路電感，延緩了故障電流的突變，如式(7)所示。

圖9 限流器作用后的暫態(tài)等效電路Fig.9 Transient equivalent circuit after action of current limiter

(7)

電容放電階段的放電特征同二階電路一致，因此故障電流

(8)

式中：A為直流線路電流幅值；φ-β為直流線路電流的初相角。

故障時(shí)電壓和電流的初值分別為U0和I0，根據(jù)這個(gè)初始條件可以求得

(9)

由式(7)、(8)、(9)分析可得到，若限流電感能夠提供穩(wěn)定的電壓，則在故障開(kāi)始時(shí)出口電容的放電就會(huì)被抑制，此時(shí)的故障電流主要由電容放電產(chǎn)生，故相應(yīng)也會(huì)減小。

3.5 限流電感的選擇

自激式限流器中直接的限流元件為電感，電感上的電動(dòng)勢(shì)E、電流I與磁場(chǎng)有如下關(guān)系：

(10)

式中：ψ為電感的磁鏈；φ為電感的磁通；n為電感線圈的匝數(shù)。從式(10)可以看出，一般情況下電感電流和磁鏈、磁通為線性關(guān)系。當(dāng)磁場(chǎng)持續(xù)上升，達(dá)到電感飽和后，鐵磁材料內(nèi)的磁通的變化量會(huì)突然減少，導(dǎo)致在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)的恒定電場(chǎng)變小，在線圈中總的恒定電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)急劇上升，導(dǎo)致電流急劇上升且電感值無(wú)法維持。電感和磁通的關(guān)系如圖10所示。

圖10 電流與磁通的關(guān)系Fig.10 Relationship between current and magnetic flux

電感磁飽和時(shí)的電流又稱(chēng)為電感飽和電流。電感電流到達(dá)飽和前，電流的增加不會(huì)影響電感值的大小，稱(chēng)為線性區(qū)；反之，若電流超過(guò)飽和電流值，電感則無(wú)法保持穩(wěn)定，其伏安特性也處于非線性的狀態(tài)。

(11)

式中：LC為線性區(qū)電感值的大?。籌L為電感電流；IK為電感飽和電流臨界值；Isat為電感值下降程度的指標(biāo)，一般設(shè)電感值下降到20%時(shí)的電流為Isat?？梢钥闯觯^(guò)飽和電流之后，限流電感無(wú)法滿足限流要求；因此，需要根據(jù)所建立系統(tǒng)模型和控制模型的實(shí)際運(yùn)行情況選取電感。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 模型選擇和參數(shù)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)兩電平VSC的單端供電行路對(duì)柔性限流器的限流效果進(jìn)行驗(yàn)證。該部分為低壓直流配電網(wǎng)的一段，終端為低壓交流負(fù)載，所以直流線路兩端均為換流站。選取額定電壓為750 V，額定電流為40.2 A。

在限流器中，限流電感為主要元件，電感在電流飽和之后無(wú)法保持原有電感的大小，在電感電流值大于飽和電流的時(shí)候，鉗位電壓無(wú)法維持，所以需要針對(duì)限流時(shí)間選擇合適的電感值。據(jù)前文分析，確定限流電感需維持鉗位電壓的時(shí)間為0.1 s，選擇電感值為500 mH，為保證方向元件的可靠工作，鉗位電壓值不得大于0.9UN。

正常工作時(shí)，配電線路電流狀態(tài)如圖11所示。

圖11 正常狀態(tài)的直流側(cè)電流Fig.11 DC side current in normal state

4.2 限流器作用情況

當(dāng)直流線路出現(xiàn)金屬性極間短路故障時(shí)，系統(tǒng)形成1個(gè)阻抗較小的放電回路(主要為第一階段的換流站出口電容放電)，產(chǎn)生1個(gè)極大的電流沖擊，對(duì)配電系統(tǒng)和線路元器件造成影響。由于需要一定的時(shí)間延遲來(lái)確定和收發(fā)信號(hào)，在方向縱聯(lián)保護(hù)動(dòng)作前，換流站可能已經(jīng)完成閉鎖，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了事故的影響范圍；因此，需要快速動(dòng)作的限流器來(lái)配合方向縱聯(lián)保護(hù)。

4.2.1 柔性限流器應(yīng)用效果

由整流器控制的限流電感在故障回路中提供穩(wěn)定的鉗位電壓。通過(guò)控制回路的控制，電感兩端的電壓保持穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)節(jié)Uset值控制供給電感的電流斜率來(lái)滿足電感的耐壓條件。系統(tǒng)的正常電壓為750 V，為盡可能減小放電電壓，同時(shí)考慮到電感經(jīng)濟(jì)性和電流飽和特性，將3個(gè)500 mH受控電感串聯(lián)。電感兩端的電壓如圖12所示，可通過(guò)控制調(diào)整限流電感兩端的電壓，減小放電電壓，實(shí)現(xiàn)故障電流的柔性控制。

3個(gè)可控電感串聯(lián)分別在故障回路中分別提供了450 V、600 V和690 V的鉗位電壓，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)波形如圖13所示。

由圖13可知，柔性限流器可以很好地抬高直流側(cè)電壓，通過(guò)控制電壓的大小，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的控制和調(diào)節(jié)，滿足了極間短路故障瞬間線路的保護(hù)要求，為方向縱聯(lián)保護(hù)的啟動(dòng)提供了準(zhǔn)備的時(shí)間。

圖12 電感兩端電壓Fig.12 Voltage at both ends of inductor

圖13 不同鉗位電壓下的系統(tǒng)電壓、電流Fig.13 System voltage and current waveforms under different clamping voltages

4.2.2 區(qū)內(nèi)故障

雖然負(fù)載側(cè)沒(méi)有電源，但是負(fù)載側(cè)換流站的出口電容上的電能在故障初期仍會(huì)向故障點(diǎn)放電；因此，區(qū)內(nèi)故障的電流方向如圖4(b)所示，確保滿足方向縱聯(lián)保護(hù)的啟動(dòng)元件判據(jù)和方向元件判據(jù)。負(fù)載側(cè)直流線路電流Iload如圖14所示。

圖14 負(fù)載側(cè)直流線路故障電流Fig.14 Load side DC line fault current

根據(jù)線路的長(zhǎng)短不同，方向縱聯(lián)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為5～10 ms，同時(shí)，換流站閉鎖的電流閾值為1.4IN；因此，在保護(hù)動(dòng)作前，通過(guò)限流器將故障電流限制在1.4IN以下，以保證保護(hù)的可靠性。

系統(tǒng)直流母線上發(fā)生極間短路故障后，直流側(cè)的故障電流包括電容和交流側(cè)向故障點(diǎn)放電而產(chǎn)生的電流。當(dāng)出口電容的能量在短時(shí)間內(nèi)完全釋放后，進(jìn)入極間短路的第3階段，僅交流電源向故障點(diǎn)放電。可以看出，交流側(cè)饋入換流站的電流超過(guò)1.4IN，因此需要配備限流器，防止換流站在保護(hù)動(dòng)作前閉鎖。將柔性限流器接入直流配電網(wǎng)配合方向縱聯(lián)保護(hù)限流前后的電流波形如圖15所示。

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

當(dāng)故障電流超過(guò)1.1IN時(shí)，限流器投入運(yùn)行，對(duì)故障電流進(jìn)行限制，同時(shí)，方向縱聯(lián)保護(hù)的啟動(dòng)元件發(fā)信。這一階段電流進(jìn)一步升高，同時(shí)滿足啟動(dòng)元件和方向元件判據(jù)，收信元件動(dòng)作，經(jīng)過(guò)短暫的出口延時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。如圖15所示，故障出現(xiàn)時(shí)，傳統(tǒng)限流器能夠消除故障電流的沖擊，但是由于其本身無(wú)法改變固有屬性的局限性，無(wú)法根據(jù)縱聯(lián)保護(hù)的要求對(duì)故障電流進(jìn)行限制。而本文提出的柔性限流器可以通過(guò)整流器控制將限流電感電壓鉗位在不同的數(shù)值，進(jìn)而保證電流在滿足縱聯(lián)保護(hù)啟動(dòng)判據(jù)的同時(shí)，不超過(guò)換流站閉鎖閾值。

4.2.3 區(qū)外故障

在配電線路中，線路保護(hù)區(qū)段外的故障可以分為靠近電源側(cè)和靠近負(fù)載側(cè)的區(qū)外故障。區(qū)外故障電流如圖16所示。

在區(qū)外故障時(shí)，因不滿足判據(jù)，方向縱聯(lián)保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。但是此時(shí)的故障電流依舊較大，為了保證系統(tǒng)不被損壞，限流器應(yīng)該可靠地投入使用，限制故障電流。柔性限流器通過(guò)控制鉗位電壓對(duì)限流效果進(jìn)行調(diào)整，其主要作用在于消除故障電流的脈沖，防止系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備受大電流沖擊而損壞。限流后的電流方向特征沒(méi)有改變，同時(shí)其大小也遠(yuǎn)超正常運(yùn)行時(shí)的額定電流值。柔性限流器的限流效果可根據(jù)各類(lèi)保護(hù)的整定判據(jù)進(jìn)行調(diào)整，降低對(duì)其他保護(hù)的影響，實(shí)用性較強(qiáng)[22-23]。

圖16 區(qū)外故障電流Fig.16 External fault current

4.3 限流器電感電流的恢復(fù)

因?yàn)殡姼须娏鞒掷m(xù)上升，會(huì)造成電感飽和，從而影響限流器的重復(fù)使用，所以在完成一次限流之后，電感需要放電，保證電感電流不會(huì)達(dá)到其飽和值。由于限流電感是向交流側(cè)取電，在保護(hù)動(dòng)作之后，電感通過(guò)整流器向交流側(cè)方向放電，實(shí)現(xiàn)逆變，電感電流重新恢復(fù)至零。

限流電感的電流IL如圖17所示，共可分為4個(gè)階段。在正常運(yùn)行時(shí)(階段1)，限流電感因串接在中間支路而被旁路，沒(méi)有電流流過(guò)。故障出現(xiàn)時(shí)(階段2)，因橋型電流將中間支路串入直流母線，電感受整流器控制，電流線性上升且斜率穩(wěn)定；因其向網(wǎng)側(cè)取電，所受故障電流峰值影響較小。故障切除后(階段3、4)，為保證限流電感的循環(huán)使用，需要釋放電感能量，此時(shí)橋型電路再次將中間支路旁路，電感通過(guò)逆變器向網(wǎng)側(cè)釋放能量。因旁路作用，該電流變化產(chǎn)生的電感電壓不會(huì)串在直流側(cè)回路中，能夠很好地完成電感的恢復(fù)。

圖17 限流電感的電流Fig.17 Current of current-limiting inductance

5 結(jié)論

本文提出一種整流器控制的柔性限流器，結(jié)合方向縱聯(lián)保護(hù)，形成較為可靠的直流配電網(wǎng)保護(hù)策略，主要研究成果如下：

a)在故障初期通過(guò)限流器對(duì)故障電流進(jìn)行限制，在保護(hù)動(dòng)作之前防止換流站閉鎖，加強(qiáng)方向縱聯(lián)保護(hù)的可靠性。

b)采用直流電路電流的方向性作為方向縱聯(lián)保護(hù)的判據(jù)，在保證可靠性的同時(shí)加快了動(dòng)作響應(yīng)速度。

c)柔性限流器可以很好地對(duì)故障電流起到限制作用，延長(zhǎng)了可供方向縱聯(lián)保護(hù)的準(zhǔn)備時(shí)間。限流電感的電流能量通過(guò)網(wǎng)側(cè)釋放，使得該限流器可循環(huán)使用，提高了經(jīng)濟(jì)性。