直流微电网的故障分析与保护配置研究

直流微电网的故障分析与保护配置研究

发表时间：2017-12-23T22:00:44.803Z 来源：《电力设备》2017年第24期作者：高为举刘贵

[导读] 摘要：近年来，直流微电网故障与保护配置问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。

（南京南瑞集团公司（国网电力科学研究院）江苏南京 211100）

摘要：近年来，直流微电网故障与保护配置问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。本文首先对相关内容做了概述，分析了基于直流母线电压的控制策略。在探讨应用状况分析的同时，结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就其仿真性实验问题展开了研究，阐述了个人对此的几点看法与认识，望有助于相关工作的实践。

关键词：直流微电网；故障；保护；配置

1基于直流母线电压的控制策略

直流微网控制策略主要分为集中控制、分散控制和分布控制3种，其中分散控制不考虑直流母线变化使得各分布电源间的信息无法交互不予采用，集中控制由于需要一个传输速度较快的通信架构，目前实现较为困难，所以大部分直流微网的控制策略都选用分布控制，即基于直流母线电压的控制策略（DCbussignalcontrol）。直流母线电压的选取，依据文中对不同直流电压对负载和线路损耗的分析，得出选择直流母线电压为48V较为合适。直流微网作为电源输出时DBS的具体实现方式，变换器通过将母线电压幅值与自身工作状态阀值电压比较，进而决定工作模式。

直流系统中包含3类电能单元：新能源、储能装置和负载单元。首先，直流母线电压的幅值作为信号，分为不同控制区域。当系统直流母线电压处于状态1时，仅将新能源并入直流母线，状态2中储能装置也被加入。其中新能源的放电阀值为U0，储能装置的放电阀值为U1。当负载小于新能源最大功率点（曲线PS1）时，新能源的变换器与直流母线交互，使得仅新能源并网，并且变换器工作在恒压输出状态，调制母线电压至其放电阀值。当负载电流增大，母线电压由于下垂线的控制逐渐降低，所以，当带负载PL1时，系统工作点在A点处。当负载超过新能源最大功率点，新能源变换器检测到该状态后，改变其工作状态至恒功率输出模式，限制其输出功率为PS1。由于按PS1曲线增长，电压会跌落较多，所以为了保持母线电压在一定范围内稳定，当电压跌落至U1以下，储能装置并入，提高整个系统的工作电压，当带负载PL2时，系统工作点在B点处。

控制模块是标准双环控制，电流内环响应速度快，电压外环通过PI调节保证电压稳定。在恒压工作模式中，PI控制器使得直流母线电压调制到其放电阀值电压，电流按照内环输出额定值。同时，设置了控制器的下垂曲线保证了不同新能源和储能装置能通过变换器实现功率均分。下垂曲线公式为

U0*=Un-kI0。（1）

式（1）中：Un为变换器放电阀值；I0为输出电流；k为下垂系数。恒功率运行时，新能源的变换器跟踪新能源的最大功率点运行，储能装置在母线电压达到放电阀值后，按下垂控制支撑母线电压。以上介绍了新能源模块放电方式的控制策略，对于整个系统，储能装置作为一个能量缓冲器，其控制器根据直流母线电压的不同分为充电控制和放电控制两部分。

Ub为检测的蓄电池电压；Ubh为相对于剩余容量95%时的电压；Ubl为相对于剩余容量40%时的电压，充放电电流最大值都有相应限制；Ib*为储能变换器的参考电流；Ib为变换器实际输出电流；D*为变换器的占空比；Udc为直流母线电压测量值；Udc_ref为给定参考值。

将Udc和Udc_ref比较后通过PI调节及限流环节得到电流控制环的输入参考值Ir2，若Ub小于Ubl，则Ir2=0，此时蓄电池为充电状态，参考电流为Ir1；若Ub大于Ubl，则参考电流为Ir2，此时蓄电池为放电状态。其中，充电状态时，将Ub和Ubh比较后通过PI调节和限流环节，得到参考电流Ib1=Ib*。通过Ib*的大小决定电池工作状态，当其大于0，变换器工作在放电状态，小于零则充电状态。Ubh和Ubl的设置实现了储能的过冲过放保护。

2稳定直流微电网的办法分析

文章主要以Buck这一变换器作为实际案例进行分析，并从线性状态的角度对直流微电网稳定的相关方法进行阐述。从上述的指引中，在开环控制状态下，VC是作为调制的指令信号而存在的；在闭环控制下，则是作为闭PI这一控制器重要的输出信号而存在的。对于作为三角载波信号幅值的VTr，我们为了分析简便，首先会假设VTr等于一，即d等于VC。另外，来自恒功率负载主要的影响体现在一条反馈支路上，其不仅将负增量阻抗带给了微电网，而且还造成了有不稳定的电网情况在直流微电网中存在。

为了将恒功率负载所带来的影响因素抵消，就需要将一条线性的反馈支路引入到系统之中。分别有一个微分器以及数乘器包括在线性反馈支路之中，所引入的反馈支路并不会使系统原有的稳定平衡点发生改变，即UC和IL。经过合理性的选择反馈系数K，能够将恒功率负载所带来的负增量阻抗的不良因素消除掉，从而使整个系统的稳定性不断提高。

3应用状况分析

虽然存在于非线性反馈之路之中的微分器能够将系统整个的稳定性提高，但是与之相伴随的是噪声的放大，并且会有很多的高次谐波在电力电子变换器之中出现，因而我们在日常的工作中很少会直接采用到微分这一环节，更多是在微分环节之前将低通滤波器加入。

作为低通滤波器截止角频率的是ωr，明显可以看出其数值应当是比Buck这一变换器所显示的开关频率要小。为了对ωr以及K的取值范围进行分析，从而使系统的稳定性获得保证，就需要按照下述的方程对相关的小信号稳定性能进行分析。

4关于仿真性实验分析

为了对前述方法的有效性进行验证，文章专门对变换器所维持的微电网母线的电压情形进行了分析，在Simulink或者MATLAB办法的采用下，将直流微电网相关的仿真实验模型搭建了出来，源侧变换器其所表现出的线性状态的反馈控制是将Buck作为变换器，此时E等于四百伏，Vc等于零点五，L等于八毫亨，C等于零点五毫法，Uc等于两百伏。当源侧变换器是作为恒功率控制存在时，其最终所输出的功率为五百瓦。那么当恒功率负载最终的功率是两千五百瓦时，其系统等效恒功率负载则为Pcpl等于两千瓦；此时阻性负载电阻值应当是R等于四十欧。储能单位起所采用的横流充放电控制，其最终放电的电流是三A，也就是说变换器开关的频率在十千赫兹，该仿真实验最终的结果若没有将反馈控制支路加入到系统当中，通过相关的公式计算，能够计算出系统特征值是25±j499.375；直流微电网母线的电压同变换器电感电流之间的波形，正是因为特征值实部是比零大的，因而电感电流同直流母线电压之间的发散能够使电感电流直接下降到零的位置，此时直流母线的电压便会位置在大幅度振荡状态下；反之，当在系统中将低通滤波器以及线性反馈支路加入时，从验证中得知其ωr的取值范围是ωr>50rad/s，在这个区间内，当ωr等于每秒一千二百转时，K等于一点五乘以十的负五次方。经过演算得知其特征值实部是比零要小