直流微电网短路下会导致电源烧毁及大量电力电子器件损坏等严重损失，基于电力电子器件的可控性将主动式保护控制应用到直流微电网的短路保护中，以含有多能源储能系统的直流微电网作为研究对象，找出三相AC/DC和三相交错DC/DC两种换流器模式下极间短路故障的共性，在此基础上，提出了一种基于全控性器件绝缘栅双极晶体管IGBT的抑制极间短路电流的直流微电网控保协同主动保护方法及其启动判据，解决直流微电网发生极间短路故障问题，实现利用变换器内本身电力电子元件特性的主动保护。 The short circuit of DC microgrid will lead to serious losses such as power burned down and damage of a large number of power electronic devices. Based on the controllable type of power electronic devices, active protection control is applied to the short circuit protection of DC microgrid. In this paper, the DC microgrid containing multi-energy storage system is taken as the research object. It can find out the common characteristics of inter-pole short circuit faults in three-phase AC/DC and three-phase staggered DC/DC converter modes. On this basis, a DC microgrid control protection cooperative active protection method and its start-up criterion are proposed to suppress inter-pole short-circuit current. This method is based on the fully controlled device insulated gate bipolar transistor IGBT. It can solve the problem of inter-pole short circuit fault in DC microgrid and realize the active protection of power electronic components in the converter.
直流微电网短路下会导致电源烧毁及大量电力电子器件损坏等严重损失，基于电力电子器件的可控性将主动式保护控制应用到直流微电网的短路保护中，以含有多能源储能系统的直流微电网作为研究对象，找出三相AC/DC和三相交错DC/DC两种换流器模式下极间短路故障的共性，在此基础上，提出了一种基于全控性器件绝缘栅双极晶体管IGBT的抑制极间短路电流的直流微电网控保协同主动保护方法及其启动判据，解决直流微电网发生极间短路故障问题，实现利用变换器内本身电力电子元件特性的主动保护。
直流微电网，故障分析，保护，控保协同
Yu Gao
Tiangong University, Tianjin
Received: May 13th, 2021; accepted: Jun. 15th, 2021; published: Jun. 24th, 2021
The short circuit of DC microgrid will lead to serious losses such as power burned down and damage of a large number of power electronic devices. Based on the controllable type of power electronic devices, active protection control is applied to the short circuit protection of DC microgrid. In this paper, the DC microgrid containing multi-energy storage system is taken as the research object. It can find out the common characteristics of inter-pole short circuit faults in three-phase AC/DC and three-phase staggered DC/DC converter modes. On this basis, a DC microgrid control protection cooperative active protection method and its start-up criterion are proposed to suppress inter-pole short-circuit current. This method is based on the fully controlled device insulated gate bipolar transistor IGBT. It can solve the problem of inter-pole short circuit fault in DC microgrid and realize the active protection of power electronic components in the converter.
Keywords:DC Microgrid, Fault Analysis, Protection, Control and Protection Coordination
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能源是全球各国必不可少的生存资源，而电能是其中最清洁便利的、也是可再生的能源 [
随着电力电子技术的不断发展，部分变换器具备阻断故障电流的能力，直流微电网传统意义控制与保护的分界日益模糊，利用电力电子变换器在故障时刻主动地改变自身状态，向系统施加某种激励，即可实现在线式的主动保护 [
当三相AC/DC模块直流母线侧发生极间短路故障时，交流电源将通过AC/DC换流器向故障点提供故障电流，其等效电路如图1所示。其中电阻Ra= Rb= Rc，电感La= Lb= Lc，续流二极管由D1~D6表示，图中C为AC/DC变换器直流母线侧并联滤波电容。具有自保护功能的绝缘栅双极型晶体管IGBT在发生故障后会迅速完成闭锁动作。在此过程中IGBT极短时间内完成自锁，对故障的产生和分析影响很小，因此在对三相AC/DC极间短路故障特性分析前可以做出假设：直流线路故障发生瞬间IGBT立即闭锁。
图1. 三相AC/DC极间短路故障等效图
三相AC/DC极间短路故障回路的变化过程，其故障特性包括三个阶段：直流母线侧电容放电阶段、二极管交替换向导通阶段和二极管同时导通阶段。
1) 直流母线侧电容放电阶段
AC/DC换流器直流母线侧极间短路故障瞬间，电容迅速向故障点提供极大电流，向故障点供电，忽略交流侧续流，直流母线侧电容和电感电阻构成RLC电路。图2(1)给出了该阶段的等效电路。
2) 二极管交替换向导通阶段
电容电压持续降低，待下降到小于交流侧电压时，反并联续流二极管导通，交流源和电容一起向故障点提供故障电流。随电容电压的下降，交流侧通过续流二极管向直流母线侧提供的短路电流逐渐增大。在这个过程中二极管交替导通关断，动态方程的解随着换向过程的发生而改变，前一次换向过程的结果是下一次的初始条件。二极管D1、D2导通时故障电流的流通路径如图2(2)所示。
图2. 三相AC/DC极间短路阶段等效图
3) 二极管同时导通阶段
在电容电压Udc降低过零时，AC/DC变换器内6个二极管D1~D6同时导通，形成一个RL放电回路，此时电容电压被二极管钳位为0，6个续流二极管对交流侧电源不再表现出单向导通性，交流侧可等效成两个部分，左侧是三相短路部分，右侧是直流母线侧放电部分，如图2(3)所示。
依据三相交错DC/DC极间短路故障回路的变化过程，其故障特性包括直流母线侧电容放电阶段、二极管导通阶段和双向DC/DC极间短路稳定阶段三个阶段(图3)。
1) 直流母线侧电容放电阶段
直流微电网三相交错DC/DC极间换流器直流母线侧极间短路故障瞬间，电容迅速向故障点提供极大电流，向故障点供电。在I相工作状态，此时S2导通，续流二极管D1关断，在此过程中电容电压持续下降。图4(1)给出了该阶段的等效电路。
图3. 三相交错DC/DC极间短路故障等效图
图4. 三相交错DC/DC极间短路阶段等效图
2) 二极管导通阶段
电容电压持续降低，待下降到小于蓄电池侧电压时，即当Udc< Ubat，反并联续流二极管导通，蓄电池电源和电容一起向故障点提供故障电流。随电容电压的下降，蓄电池侧通过续流二极管向母线侧提供的短路电流逐渐增大。二极管D1、D3、D5导通时故障电流的流通路径如图4(2)所示。
3) 三相交错DC/DC极间短路稳定阶段
直流母线侧电压下降到接近零，电容向故障点放电结束，蓄电池向故障点和电容供电，如图4(3)所示。
基于对上述三相AC/DC极间短路和三相交错DC/DC极间短路故障特性分析，在极间故障发生的整个过程，从第二阶段开始二极管一直处于导通，而且在第三阶段二极管电流突然增大，在此时刻电力电子器件容易被烧毁，因此三相AC/DC极间短路和三相交错DC/DC极间短路故障需要第三阶段初始时刻在直流母线侧电压过零之前切除，从而保护AC/DC和DC/DC变换器安全。
依据对多能源微电网故障特性分析，研究了两种换流器模式下直流母线侧发生极间短路的故障共性及其短路电流关键影响因素，进而提出了基于全控性器件绝缘栅双极晶体管IGBT主动保护控制策略及其启动判据，实现安全运行的同时协同控制故障电流。
基于IGBT的可控性，提出了能适用于三相AC/DC和三相交错DC/DC两种换流器拓扑结构的主动保护策略，如图5、图6所示，通过给出指定的控制信号，在发生直流母线侧极间短路故障后，能通过IGBT切除电源侧经换流器向故障点供电的通道，能有效控制故障电流和电压，保护设备和电力电子器件安全。
图5. 三相AC/DC极间短路主动保护拓扑图
图6. 三相交错DC/DC极间短路阶段等效图
将换流站中充当续流作用的IGBT的谐波注入源由一个特定的单端量变为两个不同频率信号的双端量，进而实现保护的绝对选择性。基于两种换流器模式下直流母线侧发生极间短路的故障共性，多能源微电网主动保护控制方法的流程如图7所示。其保护方法及实现的步骤如下：配置di/dt、du/dt作为所提方法的启动判据，形成启动部分。保护装置启动后，系统中各保护测量点检测直流是否过流，若大于定值，则给变流器DC/DC、AC/DC发送闭锁信号，然后开始动作。基于可控的电力电子器件，能在不同拓扑结构和换流阀类别的直流微电网中对系统故障电流和电压控制，达到故障穿越和故障清除的目的。
图7. 保护方案设计流程图
为了验证上文对三相AC/DC极间短路故障特性分析的正确性与合理性，使用Matlab/Simulink仿真软件对三相AC/DC微电网极间短路故障建立仿真模型，并对仿真结果进行分析。三相AC/DC极间短路故障数学模型中磷酸铁锂电池的参数搭建，如表1所示。
| AC/DC和DC/DC变换器参数 | 数值 |
|---|---|
| 电池额定电压/V | 300 |
| 电池容量/Ah | 100 |
| 最大充电电流/A | 100 |
| 最大放电电流/A | 200 |
表1. 磷酸铁锂电池仿真参数
| AC/DC和DC/DC变换器参数 | 数值 |
|---|---|
| 变换器电感/mH | 1 |
| DC母线电压/V | 600 |
| 开关频率/kHz | 10 |
表2. AC/DC变换器参数
三相AC/DC直流微电网主电路的参数为：L = 1e−3H，C = 1e−3F (表2)。
设置t = 0.5002 s发生极间短路，仿真波形如图8所示。
1) 直流母线侧接入端短路瞬间，电容迅速提供极大电流，向故障点供电，在此过程中电容电压持续下降。
2) 当电容电压下降到小于蓄电池电压时，0.5004 s，故障发生后2 × 10−4s，即当Ubat> Udc，电容和蓄电池电源一起向故障点提供电流。
3) 随电容电压的下降，蓄电池侧通过续流二极管向直流母线侧提供的短路电流逐渐增大。0.5005 s时，即故障发生后3 × 10−5s，此时直流母线侧电压下降到接近零，电容向故障点放电结束，蓄电池向故障点和电容供电。
图8. 三相AC/DC极间短路波形图
设置t = 0.5002 s发生极间短路，仿真波形如图9所示。
1) 直流母线侧接入端短路瞬间，电容迅速提供极大电流，向故障点供电，在此过程中电容电压持续下降。
2) 当电容电压下降到小于蓄电池电压时，0.50028 s，故障发生后8 × 10−5s，即当Ubat> Udc，电容和蓄电池电源一起向故障点提供电流。
3) 随电容电压的下降，蓄电池侧通过续流二极管向直流母线侧提供的短路电流逐渐增大。0.50035s时，即故障发生后1.5 × 10−5s，此时直流母线侧电压下降到接近零，电容向故障点放电结束，蓄电池向故障点和电容供电。
将上文对三相AC/DC和三相交错DC/DC极间短路故障特性理论分析，与MATLAB仿真波形相对应，证明了理论分析的正确性。经仿真验证，第三阶段，当直流母线侧下降到零，在故障发生极短时间内电容电流和二极管电流迅速升到最大值，换流器安全受到威胁。故障理论分析与仿真相结合，因此三相AC/DC和三相交错DC/DC极间短路故障需要第三阶段初始时刻在直流母线侧电压过零之前切除，从而保护三相交错DC/DC变换器安全。
图9. 三相交错DC/DC极间短路波形图
为了验证上述保护设计的正确性与合理性，使用Matlab/Simulink仿真软件对极间短路保护设计建立仿真模型，并对仿真结果进行分析。直流微电网主电路的参数为：L = 1e−3H，C = 1e−3F (表3)。
| AC/DC和DC/DC变换器参数 | 数值 |
|---|---|
| 变换器电感/mH | 1 |
| DC母线电压/V | 600 |
| 开关频率/kHz | 30 |
表3. AC/DC和DC/DC变换器参数
利用Matlab/Simulink仿真平台进行仿真分析，以验证所提限流控制方法的限流效果。设置在t = 0.5002 s时使双向DC/DC母线侧发生极间短路故障，IGBT在230 us后隔离故障。直流故障发生后，故障极电压瞬间跌落，且直流电流迅速上升，在满足IGBT给定信号启动判据后，电源侧向故障点供电的通道被切断，仿真结果如图10所示。
图10. 三相AC/DC主动保护波形图
设置在t = 0.5002 s时使交错DC/DC母线侧发生极间短路故障，IGBT在50 us后隔离故障。直流故障发生后，故障极电压瞬间跌落，且直流电流迅速上升，在满足IGBT给定信号启动判据后，电源侧向故障点供电的通道被切断，仿真结果如图11所示。
从上述保护设计仿真结果图看，交错DC/DC在极间短路故障发生50 us后三相电源侧向故障点供电的通道，三相AC/DC在极间短路故障发生230 us后三相电源侧向故障点供电的通道都在极间短路故障电流到达峰值前切除，即第三阶段前，此时直流母线侧电压还未降到零，电源侧向故障点供电的通道被切断，提高了故障阻断响应速度，有效的保护了电力电子器件和系统安全。
图11. 三相交错DC/DC主动保护波形图
针对直流微电网短路下会导致大量电力电子器件损坏，且大多数研究将系统内的电力电子变换器视为不可控元件等问题，提出了一种基于全控性器件IGBT的抑制极间短路电流的直流微电网控保协同主动保护方法及其启动判据，在直流微电网三相AC/DC和三相交错DC/DC两种换流器模式下，在发生极间短路故障第三阶段开始前利用IGBT自身可控性，给出指定的控制信号，可以将故障电流阻断，能有效控制故障电流和电压，保护设备和电力电子器件安全，实现利用变换器内本身电力电子元件特性的主动保护。直流微电网的保护与控制的相互配合，利用电力电子器件本身的可控性和速动性，减少了故障恢复时间，同时提高了故障识别准确性，实现直流微电网的稳定运行。
高 宇. 基于可控IGBT的直流微电网的主动保护控制研究Research on Active Protection and Control of DC Microgrid Based on Controlled IGBT[J]. 电气工程, 2021, 09(02): 65-75. https://doi.org/10.12677/JEE.2021.92008
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821726-9.00012-6
https://doi.org/10.1016/j.seta.2020.100924
https://doi.org/10.1109/TEC.2021.3057130
https://doi.org/10.1051/e3sconf/202123301051
https://doi.org/10.1049/iet-rpg.2019.1136
https://doi.org/10.1109/TPWRD.2018.2889895