华北电力大学郑涛、郭勇帆等：基于协同控制的级联型电力电子变压器备用交流短引线故障检测及安全投入方案

来源：市场资讯

（来源：电能革新）

导语

级联型电力电子变压器可实现交直流微电网、储能装置等可再生能源和直流负荷的柔性互联。基于CHB-PET交流短引线互为备用接入不同母线段的场景，针对常规方案在备用短引线投入之前无法判断其是否安全的问题，华北电力大学研究团队提出了一种基于CHB-PET与直流微电网储能装置协同控制并主动注入特征电压的备用短引线故障检测及安全投入方案，通过利用特征电流不平衡因子和电流积分值的乘积构造故障检测判据，提高了保护动作速度，进而实现备用短引线的快速安全投入。

研究背景

级联型电力电子变压器实现了交直流线路的柔性互联、潮流的灵活控制和新能源的便捷高效接入，对于提高供电可靠性和设备利用率有显著优势。实际工程中，CHB-PET通过两条互为备用的短引线1和2分别接入分段母线I段和Ⅱ段。正常运行时由I段母线供电，在短引线1发生故障后，隔离短引线1，将短引线2接入CHB-PET，实现供电的快速恢复。但现有方案无法判别备用短引线投入时是否存在故障，若将含有故障点的备用短引线接入，会对电力电子装备的安全造成较大影响。

图1 基于CHB-PET的交直流微电网拓扑

论文所解决的问题及意义

针对某实际工程中CHB-PET通过互为备用的两条交流短引线接入不同母线段的场景，考虑CHB-PET交流短引线发生故障后，备用短引线需快速投入，以实现CHB-PET供电的快速恢复。但常规方案无法判别备用短引线投入时是否存在故障，存在将故障短引线接入的风险。

针对此问题，本文提出一种基于CHB-PET与直流微电网协同控制，并主动向备用短引线注入特征电压来检测是否存在故障点，进一步提出一种计及电流不平衡因子的故障检测方法，减少故障检测所需时间，从而实现备用短引线的快速安全投入。

论文方法及创新点

本文提出的基于CHB-PET与直流微电网协同控制的备用短引线故障检测及安全投入方案可分为三个阶段，分别是短引线故障隔离阶段、CHB-PET与直流微电网储能装置协同控制阶段（以下简称为协同控制阶段）和备用短引线故障检测及投入阶段。

1、短引线故障隔离阶段（阶段一）及协同控制阶段（阶段二）

CHB-PET与直流微电网协同控制策略如图2所示。短引线1故障后，FU1熔断，CHB闭锁，短引线1的故障隔离完成，阶段一结束，进入CHB-PET与直流微电网储能装置协同控制阶段（阶段二）。

此时交流源向直流线路的功率传输终止，CHB-PET无法控制±375V直流母线电压，因此储能换流器由稳态运行时的定功率控制模式切换为定电压控制模式，维持±375V直流母线电压恒定。由于母线电压得到储能装置的支撑，可切换DAB由稳态运行时的±375V直流电压控制模式为中压直流电容电压控制模式，通过DAB与储能装置的协同配合，保证DAB中压直流侧电容电压的稳定，为短引线故障检测奠定基础。

图2 CHB-PET与直流微电网协同控制策略

2、备用短引线故障检测及投入阶段（阶段三）

当通过协同控制使得CHB-PET中压直流电容和±375V直流母线电压稳定后，解锁CHB，进入阶段三。控制CHB主动产生特征信号，向备用短引线注入特征电压，其原理如图3所示。

图3 主动注入特征电压原理示意图

根据备用短引线在不同场景下的电气量特征差异，提出一种利用特征电流绝对值的积分值与特征电流不平衡因子构造故障检测判据，完成备用短引线的故障检测及安全投入。

（a）单相接地 （b）两相短路

（c）两相接地 （d）三相短路

图4 短引线2故障时故障电流示意图

计及电流不平衡因子的故障检测判据：

3、仿真验证

基于PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提方案的可行性及有效性。

（a）特征电压 （b）特征电流

（c）故障检测判据波形图 （d）CHB-PET交流侧电压

（e）±375V直流电压 （f）±375V直流电流

图5 短引线2无故障时电气量波形图

（a）金属性接地故障特征电流 （b）金属性接地故障故障检测判据

（c）经过渡电阻接地特征电流 （d）经过渡电阻接地故障检测判据

（e）±375V直流电压 （f）±375V直流电流

（g）CHB-PET交流侧电压

图6 短引线2存在故障时电气量波形图

结论

本文基于CHB-PET交流短引线互为备用接入不同母线段的场景，针对常规方案在备用短引线投入之前无法判断其是否安全的问题，提出了一种基于CHB-PET与直流微电网储能装置协同控制并主动注入特征电压的备用短引线故障检测及安全投入方案。方案包括三个阶段：短引线故障隔离阶段、协同控制阶段和备用短引线故障检测及投入阶段。主要结论如下：

1）在整体方案上，利用CHB-PET向备用短引线注入特征电压，根据备用短引线在不同场景下电气量特征的差异，可准确地检测备用短引线是否存在故障，实现了备用短引线的安全投入。

2）在所提方案的三个阶段，利用CHB-PET与直流微电网储能装置的协同控制，保证了交流短引线故障后，直流微电网各装备的正常运行，有利于故障后的快速恢复。

3）在备用短引线故障检测阶段，利用特征电流不平衡因子和电流积分值的乘积构造故障检测判据，相较于直接利用电流积分值，缩短了高阻故障下的故障检测时间，提高了保护动作速度。

团队介绍

电力系统保护与控制研究所是新能源电力系统国家重点实验室所属研究团队之一，主要开展电力系统保护与控制相关研究工作。郑涛教授带领的研究生团队曾获中国电力科学技术进步一等奖、二等奖、三等奖各1项；主持国家自然科学基金项目2项，作为课题负责人承担国家重点研发计划专项课题1项；发表SCI/EI检索学术论文180余篇；授权中国发明专利38项；出版学术专著2部。

郑涛

博士，华北电力大学电气与电子工程学院教授，博导，担任中国能源研究会新能源电力系统保护和控制技术专业委员会第一届委员会委员；宁夏新型电力系统标准化技术委员会委员；IEEE PES中国区电力系统主设备保护分委会副主席；IEEE PES中国区储能技术委员会储能并网与运行技术分委会委员；《电工技术》、《宁夏电力》等期刊编委。主要从事新能源电力系统故障机理和保护新算法研究、交直流输电故障耦合机理研究等。

郭勇帆

博士研究生，研究方向为新能源电力系统继电保护。