含复合储能的直流微电网故障监测与定位

高卫宏，原 新

（山西晋中理工学院，山西 晋中 030600）

文章提出一种控制直流微电网故障监测与定位的方法，其中复合储能部分用超级电容器和蓄电池组并联模拟，利用非线性干扰观测器实时追踪系统发生故障时的扰动，同时配合小波包故障特征分析进行故障定位。当扰动超出直流电网允许值时，考虑样本误差在故障暂态，经过数学建模和特征能量选取，利用db15小波对各共模电流进行小波分解，最终选线定位线路故障至故障解除。整个过程中，非线性干扰观测器实时追踪系统的扰动，结果显示其在允许值范围内。

直流微电网故障类型如图1所示。设置直流微电网系统，接入分布式电源和复合储能，其中复合储能部分用超级电容器和蓄电池组并联模拟。在分析直流微电网故障时，以最常见的单相接地故障为例[1]。虽然此类故障在电力系统中较为常见，但是发生时需要对整条线路进行停电检测。

图1 直流微电网故障类型

1.1 系统正常运行时的输出电流特征

直流微电网稳定运行时，非线性干扰观测器在直流微电网采取双闭环控制下实时追踪系统动态，输出的扰动电流波形如图2所示[2]。直流微电网系统采用传统PI双闭环控制，扰动电流两者误差逐渐减小，趋于稳定。此时误差在允许范围内，可以忽略。

图2 非线性干扰观测器观测波形

1.2 系统发生单相接地故障时的输出电流特征

由图1可知，直流微电网故障类型和交流电网故障类型相似。直流微电网中发生极间故障危害最大，但此故障发生概率低，而单相接地故障发生概率较高，因此以单相接地故障为例进行分析[3]。系统发生单相接地故障线路模型，如图3所示。

图3 系统发生单相接地故障线路模型

中性点不接地系统稳态运行时的数学模型为

中性点对地电压、零序电压以及零序电流均为零，系统中无零序分量[4,5]。

当发生单相接地故障时，以A相故障为例，UN和0值改变，故障电流K为

此时会出现零序分量。故障线路和非故障线路出现零序电流的区别在于：故障线路上零序电流方向为线路流向母线，方向与非故障线路零序电流方向相反。检测到故障继电器时，先根据常规时间分级协调动作，当1个继电器做出时间设定最快的跳闸决定后，对侧的继电器会在1个时间窗口内检测到声音相电流的变化，以加速动作。

2.1 直流微电网故障

故障期间，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）受自我保护因素的影响，使反向二极管暴露于过电流。无论直流电缆上发生的故障处于何处，均可用等效电路表示，如图4所示。

图4 单相接地故障系统电容放电阶段等效电路

直流微电网RLC电路的数学模型为

式中：Rf为电缆线电阻。当发生故障使得电阻值降低、故障电阻很小时，电容开始放电，故障电流变大，故障电流达到峰值且电容器电压小于输入电压的峰值。

根据计算，电容放电阶段会使直流微电网系统输出电流纹波变大，如图5所示。此时，电容缩减为原来的1/2，直流母线电压与故障下的电压基本没有差别，系统仍可以故障运行一段时间。该阶段需要找到线路的故障位置，第一时间解决故障，否则故障电压会随着故障时间的增加而增加。

图5 系统发生扰动时输出波形

当系统发生故障时，电容开始放电，故障电流急速上升，扰动电流值随之变大，两者误差急速变大。因为直流母线电压Udc变化非常小，所以发生单相接地故障时，系统仍可以稳定运行一段时间。此时，非线性干扰观测器仍在实时追踪扰动，但无法判定故障位置。通过小波包对零序信号的分析，可以获得扰动的范围区间，并进一步确定故障位置。故障发生后迅速放电抬升故障电流，电力电子变换器此时对直流母线电容进行稳压。若找不到故障线路，电容将持续放电，电压随着故障时间推延升高，系统的直流母线电压和直流母线电流会升高至原来的50倍。当故障进入续流二极管电流放电阶段时，电容开始充电，直流微电网系统由故障暂态进入故障稳态。

2.2 直流微电网故障特征提取

故障特征提取数学建模为

式中：Ts=1/fs；
fs为采样频率；
2-(n+1)fs≤f；
ωTs=2π/N；
N为所取周期内的采样点个数。

基波幅值和相角计算公式为

当发生单相接地故障时选择2条线路，分别记为线路1和线路2。提取故障特征，提取值分别如表1、表2、表3以及表4所示。

表1 I0的5次谐波幅值与相角特征提取（中性点不接地）

表2 I0的5次谐波幅值与相角特征提取（中性点经消弧线圈接地）

表3 零序电流有功分量特征提取（中性点不接地）

表4 零序电流有功分量特征提取（中性点经消弧线圈接地）

2.3 小波包能量故障特征

采用db15小波基函数对故障信号进行5层分解，将第4尺度内的小波包能量作为特征值。提取能量特征值发现，系统故障时的小波能量大于系统正常运行时的能量，故障特征提取结果如表5和表6所示。

表5 小波包能量特征提取（中性点不接地）

表6 小波包能量特征提取（中性点经消弧线圈接地）

通过非线性干扰观测器实时追踪直流微电网母线电压波动，分析直流微电网在稳态运行下的扰动波形和发生单相接地故障时的扰动波形。结果显示：稳态运行下的扰动波形观测值和实际输出值二者误差几乎为零，可以忽略。发生单相接地故障时有故障暂态（电容放电）和故障稳态（续流二极管放电）2种状态。故障暂态时，故障电流持续升高，故障电压持续升高，电压电流升高为原来的50倍。进入故障稳态时，故障电压和原始设定的母线电压相差不大，故障电流有一个回落然后继续上升。线路继续运行1～2 h，如果任其发展，故障问题将扩大。

此外，可通过观测波形得知线路发生故障，利用小波包进行故障特征分析和故障定位。经过数学建模和特征能量选取，利用db15小波对各共模电流进行小波分解，通过迭代次数判断选线正确率，最终选线定位线路故障。