浅谈直流微电网及保护方案

吴佳骜，王世荣，樊宇盛

（长春工业大学，吉林 长春 130012）

随着当今社会经济、科技、文化水平的提高，我国分布式发电系统有了很大发展，人们对供电网能力的要求也显著提升，微电网系统也就应运而生。作为一种能源网络，它可以更高效、更稳定地为用户提供和保障用电需求，也可以为用户提供供热需求。智能微电网作为一种新型的能源体系系统，在未来的发展中具有极大的潜力和应用前景。

1 直流微电网

直流微电网结构模块如图1 所示。

图1 直流微电网结构图

由直流微电网的结构图可以看出，在电压匹配的情况下，直流负荷可以直接接入，大多数组成元件可以通过并网变流器接入直流母线，在微电网系统中，通过控制母线电压使其稳定，即可实现其内部的有功功率平衡。

电源模块通常包含新能源发电系统和电力电子变流器，发电后通过变流器输送到直流微电网中；储能模块由储能装置（如蓄电池、超级电容等）通过变流器接入直流系统中，当系统负载功率或电源功率由微小波动时，储能模块可以通过快速地充放电来维持系统的功率平衡，弥补分布式电源模块发电的不稳定性[1]；负载模块可为直流或交流的不同电压等级的负荷，变流器能将母线上的直流转换成负荷所需的电流形式和电压等级[2]；交流系统主要为直流系统提供稳定的电压与电能，直流微电网可根据情况将交流模块开启或关闭以使系统工作在并网或孤岛模式下[2-3]。

直流微电网与交流微电网相比较，有如下优点：①在相同投资建设的情况下，直流微电网提供电能的能量和效率高。②直流负荷可以直接连接母线，不用通过变流器，即可以节省变流器的使用成本和减少变流器上消耗能量产生的误动。③相对于交流系统，直流系统可以有效降低损耗（如无功功率损耗）。④相对于交流系统，直流电源不需要考虑周期性和频率的问题，更易于控制，产生高能效。

2 直流微电网保护方案

与传统电网相比较，直流微电网的故障与其有着较大的差异，例如在孤岛运行状态下，故障电流较小且电流路径复杂。传统的三段式过流保护法无法再直接应用到直流微电网中，本节提出两种保护方法，进行简单分析。

（1）双坡差动保护法。首先，在提出双坡电流差动保护方法之前，应该先了解单坡电流差动保护法，又叫比率差动保护法，由基尔霍夫电流定律（KCL）可知，节点流入的电流与流出的电流矢量和为0，我们可以设流入微电网的电流为Im，流出的电流为In，在正常不考虑误差的情况下，Im 与In的矢量和为0，从而保证微电网的正常运行。在有误差的情况下，我们可以设制动电流为Ir，则Ir=|Im-In|，其中制动电流表示的是保护误动作的电流，防止外部故障对内部微电网故障差动保护造成影响。设Id为差动电流，则Id=|Im+In|，差动电流的大小是可作为继电保护器的判据之一。为了满足灵敏性和可靠性的要求，设置启动电流Iq，当IdIq时，进行动作保护的判断，此时我们可以引入系数K(0KIr时，继电保护装置开始动作。需要同时考虑区外故障的保护可靠性和区内故障动作灵敏性，K 值不宜取的太小。单坡电流差动保护在选择制动系数时，需要考虑断层在区域内的运行敏感性和断层在区域外的稳定可靠性，边坡只能取中等值，双坡电流差动保护可以弥补这一缺陷。为了防止线路两端电流互感器磁饱和引起的误差干扰，采用高制动系数可以提高差动保护的稳定性在双坡差动保护中，我们又引入了另一个比例系数K 和拐点电流Is，比例系数则为K1，K2。其中，K1、K2(0＜K2＜K1＜1)为高、低制动系数。以单坡判据为基础，当Is>Ir时，K2不作为判据系数，不起作用，与单坡判据一样。当Is

（2）基于电流变化率节点保护。在直流微电网系统发生故障时，分布式电源会经历大电容放大阶段、二极管导通阶段、不可控整流阶段这三个阶段，第一阶段是对直流微电网危害最大的阶段，此时需要在大电容放大的前期阶段进行保护，从而降低对电网的损害。基于电流变化率的节点保护采用分区域集成保护的思路[4]，在电源或负载的接入点看作一个区域，配置智能电子装置，用于观察和采集分析系统运行状态下各个节点的数据，并且能够识别非正常运行状态及断路器等。将稳压电容器安装在电源的两端，为系统提供故障电流。

稳压电容提供故障电流：

其中，UC(O)为电容两端的故障电压，L1为短路回路的电感。

求导得：

当t 趋近于0 时，故障电流导数：

当t 趋近于0 时，取瞬时时间t 和ic 得：

综合（4）（5）可得：

△ic表征出现故障时电路回路中电感大小，推算故障点和稳压电容的距离来判断故障点其是否在保护范围内。

3 结 语

在我国大力提倡技能减排，发展新能源的背景下，直流微电网是目前新能源开发研究的重点项目，直流微电网有着稳定性强、灵活性好、经济适用性高的特点，对大电网的调节起着至关重要的作用。因此，对于直流微电网的保护研究是势在必得，文章浅谈了直流微电网的机构分析并提出了双斜率差动保护和基于电流变化节点保护两种保护方法，未来在此基础上还应该更深入地研究故障特征，找出现有保护方法的不足并研究更高效经济的保护方法。