淺談直流微電網及保護方案

吳佳驁，王世榮，樊宇盛

（長春工業大學，吉林 長春 130012）

隨著當今社會經濟、科技、文化水平的提高，我國分布式發電系統有了很大發展，人們對供電網能力的要求也顯著提升，微電網系統也就應運而生。作為一種能源網絡，它可以更高效、更穩定地為用戶提供和保障用電需求，也可以為用戶提供供熱需求。智能微電網作為一種新型的能源體系系統，在未來的發展中具有極大的潛力和應用前景。

1 直流微電網

直流微電網結構模塊如圖1 所示。

圖1 直流微電網結構圖

由直流微電網的結構圖可以看出，在電壓匹配的情況下，直流負荷可以直接接入，大多數組成元件可以通過并網變流器接入直流母線，在微電網系統中，通過控制母線電壓使其穩定，即可實現其內部的有功功率平衡。

電源模塊通常包含新能源發電系統和電力電子變流器，發電后通過變流器輸送到直流微電網中；儲能模塊由儲能裝置（如蓄電池、超級電容等）通過變流器接入直流系統中，當系統負載功率或電源功率由微小波動時，儲能模塊可以通過快速地充放電來維持系統的功率平衡，彌補分布式電源模塊發電的不穩定性[1]；負載模塊可為直流或交流的不同電壓等級的負荷，變流器能將母線上的直流轉換成負荷所需的電流形式和電壓等級[2]；交流系統主要為直流系統提供穩定的電壓與電能，直流微電網可根據情況將交流模塊開啟或關閉以使系統工作在并網或孤島模式下[2-3]。

直流微電網與交流微電網相比較，有如下優點：①在相同投資建設的情況下，直流微電網提供電能的能量和效率高。②直流負荷可以直接連接母線，不用通過變流器，即可以節省變流器的使用成本和減少變流器上消耗能量產生的誤動。③相對于交流系統，直流系統可以有效降低損耗（如無功功率損耗）。④相對于交流系統，直流電源不需要考慮周期性和頻率的問題，更易于控制，產生高能效。

2 直流微電網保護方案

與傳統電網相比較，直流微電網的故障與其有著較大的差異，例如在孤島運行狀態下，故障電流較小且電流路徑復雜。傳統的三段式過流保護法無法再直接應用到直流微電網中，本節提出兩種保護方法，進行簡單分析。

（1）雙坡差動保護法。首先，在提出雙坡電流差動保護方法之前，應該先了解單坡電流差動保護法，又叫比率差動保護法，由基爾霍夫電流定律（KCL）可知，節點流入的電流與流出的電流矢量和為0，我們可以設流入微電網的電流為Im，流出的電流為In，在正常不考慮誤差的情況下，Im 與In的矢量和為0，從而保證微電網的正常運行。在有誤差的情況下，我們可以設制動電流為Ir，則Ir=|Im-In|，其中制動電流表示的是保護誤動作的電流，防止外部故障對內部微電網故障差動保護造成影響。設Id為差動電流，則Id=|Im+In|，差動電流的大小是可作為繼電保護器的判據之一。為了滿足靈敏性和可靠性的要求，設置啟動電流Iq，當IdIq時，進行動作保護的判斷，此時我們可以引入系數K(0KIr時，繼電保護裝置開始動作。需要同時考慮區外故障的保護可靠性和區內故障動作靈敏性，K 值不宜取的太小。單坡電流差動保護在選擇制動系數時，需要考慮斷層在區域內的運行敏感性和斷層在區域外的穩定可靠性，邊坡只能取中等值，雙坡電流差動保護可以彌補這一缺陷。為了防止線路兩端電流互感器磁飽和引起的誤差干擾，采用高制動系數可以提高差動保護的穩定性在雙坡差動保護中，我們又引入了另一個比例系數K 和拐點電流Is，比例系數則為K1，K2。其中，K1、K2(0＜K2＜K1＜1)為高、低制動系數。以單坡判據為基礎，當Is>Ir時，K2不作為判據系數，不起作用，與單坡判據一樣。當Is

（2）基于電流變化率節點保護。在直流微電網系統發生故障時，分布式電源會經歷大電容放大階段、二極管導通階段、不可控整流階段這三個階段，第一階段是對直流微電網危害最大的階段，此時需要在大電容放大的前期階段進行保護，從而降低對電網的損害。基于電流變化率的節點保護采用分區域集成保護的思路[4]，在電源或負載的接入點看作一個區域，配置智能電子裝置，用于觀察和采集分析系統運行狀態下各個節點的數據，并且能夠識別非正常運行狀態及斷路器等。將穩壓電容器安裝在電源的兩端，為系統提供故障電流。

穩壓電容提供故障電流：

其中，UC(O)為電容兩端的故障電壓，L1為短路回路的電感。

求導得：

當t 趨近于0 時，故障電流導數：

當t 趨近于0 時，取瞬時時間t 和ic 得：

綜合（4）（5）可得：

△ic表征出現故障時電路回路中電感大小，推算故障點和穩壓電容的距離來判斷故障點其是否在保護范圍內。

3 結 語

在我國大力提倡技能減排，發展新能源的背景下，直流微電網是目前新能源開發研究的重點項目，直流微電網有著穩定性強、靈活性好、經濟適用性高的特點，對大電網的調節起著至關重要的作用。因此，對于直流微電網的保護研究是勢在必得，文章淺談了直流微電網的機構分析并提出了雙斜率差動保護和基于電流變化節點保護兩種保護方法，未來在此基礎上還應該更深入地研究故障特征，找出現有保護方法的不足并研究更高效經濟的保護方法。