低压直流配电系统保护研究综述

李永刚， 韩 冰

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003)

0 引 言

随着大量直流设备的应用、各种分布式能源的接入和利用率的日益提高，直流配电网的应用前景广阔[1]，在高比例分布式电源的理想组网方式、高比例电力电子负荷的城市电网区域供电、舰船直流配电系统、大型数据中心电源系统中广泛应用[2]。

直流配电系统包括中压配电网和用户侧配电网，与传统的交流配电网相比较，由于其损耗低、没有频率和无功问题、应用直流设备时可减少交直流转换的次数等特点，具有高效率、电能质量优良、节约能源的优势[3]。基于VSC的直流配电系统与传统的基于线路换向换流器(LCC)的HVDC相比，不但适应于接入具有快速和独立有功无功控制的分布式发电和直流负载，而且具有黑启动、多端网络结构扩展和快速降低干扰电能质量的能力。因此在中低压工业和商业应用中[4]，直流配电网络主要使用两电平电压源换流器(VSC)，变频器负荷就是VSC负荷。

但是随着VSC在大量工业负荷中应用，由故障(单极或双级短路)引起的VSC有暂态特性，伴随有快速增长的直流故障电流，而且电力电子换流器的过载能力较差，从而影响其稳定性[5，6]，快速的直流保护和控制对于直流系统安全稳定和故障后快速恢复运行至关重要，因此增强直流配电网的故障保护及其穿越能力成为保障直流配电供电可靠性的“瓶颈”。

本文从直流配电系统基本结构出发，根据直流保护涉及的故障定位、故障分区、保护装置、故障检测和保护阐述了其研究现状，最后对未来低压直流配电系统保护的研究做出了展望。

1 直流配电系统的结构

直流系统根据母线直流电压(Udc)等级的高低将直流网络分为3种[7]：低压直流电网(Udc<1 500 V)、中压直流电网(1 500 V30 kV)[6]，低压直流配电的电压等级可分为1.5 kV，750 V，380 V，110 V，46 V。

直流配电网接地方式的选取决定了接地故障特征,从而影响到保护方案的选择与整定,但学术界对直流配电网接地的研究仍处于起步阶段。基于两电平VSC的直流微网接地系统有不对称单极系统、对称单极系统、双极系统、单极加装电压平衡器系统四种接地方式[8]。多端柔性直流配电网有交流侧接地，直流侧接地(直接接地、高阻接地、不接地)，直流侧不接地(交流滤波器直接接地)[9]。柔性直流配电系统的直流系统电容有分裂电容中点接地、正极线路接地、负极线路接地和不接地四种接地方式[10]。

分布式能源接入直流配电网的典型结构[11]根据母线、断路器、线路的不同，有多种组网方式，星型和环形是其基本拓扑结构，可衍生出树状辐射、网孔型等复杂电网拓扑。图1给出了一个星型连接的直流配电网络的结构，系统通过一个全控电力电子接口和一个变压器连接到交流大电网(绝缘门双极晶体管-基于VSC)。VSCs不仅能控制直流电压和双向功率，而且可以处理电网扰动，一个光伏发电单元通过一个dc/dc升压换流器被连接到直流母线，光伏电力系统总是通过最大功率跟踪被控制，以达到最大效率。一个直驱永磁同步发电机(PMSG)通过以正弦脉宽调制控制的VSC1和电缆被连接到直流母线，一个超级电容器储能系统通过一个双向斩波器连接到直流母线，超级电容器以保持直流电压常数来运行，在负载侧，作为功率模块的dc/dc或dc/ac都可以为不同的负载应用提供需要的电压级别，因此，可以有效地提高系统效率。

2 直流配电系统的保护分区

直流配电系统保护系统的设计应满足可靠性、速动性、选择性、经济性等要求[12]，根据对应的拓扑结构可分为交流电源保护、换流器保护、直流网络保护、负载保护4部分，主要包括：

(1)交流电源保护。交流电源侧可能发生各种类型的线路短路或者断线故障，另外还包括雷击，冲击性负荷投入，重合闸等引起的电压波动及三相系统不平衡。直流配电系统保护设计需要考虑交流电源侧故障对直流网络运行及保护的影响。

图1 星型连接的直流配电网络的结构Fig.1 Structure of low voltage dc distribution network

(2)换流器保护。直流配电系统中的变换器包括AC/DC 换流器、DC/AC 换流器及DC/DC 换流器。换流器器是直流配电系统的核心，变换器故障主要有阀短路、桥臂短路、直流侧出口短路、电力电子器件触发故障等。换流器的保护由装置自身保护和系统提供的后备保护实现。

(3)直流网络保护。直流网络保护主要指直流母线和直流馈线的保护，是直流配电系统保护的核心。直流线路故障包括接地故障、极间故障及断线故障，另外还存在绝缘水平下降、低电压或过电压等不正常运行方式。

(4)负荷侧保护。直流配电系统同时存在直流负荷和通过逆变器接入的交流负荷等负载保护区域。负载保护区可能发生的故障有短路、过载等，对敏感或重要负荷要有备用供电支路。

3 直流配电系统故障保护装置

直流配电系统的故障保护装置可分为故障隔离装置和故障限流装置。

3.1 直流配电系统故障隔离装置

直流配电系统直流线路发生故障时，故障电流上升迅速，极短的时间内给敏感设备造成热的或电的损害。要求直流线路保护装置能够快速有效地切除故障，常用的有直流断路器、保险丝、交流断路器、快速隔离开关等。

(1)直流断路器

根据拓扑结构和灭弧原理的不同，直流断路器大致分为全固态断路器、带机械隔离开关的混合固态断路器、混合式断路器、机械式有源或无源共振断路器[13]。固态断路器开断时间和能量吸收时间短，但静态损耗很大；机械式有源或无源共振断路器静态损耗极小，但开断时间和能量吸收时间却很长。

(2)保险丝

保险丝基于热融化的原理，且电压、电流的额定值是以有效值的形式给出，在直流系统中使用保险丝时，需要考虑系统时间常数，适用于需要快速保护响应且不需要自动重新供电的装置的保护，主要应用在辅助低压电力供应系统等场合及直流配电系统负荷侧保护。

(3)快速隔离开关

快速隔离开关是纯机械式的开关，不具备带电通断的能力，类似于交流系统中的隔离开关，当线路故障清除后，打开隔离开关形成物理隔离。

(4)交流断路器

交流断路器一般装在VSC交流电源侧，当直流线路发生故障时，通过动作交流断路器来隔离电源、切断短路电流。

(5)电容直流断路器

直流线路故障时，滤波电容的快速放电电流不仅对整个系统造成威胁，而且还有可能损坏电容器本身。文献[14]提出用一种基于发射极关断晶闸管的电容直流断路器，可以在3～7 μs内切断电容放电电流，从而保护系统和电容。

(6)具有限电流能力的换流器

在短路过程中，VSC中与IGBT反并联的续流二极管因为要承受极高的过电流，也是极易损坏的器件。文献[15]采用具有电流关断能力的ETO或者IGBT代替反并联二极管，当直流侧发生短路时实现VSC关断，将故障点与交流电源隔离。

3.2 故障电流限流装置

故障电流限流装置可以限制故障电流的上升率或稳定值，可将限流装置与隔离设备或小容量直流断路器相结合实现直流配电系统保护，以确保直流断路器可靠地切断故障电流[16-19]。目前出现的FCL主要有以下几种：

(1)基于超导材料的FCL。FCL电路主通路采用超导材料，在电路正常工作时正向导通压降很小，静态损耗小。当故障发生时，FCL进入非超导状态，阻值迅速增大，从而达到限制故障电流的目的。基于超导材料的FCL需要特殊的冷却系统，超导材料也需要特殊的保护。这一技术目前尚处于实验阶段，还没有可应用产品。

(2)基于饱和电抗器的FCL。基于饱和电抗器的FCL则利用了电抗器的饱和效应，在电路正常工作时，使电抗器处于电磁饱和状态，导通电阻如同输电线路；当故障发生时，控制回路使电抗器退出饱和状态，对外表现出大电感特性，从而限制故障电流上升率。基于饱和电抗器的FCL的主要缺点是体积很大，制造困难，并且只能限制故障电流上升率。

(3)基于正温度系数电阻的FCL。与基于超导材料的FCL原理类似，基于正温度系数电阻的FCL电阻值在温度低时很小，但当温度升高时，可以在几ms的时间内迅速上升。但目前可用的PTC电阻的电压、电流容量都较小，尚不能应用于大功率系统。过热会造成PTC电阻的损坏从而带来电路开断问题也是其应用的一个局限。

(4)基于电力电子器件的固态FCL。基于电力电子器件的固态FCL，体积小、响应快，并具有全控能力。目前大部分固态FCL采用全控型的电力电子器件，如IGBT、集成门极换相晶闸管或门极可关断晶闸管，故其静态损耗和导通压降较大。

4 直流配电网故障定位方法

直流配电系统故障后暂态信号中包含了各种频率成份，难以通过故障点测得的电压、电流信息计算故障处回路阻抗参数，进而确定故障点到测量点的距离，无法利用对称分量法消除过渡电阻的干扰，而且直流配电网线路短且多为电缆线路，传统行波定位法在直流配电网中难以适用，故障定位技术面临挑战。

4.1 基于故障状态方程

该类方法通过测量数据计算保护测量点与故障点间的电抗，求解故障回路状态方程，获得故障回路的电抗等信息，再与线路自身的参数信息比较，以确定故障距离。然而，当直流线路两端都存在电源时，需要将一侧的故障电流数据传递到另一端以排除过渡电阻的影响[20]。

4.2 利用多点测量

该方法通过测量两点的电压、电流计算过渡电阻和故障距离，无需知道直流线路的参数信息，可靠性高，适于单极经过渡电阻接地故障[21]。

4.3 利用电容放电过程

该方法通过联立直流线路短路故障后故障线路两端并联电容放电阶段各自的回路方程并求解，消除过渡电阻的影响，从而得到故障距离[22]，该方法需要两端数据严格同步来进行故障定位，存在一定的局限。

4.4 基于注入信号的定位方法

直流微网中，通过探针功率元件注入信号来使得故障回路振荡，利用电流差动保护检测故障，通过提取振荡电流的信息进行故障定位[23]。

虽然已经有不少文献对故障的定位和测量进行了研究，但是在短线路且中性点不接地低压直流配电网，故障的定位比较困难。

5 直流配电系统的故障识别和保护

5.1 基于电气量的故障识别和保护

(1)基于电流的保护方法

在网状直流电网并接入大量分布式电源的情况下，过流保护可能缺乏保护的选择性。同时直流系统存在ms级电流过冲，动作延时不能被接受，难以满足速动性的要求[24]，需要结合其他方法进行保护方案的综合设计，或充当后备保护。

电流变化率保护方法可以加快故障检测的速度和敏感性，同时利用电流变化率的极性可以提高保护的选择性[25]。通过检测电流变化率进行保护方案的设计，同时利用电流的方向信息，来增强保护方案的选择性和可靠性。此外，也可以进行保护方案的综合设计[26]，提出了综合利用电压变化率和电流变化率的多端柔性直流系统故障识别方法。

(2)基于电压的保护方法

低压保护通过检测限流电抗器线路侧电压变化率的大小检测故障[27]，并识别具体的故障线路通常结合，由于缺乏选择性，与其他保护方法结合进行保护方案的综合设计[26]，或作为保护方案的启动判据[28]，电压变化率保护方法可以加快故障检测的速度和灵敏度。

(3)其他可借鉴保护方法

故障发生后，保护装置测量到的故障暂态信号中包含了丰富的故障信息，可以利用一些数学方法处理这些非平稳暂态信号，再提取故障特征信息来进行保护方案的设计。快速傅里叶变换(FFT)[29]、小波变换(WT)[30]、希尔伯特-黄变换(HHT)[31]、数学形态学滤波(MMF)[32]等数据工具广泛应用于线路继电保护中。

5.2 基于通信的故障保护方法

(1)电流差动保护

在中、低压直流配电网中，利用中央微控制器将电流传感器测得的电流模拟量转换为数字量，再进行数字比较的方法，其中线路主保护通过在线路的两端分别测量电流信号，并将电流信息传递到线路的另一端做差值，当两者差值的绝对值超过一个定值时，保护启动，直流断路器切除该故障线路[33-35]。在直流配电系统中仅需要比较幅值和方向信息，故障检测时间可以大大缩短。同时，配电线路距离较短，通信延迟可被接受，能够满足直流系统保护的要求，从而解决了数据测量时的同步问题。

(2)基于事件信息的故障保护

基于事件信息的故障识别保护方法包括传统保护方法中的纵联方向保护等，利用通信传递故障事件以确定故障区域，有选择地切除故障，可以极大减小对通信系统容量、通信速度和数据同步等的要求[36-38]。

5.3 小电流系统单极接地故障识别保护

对于小电流接地系统，在发生单极接地故障时，短路电流很小(主要是分布电容电流)，故障识别更为困难，文献[39]根据MMC-MTDC单极接地时，故障线路两端差流的短时能量远大于非故障线路的故障特征，提出了可靠识别接地线路的基于线路两端差流短时能量的故障线路识别保护方法。

6 结 论

综上所述，对分布式电源接入直流配电系统保护技术的研究还有很大的研究空间[40-49]，主要包括以下几个方面：

(1)从材料和制作工艺出发，基于新型保护原理的直流配用电系统保护关键设备的研发，包括低成本、大容量、商业应用的ms级低压直流断路器，具有故障电流限制或ms级切断能力的换流器，可控阻感的商业应用的直流线路故障电流限流器，快速的故障检测及实时通信技术。

(2)直流配电网故障识别和定位技术的研发，开发基于电流变化率、电流方向、电压变化率等电气量的先进信号分析与处理的故障识别方法，提高检测速度、准确性、可靠性。

(3)低压直流配电系统规划及评估技术中，电压等级序列选取、拓扑结构、接地方式以及线路参数的选取都要考虑保护关键设备的选型及定容、与系统运行相配套的保护配置方案，需要相关的开发系统整体规划方案和规划评估软件。

(4)作为过渡阶段，研发低成本、大容量的直流断路器或将限流装置与小容量断路器相配合是目前直流配电系统保护技术研究发展的两个方向。