中低压直流配电系统的主动保护研究_吴鸣_刘海涛_陈文波_苏剑_季宇_孙丽敬_王丽

第36卷 第4期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.36 No.4 Feb.20, 2016 2016年2月20日 Proceedings of the CSEE ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. 891

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.04.001 文章编号：0258-8013 (2016) 04-0891-09 中图分类号：TM 77

中低压直流配电系统的主动保护研究

吴鸣1，刘海涛1，陈文波2，苏剑1，季宇1，孙丽敬1，王丽2 (1．中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192； 2．南京国臣信息自动化技术有限公司，江苏省 南京市 21100)

Research on Active Protection for MV/LV DC Distribution System WU Ming1, LIU Haitao1, CHEN Wenbo2, SU Jian1, JI Yu1, SUN Lijing1, WANG Li2 (1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. Golden Cooperate Information&Technolgy CO.LTD, Nanjing 21100, Jiangsu Province, China)

ABSTRACT: Due to the vast access of distributed energies, the rapid growth of DC loads and the rapid development of power electronics, the DC distribution is more and more concerned, and DC power distribution system will become an important part of distribution network in the future. The protection in the DC distribution system is a core problem during rapid development of the DC distribution system, and the lucubration is urgent. Aiming at common faults such as short-circuit, ground, ring network, AC releasing into DC system and insulation decreasing fault in MV/LV DC distribution system, this paper analyzed faults characteristics and their developing process, and it proposed a power electronic protection strategy, effectively integrating the DC protection with the power electronic converters. The strategy can realize the protection and failure isolation based on the topology structure and the operation mechanism of the converter, the effective coordination between the protection action logic and control logic. And this paper expounded the applications and component of the DC active protection, analyzed the principle and method of the active protections, expounded the active ground fault protection and short-circuit fault protection, and came up with the fault mechanism and active solution method in the DC ring network and AC releasing into DC system network. At last validating through actual cases, the result shows that active protection can realize the rapid and accurate isolation of the faults in DC distribution system, and ensure the system run steadily and reliably.

KEY WORDS: DC distribution system; active protection; active short-circuit fault protection (ASP); active ground fault protection (AGP); AC releasing into DC system; DC ring network

基金项目：国家863高技术基金项目(2015AA050104)。 The National High Technology Research and Development of China 863 Program (2015AA050104).

摘要：分布式发电和储能的大量接入、直流负荷的快速增长、电力电子技术的迅速发展，使得直流配电越来越受关注。直流配电系统将会成为未来配电技术的一个重要组成部分。但直流配电保护是直流配电系统快速发展的一个关键问题，亟需深入研究。针对中低压直流配电网中常见的短路、接地、环网、交直流混接、绝缘下降等典型故障类型，该文分析了这些故障的特点和发展过程，并提出了一种基于电力电子技术的主动保护方案，即将直流保护与电力电子变换器有效集成，基于变换器的拓扑结构和运行机理，保护动作逻辑与器件控制逻辑协调配合，实现快速保护和故障自然隔离。该文阐述了直流主动保护的应用场景，分析了主动保护各功能的实现原理和方法，论述了直流配电系统的短路主动保护和接地主动保护，以及直流环网、交直流混接故障的出现机理和基于主动保护的解决方法。最后通过试验进行验证，结果表明，主动保护能够有效可以实现故障的快速切断和准确隔离，从而保障系统的稳定。

关键词：直流配电系统；主动保护；主动式短路故障保护；主动式接地故障保护；交直流混接；直流环网

0 引言

直流模式可以充分挖掘分布式发电、储能、配电以及供电系统的优势[1-3]，为电力供应商和用户带

来全新的价值和效益。直流配电在有效接纳分布式电源、高效稳定电压变换及控制、系统优化配置、供电可靠性等方面的技术问题已基本解决[4-7]。直流

配电保护是其安全运行的关键，但国内外对直流配电的保护研究尚处于理论研究和试验探索阶段，可以预见一旦突破直流保护这一瓶颈，直流配电技术及装备将快速的发展和广泛应用。 直流配电保护实现的难点在于：直流电流无过零点，灭弧困难，需要更大的灭弧空间和复杂的控制，直流过流速断保护是一个尚需研究和攻克的难892 中 国 电 机 工 程 学 报 第36卷 题[8-10]；直流配电系统无论是故障类型、故障发展过程、故障电压电流特性还是故障后果与交流配电网都有所不同[11]；直流配电网中接入多元化的分布式电源、负荷、储能，直流配电系统存在多种不同的运行状态，大量电力电子装置的存在，给保护配合带来了挑战[12]。直流保护的研究与应用必须考虑不同运行状态、源荷敏感特性与故障类型之间的关系。保护模型需要改进或优化以得到更佳的系统参数；保护的算法及程序需要优化以得到更准确的保护整定值及更好的保护效果。 同时，没有低成本可商业应用的大容量直流断路器，相关直流保护技术和装备既缺乏标准，直流配电的应用场景不明确，也缺少运行经验，直流配电系统保护配置面临诸多挑战[13]。考虑到经济运行，直流配电系统适宜采用经济可靠的保护设备，且能应对各种故障场景，即集直流系统各种保护于一身是比较经济和可行的方法。 本文分析中低压直流配电系统的常见故障类型及故障间的演变过程，提出一种基于电力电子技术的直流配电主动保护原理及方法，并讨论其各项功能的基本原理、实现方法，最后进行实验验证。 1 中低压直流配电系统故障类型 配电网靠近用户终端，故障复杂多样，直流配电网除了存在短路、接地故障和绝缘下降不正常运行情况，同时还存在交直流混接、直流环网等故障，如表1所示。 表1 交流配电系统与直流配电系统故障类型对比 Tab. 1 Comparison of faults between AC distribution system and DC distribution system 故障类型 交流配电系统 直流配电系统 短路 故障 产生正弦短路电流， 存在过零点，由断 路器切除故障支路 故障电流上升迅速，影响范围大，不存在过零点，直流断路器技术不成熟。 接地故障 存在故障电流过零点，由断路器切除故障 支路 单个馈线支路接地故障会传播到母线及其他馈线支路，影响非故障区域，没有故障电流；在一极接地的情况下，另一极再接地会引起短路，有故障电流。 绝缘下降 不及时处理，会发 展成接地短路故障 不及时处理， 会发展成接地故障 环网 高压可环网运行， 中低压一般不能 环网运行 形成环流、异常放电或者对地电压异常，会造成短路与接地故障交直流 混线 一般不存在 引起直流系统电压异常 或接地故障 如表1所示，一般情况下，绝缘下降和交直流混接故障没有故障电流，只有对地电压异常变化，如不能控制并处理这些故障，则故障会演变成接地故障。而正负极悬空的直流配电系统，单极接地也没有故障电流，只有对地电压异常，只有当另一极也出现接地时，才会引起短路电流。 直流配电系统中出现直流环网故障将导致直流系统间会形成环流、异常放电等现象，甚至会造成短路与接地故障，若环网故障发生在2个电压等级不同的直流系统中，环流和异常放电电流会更大，后果更为严重。五种直流系统故障发展关系如图1所示。