摘要：直流微电网因其自身的优势而具有很大的研究价值，本文以直流微电网为研究对象，针对其故障特点，提出了一种新的保护方案。首先，分析了直流微电网的不同结构和故障特征。通过对故障特性的分析，本文提出了一种基于电流变化率的节点保护方法和一种基于暂态故障电流变化率的后备保护方法，通过安装电抗器，在一个清晰的区域内区分不同保护范围的边界，并以电流变化率为特征变量。
关键词：直流微电网；故障特征；节点保护；电流变化率
1 直流微网的系统结构与故障分析
1.1 直流微网系统结构
直流微电网常用的网络结构有辐射型网络和环形网络两种。有4种供电方式：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。在选择接地型式时，主要考虑系统在正常运行时其供电的连续性与雷击防护性能，当发生接地故障时尽可能地保障设备与人员的安全。根据对直流系统接地型式的定义，可分为TT系统，IT系统，TN系统三种接地型式。
1.2 直流微网的故障分析
本文主要以直流微电网为研究对象进行继电保护的研究，所以要考虑发生母线或输电线上的故障，不再分析其他设备的故障特性。
直流微电网的线路上发生双极短路故障时，故障与电源形成新的低阻抗回路，稳压电容与滤波电容快速放电。以AC/DC变流器为例，分析直流微电网的故障特性，在故障发生后的短时间内系统经历的三个阶段：
第一个阶段为大电容放电阶段，直流电容向故障点快速放电，交流系统电流被箝位至三相短路电流，直流电压迅速降至0，直流故障电流迅速上升。
第二阶段为二极管同时导通阶段，当直流电容电压下降为0时，电感放电，故障电流经反并联二极管续流。
第三阶段为不控整流阶段，由于续流二极管的导通使故障电流此时表现出不控整流特性。即故障电流长期存在且无过零点，需要进行故障电流清除。
从以上分析可以看出，当系统的直流线路发生短路故障时，直流电容的快速放电导致故障电流快速增大，当电容器放电结束时，故障电流通过变流器中的反向并联二极管续流，但二极管极易受到巨大冲击造成的损坏。这就要求直流微电网的保护系统具有快速响应能力。它可以减少在二极管续流期间的电流冲击，甚至要求在二极管续流到达之前切除故障，以避免大电流放电对连续电流二极管和整个变流器的损坏。
2 总体方案
本文提出的直流微电网的保护方案中，主保护为基于电流变化率的节点保护，后备保护为基于电流变化率绝对值的反时限保护。主保护和后备保护相互独立，同时进行故障检测和分析。总的来说，主保护能快速、准确地判断故障，有选择、可靠地切除故障。只有当主保护失灵或断路器拒动时，后备保护才能作为保护方案中的第二道防线发挥后备作用，保证直流微电网的安全可靠运行并提供双重保护。
从上面故障特征分析可以看出，故障发生后，直流微电网中的分布式发电经历了大电容放电阶段、二极管导通阶段和非可控整流阶段三个阶段。大电容放电阶段是系统故障后的第一个反应，也是对直流微电网系统危害最大的阶段。因此，在大容量放电阶段的早期，需要采用保护方法检测和识别故障，并采取保护措施，以尽量减少故障对直流微电网的损害。由故障分析得稳压电容提供的故障电流为：
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（1）
其中，.png)
（2）
进一步求得，.png)
。
通过分析分布式电源出口端的稳压电容在故障发生瞬间△.png)
的值，可以得到故障回路中的电感大小，进而得出故障点与该稳压电容的距离即可以判断故障点是否在本保护范围内，此判断方法不仅能够在故障发生瞬间快速的判断故障范围且不受过渡电阻的影响。
本文提出的基于电流变化率的节点保护采用分区域集成保护的思路，如下图1所示每个节点（分布式电源或负载接入点）为一个区域，每个区域加装一个IED装置，对系统运行时节点端数据采集，识别非正常运行状态，控制区域内断路器等，并且稳压电容都是安装在每个分布式电源的两端。通过分析∆的值来判断故障是否发生在保护范围内（该节点与相邻节点之间），也不需要计算具体的故障距离。因此，为了使判断边界更加明显，在线路的两端都添加了电器。该保护方法不仅能准确可靠地识别故障区域并向断路器发送跳闸信号，而且具有良好的灵敏度，能在很短的时间内做出故障判断。
以节点1为例，IED1监控着节点处三端的电流状态与保护装置的状态，以变化量.png)
、.png)
、.png)
、为特征量，判断故障点发生的区域，并对CB1、CB12、CB14发出控制信号，其动作出口逻辑如图2所示。
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图1 保护配置图
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图2 保护出口逻辑图
3 小结
本文分析了直流微电网不同的网络结构、供电方式、接地方式。直流微电网故障时系统分三个阶段，第一个阶段是大电容放电阶段，稳压电容与滤波电容在故障后瞬间大电流放电；第二个二极管导通阶段，当电容电压为零时变流器中二极管导通；第三是不控变流阶段，由于二极管大量导通，使变流器不受控制，电压波动不定。针对直流微电网故障时的大电容放电阶段，本文提出了基于电流变化率的节点保护为主保护，基于暂态故障电流变化率的反时限保护为后备保护的保护策略。
参考文献：
[1]李霞林，郭力，王成山，等．直流微电网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报，2016，01：2-17.
[2]王成山，李鹏.分布式发电、微网与智能配电网的发展与挑战[J].电力系统自动化，2010，02：10-14+23
论文作者:李玉生
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：故障论文; 电流论文; 电网论文; 电容论文; 系统论文; 阶段论文; 节点论文; 《电力设备》2019年第19期论文;