直流微电网保护技术综述

直流微电网保护技术综述

摘要：直流微电网的保护是确保直流微电网能够安全、可靠运行的基础和基本

保障。本文介绍了直流微网的特点，并根据国内外微电网的发展趋势提出一种新

型环形直流微电网的拓扑结构图，介绍了微网保护系统的关键技术和直流系统接

地故障的故障类型，并对国内外微网保护的研究现状进行了介绍，同时提出了直

流微网有待进一步深入研究的主要问题。

关键词：直流微电网，继电保护，故障类型

1引言

随着世界大范围内的环境和能源问题日益凸显，经济增长和环境保护之间的

矛盾日渐严重，发展新型可再生能源代来替传统污染严重的化石能源就显得格外

重要，微电网作为一种可以高效利用和普及新能源的方式就应运而生。微电网是

一种将分布式电源、储能装置、负荷、变流器以及保护监测系统有机整合在一起的，集发、配电一体化的小型灵活的电力网络[1-4]。因其具备供电能力的可靠性、运行方式的灵活性、电能质量的优异性，必将会成为世界各国电力工业未来的重

要发展方向。

2直流电网的拓扑结构

图2 环形直流微网结构图

图2为一种环形的直流微电网拓扑图，环形直流微网具有多条直流母线和支路，当其中一条线路发生故障时并不会影响到系统中其他母线和支路的正常运行。随着直流微网规模的不断增大，为了提高供电的可靠性以及分布式电源和负荷的

灵活接入和扩展，环形微网将会成为未来直流为的发展趋势。

3直流微网的故障类型

按照故障发生位置进行分类，可以将故障分为接地故障和极间故障。

3.1接地故障

系统的结构与接地方式会对接地故障的保护方式产生很大影响。在直流微网中，对于不接地或者经高阻抗接地的系统，其接地故障的定位与快速检测仍然是

难点。

3.2极间短路故障

母线极间短路故障，在含中线的双极性（正、负极）直流微网结构中，以极

间短路故障最为严重，特别是正、负间短路故障。发生此种故障将会影响到所有

连接至该母线处的储能系统、分布式电源、交直流接口以及向负荷的正常供电；

如果发生各极与中线极间故障，若能快速检测并且隔离故障，则在短时间内可以

确保非故障极间的供电。

图3 直流系统接地类型

IT系统中的接地类型为不接地或者经高阻抗接地。当IT系统发生接地故障时，其可以被测量到的故障信息量如暂态电压和漏电流都很小。这种方式既有优点又

有缺点，其优点是可以用电设备的正常运行，缺点是其故障不容易被检测出来。

4.2直流微网的保护设备

直流微电网在故障状况下，故障点处的电压会突然降落，故障位置附近的设

备主要是负载和电源，将会受到影响，虽然直流微电网内部所有的设备都是通过

电力电子装置连接到直流母线上的，可以确保对故障的快速响应，但是直流断路

器还是必不可少的装置。因为直流系统需要应用大量的电容，当直流母线发生故

障时系统中的大量电容会瞬时放电，由于瞬时放电会产生喊打的暂态短路电流，

断路器可能因此产生误动，这将会导致保护功能丧失进而导致大范围的负荷断电。因此，为了避免出现这种情况的发生，需要安装断路设备，或者采用故障限流装

置与直流断路器进行配合。同时，在直流系统中由于电流不过零点，断路器在进

行开、关操作时可能会产生高压电弧导致设备故障甚至发生事故，所以灭弧装置

也是必不可少的。

5国内外微网保护研究现状

微电网保护的研究不仅包括对其自身保护的研究，还包括对于其相连的大电

网的保护。微网的接入增加了原有配电网结构的复杂性，由于其具有很的高渗透

性 [4]，也会影响到线路的过电流保护。为此，国内外研究者主要对三段式电流保护提出了不同的改进措施，大致可以分为两类：基于通信技术的广域保护和传统

三段式电流保护。

文献[5-7]等根据逻辑层次为基础，提出了分级保护的概念即公共连接点保护、内部线路保护与分布式电源保护，并根据保护区域的重要程度的不同，进行相应

的保护策略配置。

（1）微网内部线路保护

对微网内部线路进行保护设置时应考虑不同潮流流向的影响，在可以满足两

种运行状态的保护需要的同时尽可能采用同一种保护策略。在此基础上还要考虑

经济性，尽量使用造价便宜、安装便捷的设备。文献[8]提出了一种反时限过电流

保护，基于低压加速的理论，其可以与方向元件进行配合，其符合经济性和同时

兼容两种运行模式的需求，但是难以适应未来“即插即用”型的复杂微网。在广域

保护研究方面，国内外大多数学者采用差动保护，他们研究的不同点只是选取的

测量信号不同而已

（2）微电源的保护

微电源分为逆变器型、同步电机型和异步电机型。由电力电子器件组成的逆

变器型微电源由于受其自身的控制，故障电流会被限制在2倍以下额定电流的范

围内[29]，传统的电流保护由于达不到很高的灵敏性因此可能不再适用。电机型（同步、异步）微电源的故障初期电流可达到5-10倍的额定电流，传统的电流保护对其仍然适用。

6 直流微网保护技术的展望

继电保护系统作为直流微网能偶安全可靠运行的重要保障和关键环节，有关

它的研究还处于理论阶段，许多保护方案和保护设备还不成熟。主要体现在以下

问题：

（1）直流断路器，尤其是对中高压直流断路器的研究。

（2）故障检测及故障定位的算法研究。

（3）直流微网的保护缺乏相关的标准和准则。

参考文献

[1] Lasseter R H．Microgrids[C]//Proc. of 2002 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting．New York：IEEE，2002：305-308．

[2]Hatziargyriou N，Asand H，Iravani，et a1．Microgri ds

[J]．IEEE Power and Energy Magazine， 2007，5(4)：78-94．

[3] 李智诚，和敬涵，王小君，等．直流微电网的故障分析与保护配置研究[J]．北京交通大学学报，2015，39(2)：62-68．