论述直流微电网保护研究面临的关键问题

       近年来，由于化石能源的枯竭和开采难度增大，以及其造成了严峻的环境问题，新能源得到大规模推广，于此同时，诸如电动汽车、变频设备、LED照明灯、信息设备等直流负荷占总负荷的比例日益增加，而基于脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)的直流微电网，作为分布式电源与直流负荷更高效率的接入形式，具有效率高、供电容量大、抗干扰性好、可靠性高、控制相对简单、电能损耗低等优点，受到广泛的关注。然而，保护技术作为直流微电网的应用瓶颈，仍处于理论研究阶段。直流微电网保护所面临的问题有：1)电容瞬间放电；2)器件脆弱性；3)保护整定困难。针对以上问题，本文对近年来的国内外前沿文献进行综述，为直流微电网保护的研究提供基础。

1 论文所解决的问题及意义

本文的研究对象是两电平VSC，基于目前已有的关于直流微网保护的研究成果，本文详细分析了直流断路器、直流系统接地方式、直流微网中切断或限制故障电流的方法、保护原理等方面的研究现状，指出直流微网保护研究面临的关键问题，并展望了今后的发展方向，对进一步的理论研究，以至直流微网的发展和推广具有重要意义。

2 论文重点内容

1）保护设备。可用于直流微电网保护设备包括熔断器、混合式直流断路器、直流塑壳/框架断路器。其中，针对电动汽车的10ms开断的熔断器，可满足直流微电网对速动性的要求，但仅可实现简单的选择性；混合式直流断路器成本高昂，难以应用于中低压系统；直流塑壳/框架断路器成本较低，动作时间较快，结合适当的限流手段，可保证直流微网的安全性。

2）切断或限制故障电流措施。由于直流微网故障后电容放电电流具有强冲击性和快速性，同时应用了大量诸如IGBT、二极管等脆弱的电力电子器件，微网无法承受大电流，因此，快速切断或限制故障电流是直流微网保护的首要难题，具体措施有：①断开交流侧断路器，结合“握手”原理，可满足选择性要求，但速动性差、系统断电时间延长，且未对电容放电的冲击电流给予重视。②全控VSC，即使用可关断器件替代VSC中的反并联二极管，配合直流线路上的隔离开关和负荷侧的储能电容，可保证负荷不断电，但全控器件数量翻倍，正常运行的损耗亦极大增加。③混合式直流断路器切断故障电流，因其成本原因无法广泛应用于直流微网。④故障限流，由于现有技术不能在经济性的前提下对直流故障快速切断，故障限流受到学者们的重视，包括限流电抗器、电阻型超导限流器、固态限流器等。⑤截断电容放电，即在DC-link电容上串联全控器件，截断VSC故障电流的冲击部分—电容放电电流，但交流电源通过二极管供给的故障电流仍会损坏二极管。

3）保护原理。①单端量保护。单端量保护通过延时实现选择性，但由于直流微网对保护速动性要求苛刻，单端量保护难以满足器件安全，而如果采用限流措施保证了器件安全性，单端量保护又出现难以整定的问题。另外，可以考虑而采取保护边界加装电抗器，以区分不同故障区域，但工程量较大。②基于通信的保护原理。包括基于多点信息的保护、电流差动保护，基本思想是：首先快速清除故障电流，之后利用暂态信息进行故障定位并隔离，最后恢复供电。当通信延时或失败时，可采用“握手”方案作为通信失败的后备。

3 结论

直流微网保护面临的最大问题是二极管的脆弱性和故障电流之间的矛盾，解决思路包括限流技术、从VSC的设计上增大二极管容量、使用晶闸管或全控器件代替二极管、在增加简单限流的基础上，通过较为快速的断路器保护二极管。保护原理方面，基于通信的广域集成保护，是未来主要的研究方向。另外，由于缺乏直流微网实际工程，对于接地形式的研究进展缓慢，未来，随着直流微网保护理论逐步成熟，在实践经验的基础上对接地方式论证和选取至关重要。