直流配电系统保护技术研究综述

直流配电系统保护技术研究综述

可帅徐静王倚恒姜屿涵刘昆董钟泽

（国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司）

摘要：直流配电系统适用于分布式电源多点接入，可促进直流家电和“直流生态住宅”的发展，是配电领域新的发展方向。继电保护技术是直流配电系统发展的关键技术之一，目前尚处于起步阶段，亟需深入研究。该文旨在系统地介绍国内外直流配电系统保护技术的研究状况。

关键词：智能电网；直流配电；继电保护

随着经济发展，用电需求以及对电能质量的要求不断增加。首先，电力电子技术快速发展，越来越多的光伏发电、风力发电以及电动汽车等分布式能源接入电网，以及众多基于直流供电的家用电器的普及和工业变频技术的应用，交流配电网面临着分布式新能源接入、负荷多样化，以及网架结构庞杂等方面的巨大挑战。

与此同时，由于国内城市规划与电力系统规划工作的长时间分离，配电网结构与负荷发展不相适应，使配电网的规划、发展及供电质量越来越不适应城市发展的需求。

总之，传统的配电网及供电方式已越来越不能满足快速发展的经济社会对其提出的更加环保、更加安全可靠、更加优质经济等诸多要求。国外研究表明，相对于交流配电网，直流配电网在输送容量、系统可控性以及供电质量方面具有更加优越的性能，可以有效降低电力电子变换器的使用频率，提高供电质量，充分协调分布式电源、多样性负荷与电网之间的矛盾，发挥分布式能源的价值。

1直流配电网的驱动力

1.1直流供电技术的发展。在电力系统输配体系刚产生时，直流作为最主要的电能传输方式首先得到了应用，但由于当时的技术水平有限，直流系统由于电压变换困难、传输容量小等原因被交流系统逐步取代。20世纪以来，功率半导体器件的迅猛发展带动了电力电子技术的革新，直流供电技术的优势逐步回归，率先在数据通信中心、舰船供电以及电动汽车等特殊领域得到了应用与发展。

1.2分布式电源发展的推动。20世纪70年代以来，能源短缺和环境污染问题越发严重，分布式能源系统由于其灵活性和便于可再生能源应用等特点，得到了广泛的关注。同时，由于分布式电源的接入，配电网由单纯的负荷变为有源网。常见的分布式电源主要有光伏电池、风力发电机、燃料电池和储能等，这些电源产生的电能为直流电或可经过简单变换后变为直流电，因此分布式电源并入直流配电网将可以节省大量的换流环节。例如：光伏发电产生的是直流电，需要经过DC／DC和DC／AC2级变换方可并入交流配电网，如若并入直流配电网仅需1级DC／DC变换即可。表1列举了常见分布式电源并网所需要的换流环节。

表1分布式电源并网换流环节

1.3多样性负荷发展的推动。随着电力电子技术的发展，用电方式发生了显著变化，如变频技术在空调、洗衣机、冰箱等产品中获得普遍应用，在交流配电网中，以上用电负荷需要经过AC／DC、DC／AC2级变换，而直流配电网中仅需要DC／AC变换即可实现变频。除此之外，大量智能化用电设备本质上都是基于直流电源供电的，在交流配电网中，需要额外增加1级AC／DC变换方可使用；对于直流配电网而言，不需要转换即可供电，从而降低了中间损耗，节约成本。表2列举了常见负荷所需要的换流环节。

表2多样性负荷所需电能变换环节

1.4配电网升级改造的需求。日趋成熟的城市发展建设对供电系统的电源建设和线路走廊的制约逐渐增多，而随着城镇化建设的大力推进，日益增加的城市规模和人口对配电网的供电容量和范围提出了更为严格的要求，有限的供电走廊限制了现有配电网的扩建与拓展，而越来越长的供电线路将会给配电网的安全可靠供电带来新的挑战。

2直流配电电能质量问题

2.1电压波动和闪变问题。电压波动和闪变问题是直流配电系统中常见的电能质量问题，影响负荷用电，危害系统的安全运行，如导致LED灯闪烁引起人体不适，影响计算机、工业控制设备等直流用电设备的正常工作。在直流系统中，导致电压波动和闪变问题的原因较多。风力发电由于风的本身特性，造成风电机组输出功率波动，其对直流配电系统主要的负面影响就是容易引起配电网电压波动。对于光伏发电，输出功率受太阳辐射强度变化的影响大，当天气突然变化时，输出电压不稳，易引起直流配电网电压波动。

此外，直流微电网中常见的分布式电源投切会导致配电网电压闪变。在直流配电系统中，负载的运行也会引起系统电压问题，如直流电弧炉等大功率负载，运行时会引起电网电压波动；变频空调，电动机启动瞬间的高电流和低功率因素会导致电网电压闪变；直流配电系统中大量使用的电力电子设备会产生谐波和间谐波，引起灯光闪变。在直流微电网中，负载的种类分布：约75%~80%是恒功率负载，20%~25%为阻性负载。恒功率负载存在负阻抗特性，因此直流电压偏离理想参考点有可能导致直流电压出现波动，甚至可能导致整个系统崩溃。

2.2电压偏差和电压跌落问题。电压偏差和电压跌落是直流配电系统中另一常见的电压问题。电压偏差会影响日常家用电器冰箱、变频空调使用，当电压出现越限时，可能导致电器损坏；电压跌落会对工业中敏感负荷、企业数据中心以及直流配电系统中广泛应用的电力电子设备造成影响。在当前直流配电系统中，负荷及各微源出力、运行方式与网络结构等因素发生变化都会引起直流微网功率的不平衡，而有功不平衡则是引起直流微网电压偏差的根本原因。由于分布式电源的输出功率不稳，易导致直流母线电压跌落，通过仿真分析了光伏电站低电压穿越的故障特性，并且分析了低电压穿越对直流配电系统继电保护的影响。

当前，直流配电系统控制算法不完善，为实现在不同变换器间合理分配负荷功率，多数研究将下垂控制引入到直流系统的控制算法中，但是在其实现负荷功率分配的同时，会带来母线电压的跌落。直流配电系统出现支路故障时，会引起直流母线的电压偏差和电压跌落。不同故障对网络电压电流的影响严重程度不同，其中正极低阻接地会导致明显的电压偏移，极间故障时，配电线路瞬间出现激增电流，电压严重跌落。

2.3谐波问题。直流配电系统电能质量较高，相对传统交流配电网，配电网中谐波源少，其谐波主要来源于系统中的负载。直流配电系统中常见的脉冲负载，如混合动力汽车以及大负载启动时，会产生谐波并注入到配电网中。特别是当前电动汽车已经产业化，电动汽车的充放电对直流电网输配电的电压谐波问题有着非常大的影响。

3直流配电系统保护研究展望

未来直流配电系统保护发展方向展望如下:

1）使用直流断路器作为保护动作对象，灵活地构建直流配电系统拓扑结构，并快速切除直流故障。2）基于快速通信系统，将直流配电系统作为一个整体考虑，开发出广域信息保护系统，并通过不断获得实时数据实时更新保护策略。3）采用保护、通信、控制集成一体化的保护方案，有效整合电力电子器件保护功能、减少分散保护设备数量，从而能够降低保护系统的复杂性、降低系统成本、大大缩短保护动作时间。4）分布式电源接入直流配电系统，是非常具有发展前途的先端技术。针对分布式电源接入直流配电系统保护控制技术的研究，是值得探索的前沿课题。

4结语

本文基于直流配电网的应用前景，对直流配电网的发展、直流配电网的现实问题等进行了分析总结。目前国内外基于直流微电网的研究成果对直流配电网开展了探索与试验，但仍处于初步阶段，大量的理论及技术问题亟需解决。

参考文献

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