【直流微电网保护】【本地松弛母线、光伏系统、电池和直流负载】【光伏系统使用标准的光伏模型+升压变换器】【电池使用标准的锂离子电池模型+双有源桥变换器】附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

在新能源发电与分布式能源广泛应用的背景下，直流微电网凭借其高效、可靠的能量传输特性，成为未来能源系统的重要组成部分。直流微电网通常由本地松弛母线、分布式发电单元（如光伏系统）、储能设备（如锂离子电池）以及各类直流负载构成，其安全稳定运行离不开完善的保护系统。本文将聚焦于包含本地松弛母线、光伏系统（标准光伏模型 + 升压变换器）、电池（标准锂离子电池模型 + 双有源桥变换器）及直流负载的直流微电网，深入探讨其保护相关的关键问题。

直流微电网的核心构成及特性

本地松弛母线

本地松弛母线是直流微电网的能量枢纽，承担着连接光伏系统、电池、直流负载等各组件的重要角色，能够稳定直流母线电压，确保各单元之间的能量灵活交互。在系统运行过程中，它作为电压基准，为整个微电网提供电压支撑，当光伏出力波动或负载变化时，可通过与电池等储能设备的协同作用，维持母线电压在允许范围内波动。

光伏系统（标准光伏模型 + 升压变换器）

光伏系统采用标准光伏模型，该模型能够精准模拟光伏电池在不同光照强度、温度下的输出特性，包括短路电流、开路电压、最大功率点等关键参数。由于光伏电池的输出电压通常较低，且受环境因素影响波动较大，因此需配备升压变换器。升压变换器的主要作用是将光伏电池输出的低压直流电提升至与直流母线匹配的电压等级，并实现最大功率点跟踪（MPPT）功能，以提高光伏能源的利用效率。

电池系统（标准锂离子电池模型 + 双有源桥变换器）

锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命等优势，成为直流微电网中常用的储能设备。标准锂离子电池模型可准确反映电池的充放电特性、容量衰减、内阻变化等情况。双有源桥（DAB）变换器作为电池与直流母线之间的接口，具有电气隔离、双向能量流动、高效率等特点，能够实现电池的充放电控制，在光伏出力过剩时将多余能量存储至电池，在光伏出力不足或负载激增时释放电池能量，维持系统功率平衡。

直流负载

直流负载种类多样，包括恒定功率负载、恒定电阻负载等，其功率需求的变化会直接影响直流微电网的功率平衡和母线电压稳定。例如，当负载突然增加时，若光伏和电池不能及时提供足够的功率，可能导致母线电压急剧下降，影响系统正常运行。

直流微电网保护面临的挑战

直流微电网的保护面临着诸多独特挑战，主要体现在以下几个方面：

• 故障电流上升快、峰值高：直流系统中没有交流系统的自然过零点，故障发生后，故障电流会迅速上升，且峰值较大，这对保护装置的快速响应能力提出了极高要求。若不能及时切除故障，可能导致设备损坏。

• 双向潮流特性：由于光伏系统和电池系统的存在，直流微电网中存在双向潮流。当故障发生时，故障电流可能来自多个方向（如光伏系统、电池系统），传统的单向保护策略难以适用，增加了故障定位和隔离的难度。

• 组件特性对保护的影响：光伏系统的输出特性受环境影响显著，在故障情况下其短路电流可能较小，难以被传统保护装置检测；电池系统通过 DAB 变换器接入电网，变换器的控制策略会影响故障电流的大小和波形，给保护设计带来复杂性。

• 系统运行模式多样：直流微电网可能运行在并网模式或孤岛模式，不同模式下系统的拓扑结构、短路容量等存在差异，保护系统需要适应多种运行模式的变化。

直流微电网保护策略

针对上述挑战，结合系统的构成特点，可从以下几个方面构建直流微电网保护策略：

基于本地信息的快速保护

利用各组件本地采集的电流、电压等信息，设计快速保护算法。例如，对于光伏系统，可通过检测升压变换器输出端的电流突变和电压跌落来判断是否发生故障；对于电池系统，可监测 DAB 变换器的电流、功率等参数，当出现异常时及时动作。本地保护能够实现快速响应，减少故障对系统的影响。

故障隔离与选择性保护

采用直流断路器、固态开关等设备实现故障的隔离。根据系统拓扑和故障电流路径，划分保护区域，确保在故障发生时，只有故障区域的保护装置动作，其他区域不受影响。例如，在本地松弛母线与各组件的连接线路上设置保护装置，当某条线路发生故障时，对应的保护装置快速断开，隔离故障点，保证其他组件正常运行。

考虑组件特性的保护协调

针对光伏系统短路电流小的特点，可结合其 MPPT 控制策略，在故障时通过调整变换器的工作状态，增大故障电流，便于保护检测；对于电池系统，协调 DAB 变换器的控制与保护动作，在保护动作前适当限制故障电流，避免电池过流损坏。

适应多运行模式的保护方案

设计自适应保护方案，根据系统运行模式（并网 / 孤岛）的变化，自动调整保护定值和动作逻辑。例如，在孤岛模式下，系统短路容量较小，保护定值应相应降低，以提高保护的灵敏度。

总结与展望

包含本地松弛母线、光伏系统、电池及直流负载的直流微电网，其保护系统需要充分考虑各组件的特性、双向潮流、故障电流特性等因素。通过采用基于本地信息的快速保护、故障隔离与选择性保护、组件特性协调及适应多运行模式的保护方案，能够有效提高直流微电网的安全性和可靠性。

未来，随着直流微电网规模的扩大和技术的发展，保护系统将向智能化、自适应方向发展，结合人工智能、通信技术等，实现更精准的故障诊断与定位，进一步提升系统的保护性能，为直流微电网的广泛应用提供坚实保障。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 陈涛,许志,任静,等.光伏-燃料电池混合直流微电网系统[J].实验技术与管理, 2020, 37(6):7.DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2020.06.013.

[2] 陶燕.基于燃料电池高效运行的多态能源直流微网协调控制策略研究[D].合肥工业大学,2023.

[3] 张犁,孙凯,吴田进,等.基于光伏发电的直流微电网能量变换与管理[J].电工技术学报, 2013(02):248-254.DOI:10.3969/j.issn.1000-6753.2013.02.034.

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