45、直流配电网络的保护与控制

直流配电网络的保护与控制

1. 外部电感对电容放电电流响应的影响

当安装特定电感时，电容放电电流的响应仍呈欠阻尼形式。同时，外部电感还具有其他重要作用：
- 有效增加电压源换流器（VSC）的临界时间，这对于临界时间较短的VSC尤为重要，因为此类VSC不仅难以协调主保护和后备保护，也不易找到足够快速的断路器。
- 降低故障电流的上升速率和 $\frac{di}{dt}$ 比值。因此，安装外部电感可作为有效保护方案的一部分。

2. 直流网络保护面临的挑战

2.1 故障检测方法

• 过电流继电器 ：传统配电系统常用过电流继电器进行保护，其工作基于连续时间反时限过电流继电器所测故障电流的差异进行协调。但在直流网络中，由于线路电抗值低，连续短配电线路发生故障时电流差异不显著，且直流故障电流上升速率高，导致过电流继电器难以协调。此外，过电流继电器需检测极间和极对地两种故障，而这两种故障电流幅值差异大，若基于极间故障电流设置继电器，可能导致极对地故障保护方案延迟动作；若设置低启动值，又会造成极间故障保护不协调。
• 其他故障检测方法 ：不同故障检测方法在直流配电系统中的实施挑战如下表所示：
  | 故障检测方法 | 直流配电系统实施挑战 |
  | — | — |
  | 过电流 | - 快速方法
  - 需配备其他方法或通信链路以实现选择性
  - 适用于不要求选择性的基于换流器闭锁的故障中断方法 |
  | 差动 | - 仅比较直流大小，比交流网络中的差动方法运行更快
  - 对直流高上升速率和故障电阻不敏感
  - 能够提供选择性保护
  - 需要可靠的通信链路 |
  | 距离 | - 算法简单（与交流网络中的距离方法相比，可使用更简单的故障定位估计器）
  - 比交流继电器更快
  - 对故障电阻更敏感（与交流系统相比） |
  | 故障电流限制 | - 可通过外部电感或特殊换流器的限流模式/装置实现
  - 需要高速半导体开关
  - 需要能够承受高上升速率直流的装置 |
  | 智能方法（如ANN、模糊） | 难以使用基于频率的变换从直流量中获取所需输入数据 |
  | 方向过电流 | - 需要准确快速的电流方向检测方法
  - 不适用于大型直流配电网络 |

2.2 分布式发电集成对网络保护的影响

• 干扰继电器协调 ：分布式电源（DG）接入可能导致相邻继电器之间以及熔断器和重合器之间的协调缺失，降低电力系统可靠性，但在高阻抗故障时，故障电流与额定电流相差不大，保护装置仍可保持协调。
• 误跳闸 ：DG接入受保护馈线时，过电流继电器中的电流增加，可能导致正常情况下馈线故障电流超过对应继电器阈值，从而引发不必要的跳闸。
• 保护失效 ：DG接入会减少主馈线的故障电流贡献，例如在某低压馈线中，所有DG接入后，馈线末端发生故障时，DG会参与提供故障电流，导致主馈线故障电流减小，主馈线继电器可能无法检测到故障或延迟动作。
• 故障行为变化 ：在辐射状馈线中，故障位置离主母线越远，故障电流水平越低，但DG集成可能会增加远离主直流母线处故障的电流水平。

3. 中压直流的通信辅助保护

传统过电流继电器无法为直流网络提供选择性保护，因此提出了一种基于过电流继电器的通信辅助方法。该方法通过适当的通信链路协调过电流继电器的操作，具体流程如下：
- 直流馈线两端的继电器相互接收信号，确认故障已被检测且故障电流从母线流向线路。
- 每个继电器都有主保护区域，当故障影响该区域时，继电器立即动作。
- 为使继电器能作为相邻馈线的后备保护，在继电器中嵌入了后备单元，该单元与相邻区域边界的继电器通信，其跳闸逻辑与主单元相同，但保护区域和动作时间不同。

4. 直流网络的故障切断策略

故障电流切断是保护方案的重要组成部分，直流网络的故障切断策略主要有以下三种：
- 使用交流断路器（ACCB）和直流隔离开关 ：故障发生时，先由交流侧断路器切断故障电流，然后打开相应隔离开关隔离故障线路，最后重新闭合交流断路器恢复其余直流网络供电。此策略经济但速度可能不足以保护VSC的续流二极管，需修改VSC拓扑或添加外部电感。
- 使用直流断路器（DCCB）和直流隔离开关 ：故障发生后，直流断路器在数毫秒内切断故障电流，然后打开隔离开关隔离故障线路，最后闭合直流断路器恢复其余直流电网。该策略比上一种更有效可靠，无需修改VSC拓扑或添加外部电感，且网络恢复时间更短，可提高网络电能质量。
- 仅使用直流断路器 ：故障发生时，仅本地直流断路器动作切断故障电流并隔离故障线路，其他馈线和负载不受瞬间中断影响，可提高直流配电网络的电能质量和可靠性，但成本显著高于前两种策略。

mermaid格式流程图展示故障切断策略：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([故障发生]):::startend --> B{选择策略}:::decision
    B -->|使用ACCB和直流隔离开关| C(ACCB切断故障电流):::process
    C --> D(打开隔离开关隔离故障线路):::process
    D --> E(重新闭合ACCB恢复供电):::process
    B -->|使用DCCB和直流隔离开关| F(DCCB切断故障电流):::process
    F --> G(打开隔离开关隔离故障线路):::process
    G --> H(闭合DCCB恢复供电):::process
    B -->|仅使用DCCB| I(本地DCCB切断故障电流并隔离故障线路):::process

5. 直流配电网络的控制

在交流网络中，可控制电压和频率，而直流网络中不存在频率，也就没有电抗和相移，无功功率也不会出现，因此电压是直流系统中唯一可控制的量。直流电压可通过注入直流网络的功率进行控制，例如注入功率大于负载功率时，直流母线电压会升高。

常见的直流电压控制方法有两种：
- 主从控制 ：只有网络一端的换流器作为电压控制器，其他换流器仅控制其交流端的量（如有功功率、无功功率、交流电压或频率）。该方法的优点是简单，无需换流器之间的高速通信链路，且可避免多个电压控制器之间的不良相互作用导致的不稳定；缺点是若该端受内外故障影响，网络将失去电压控制，若无法将电压控制责任转移到其他换流器，整个直流网络将停机。
- 下垂控制 ：电压控制由网络中多个不同母线处的换流器共同承担。与主从控制相比，即使一个调压端跳闸，网络仍能正常运行，其余端仍可将直流电压控制在规定范围内。

直流配电网络的保护与控制

6. 不同故障检测方法的对比分析

为了更清晰地了解各种故障检测方法在直流配电系统中的特点，我们对其进行详细对比，如下表所示：
| 故障检测方法 | 优点 | 缺点 |
| — | — | — |
| 过电流 | 快速，适用于某些故障中断方法 | 难以协调，需其他方法辅助实现选择性，对不同类型故障电流处理有困难 |
| 差动 | 运行快，对直流高上升速率和故障电阻不敏感，能提供选择性保护 | 需要可靠的通信链路 |
| 距离 | 算法简单，比交流继电器快 | 对故障电阻更敏感 |
| 故障电流限制 | 可通过多种方式实现 | 需要高速半导体开关和能承受高上升速率直流的装置 |
| 智能方法（如ANN、模糊） | - | 难以使用基于频率的变换获取输入数据 |
| 方向过电流 | - | 需要准确快速的电流方向检测方法，不适用于大型直流配电网络 |

从这个表格中可以看出，每种故障检测方法都有其独特的优势和局限性，在实际应用中需要根据具体的直流配电系统需求进行选择和组合。

7. 通信辅助保护方法的工作流程详解

通信辅助保护方法的工作流程可以用以下 mermaid 格式流程图表示：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([故障发生]):::startend --> B(两端继电器检测故障):::process
    B --> C{是否在主保护区域}:::decision
    C -->|是| D(主保护单元发送跳闸信号):::process
    C -->|否| E(不动作):::process
    D --> F(确认信号传递):::process
    F --> G{是否需要后备保护}:::decision
    G -->|是| H(后备单元通信并判断):::process
    H --> I(后备单元发送跳闸信号):::process
    G -->|否| J(结束):::process
    I --> J(结束):::process

具体步骤如下：
1. 故障发生后，直流馈线两端的继电器同时检测故障。
2. 判断故障是否在主保护区域内，如果是，主保护单元发送跳闸信号。
3. 跳闸信号通过通信链路传递并确认。
4. 根据情况判断是否需要后备保护，如果需要，后备单元与相邻区域边界的继电器通信并判断是否动作，若动作则发送跳闸信号。

8. 故障切断策略的成本与效果对比

不同的故障切断策略在成本和效果上有明显差异，具体对比如下：
| 故障切断策略 | 成本 | 效果 |
| — | — | — |
| 使用 ACCBs 和 DC 隔离开关 | 低 | 经济但速度慢，可能需修改 VSC 拓扑或添加外部电感，对 VSC 保护不足 |
| 使用 DCCBs 和 DC 隔离开关 | 中等 | 更有效可靠，无需修改 VSC 拓扑，网络恢复时间较短，可提高电能质量 |
| 使用 DCCBs | 高 | 能提供选择性、可靠的故障电流中断方案，可提高电能质量和可靠性，但成本显著高于其他两种策略 |

在选择故障切断策略时，需要综合考虑直流配电系统的规模、重要性以及经济承受能力等因素。

9. 电压控制方法的实际应用场景分析

主从控制和下垂控制两种电压控制方法适用于不同的实际场景：
- 主从控制 ：适用于对控制简单性要求较高，且网络拓扑相对稳定，单个换流器故障影响较小的直流配电系统。例如一些小型的独立直流微电网，其中一个主要的换流器作为电压控制核心，其他换流器辅助运行。
- 下垂控制 ：适用于对系统可靠性要求较高，换流器分布较分散的直流配电网络。比如大型的直流分布式能源接入网络，多个换流器共同承担电压控制任务，即使个别换流器出现故障，也不会对整个网络的电压稳定性造成严重影响。

10. 直流配电网络未来发展的潜在方向

结合当前直流配电网络的保护与控制技术现状，未来可能有以下发展方向：
- 保护技术的智能化升级 ：进一步发展智能故障检测方法，利用人工智能和大数据技术，提高故障检测的准确性和速度，减少对通信链路的依赖。
- 故障切断设备的创新 ：研发更经济、高效的直流断路器，降低成本的同时提高切断速度和可靠性，使直流网络的故障保护更加完善。
- 控制策略的优化整合 ：将主从控制和下垂控制等方法进行优化整合，发挥各自的优势，实现更灵活、稳定的直流电压控制。

通过不断地研究和创新，直流配电网络的保护与控制技术将不断完善，为未来的电力系统发展提供更可靠的支持。