保护低压直流微电网
摘要-本文提出了一种低压（LV）直流微电网保护系统设计方案。LV dc微电网用于互连分布式电源和敏感电子负载。在设计LV直流微电网保护系统时，可以使用现有直流电源系统的知识。但是，在大多数情况下，这些系统使用并网变流器，在直流故障期间具有限流功能。相反，低压直流微电网必须通过具有双向功率流的变流器连接到交流电网，因此需要不同的保护系统设计。在本文中，介绍了可用和处于研究阶段的低压直流保护装置的工作原理和技术数据。此外，还讨论了不同的故障检测和接地方法。通过仿真研究了选择的保护装置和接地方法对LV直流微电网的影响。结果表明，可以使用可用的设备来保护这样的系统。高阻抗接地故障可能会出现问题，难以检测。
关键词：电路瞬态分析，直流电源系统，配电故障，配电保护，电力电子。
1.介绍
在配电层的电力系统中使用分布式电源源（DR）开辟了新的可能性。配电系统的一部分及其源和负载可以形成一个隔离的电力系统 - 微电网[1]。在正常操作条件下，微电网在公共耦合点（PCC）处连接到交流电网，并且负载从本地电源供应，并且如果需要，还从交流电网供电。如果负载功率小于本地电源产生的功率，则可以将多余功率输出到交流电网。微电网中使用的电源通常很小（＜500千瓦），并且基于可再生能源，例如光伏阵列，燃料电池和微型涡轮机。这些电源产生的电压幅度和频率与微电网中使用的电压幅度和频率不同，因此需要通过电力电子变流器进行接口[2]。
微电网非常适合保护敏感负载免受停电影响，在某些情况下还可以防止干扰，例如电压骤降[3]。通过利用DR的电力电子接口以及快速保护系统，可以获得高可靠性。为了在孤岛模式下操作微电网，需要一个孤岛检测系统，当发生交流电网停电时，它可以安全地断开微电网，以防止交流电网通电[4]。
低压（LV）直流微电网最适合用于大多数负载是敏感电子设备的地方。与低压交流微电网相比，低压直流微电网的优势在于可以通过更简单，更高效的电力电子接口连接负载，电源和储能[5]。到目前为止，LV dc微电网已被用于电信电力系统，以及电力系统控制和保护系统[6]。
为确保低压直流微电网的可靠运行，必须拥有功能完善的保护系统。作为起点，可以使用现有的高功率低压直流电力系统保护系统的知识，例如发电站和牵引动力系统[6]，[7]。然而，这些系统在直流故障期间利用具有电流限制能力的并网变流器。相比之下，LV直流微电网必须通过具有双向功率流的变流器连接到交流电网，因此需要采用不同的保护系统设计。LV直流系统的短路电流计算已在[8]中进行了处理，并在[9]中进行了故障检测。但是，没有考虑保护装置。到目前为止，保护装置对系统性能的影响仅在高压（HV）直流应用的研究中得到考虑，例如电动船和高压直流输电系统[10] - [12]。
在本文中，将提出LV直流微电网的保护系统设计。将介绍目前处于研究阶段或商用的不同低压直流保护装置。最后，使用软件包PSCAD / EMTDC [13]研究保护系统对故障期间LV直流微电网的影响。
2.低压微电网
LV直流微电网非常适用于自然划分的电力系统，例如，具有敏感计算机负载或农村电力系统的办公楼，以及电动车和船舶。由于交流分布很普遍，并且并非所有的源和负载都能从直流连接中受益，因此考虑混合交流/直流微电网是合理的，如图1中的示例所示。直流微电网表示为“区域1”，交流微电网为“区域2”，交流电网表示为“区域3”。混合交流/直流微电网通常可用于高达几兆瓦的系统， 关于如何将不同的源，负载和能量存储与交流电网互连的问题早已在[14]中得到了解决。然而，最终的设计部分基于没有负载直接连接到直流母线的假设。LV微电网中使用的主要组件是：源，变流器，储能系统和负载。
图1.小型低压交流/直流微电网的示例
A.源
LV微电网中使用的源可以是各种类型的。光伏阵列和燃料电池产生直流电压，因此适合通过DC / DC变流器连接到直流电源系统。 微型燃气轮机还优选地连接到直流电力系统，因为它们需要转换的高频输出电压。类似地，风力涡轮发电机产生具有变化频率的电压。要将风力涡轮机连接到直流母线，只需要一个变流器。通常用于备用发电的内部燃烧发动机（ICE），例如柴油发动机，优选地连接到交流电力系统。
B.变流器
交流/直流和直流/直流变流器都用于低压微电网，其中交流/直流变流器用于互连交流微电网和直流微电网。这些变流器需要产生正弦交流电压和电流，并能够控制双向功率流。此外，变流器必须具有电流隔离，并能够处理电网干扰，例如具有不对称电压的电压骤降[15]。最后，变流器应该具有高效率。将使用不同的DC / DC变流器将不同的源和负载连接到直流微电网。与交流/直流变流器相比，DC / DC变流器可以更简单地构建，从而降低成本并提高效率[16]。
C.储能系统
某些DR（例如风力发电，太阳能电池和燃料电池）的可用性或瞬态响应要求它们与其他能源或能量存储相结合。此外，能量存储可用于电能质量（PQ）改进，负载均衡或应急电源[17]。常用的存储技术是电池，（超级）电容器和飞轮[18]。电池和电容器可以直接连接到直流母线，但飞轮通过机器和变流器连接。
D.负载
LV微电网可用于为需要高可用性电源的负载供电。这种负载的例子是照明系统，数据和通信系统，控制系统，安全系统以及用于加热，通风和空调（HVAC）的设备[19]。这些负载中的许多可以在没有任何修改的情况下提供直流电，尤其是电子负载，例如计算机和照明设备[20]。可以处理短暂中断的不太重要的交流负载可以连接到交流微电网。
3.低压直流保护系统
必须使用精心设计的保护系统，以确保LV微电网的可靠运行。保护系统包括保护（电流中断）设备，保护性继电器，测量设备和接地。LV微电网保护系统可分为区域1的直流保护系统和区域2的交流保护系统。区域2可描述为具有发电功能的公用事业 - 消费者互联母线[21]及其保护系统可分为五个子系统：1）交流电网保护，2）交流/直流变流器保护，3）柴油发电机保护，4）馈线保护，5）母线保护。本文将不再对这些子系统进行进一步处理。相反，将提出并分析区域1的直流保护系统。基于数据中心电力系统的区域1的一般模型如图2所示[19]。交流/直流变流器被建模为三相两电平电压源变流器（VSC），如[22]中所述。电池被建模为具有电阻感应阻抗的直流电源[23]。最后，负载被建模为恒定功率（CP）负载，连同输入滤波器，并连接在两极之间[20]。表I中列出了每种组分的参数。
- 接地
接地是一个复杂的问题，在电力系统中设计接地有许多不同的方法，不同的解决方案会导致不同的性能[24]，[25]。接地用于检测接地故障以及人员和设备安全[6]。LV直流微电网可以不接地，高电阻接地或低电阻接地。此外，接地可以连接到一个极或连接到变流器和电池的中点。两种替代方案如图3所示。
图3（a）显示了TN-S直流系统。它具有变流器的中点和电池接地（T），并且在整个系统中使用单独的（S）线用于中性点（N）和保护性接地（PE）。图3（b）中的替代方案是IT直流系统。它的正极通过阻抗（I）接地。与负极相比，正极优选地接地，以减小腐蚀的影响。
使用图3中的备选方案（a）可以在低电阻接地故障的情况下产生较大的接地电流和较大的直流环节电压瞬变。大电压瞬变可能会影响连接到故障极的其他负载，但不会影响连接到另一极的负载。故障很容易检测到，可以快速清除。TN-S直流系统提供明确定义的极对地电压和来自噪声滤波器的漏电流路径。在发生接地故障时，IT直流系统只有很小的电流和电压瞬变。这将确保在单个接地故障期间负载的稳定操作。但是，系统中的接地会改变极对地电压，这可能会影响敏感的电子负载。由于接地故障电流小，可能难以测量和检测故障，并且负载的金属外壳可能被激励。为了在接地故障的情况下进一步改善系统，可以增加每个负载的线路阻抗以限制电压瞬变。但是，这会导致损失增加。备选方案（b）通常用于电信电力系统[26]。
图2.区域1的详细方案
表1.低压直流微网的系统参数
图3.低压直流微电网接地（a）TN-S直流系统 （b）IT直流系统
表2.LV DC商业上可用的保护装置的实例[28] - [33]
- 保护装置
市场上可用于低压直流系统的保护装置是熔断器，塑壳断路器（MCCB），低压电源CB和隔离式CB [27]。其中一些型号专为直流而设计，但大多数可用于交流和直流应用。但是，交流和直流操作的额定值不同，在设计保护系统时必须仔细考虑。表II列出了用于低压直流系统的商用保护装置的示例，以及它们的标称电压和电流以及短路电流中断能力。
1）保险丝：保险丝由陶瓷盒内的保险丝和吸热材料组成。熔丝链由铜或银制成，其设计取决于其电流 - 时间和电压额定值。用于熄灭电弧的吸热材料通常是硅砂。
保险丝的电压和电流额定值以均方根（rms）值给出，因此对交流和直流均有效。但是，在直流系统中使用保险丝时，必须考虑系统时间常数。它确定电流瞬变的上升时间，但不确定其最终的稳态值。上升时间会影响保险丝中断电流的能力。小的时间常数（＜2.5ms）将导致快速的电流增加，并且熔丝链将快速熔化并且电弧可以被吸热材料冷却。但是，如果时间常数很大（＞6 ms），反过来，则电流和保险丝的温度将缓慢增加，当最终形成电弧时，吸热材料不能充分冷却因为它的温度已经升高[34]。此外，直流系统中使用的保险丝还必须能够处理光过流，以免发生故障。
2）断路器：MCCB由接触器，淬火室和跳闸装置组成。MCCB通常配备有热磁跳闸装置，但可以使用电子装置进行扩展。此外，对于熔断器，电压和电流额定值以rms值给出。磁跳闸检测电流的瞬时值，这意味着直流的额定电流高于交流的额定电流的radic;2倍。但是，对于热跳闸，值是相同的[35]。为了提高额定电压，可以串联多个极。但是，重要的是要考虑系统中的接地布置，以防止在接地故障期间在一个极上具有完整的系统电压。
对于较大的低压直流系统，如牵引动力系统，可提供特殊的高速直流断路器。这些CB设计用于完全应对额定电压和电流，即使在具有大时间常数的系统中也是如此。高速CB在0.01 s内开始中断故障电流。低电流可能会出现问题，导致CB触点焊接在一起[7]。
- 电力电子保护装置：在LV直流系统中存在与保险丝和CB相关的一些已知问题，例如大的时间常数和长的断路器操作时间。通过利用晶闸管等电力电子开关，可以降低运行速度，提高电感电流中断能力[10]，[36]。然而，与机械开关相比，电力电子解决方案的相关损耗要高得多。因此，在[37]中提出了机械开关和电力电子开关的组合。
- 保护继电器和测量设备
高速直流CB配备机械瞬时过流跳闸装置，如果电流超过1-4 p.u，可设置为使断路器跳闸。电流产生的电磁力用于使CB跳闸。但是，由于其他事件导致CB跳闸需要保护继电器。
保护继电器使用来自测量电压和电流的信息，在某些情况下，还可以使用基于与其他设备通信的信息。重要的是要注意，测量设备必须能够处理直流量才能正常工作。
除过流外，保护继电器还可以计算电流的时间导数和阶跃变化，以确定直流系统是否处于正常运行状态或是否发生了故障[7]。更复杂的数值方法（例如，使用神经网络）也可用于检测故障并将其与正常操作分开[38]。
4.保护系统设计
LV直流微电网保护系统的整体功能是快速准确地检测和隔离故障，以最大限度地减少干扰的影响。保护系统的设计取决于本节将要处理的许多问题，并在图2中的系统上进行说明。设计问题是可能发生的故障类型，其后果，保护类型需要的设备，备份保护的需要，检测方法，防止故障的措施，以及最后防止保护系统误操作的措施。
- 可能的故障类型
直流微电网中可能的故障类型是极对极和极对地故障。极对极故障通常具有低故障阻抗，而极对地故障可以表征为低阻抗或高阻抗故障。故障的位置可以在母线上或在其中一个馈线上。这四种可能的故障在图2中表示为F1-F4。故障F1是母线上正极和负极之间的短路，F2是正极和地之间的短路。这些故障对整个系统至关重要，特别是变流器和电池。故障F3和F4具有相似的类型，但位于靠近两个负载之一的馈线上。在研究非故障负载如何受到影响时，以及如何设计馈线的后备保护，这些故障非常重要。变流器，电池或负载内部的故障未单独考虑。变流器或电池故障类似于故障F1或F2，负载故障与F3或F4类似。
- 母线故障
故障F1和F2将影响连接到母线的所有源和负载，并且要连接的负载和源取决于当前的操作模式。由于源是并联连接的，因此可以单独处理它们。
电池可以位于单独的电池室中，因此可以通过电缆连接到直流母线。当故障F1发生时，电池出现的总故障阻抗是内部电池阻抗（和）与电缆阻抗和（在极对极故障期间可忽略电缆电容）。然后可以将电池故障电流计算为
（1）
。电池的设计决定了它可以提供短路电流多长时间而不会造成内部损坏[34]。
变流器直接连接到母线，因此具有低阻抗，主要由电容器的串联阻抗组成，后者可以忽略[39]。故障F1将导致电容器放电，从而产生高幅度和低上升时间的电流，但持续时间有限[40]。电容器故障电流可以计算为
（2）
。然而，当直流链路电压几乎为零时，变流器将失去其电流控制能力，并且故障电流将流过绝缘栅双极晶体管（IGBT）反并联二极管，仅受栅极滤波器和限制在图2中）。这些二极
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Protection of Low-Voltage DC Microgrids
Article in IEEE Transactions on Power Delivery · August 2009
DOI: 10.1109/TPWRD.2009.2016622 · Source: IEEE Xplore
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Protection of Low-Voltage DC Microgrids
Daniel Salomonsson, Student Member, IEEE, Lennart Souml;der, Member, IEEE, and Ambra Sannino, Member, IEEE
Abstract—In this paper, a low-voltage (LV) dc microgrid pro- tection system design is proposed. The LV dc microgrid is used to interconnect distributed resources and sensitive electronic loads. When designing an LV dc microgrid protection system, knowl- edge from existing dc power systems can be used. However, in most cases, these systems use grid-connected rectifiers with current-lim- iting capability during dc faults. In contrast, an LV dc microgrid must be connected to an ac grid through converters with bidirec- tional power flow and, therefore, a different protection-system de- sign is needed. In this paper, the operating principles and tech- nical data of LV dc protection devices, both available and in the research stage, are presented. Furthermore, different fault-detec- tion and grounding methods are discussed. The influence of the se- lected protection devices and grounding method on an LV dc mi- crogrid is studied through simulations. The results show that it is possible to use available devices to protect such a system. Problems may arise with high-impedance ground faults which can be diffi- cult to detect.
Index Terms—Circuit transient analysis, DC power systems, power distribution faults, power distribution protection, power electronics.
- INTRODUCTION
SE of distributed resources (DRs) in the electric power system at the distribution level opens new possibilities.
U
A part of the distributio
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资料编号：[2360]
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