基于故障限流的直流微网快速保护新原理研究

DC microgrid meets the development tendency of smart grid in the 21st century. Relay protection is one of the key technologies in the development of DC microgrid. This project focuses on DC microgrid based on two-level VSC, and mainly studies the key scientific and technical problems of fault current limiting and fast protection in DC microgrid. Considering the uncontrollability, strong impact and rapidity of fault current, we research the fault current limiting(FCL) method which responses in microseconds. Based on FCL, the fault characteristics of DC microgrid and fault analysis method are studied. The coordination control strategy between FCL and relay protection is studied. In order to satisfy the requirement of rapidity, new high-speed protection principles which can isolate fault in milliseconds are studied, especially adaptive pilot differential protection principle and directional comparison pilot protection principle. Taking the high-impedance-grounded fault into consideration, the transient based protection principle with excellent interference immunity is studied. Based on the developed communication system of DC microgrid, integrated backup protection algorithm and the on-line switch strategy of protection scheme which can detect the operational mode in real time are studied. Finally, fast protection system which is based on the comprehensive information and composed of FCL, primary protection and integrated backup protection is established. The research achievements of this project will support the development of DC microgrid in both theoretical and technological foundation.

直流微网符合21世纪第三代电网的发展趋势，继电保护技术是直流微网发展的关键技术之一。本课题面向基于两电平VSC的直流微网，重点研究直流微网故障限流与快速保护中的关键科学与技术问题。鉴于直流微网故障电流具有不可控性、强冲击性和快速性的特点，研究直流微网微秒级故障限流措施；研究基于故障限流的直流微网故障特征和故障分析方法；研究故障限流与继电保护间的协调控制策略。针对直流微网对保护快速动作要求，研究具有毫秒级动作能力的快速保护新原理，重点研究自适应纵联差动和纵联方向保护新原理；针对高阻接地故障，研究抗干扰性强的暂态保护新原理；基于直流微网发达的通信系统，研究直流微网集成后备保护算法和可实时感知系统运行模态的保护方案在线切换策略；构建由微秒级故障限流、毫秒级动作主保护和快速集成后备保护构成的“点、线、面”相结合的直流微网快速保护体系。本课题的研究成果为直流微网发展提供理论基础和技术支撑。

直流微网以其在接入分布式能源与直流负荷上所具备的高效优势而受到广泛关注。目前国内外低压直流系统继电保护技术的研究已在故障分析、故障限流、故障定位与整体保护方案上涌现大量优秀的科研成果。然而，目前研究成果的关注点各不相同，研究范围广泛且较为杂乱，理论难以形成一套统一的体系。.本项目针对低压直流继电保护中存在的问题，在故障分析、故障限流以及保护原理等方面均取得了一定的进展。针对低压直流系统的特点，深入分析了低压直流系统中VSC换流器的故障特性；提出了基于暂态电流突变量的纵联新原理，该原理适用于双端或多端电源系统，保护原理的速动性不受过渡电阻和系统运行方式的影响；提出了计及大电阻接地故障下仍能可靠动作的接地故障广域保护原理，并通过电阻限流器的接入消除了保护死区；针对低压直流微网单端量无法精准测距的现状，提出了基于线性方程组系数逆矩阵范数估计的单端测距原理；基于经济型考虑，提出了一种利用双向晶闸管与交流断路器配合动作的故障隔离方案，使得系统无需直流断路器即可实现故障隔离；同时，在现有研究的基础上，开创性的提出了继电保护“控保协同”的思想，基于控保协同，提出了多端环形直流微网系统基于直流断路器和不基于直流断路器的两种单端保护方案。.项目所提出的故障分析方法有效解决了直流微网系统中故障分析基础理论中存在的应用问题，给出了故障稳态下的等效电路、故障电流计算表达式及故障电流峰值计算公式，为保护方法的提出奠定了坚实的理论基础；所提出的保护原理和保护体系，解决了高阻接地、测距以及故障隔离等方面的问题，形成了以电阻型超导限流器实现限流，以暂态电流突变量纵联保护为主保护，以基于控保协同的快速单端保护方案为后备保护，以及基于线性方程组系数逆矩阵范数估计的单端测距方法，构建了适应分布式能源多点接入的直流微网保护体系。