摘要：随着电力电子技术的应用与发展，配电网的源荷储直流特征逐步明显，中压直流配电系统的经济技术优势显著。直流配电保护是保障系统稳定安全运行的关键，但仍未形成成熟的技术体系。本文试图对国内外直流配电系统保护技术的研究状况做一个系统的介绍。文章首先概述了与保护方法制定相关的直流配电系统拓扑结构、换流设备、接地方式以及暂态故障特性等内容。其次，对目前普遍研究和应用的直流配电系统保护方法进行了归纳总结，分析了各种保护方法的适用性和局限性，并对工程实践中应用的直流配电系统控制保护一体化技术进行了归纳和分析；最后，对直流配电系统的保护技术进行了展望和总结。
关键词：中压直流配电系统；故障分析；保护方法；控制保护一体化
引言
电动汽车充电桩、数据中心等直流型负荷与光伏等直流型分布式电源的发展使得配电系统源、荷的直流特性日趋明显。直流配电网能有效减少变流环节，提高分布式电源的接纳能力和能源利用效率，具有广阔的发展前景。相比于传统的交流配电系统，柔性直流配电系统包含了换流阀、直流变压器等大量可控的电力电子设备，呈现电力电子化的特征。直流配电系统故障特征、故障发展过程、故障隔离及供电恢复过程都与换流阀等电力电子器件控制策略密切相关。
1浅析直流配电系统故障的发生特征
1.1 故障电流急剧上升
在直流配电系统线路出现接地故障的情况下，并联在VSC直流侧的滤波电容，往往会在发生故障的短时间内，迅速向故障点位置进行放线，加速电流数值在线故障线路的上升速度，这一点特性非常不利于检测装置与故障隔离装置迅速发挥作用。同时，VSC通常会在直流配电线路发生故障后，迅速锁定绝缘闸双极型晶体管，导致系统电路里的续流二极管开始向故障点放出不控整流电流，导致故障线路的电流长时间保持为急速上升的状态。
1.2 故障波及范围广泛
直流配电系统里面交织着极多的交往单元，主要通过换流器装置进行接入，这种线路的连接特征，使得直流配电系统在出现接地故障之后，临近的换流器出口电容就容易失控，持续向故障点位置做出放电行为。如此一来，直流配电系统的电压数值会逐渐开始下降，影响到系统中其余并网设备的使用质量，而且其中的电动机以及交流电源等设备，往往还会持续通过二极管向故障点释放出已经短路的电流，导致出口直流电压的数值产生变化，影响到系统正常部分的运行。
1.3 故障检测定位困难
直流输电系统具有复杂性，这也使得直流输电电缆的线路频变参数变得非常强烈，电力行业技术人员使用最多的保护技术就是故障定位，还有很多业界人士提出可以使用电流的固有频率检测系统的故障情况。但是，直流配件系统所配置的电缆线路比较短，要想迅速实现故障点线路的精准定位具有一定的难度，这也使得高阻接地一类系统故障的检测、定位工作，成为了技术人员最头痛的问题。
2直流配电系统保护与控制协同的总体思路
2.1直流配电系统故障恢复面临的问题
柔性直流配电系统中电力电子设备众多，其故障恢复过程面临以下问题。１）直流故障的快速可靠识别难度大。直流配电系统故障发展过程迅速、故障持续时间极短、对典型故障特征量捕捉难度大，对保护装置的采样频率、通信速度等提出了非常高的要求。２）直流故障电流开断困难。直流配电系统发生短路故障后，故障电流上升速度快、峰值大，且直流故障电流无自然过零点，造成故障电流开断困难，并导致直流断路器成本增加。采用传统交流配电系统相似地通过配置大量断路器切除故障的故障隔离方法严重影响直流配电系统的投资经济性，系统需要更加经济的故障电流清除手段。３）直流电力电子设备耐冲击电流能力弱。换流阀中的绝缘栅双极型晶体管（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）通常只能承受２～３倍额定电流的过电流，短路故障发生后，换流阀通常因ＩＧＢＴ过电流而闭锁，非故障区域因换流阀闭锁而发生停电，扩大了直流配电系统短路故障的影响。为保证直流配电系统的可靠性，需要换流阀能够实现故障穿越。４）直流配电系统故障后的电压重建过程影响因素众多。若换流阀在故障后闭锁，则在故障隔离后，非故障区域供电恢复需要闭锁后的换流阀重新启动并建立系统电压。换流阀重启时间与闭锁前换流阀中电容放电电量等因素有关，重启过程受控制策略影响。
2.2直流配电系统控制与保护协同的技术思路
直流配电系统换流器类型主要包括两电平电压源型换流器半桥型模块化多电平换流器、全桥型ＭＭＣ及混合型ＭＭＣ。根据采用的换流阀类型的不同，目前能有效实现直流配电系统故障隔离与供电恢复的思路主要是采用具有故障电流清除能力的全桥ＭＭＣ或混合桥ＭＭＣ，利用其子模块结构，配合桥臂闭锁控制、故障穿越控制等策略，实现故障电流阻断、故障穿越等功能，通过负荷开关实现故障隔离；
3浅析直流配电系统故障的保护技术
3.1 直流配电系统故障隔离设备
目前，电力行业的技术人员在应对直流配电系统故障问题的时候，经常使用直流断路器设备对直流配电系统加以保护，能够在成本可控的基础上产生显著的防控效果。其中，全固态类型直流断路器的开合总时间基本可以控制在1m/s以内，相比于VSC换流站，其预期功率损耗基本能够处于30%以内，未来的突破方向主要是加强对于固态装置的改进，从而降低导通压降和串联的个数，产生更好的直流配电系统故障隔离效果。
3.2 限制故障电流的隔离装置
针对直流配电系统的常见故障问题，可以运用专业的故障电流限流装置器FCL，作为处理和限制故障电流的隔离装置。当系统出现故障情况之后，FCL能够做到快速察觉故障的发生情况，继而通过判断直流断路器的位置，迅速切断系统的流经电流，达到抑制故障电流进一步蔓延的效果。像是超导材料制作的FCL，在直流配电系统正常运行的情况下，能够以较小的静态损耗情况正运行，在故障发生的情况下，便会迅速切换到非超导模式下，产生极强的阻值，达到强力限制故障电流的保护效果。
3.3 采用科学的故障检测方法
直流配电系统容易出现的故障问题具有多种类型，在采取保护技术的时候要针对故障问题具体而言，确定故障解决手段的有效性。例如，当直流配电系统出现过电流、电压过低、过载等故障问题的时候，可以使用率先对直流线路的电压量和电流值进行检测。通常来说，如果直流线路的故障问题主要在于短路，那么急速上升的直流线路电流往往会超过整定值，电压反而会恒定在低于整定值的状态，这时可以直接判断该段配电线路出现了故障情况。
结语
随着电力电子技术的发展，直流电源和负荷的日益增多，直流配电技术重新得到了国内外学者的青睐。直流配电网发生极间短路后故障电流变化速率快、幅值高，对直流配电系统进行快速可靠保护是构建直流配电网亟需解决的技术难题。本文详细分析了中压直流配电系统基本构成与故障特性，从适用性和局限性方面总结了现有的直流配网保护方法，阐述了控制保护一体化的实现思路和工程应用成果。目前，直流配电系统的保护技术研究主要基于理论研究和仿真验证，工程实践仍停留在示范工程建设阶段，对于保护方案的验证和推广仍需进行更广泛的研究。
参考文献
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