直流微電網控制保護策略研究

周鈺，張浩，陳銳，魯麗娟，施世鴻

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663；2. 廣東電科院能源技術有限責任公司，廣州510080）

微電網包含分布式能源、儲能裝置、負載、電力電子器件及其控制等裝置，一般分為交流微電網、直流微電網和交直流混合微電網，從運行方式上，可分為并網和孤島兩種運行模式［1］。直流微電網和交流微電網相比具有更多的優勢，其電能損耗小，且轉換環節少，相對控制系統更簡單，隨著直流負荷設備不斷的出現，直流微電網在電力系統中具有越來越廣闊的應用前景［2-4］。

直流微電網的研究及應用過程中，除了要解決與交流微電網共性的能量管理、電壓質量管理等問題外，還有很多有別于交流微電網的特殊問題，文獻［5-8］介紹了直流微電網中的關鍵技術，其中，文獻［5］認為電網結構、控制策略、供電可靠性及經濟調度是研究的主要方向；文獻［8］認為直流微電網的關鍵是做好能量管理，做好微電網的電壓調整及電能質量控制。直流配電網中的直流微電網除了考慮直流微電網各主要元件的運行、控制、保護相關要求外，還需要考慮直流微電網接入直流配網的相關技術問題，包括直流變壓器的拓撲、運行控制策略、保護級差配合等內容［9-13］。本文從工程應用的角度出發，從直流微網母線拓撲結構、控制策略、保護配置三個角度，對直流配電網中的直流微電網工程主要技術難點進行研究，旨在解決工程建設過程中的實際技術問題。

1 直流母線拓撲結構

直流微電網接入直流配網的母線拓撲結構可分為對稱雙極系統、對稱單極系統和單極系統三種類型，拓撲結構如圖1所示。目前已投運或者正在建設的工程中多為單極或者對稱單極系統。根據國家標準（GB/T 35727—2017），目前國內中壓直流配電網的標稱電壓主要為±35 kV、±10 kV、±3 kV、±1.5 kV，低壓直流配電網的標稱電壓主要為電壓等級以1 500 V（±750 V）、750 V（±375 V）、220（±110 V）為主，可根據工程實際應用場景及直流負荷需求確定選擇合理的中壓直流配網以及低壓直流微電網的電壓水平。

1.1 對稱雙極系統

對稱雙極系統直流微電網與直流配網的互聯端口采用兩個相同容量的雙向DC/DC 變流器，兩者共用一極的直流母線為N。對稱雙極系統可在單機故障時，另外一極可獨立運行，供電的靈活性及可靠性高，但是該拓撲結構配置兩套電力電子變流裝置，成本相對較高，國內尚無成熟工程應用。

1.2 對稱單極系統

對稱單極系統直流變壓器沒有中性線N，直流變壓器內部采用高阻接地方式，與直流配網的互聯端口變壓器只輸出正負額定電壓，但可通過DC/DC設備為直流設備工作所需的電壓。目前國內貴州大學、東莞松山湖示范項目采用該拓撲結構。

1.3 單極系統

單極系統只配置一套電力電子變流器，一極為極間額定電壓，另一極電壓為零。目前浙江上虞示范項目采用該拓撲結構。該拓撲結構主要是考慮到項目負荷對電壓的特殊要求。

三種直流母線的拓撲結構各有優缺點，具體技術經濟比較如表1所示：

表1 三種母線結構技術經濟比較Tab. 1 Technical and economic comparison of three busbar structures

綜上所述，各種拓撲結構各有優劣，應該從工程的系統運行需求及經濟性方面進行綜合比選。從產品的成熟度及經濟性的角度，上述三種拓撲結構，對稱單極及單極供電系統的成熟度更高，工程可實施性更強。

2 直流微網控制策略

直流微電網的控制策略主要包括并網運行控制策略、離網運行控制策略以及并網轉離網、離網轉并網切換過程中的控制策略。

2.1 并網運行控制策略

在并網運行模式下，以經濟運行為評價指標，光伏發電盡量就地消納，儲能以優先滿足微電網需求為主要目標。直流配電網可通過直流變壓器對微電網進行功率支援，在不影響直流微電網穩定運行的情況下，光、儲具備對±10 kV直流配電網功率支援的功能。

并網運行控制策略往往以經濟運行為控制目標，最大化促進新能源的消納。當新能源發電量大于直流微網系統內負荷時，可采用以儲能系統為可調元件，優先在直流微網內進行消納，電量余額通過直流變壓器上網；當新能源發電量小于直流微網系統內負荷時，可通過直流變壓器對直流微網進行功率支援。

并網運行控制策略直流變壓器在定電壓或下垂控制模式，控制直流微網電壓，儲能系統在定功率運行模式，配合新能源實現動態功率平衡。

2.2 離網運行控制策略

在離網運行控制模式下，儲能系統處于下垂控制模式，控制微電網直流母線電壓，儲能根據新能源出力情況，自發進行功率輸出調節，維持系統發電功率及負荷的動態平衡。

由于當系統發生功率的功率缺額或過剩時，儲能元件的功率可調范圍受到儲能系統容量的限制，所以當功率缺額超出儲能元件的輸出范圍時，需要根據負荷分級，緊急切除部分負荷；當新能源出力超出負荷及儲能共同消納能力時，需要對新能源的出力進行限制。直流微電網的電壓控制按照0/±5%/±10%電壓波動進行分級緊急切負荷控制。

2.3 并離網運行切換策略

1）并網轉離網切換

并網轉離網運行切換，主要包計劃性運行切換及非計劃性運行切換兩種類型。

當需要設備檢修或者隔離故障時，可通過調度系統下達并網轉離網切換命令，進行計劃性并網轉離網切換，計劃性切換具體流程如圖2所示。

當中壓直流配電出現故障或者大擾動時，需要非計劃性并網轉離網運行，防止事故擴大保證電網的安全，非計劃性切換流程如圖3所示。

2）離網轉并網切換

離網轉并網均在計劃的情況下進行，通過儲能及直流變壓器的調節盡量縮小兩側的電壓偏差，當滿足合閘條件時閉合低壓側的斷路器，具體流程如圖4所示。

3 直流微網保護配置

3.1 直流測量裝置的選擇

直流微網的控制保護需要直流母線電壓及各支路電流的采樣值作為基礎，通過傳感元件處理后送給直流微電網的控制或保護裝置［14-16］。常用的低壓直流測量裝置主要包括全光纖互感器、電阻分流器、巨磁阻效應傳感器、零磁通型霍爾傳感器。由于直流電壓在正常運行及暫態過程中的工作范圍的差異，直流電壓測量裝置一般能滿足要求，然而直流電流在正常運行及系統短路的工況下可能電流值相差十幾倍，因此，直流電流測量裝置存在兼顧正常運行時小額定電流測量精度以及短路電流采樣抗飽和的雙重需求，本文主要針對目前主流的低壓直流電流測量裝置選型做了技術經濟比較，主要特性如表2所示。

從成本、測量范圍、抗飽和性幾個角度比較可知，全光纖互感器性能較好，在高壓及超高壓直流電網中應用廣泛，但是成本較為昂貴；電阻分流器和巨磁阻效應傳感器可以兼直流微網應用場景測量精度和抗飽和性，較為適用于與直流微電網的應用場景。

3.2 保護配置方案

針對第一節所述的拓撲結構，整個低壓直流微電網的保護分區均可以按照三個區域進行劃分：直流變壓器保護區、直流母線保護區、直流支路保護區。

1）直流變壓器保護區

直流變壓器保護主要針對本體的故障，采用差動保護作為主保護，過流保護、過/欠壓保護作為后備保護。此外本體電力電子器件具備元件保護，由本體自身的控保系統實現。

2）直流母線保護

直流母線配置直流母線差動保護作為直流母線的主保護、并配置直流過流保護、直流過壓/欠壓保護作為后備保護。

3）直流支路保護

表2 低壓直流電流互感器的經濟比較Tab. 2 Economic comparison of low-voltage DC current transformers

直流支路主要針對直流微網內的新能源及儲能、負荷等出線支路，配置帶方向過流保護作為主保護，配置直流過壓/欠壓保護、直流斷線保護作為后備保護。此外各支路連接負荷的DC/AC、DC/DC 整流/逆變模塊自身具備IGBT 過溫，模塊故障等本體保護功能。

4 典型案例分析

珠海唐家灣能源互聯網+示范項目在珠海清華科技園區內建設±375 V直流微電網，直流微網采用對稱單極系統，通過直流變壓器將±10 kV 降壓為±375 V 及±110 V 兩個電壓等級，直流變壓器采用雙分支結構。由于±375 V為高阻接地系統，站內配置絕緣監測裝置，用于監測低壓側的絕緣水平。

具體拓撲結構如圖5所示：

站內控制保護設備配置如下：

1）配置雙套站級直流控制保護系統，實現±10 kV側直流系統控制保護功能。

2）配置單套±375 V三端口母線控制保護系統，集成±375 V母線差動及連接支路過流保護功能。

3）直流變壓器保護集成在站級直流控制保護主機中實現，采用主要包括變壓器差動保護，各側后備過流保護。

站內直流微網的控制策略采用本文第2 節所述的控制策略，系統在運行中成功在非計劃情況下由并網運行轉為離網運行。現場由故障錄波裝置記錄的非計劃性并網轉離網波形曲線如圖6所示。

電流與電壓波形記錄工程實踐表明，本文所述并網控制策略及保護方案運行情況良好。

5 結論

本文結合工程實際經驗，從母線拓撲結構、控制策略、保護配置三個方面，針對現有直流微電網建設過程中的關鍵技術問題進行了深入的分析。首先，對三種主流直流微網母線拓撲結構進行了技術經濟比較，三種拓撲結構各有優缺點，應該根據工程應用實際需求進行選取，同等條件下選取技術成熟度更高的拓撲結構；其次，給出了直流微網并網運行、離網運行及并離網切換的詳細控制策略，為后續工程提出具體的控制方案；再次，給出直流測量裝置的選型及保護配置方案，巨磁阻效應傳感器可以兼測量精度和抗飽和性在直流微電網中具有良好的應用前景，并給出了直流保護配置方案，最后示范工程的驗證表明本方案的有效性及可推廣性。