直流配电网的继电保护系统的制作方法

本实用新型涉及直流配电技术领域，特别是涉及一种直流配电网的继电保护系统。

背景技术：

电力电子技术的进步推动了直流配电技术的发展，相较于交流配电网，直流配电网具有供电容量大，电能质量好，可靠性高，投资成本少，适于可再生能源接入等一系列优点。但相较于交流配电网成熟的继电保护技术，直流配电网保护面临着速动性不足，传统保护方案不适用等一系列的挑战。

例如，在直流配电网发生故障时，传统的保护方案如过电流、电压、微分保护等由于速动性、选择性等问题在直流配电网尤其是双端或多端直流配电网中适用性较差，而且传统保护方案在启动保护动作后，接入直流配电网的电源闲置，电能使用效率低。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种适用性强、电能使用效率高的直流配电网的继电保护系统。

一种直流配电网的继电保护系统，包括第一发电系统、电网、混合储能系统、第一电压源型换流器、第二电压源型换流器、第一断路器、第二断路器、第三断路器、第一继电保护装置和直流母线；

所述第一发电系统连接所述第一电压源型换流器，并经所述第一电压源型换流器分别与所述混合储能系统和所述直流母线连接，所述混合储能系统还与所述直流母线连接；

所述第一断路器串接在所述第一电压源型换流器与所述直流母线的连接线上，所述第二断路器串接在所述第一电压源型换流器与所述混合储能系统的连接线上，所述第三断路器串接在所述混合储能系统与所述直流母线的连接线上；

所述第一继电保护装置分别与所述第一断路器、所述第二断路器、所述第三断路器和所述直流母线连接；

所述电网连接所述第二电压源型换流器，并经所述第二电压源型换流器连接所述直流母线。

在其中一个实施例中，所述第一继电保护装置包括电流互感器、第一继电器、第二继电器、常闭开关、常开开关、跳动杆、传动杆和弹簧；

所述电流互感器分别连接直流母线和所述第一继电器，且所述电流互感器和所述第一继电器形成第一回路；

所述第二继电器分别连接所述常闭开关和所述常开开关，且所述第二继电器、所述常闭开关和所述常开开关形成第二回路；

所述传动杆分别与所述常闭开关、第一断路器、第二断路器和第三断路器连接，且所述传动杆的一端与所述跳动杆扣合连接，所述传动杆的另一端连接所述弹簧。

在其中一个实施例中，所述第一继电保护装置包括绝缘栅双极型晶体管。

在其中一个实施例中，所述第一发电系统为风力发电系统。

在其中一个实施例中，还包括第二发电系统、第三电压源型换流器、第四断路器、第五断路器和第二继电保护装置；

所述第二发电系统连接所述第三电压源型换流器，并经所述第三电压源型换流器分别与所述混合储能系统和所述直流母线连接；

所述第二继电保护装置分别与所述第四断路器、所述第五断路器和所述直流母线连接。

在其中一个实施例中，所述第一发电系统和所述第二发电系统均为风力发电系统。

在其中一个实施例中，所述第一发电系统和所述第二发电系统均为光伏发电系统。

在其中一个实施例中，所述第一发电系统为风力发电系统，所述第二发电系统为光伏发电系统。

在其中一个实施例中，所述混合储能系统包括功率型储能器件和能量型储能器件，所述功率型储能器件和所述能量型储能器件并联，所述功率型储能器件和所述能量型储能器件并联后连接所述直流母线。

在其中一个实施例中，所述功率型储能器件包括超级电容器、飞轮和超导磁储能器，所述储能器件包括锂电池、钠硫电池、液流电池和铅酸电池。

上述直流配电网的继电保护系统中，第一继电保护装置分别与所述第一断路器、所述第二断路器、所述第三断路器和所述直流母线连接，在直流配电网故障时，通过第一继电保护装置可切断第一发电系统与直流母线的连接，并闭合第一发电系统与混合储能系统的连接，从而将故障后的第一发电系统的电能存储至混合储能系统，提高了继电保护系统的适用性及电能的使用效率。

附图说明

图1为第一个实施例中的直流配电网的继电保护系统的结构示意图；

图2为一实施例中的第一电压源型换流器的电路拓扑结构示意图；

图3为一实施例中的第一继电保护系统的结构示意图；

图4为第二个实施例中的直流配电网的继电保护系统的结构示意图；

图5为第三个实施例中的直流配电网的继电保护系统的结构示意图；

图6为第四个实施例中的直流配电网的继电保护系统的结构示意图；

图7为第五个实施例中的直流配电网的继电保护系统的结构示意图；

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平”的、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，一种直流配电网的继电保护系统，该系统包括第一发电系统 100、电网200、混合储能系统600、第一电压源型换流器300、第二电压源型换流器400、第一断路器K1、第二断路器K2、第三断路器K3、第一继电保护装置500和直流母线700。其中，第一发电系统100连接第一电压源型换流器300，并经第一电压源型换流器300分别与混合储能系统600和直流母线连接700，混合储能系统600还与直流母线700连接；第一断路器K1串接在第一电压源型换流器300与直流母线700的连接线上，第二断路器K2串接在第一电压源型换流器300与混合储能系统600的连接线上，第三断路器K3串接在混合储能系统 600与直流母线700的连接线上；第一继电保护装置500分别与第一断路器K1、第二断路器K2、第三断路器K3和直流母线700连接；电网200连接第二电压源型换流器400，并经第二电压源型换流器400连接直流母线700。

本实施例中，基于上述的第一电压源型换流器300和第二电压源型换流器 400建立了两端直流配电网系统。其中，第一电压源型换流器300用于将第一发电系统100的电能转换为直流电能，并将该直流电能分别输入至混合储能系统 600和直流母线700；第二电压源型换流器400与直流母线700连接，用于将直流电能转换为交流电能，并将该交流电能馈入电网200。

其中，第一继电保护装置500分别与第一断路器K1、第二断路器K2、第三断路器K3和直流母线700连接，第一继电保护装置500的保护机制如下：在直流配电网发生故障时(如短路故障)，直流母线700上流过很大的短路电流，第一继电保护装置500检测到该短路电流后将第一断路器K1和第三断路器K3 切断，同时闭合第二断路器K2，从而避免了第一发电系统100及混合储能系统 600继续向直流母线700供电，并同时将电能输入混合储能系统600进行存储。由此可见，该第一继电保护装置500提高了直流配电网系统的适用性及电能使用效率。

在一实施例中，如图1和2所示，第一电压源型换流器300和第二电压源型换流器400具有相同的电路拓扑结构，以第一电压源型换流器300为例，其包括直流侧电路、交流侧电路和换流器310。

其中，直流侧电路和交流侧电路分别设置在换流器310两侧，直流侧电路包括与换流器310并联的电容Cl；交流侧电路包括依次串联的交流单元Vs、交流电感Lg、交流电阻Rg、滤波电感Lc和滤波电容Rc，交流电阻Rg和滤波电感 Lc之间连接对地电容Cf。

应当理解地，根据第一电压源型换流器300的电路结构及各变量参考方向，可以得到第一电压源型换流器300交流侧电路的电流动态方程：

其中，ic为连接对地电容Cf的交流侧弱电流；v0为交流电阻Rg和滤波电感 Lc之间连接对地电容Cf的接触点电压；vc为连接换流器510交流侧的电压；is为连接交流单元Vs的交流侧强电流。

在一实施例中，如图1和3所示，第一继电保护装置500包括电流互感器 TA、第一继电器KA、第二继电器KB、常闭开关S1、常开开关S2、跳动杆L1、传动杆L2和弹簧T。其中，电流互感器TA分别连接直流母线700和第一继电器KA，且电流互感器TA和第一继电器KA形成第一回路；第二继电器KB分别连接常闭开关S1和常开开关S2，且第二继电器KB、常闭开关S1和常开开关S2形成第二回路；传动杆L2分别与常闭开关S1、第一断路器K1、第二断路器K2和第三断路器K3连接，且传动杆L2的一端与跳动杆L1扣合连接，传动杆L2的另一端连接弹簧T。

本实施例中，在直流配电网正常工作时，直流母线700上流过的电流小于第一继电器KA的启动电流，第一继电器KA不动作；在直流配电网发生故障，如短路时，直流母线700上流过的电流很大，电流互感器TA上的感应电流I增大；当感应电流I大于第一继电器KA的启动电流时，第一继电器KA启动，使常开开关S2闭合，从而使得第二继电器KB受电启动，其铁芯向下吸动，使跳动杆L1跳闸(即跳动杆L1与传动杆L2由扣合状态变为分开状态)。在跳动杆 L1跳闸后，传动杆L2在弹簧T的拉力F作用下，使常闭开关S1断开、第一断路器K1断开、第二断路器K2闭合、第三断路器K3断开。

具体地，在常闭开关S1断开后，由第二继电器KB、常开开关S2和常闭开关S1组成的回路断开，第二继电器KB不动作，跳动杆L1变回初始位置，此时可通过手动操作或电动操作使跳动杆L1和传动杆L2扣合。

需要说明的是，第一断路器K1和第三断路器K3为常闭状态，第二断路器 K2为常开状态，直流配电网正常工作时，第一断路器K1和第三断路器K3闭合，第一发电系统100与直流母线700连通，混合储能系统600与直流母线700连通；直流配电网发生短路故障时，第一断路器K1和第三断路器K3在传动杆L2 的作用下断开，第一发电系统100与混合储能系统600均与直流母线断开连接，而此时第二断路器K2在传动杆L2的作用下闭合，第一发电系统100与混合储能系统连通。因此，该第一继电保护系统500不仅实现了直流配电网的短路故障的保护，而且在发生短路故障后将第一发电系统100的电能输入至混合储能系统600进行储能，提高了电能利用率。

在一实施例中，第一继电保护装置500包括绝缘栅双极型晶体管。

本实施例中，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，是由BJT(Bipolar Junction Transistor，双极型三极管)和MOS(Metal Oxide Semiconductor，绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其兼有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)的高输入阻抗和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

在一实施例中，如图4所示，第一发电系统100为风力发电系统。

在一实施例中，如图5所示，直流配电网的继电保护系统还包括第二发电系统900、第三电压源型换流器800、第四断路器K4、第五断路器K5和第二继电保护装置1000。其中，第二发电系统900连接第三电压源型换流器800，并经第三电压源型换流器800分别与混合储能系统600和直流母线700连接；第二继电保护装置1000分别与第四断路器K4、第五断路器K5和直流母线700连接。

本实施例中，第二继电保护装置1000的结构和第一继电保护500的结构相似，在此不再赘述。需要说明的是，第四断路器K4为常闭状态，第五断路器 K5为常开状态，在直流配电网发生故障时(如短路故障)，直流母线700上流过很大的短路电流，第二继电保护装置1000检测到该短路电流后将第四断路器 K4切断，同时闭合第五断路器K5，从而避免了第二发电系统900继续向直流母线700供电，并同时将电能输入混合储能系统600进行存储。

一实施例中，参见图5，第一发电系统100和第二发电系统900均为风力发电系统。

需要说明的是，由于风电场的输出功率具有随机性和波动性，大规模风电并网，会对电网造成冲击，影响系统安全可靠运行。而本实施例的混合储能系统600能够实现电能的时空平移，在发电侧配置混合储能系统600能够平抑风电功率波动，减少系统旋转备用(特指运行正常的发电机加出力至额定容量的发电机组，以各时段内最大需求的百分比形式给出的容量)，提高电网接纳风电能。

一实施例中，如图6所示，第一发电系统100和第二发电系统900均为光伏发电系统。

具体地，该光伏发电系统包括光伏阵列110和DC/AC逆变器120，光伏阵列110连接DC/AC逆变器120。

需要说明的是，光伏阵列110输出的是直流电流，该直流电流需经过DC/AC 逆变器120转变为交流电流输出，而DC/AC逆变器120的输出端连接第一电压源型换流器300的交流侧电路，已将转换后的交流电流输入至第一电压源型换流器300，最终通过第一电压源型换流器300的直流侧电路输入至直流配电网系统。

具体地，参见图6，光伏发电系统还包括MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制器130。该MPPT控制器130连接光伏阵列110，能够实时侦测光伏阵列110的发电电压，并追踪最高电压电流值，使系统以最大功率输出对混合储能系统600充电或给电网200供电。

一实施例中，如图7所示，第一发电系统100为光伏发电系统，第二发电系统900为风力发电系统。

本实施例中，同时接入风力发电系统和光伏发电系统，并配合混合储能系统600，提高了能量转换效率，避免了资源的浪费。

一实施例中，混合储能系统600包括功率型储能器件和能量型储能器件。其中，功率型储能器件和能量型储能器件并联，功率型储能器件和能量型储能器件并联后连接直流母线700。

一实施例中，功率型储能器件包括超级电容器、飞轮和超导磁储能器；储能器件包括锂电池、钠硫电池、液流电池和铅酸电池。

上述直流配电网的继电保护系统中，第一继电保护装置500分别与第一断路器K1、第二断路器K2、第三断路器K3和直流母线700连接，在直流配电网故障时，通过第一继电保护装置500可切断第一发电系统100与直流母线700 的连接，并闭合第一发电系统100与混合储能系统600的连接，从而将故障后的第一发电系统100的电能存储至混合储能系统600，提高了继电保护系统的适用性及电能的使用效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。