[发明专利]基于转换器的DC配电系统中的故障保护

说明书

一种用于保护直流(DC)电力配电系统的方法和装置，该系统包括通过DC母线连接的一个或多个AC/DC转换器和/或一个或多个DC/DC转换器以及一个或多个负载。一种响应于检测到系统中某处的故障而执行的示例性方法，该方法开始于限制转换器中的一个或多个中的每一个的输出电流，使得限制的转换器中的每一个输出处于或大约为相应预定电流电平的经限制DC电流。在一个或多个转换器的电流执行已经发生之后，系统中的一个或多个保护设备被激活，其中，激活至少部分地取决于处于或大约为预定故障电流电平的经限制DC电流。

技术领域

本公开涉及直流(DC)电力配电系统，并且具体地涉及用于管理这样的系统中的的故障的技术。

背景技术

近来对电子开关的电力处理能力和能量密度的改进促进了直流 (DC)电力配电系统的发展。图1是示例性DC配电系统的示意图，其中DC配电网络经由适当的电力传输和转换接口被连接到传输系统。存在通过转换器或线路连接到每个母线的交流(AC)发电、DC 分布式发电(DG)、能量存储(ES)和负载子系统。在图1中标识为DC1、DC2等的各种DC母线通过分支(架空线或电缆)或转换器彼此连接。

图1中示出了多个转换器，包括AC/DC转换器110和DC/DC转换器120。为了本公开的目的，这些类型中的任何一个的转换器在本文中可以被简称为DC转换器，意味着转换器至少具有DC电力接口。应当理解，这些转换器根据其特定应用相对于电力流可以是单向或双向的，并且可以具有若干已知设计中的任何一个。

如图1所示，一组设施可以被连接到任何特定DC母线。系统通常被设计成使得能够从一个或若干替代的DC母线提供对任何特定负载组的电力供应，以满足系统的可靠性要求。该系统包括若干保护设备，诸如DC开关130。通常，在每个DC母线旁边安装至少一个保护设备，以隔离DC母线或下游分支上的故障。

如图1所示的DC配电系统及其变体可以在DC配电网络、DC 工业系统、DC可再生能量收集系统、DC船用电力系统、DC数据中心、DC建筑系统等中使用。DC配电系统可以被耦合到一个或多个AC传输系统和/或AC配电系统。

美国和世界各地的电力公司目前正在升级他们的AC配电系统，以通过实现增强的监视、配电自动化和控制解决方案来简化和自动化系统操作。从许多公司在其对所谓的智能电网的路线图中所指示的，从配电系统操作立场的最终目标是实现智能的自修复电网。这些电网应该能够自动隔离永久故障和自动系统重新配置，以通过在中断的情况下将受影响的客户切换到替代电源来快速恢复对尽可能多的客户的供电。

可以通过添加各种智能传感器、将传感器和仪表数据集成到决策过程中并且使用高级混合(有线/无线)通信基础设施来实现自动故障定位、隔离和负载恢复方案，来在配电管理系统(DMS)框架内实现这个目标。

当试图将这些自动故障隔离和恢复技术应用于DC配电系统时，会出现一些问题。由于这些系统中的小电阻和缺少电感，当发生DC 故障时，DC故障电流的上升速率相当快，并且峰值故障电流非常高。通常，DC故障电流可以在非常短的时间内达到其峰值电流。快速升高造成难以进行故障隔离，并且高DC故障电流可能损坏受保护的 DC配电系统中的设施。

在基于转换器的DC配电系统中，由于设施或设备的操作限制而导致无法长时间允许大的故障电流。例如，可以允许流动通过功率电子开关的最大电流受其安全操作区域(SOA)的限制。图2示出了功率电子开关的典型SOA，如在其设备数据表中可以找到的。在边界内的任何操作是安全的并被允许，边界由图中的粗体线指示为1)当前边界；2)热边界；3)二次击穿边界；4)电压边界)。除了二次击穿边界之外，对于所有功率电子开关存在所有四个边界。

需要特定于DC配电系统中出现的问题的改进的用于故障隔离和恢复的技术。

发明内容

本公开的技术的实施例通过使用故障检测、故障电流限制、故障定位以及故障隔离和重新配置的各种组合来提供对基于转换器的DC 配电系统的系统保护。