基於轉換器的DC配電系統中的故障保護的製作方法

2023-07-30 10:12:01 2

本公開涉及直流(dc)電力配電系統，並且具體地涉及用於管理這樣的系統中的的故障的技術。

背景技術：

近來對電子開關的電力處理能力和能量密度的改進促進了直流(dc)電力配電系統的發展。圖1是示例性dc配電系統的示意圖，其中dc配電網絡經由適當的電力傳輸和轉換接口被連接到傳輸系統。存在通過轉換器或線路連接到每個母線的交流(ac)發電、dc分布式發電(dg)、能量存儲(es)和負載子系統。在圖1中標識為dc1、dc2等的各種dc母線通過分支(架空線或電纜)或轉換器彼此連接。

圖1中示出了多個轉換器，包括ac/dc轉換器110和dc/dc轉換器120。為了本公開的目的，這些類型中的任何一個的轉換器在本文中可以被簡稱為dc轉換器，意味著轉換器至少具有dc電力接口。應當理解，這些轉換器根據其特定應用相對於電力流可以是單向或雙向的，並且可以具有若干已知設計中的任何一個。

如圖1所示，一組設施可以被連接到任何特定dc母線。系統通常被設計成使得能夠從一個或若干替代的dc母線提供對任何特定負載組的電力供應，以滿足系統的可靠性要求。該系統包括若干保護設備，諸如dc開關130。通常，在每個dc母線旁邊安裝至少一個保護設備，以隔離dc母線或下遊分支上的故障。

如圖1所示的dc配電系統及其變體可以在dc配電網絡、dc工業系統、dc可再生能量收集系統、dc船用電力系統、dc數據中心、dc建築系統等中使用。dc配電系統可以被耦合到一個或多個ac傳輸系統和/或ac配電系統。

美國和世界各地的電力公司目前正在升級他們的ac配電系統，以通過實現增強的監視、配電自動化和控制解決方案來簡化和自動化系統操作。從許多公司在其對所謂的智能電網的路線圖中所指示的，從配電系統操作立場的最終目標是實現智能的自修復電網。這些電網應該能夠自動隔離永久故障和自動系統重新配置，以通過在中斷的情況下將受影響的客戶切換到替代電源來快速恢復對儘可能多的客戶的供電。

可以通過添加各種智能傳感器、將傳感器和儀表數據集成到決策過程中並且使用高級混合(有線/無線)通信基礎設施來實現自動故障定位、隔離和負載恢復方案，來在配電管理系統(dms)框架內實現這個目標。

當試圖將這些自動故障隔離和恢復技術應用於dc配電系統時，會出現一些問題。由於這些系統中的小電阻和缺少電感，當發生dc故障時，dc故障電流的上升速率相當快，並且峰值故障電流非常高。通常，dc故障電流可以在非常短的時間內達到其峰值電流。快速升高造成難以進行故障隔離，並且高dc故障電流可能損壞受保護的dc配電系統中的設施。

在基於轉換器的dc配電系統中，由於設施或設備的操作限制而導致無法長時間允許大的故障電流。例如，可以允許流動通過功率電子開關的最大電流受其安全操作區域(soa)的限制。圖2示出了功率電子開關的典型soa，如在其設備數據表中可以找到的。在邊界內的任何操作是安全的並被允許，邊界由圖中的粗體線指示為1)當前邊界；2)熱邊界；3)二次擊穿邊界；4)電壓邊界)。除了二次擊穿邊界之外，對於所有功率電子開關存在所有四個邊界。

需要特定於dc配電系統中出現的問題的改進的用於故障隔離和恢復的技術。

技術實現要素：

本公開的技術的實施例通過使用故障檢測、故障電流限制、故障定位以及故障隔離和重新配置的各種組合來提供對基於轉換器的dc配電系統的系統保護。

具體實施例包括用於保護直流(dc)電力配電系統的若干方法，該dc電力配電系統包括一個或多個負載、一個或多個dc母線和一個或多個轉換器，其中一個或多個轉換器包括一個或多個ac/dc轉換器和/或一個或多個dc/dc轉換器。響應於系統中某處的故障的檢測而執行的示例性方法開始於限制一個或多個轉換器中的每一個的輸出電流，使得限制轉換器中的每一個輸出處於或大約相應的預定電流電平的限制dc電流。在一個或多個轉換器的電流限制已經發生之後，激活系統中的一個或多個保護設備，其中激活至少部分地取決於處於或大約預定電流電平的限制dc電流。

在一些實施例中，激活一個或多個保護設備是多步驟過程，其包括基於對dc母線上的電流的測量來識別檢測到的故障的位置，以及基於所識別的檢測到的故障的位置來斷開系統中的一個或多個dc開關。位置的識別至少部分地取決於限制dc電流處於預定電流電平或在預定電流電平左右；

在其他實施例中，激活一個或多個保護設備包括自動斷開一個或多個保護設備，其中每個保護設備的斷開基於相應的設備電流超過至少一個相應閾值達相應時間段，並且其中閾值基於預定電流電平。

可以在系統中或附連到系統的一個或多個控制單元中實現用於保護直流(dc)電力配電系統的另一示例性方法，該dc電力配電系統包括一個或多個負載、一個或多個dc母線和一個或多個轉換器，其中一個或多個轉換器包括一個或多個ac/dc轉換器和/或一個或多個dc/dc轉換器。該示例性方法包括：接收dc母線電流的測量；接收系統中的故障的指示；基於dc母線電流的測量來識別所指示故障的位置；以及基於所識別的所指示故障的位置，斷開系統中的一個或多個dc開關。再次，故障位置的識別至少部分地取決於dc轉換器中的至少一個的預定的經限制dc電流電平；

本文描述的系統和技術的其他實施例包括直流(dc)電力配電系統，其包括多個dc母線，每個dc母線直接地或通過與一個或多個電源和一個或多個負載相關聯的轉換器通過分支和轉換器被連接，其中轉換器中的至少一個是ac/dc轉換器或dc/dc轉換器，其可操作為響應於故障的檢測或在控制器的控制下產生處於或大約為預定的經限制dc電流電平的相應轉換器電流。這些系統進一步包括一個或多個dc開關，其中每個dc開關可操作為斷開至少dc母線或dc分支的至少一部分；以及控制器電路。控制器電路被配置為接收dc母線電流的測量，接收系統中的故障的指示，基於dc母線電流的測量來識別所指示故障的位置，以及基於所標識故障的所指示的位置斷開dc開關中的一個或多個。控制器對故障位置的識別至少部分地取決於，對於dc轉換器中的至少一個，轉換器電流處於或大約為相應的預定的經限制dc電流電平。

在閱讀下面的詳細描述並且查看附圖時，本領域技術人員將認識到其他實施例以及這些實施例中的幾個的附加特徵和優點。

附圖說明

附圖中的組件不必要按比例，而是強調說明本發明的原理。此外，在附圖中，相同的附圖標記表示相應的部件。在附圖中：

圖1是示出可以應用本公開的技術的示例性dc配電系統的示意圖。

圖2示出了用於功率電子開關的典型安全操作區域(soa)。

圖3示出了用於dc系統保護方案的集中式架構。

圖4示出了用於dc系統保護方案的分布式架構。

圖5示出了dc系統中的故障之後的電流方向的改變。

圖6是示出用於dc系統中的系統保護的示例性方法的過程流程圖。

圖7a和7b分別示出了具有和不具有故障電流限制的典型故障電流和故障電壓。

圖8示出了具有恆定故障電流限制功能的轉換器的示例性v-i特性。

圖9示出了不同轉換器之間的保護協調的示例。

圖10示出了轉換器和保護設備之間的保護協調的示例。

圖11是示出用於保護直流(dc)電力配電系統的示例性方法的過程流程圖。

圖12是示出用於保護直流(dc)電力配電系統的另一示例性方法的過程流程圖。

圖13示出根據本發明的一些實施例配置的示例性控制器電路。

具體實施方式

在隨後的權利要求和討論中，諸如「第一」、「第二」等術語用於在若干相似的元件、區域、部分等之間進行區分，並且不旨在暗示特定的順序或優先級，除非上下文另有明確指示。此外，如本文所使用的，術語「具有」、「包含」、「包括」等是開放式術語，其指示所述元件或特徵的存在，但不排除其他元件或特徵。同樣，單數冠詞「一」、「一個」和「該」的使用不意在排除其他所引用項目的存在。在整個說明書中，相同的術語指代相同的元件。

當在包括一個或多個dc轉換器的dc配電中存在dc故障時，源轉換器的自保護可以採取動作並且限制流向或來自轉換器的故障電流，以避免對轉換器中的功率電子開關的損壞。儘管存在使用外部設備或內部設備來限制dc電力系統中的故障電流幅度的各種措施，但是基於轉換器的dc配電系統中最方便的故障電流限制(fcl)設備是轉換器本身。轉換器控制確保fcl功能的快速動作。

在常規保護系統中，通過保護設備的協調來管理保護選擇性。這些保護設備的操作可以通過在不同位置處的故障特徵(諸如上遊和下遊分支的不同故障電流幅度)之間進行區分來協調。在dc配電系統中，如果故障電流由於安全要求而被限制，則確保保護設備的及時和選擇性跳閘成為技術挑戰。因此，需要以替代方式實現及時故障隔離和保護選擇性。

已經提出和/或正在操作用於hvdc系統的若干不同的保護策略。多數取決於dc斷路器，這在當今的技術是昂貴的。

由l.tang和b.ooi在「locatingandisolatingdcfaultsinmulti-terminaldcsystems」，ieeetrans.onpowerdelivery：vol.22，no.3，2007年7月中描述的一種hvdc保護方案採用ac斷路器來切斷故障電流，採用空載dc開關來斷開受影響的dc線路，以及用於在相鄰轉換器和空載dc開關之間交換信息的握手技術。然而，這些系統中的ac斷路器需要等待直到過零點以切斷故障電流。此外，由於零電流而導致故障後的恢復需要電纜充電。

由卡爾巴克在「hvdcasbulkpowertransfersystem」，supergenwind5thtrainingseminar，2011年3月(可從http://www.supergen-wind.org.uk/presentations.html獲得)描述的另一方法採用全橋ac/dc轉換器和快速隔離開關用於多端子hvdc傳輸系統。根據巴克的演示，可以通過首先使用全橋轉換器限制來自ac源的故障電流，並且然後使用快速開關使故障電纜與系統隔離，來在大約30-40毫秒內隔離dc電纜上的故障。根據該方法的完整的多端子hvdc系統恢復花費大約300-400毫秒。

根據又一方法，如歐洲專利申請ep1914162a1所示，對於直流船用電力系統，中壓dc(mvdc)保護方案採用折返式電流限制轉換器、近零電壓和電流dc開關以及諸如熔斷器的其他保護設備。

儘管上述三種方法各自在各種類型的dc系統中提供某種程度的保護，但是對於可能具有網狀網絡結構的基於轉換器的dc配電系統來說，仍然需要具體的保護概念和算法。

以下詳細描述的技術、裝置和系統通過使用故障檢測、故障電流限制、故障定位以及故障隔離和重新配置的各種組合來提供對基於轉換器的dc配電系統的系統保護。這些技術能夠用於保護dc配電系統，包括低壓dc(lvdc)和中壓dc(mvdc)配電系統。根據各種實施例，如下面詳細描述的，可以通過下述中的一個或多個來實現dc保護：1)由轉換器進行故障檢測和fcl；2)快速故障定位和最小受影響區域的識別；以及3)快速故障隔離和通過dc開關的系統重新配置。如將看到的，這些技術可以用於克服若干問題，其中一些特定於dc配電系統，包括當dc系統中需要fcl時失去保護選擇性；由於大或廣泛的受影響區域而導致降低了系統可靠性；以及基於高成本的dc斷路器的昂貴的dc保護系統。

本文所描述的dc保護系統的若干實施例包括三個特徵：

1)在一個或多個源轉換器單元中的每一個處的fcl功能。在一些實施例中，故障電流能夠通過集成到源轉換器中的fcl功能來被限制。這些源轉換器可以包括連接到ac源的ac/dc整流器或連接到dc源的dc/dc轉換器。

2)在直流配電系統中的適當位置處的dc開關。dc開關在低負載電流處提供快速斷開/閉合操作，並且提供電流故障隔離。

3)集中式和/或分布式控制系統。在一些實施例中，在轉換器控制、控制單元和dc開關之間存在通信。在每個dc分支和轉換器處測量dc電流、電流導數和電壓。這些電信號、轉換器控制狀態和dc開關的「斷開/閉合」狀態被收集並發送到相關控制單元。

如上所述，保護方案可以基於若干不同架構中的任何一個。在一些實施例中，例如，存在一個集中式單元，其可以位於一個dc母線處。在其他實施例中，可以存在位於若干不同dc母線中的每一個處的多個分布式單元。dc母線控制單元可以被集成到現有系統的部件中，或者可以採取附加功能或全新的控制單元的形式。

圖3示出了示例性系統保護方案的集中式架構。這可以例如應用於小型dc船用電力系統，其中具有故障保護功能的控制單元310被實現為對現有集中式電力和能量管理系統(pems)的附加物。在集中式架構中，信息在中央控制單元310和所公開的保護系統的基本元件之間交換，所公開的保護系統包括一個或多個dc轉換器110、120以及一個或多個開關130。

另一方面，圖4示出了具有分布式架構的系統的示例。在分布式架構中，信息在位於系統的dc母線中的一個或多個處的分布式控制單元410和連接到dc母線的元件之間交換，連接到dc母線的元件包括一個或多個dc轉換器110、120和一個或多個開關130。分布式控制單元410中的每一個在相鄰dc母線處被連接到相鄰控制單元410中的一個或多個。對於大型和更通用的網狀dc配電網絡，每個dc母線可以是現有變電站。這種系統中的控制單元401可以被實現為對現有變電站控制單元的附加物。在一些情況下，例如，如果在子系統內的相鄰dc母線之間的信息交換不足以確定故障區域和最小受影響區域，則分布式控制單元410中的一個可以用作主控制單元。

圖6所示的過程流程圖示出了在根據本公開的技術操作的系統中執行的操作，不論該系統使用分布式還是集中式控制架構。

首先，如框610處所示，檢測故障。在根據當前公開的技術布置的基於轉換器的dc電力系統中，由每個轉換器測量和監視電流、電流導數和電壓。當dc故障發生時，高電流、高電流導數和/或低電壓的存在指示dc故障的存在。

在檢測到故障時，對檢測到故障的源換流器的控制立即啟用轉換器的fcl功能，其將來自源的故障電流貢獻限制為預定電平。這在框620處示出。因此，將受保護的dc配電系統中的故障電流控制到小於標稱電流電平但高於零的電平。經限制故障電流低得足以不會在dc網絡中產生任何電弧閃絡，但是高得足以不會在dc電流傳感器中產生任何困難。

根據轉換器的具體類型，能夠採用不同的fcl技術。例如，在基於晶閘管的電流源轉換器中，可以增加晶閘管的觸發角以限制故障電流。對於電壓源轉換器，可以將晶閘管插入故障路徑中以減少故障電流。對於某些類型的電壓源轉換器，諸如全橋級聯多電平轉換器，轉換器拓撲本身允許直接控制以減少故障電流。

在檢測到故障並且受保護的dc配電系統中的故障電流被限制之後，執行控制單元310或控制單元410中的故障識別算法以識別故障區域，其可以是一件設備、dc母線、分支或一組設備。這在框630處示出。關於電壓、電流和/或電流導數的過去和當前的測量數據是對故障識別算法的輸入。注意，當前測量數據包括直接受一個或多個轉換器故障電流影響的測量，其已經被限制為相應的預定電平。

可以僅使用局部測量來快速地識別一些故障區域。在這種情況下，可能在沒有與相鄰控制單元的任何通信的情況下，故障識別可以在使用分布式控制架構的系統中由各個分布式控制單元執行。例如，差分保護算法可以用於基於對流入和流出特定母線的所有局部電流的非零求和的檢測來快速定位任何dc母線故障。作為另一示例，高電流導數可以用於識別非常接近測量點的線路故障。

在一般的dc分布式系統中，可以使用系統級測量來在短時間內識別許多故障區域。例如，可以基於已知的系統拓撲和測量的電流流動方向和/或不同位置處的電流流動方向的變化，使用故障跟蹤算法來在短時間內找到故障分支。再次，應當理解，故障之後測量的電流流動方向將包括對至少部分地由被限制為相應預定電平的轉換器故障電流組成的電流的測量。該方法在圖5中示出，圖5示出了示例性系統中的故障前後的電流流動。在故障之後，來自所有源的所有電流(包括來自dc轉換器的經限制故障電流)流向故障位置。因此，來自所有源的所有不同電流流動路徑中的公共分支指示故障位置。注意，諸如故障跟蹤算法的系統級或網絡級故障識別算法可以用作對一個或多個局部故障識別算法的備份。因此，系統可以利用同時操作的多個故障識別算法。

一旦識別出故障區域，就實現快速故障隔離和快速系統重新配置算法以最小化故障影響。這在圖6的框640處示出。故障隔離算法被實現為確保高系統安全性和安全要求。例如，當在dc母線上識別故障時，連接到該dc母線的所有連接線路和分支dc開關被斷開，以使故障dc母線與dc電力系統的其餘部分隔離。當在dc分支或線路上識別到故障時，緊接故障位置上遊的dc開關或故障線路兩端的dc開關被斷開，以使故障分支與系統的其餘部分隔離。通過所實現的快速故障隔離和重新配置算法，由於系統可靠性要求或諸如最小經濟損失的其他要求而可以得到最小故障影響區域。受保護的dc配電系統的自愈還可以至少部分地通過重新配置考慮來實現。例如，故障區域中的一些設施可以通過替代路徑被重新連接到系統的健康部分，以確保連續的電力供應。

在確定用於故障隔離和重新配置的必要動作之後，將控制命令發送到相關dc開關以將最小故障影響區域與系統的其餘部分斷開，如框650所示。dc配電系統的其餘部分中的源轉換器可以停用其fcl功能；這可能不被允許，直到在某些系統中檢測到某些電壓恢復之後。現在，最小受影響區域與系統的其餘部分隔離。系統的其餘部分中的電壓逐漸恢復，並且系統的其餘部分恢復正常操作。

根據系統或部件容差能力，所公開的保護的每個步驟處的消耗時間應當是不同的。例如，如果系統具有許多旋轉負載，則部件和系統容差高，並且允許的故障清除時間可以是幾百毫秒。這不難通過所公開的保護方法來實現。如果系統具有高可靠性要求，則允許的故障清除時間可以是幾十毫秒，這對於低負載dc開關是最具挑戰性的。這將很可能需要基於快速功率電子的技術。

在前面的描述中，假設在受保護的dc配電系統中發生了永久故障。另一方面，如果故障是暫時故障，則系統電壓通過來自源轉換器的殘餘故障電流逐漸恢復到其正常水平，並且低電壓用於指示故障存在的消失。在這種情況下，然後將中斷所公開的dc故障保護和定位方法的執行。如果轉換器控制和dc開關已經採取動作，則這些動作將反轉。受保護的系統恢復正常操作。

圖7a和圖7b分別示出了沒有故障保護和具有所公開的保護方法的系統電流和相應電壓的示例。在來自dc轉換器的故障電流被限制為低電平的情況下，dc故障對受保護系統的損壞是有限的。因此，經限制電流向控制單元提供足夠的時間來確定最小故障影響區域和系統重新配置，而不會對所連接的公共傳輸系統的穩定操作和受保護dc配電系統的容差(包括各種類型的負載的所需容差)產生不利影響。在故障電流被限制的情況下，對保護設備的技術要求大大降低。可以以低成本實現dc開關的快速「斷開/閉合」。因此，所公開的保護技術的特徵還可以在於，通過快速故障檢測、快速故障識別以及快速故障隔離和重新配置動作的快速故障消除和快速系統恢復。

給出上述具體示例，將理解用於dc配電系統的保護系統可以包括下述操作特徵中的任何一個或全部：

1)通過轉換器的故障檢測和控制單元中的保護功能，例如，根據：

a.高電流導數或高電流；

b.低電壓；和

c.以上的任何組合或其他故障特徵。

2)在檢測到故障的每個源轉換器處的故障電流限制(fcl)；

3)用於識別故障區域的故障識別；

4)用於最小化故障影響的故障隔離和重新配置；

5)快速「斷開/閉合」dc開關並去激活源轉換器的fcl以隔離故障並重新配置受保護系統的保護動作；

同樣，這種保護系統可以包括下述部件中的任何一個或全部：

1)一個或多個控制單元，用於：

a.收集和存儲過去和當前的電壓、電流、電流導數、其他故障特徵、轉換器控制和dc開關的狀態；

b.根據差分保護和跟蹤算法確定故障定位；

c.根據故障位置和系統可靠性確定最小故障影響區域；

d.向轉換器和dc開關發出命令以隔離故障並重新配置受保護系統；

2)源轉換器，被配置為：

a.來自源的快速限制故障電流貢獻；

b.與中央和/或局部控制單元通信。

3)dc開關：

a.能夠在低負載電流下快速斷開和閉合；並且

b.被控制為中央和/或局部控制單元通信。

應當理解，這些控制單元可以根據集中式架構來實現，特徵在於在具有系統級轉換器的中央控制單元和dc開關之間的集中式控制單元和通信系統。替代地，控制單元可以根據分布式架構來實現，包括在dc母線處的分布式控制單元和通信系統，該通信系統將dc母線處的控制單元與連接到dc母線以及相鄰控制單元之間的轉換器和dc開關連結。

所公開的保護系統和技術可以用於保護dc配電系統，包括lvdc和mvdc配電系統。這些技術避免了在dc系統中需要fcl時的失去保護選擇性，並且通過最小化受影響區域並通過系統重新配置支持自恢復來提供改進的系統可靠性。這些技術也比那些取決於成本高的dc斷路器的技術更具成本效益。故障電流限制和快速dc保護減少了在裝備和dc網絡上的高故障電流的不利影響，同時基於處於預定故障電流電平的轉換器故障電流的存在來提供快速和準確的故障定位。這些技術提供對不同系統配置的適應性保護——當系統配置改變時，不需要針對每個dc開關的適應性設置。

快速系統隔離和重配置動作通過將故障電流限制為低但非零值來實現，其使得快速dc開關「斷開」，而不需要額外的dc電纜再充電。通過採用現有轉換器控制、現有的中央控制單元和低負載dc開關來促進成本節約。

應當理解，所公開的技術可以被擴展為處理多個dc故障位置。可以識別多個故障區域，並且能夠確定多個受影響的區域以最小化不同子系統內的故障影響。所公開的技術能被擴展為ac/dc混合應用，其中由於通過轉換器的故障電流限制而導致失去及時故障隔離和保護協調。對於具有徑向類型拓撲的dc配電系統，可以容易地識別故障位置，並且因此將大大減少通信需求。

在上述保護系統中，假設控制系統(不論是集中式還是分布式)執行故障識別過程，並且基於故障識別結果來決定要激活哪些保護設備(例如，開關)。另一方法(其各方面可以與前一方法組合)用於響應於檢測到的故障來在系統中提供一個或多個保護設備的自動跳閘。這些保護設備可以被協調，使得針對給定故障激活最小數目的保護設備，由此最小化受影響區域。該協調能夠在考慮到由dc轉換器供應的轉換器故障電流的情況下被計劃。

利用這種方法，與dc保護相關的設施/設備包括具有故障電流限制(fcl)能力的轉換器以及低故障電流保護設備，諸如低電流dc斷路器(dccb)、熔斷器等。轉換器應具有故障隔離能力和用於電流隔離的空載dc開關。在相同位置和/或不同位置處的保護設備和轉換器之間提供保護協調。在一些情況下，可能不存在所涉及的單獨的保護設備，其中協調替代地在多個轉換器之間。

如上所述，當存在故障時，轉換器的fcl操作被激活。為了協調轉換器和保護設備，故障電流應當被控制到預定的低電平(但非零)恆定電流。圖8示出了具有恆定fcl功能的轉換器的示例性v-i特性。v0和i0分別是標稱電壓和電流電平。imax是允許通過轉換器的最大電流。在該轉換器中，故障電流可以被控制為兩個不同的恆定電平is和il中的任何一個，二者都小於最大允許電流。根據要協調的上遊和下遊保護設備，恆定電流可以高於或低於其標稱電流。is是具有短時間延遲的恆定電流電平，而il是較低的恆定電流電平，具有長的時間延遲。在故障發生後，轉換器檢測故障並開始其fcl操作，如圖8所示，其中故障電流首先被限制到較高電平(il)達第一相對短的持續時間，並且然後被限制到較低電平(is)達較長持續時間。

對於諸如熔斷器、dccb的保護設備，可以存在用於使故障跳閘的設置的三個電平。三個電平對應於將使得設備瞬時、在短的時間延遲之後以及在長的時間延遲之後跳閘(即，斷開)的電流電平。傳統時間-電流曲線(tcc)用於確定三個不同電流電平處的跳閘時間。

如上所述，對於具有fcl實現的轉換器，在fcl的轉換器控制中可能僅存在設置的兩個電平，對應於短的時間延遲和長的時間延遲。應當選擇轉換器的延遲，以實現在下遊和上遊保護設備之間的保護協調。為了確保選擇性，時間延遲應當比下遊保護設備的相應短/長的時間延遲更長，並且比上遊保護設備的時間延遲更短。

如上所述，分布式發電系統可以在不同的位置處被連接到dc配電系統。當存在故障時，來自分布式發電機的電流貢獻可能違反上遊和下遊分支中的不同電流幅度的辨別規則。因此，諸如二極體的阻斷電路通過分布式資源來實現，以防止故障期間的反向電流流動。這些阻斷電路在檢測到故障之後立即被激活。

圖9示出了示例性配置中的上遊和下遊轉換器之間的協調。直豎線指示恆定電流設置和相應的時間延遲設置。在該示例中，下遊轉換器系統conv2具有較低的恆定電流設置ic2s和ic2l以及較短的短/長的時間延遲t2和t4，而上遊轉換器系統conv1具有較高的恆定電流設置ic1s和icll和較長的短/長時間延遲t3和t5。這些設置被嵌入到convl和conv2的轉換器控制中。

下遊和上遊轉換器的不同電流設置是由於連接到下遊和上遊母線的其他源/負載而導致的。如果不存在連接到母線的其他源/負載，則下遊和上遊轉換器的電流設置相同。在這種情況下的保護選擇性可以通過協調下遊和上遊轉換器的不同時間延遲來實現。該協調方案還可以應用於新的dc保護設備，其不使用傳統的時間-電流曲線(tcc)來確定不同故障電流電平處的響應時間。

圖10示出了包含兩個轉換器(conv1和conv2)和兩個保護設備(prot1和prot2)的分支上的瞬時和短時間延遲協調。兩個保護設備通過反向時間-電流曲線(tcc)來實現。轉換器和保護設備的位置也在圖中示出。prot2、conv2、prot1和conv1從下遊至上遊順序地被定位。

當在prot2以下並接近prot2存在故障，並且如果故障電流非常高，則在fcl生效之前，prot2(可以是快速熔斷器)可以非常快地跳閘，如超過點e所指示的。類似地，如果故障低於並接近protl，則protl將如超過點f所示跳閘。在轉換器fcl在t1處採取動作之後，在不同位置處看到的電流被限制為不同的固定值，如圖10中的直豎線。conv1/conv2的電流限制電平在電c/a和d/b之間進行選擇。點d/b指示短的時間延遲操作中的prot1/2的時間下限和電流上限，這是通過conv1/2的恆定電流限制來確定的。點c/a指示prot1/2的時間上限和電流下限，這是通過conv1/2的短的時間延遲來確定的。因此，prot1/2能夠在[c,d]/[a,b]之間的其tcc上以短時間延遲來跳閘，如紅色和橙色的直點線所述。類似地，如圖所示，prot1/2還可以在[g,h]/[i,j]之間以長的時間延遲來操作。以該方式，在轉換器和保護設備之間的選擇性協調在沒有任何通信的情況下被實現。

給定以上關於圖8-10詳細描述的示例，應當理解，根據該第二通用方法的dc配電系統的保護系統可以包括下述操作特徵中的任何或全部：

1)dc保護協調，如圖9和圖10所示，包括：

a.轉換器在故障處的恆定故障電流限制；以及

b.在轉換器控制和直流保護設備之間的協調；和/或

c.不同轉換器控制之間的協調；

2)dc保護設備，支持在dc電流傳感器的容差範圍內的低電流電平時的快速故障隔離。

3)dc轉換器系統，包括：

a.恆定故障電流限制控制；

b.故障電流隔離設備；

c.用於電流隔離的dc空載開關。

因此，可以使用下述來實現dc保護：1)成本有效的dc保護設備；2)具有fcl和故障隔離的轉換器控制；3)以及不同類型的dc保護設備之間的保護協調。該方法克服了當在dc系統中實現fcl時可能以其他方式發生的丟失保護可靠性和選擇性，並且克服了在實現不同類型的dc保護設備時在保護協調中的困難。該方法的另一優點是其減少了對在dc配電系統的部件之間的通信的依賴性。該方法還通過採用現有的轉換器控制能力和具有降低的dc電流滅弧要求的dccb來提供成本節約。該方法還可以以與先前概述的第一方法(具有故障的主動識別和隔離)互補的方式來實現，例如用於包括在網狀dc配電系統中的子系統。

鑑於前述討論，將理解，圖11是示出用於保護直流(dc)電力配電系統的通用方法的過程流程圖，該dc電力配電系統包括通過dc母線連接的一個或多個dc轉換器和一個或多個負載。響應於系統中某處的故障的檢測而執行的所示方法通常足以涵蓋以上詳細描述的兩種方法。如框1110處所示，該方法開始於限制一個或多個dc轉換器中的每一個的輸出電流，使得限制dc轉換器中的每一個輸出處於或大約為相應的預定故障電流電平的轉換器故障電流。如框1120處所示，在已經發生一個或多個轉換器的電流限制之後，系統中的一個或多個保護設備被激活，其中激活至少部分地取決於轉換器故障電流處於或大約為預定故障電流電平。

在一些實施例中，限制一個或多個dc轉換器的輸出電流包括首先將輸出電流限制為第一故障電流電平達第一時間間隔，並且隨後將輸出電流限制為第二故障電流電平。在一些實施例中，通過直接控制dc轉換器以產生處於或大約為相應的預定故障電流電平的轉換器故障電流來執行對dc轉換器中的一個的輸出電流的限制。

在一些實施例中，一個或多個保護設備激活包括基於對dc母線上的電流的測量來識別用於所檢測的故障的位置，其中所述識別至少部分地取決於轉換器故障電流處於或大約為預定故障電流電平，並且基於所識別的檢測到的故障的位置來斷開系統中的一個或多個dc開關。這種方法的示例如圖8所示。dc開關的響應時間可以基於其在受保護的分布式系統中的上遊和下遊位置來協調。

在這些實施例的一些中，所檢測到的故障的位置基於在dc母線上對下述中的一個或多個的測量：電流導數；電壓；和電流方向性。響應於將第一dc母線識別為檢測到的故障的位置，一個或多個dc開關的斷開可以包括例如斷開連接到第一dc母線的所有接線和分支dc開關。替代地，系統中的一個或多個dc開關的斷開可以包括響應於將dc分支識別為檢測到的故障的位置，來斷開緊接在所識別的故障位置的上遊的dc開關。在一些實施例中，在一個或多個dc開關之後，通過激活用於連接受一個或多個dc開關的所述斷開影響的設施的一個或多個替代路徑，來重新配置系統的至少一部分。此外，在一些實施例中，在一個或多個dc開關被斷開之後，系統確定故障已經被隔離，並且響應於所述確定，中斷限制為其相應預定的故障電流電平的dc轉換器中的每一個中的輸出電流的限制。可以例如通過觀察系統中的電壓電平的返回到正常或預期範圍內來進行故障已經被隔離的確定。

圖11中總體示出的方法的一些實施例可以涉及基於設備之間的協調而自動斷開保護設備，而不涉及集中式或分布式控制系統。在這些實施例的一些中，一個或多個保護設備被自動斷開，其中每個保護設備的斷開基於相應設備電流超過至少一個相應閾值達相應時間段，並且其中，閾值基於預定故障電流電平。

圖11所示的方法的一些實施例可以使用一個或多個控制單元來執行，如上所述，該控制單元可以在集中式或分布式架構中實現。圖12是示出用於保護直流(dc)電力配電系統的示例性方法的過程流程圖，該系統包括由dc母線連接的一個或多個dc轉換器和一個或多個負載，如由一個或多個這種控制單元實現的。應當理解，圖12所示的方法和下面描述的變體是圖11所示的方法的特殊情況，並且與上述的一些變體重疊。

如框1210處所示，圖12所示的過程開始於接收dc母線電流的測量。控制單元可以例如從多個監視點中的每一個周期性地接收這些測量。當然，這些測量可以結合其他測量數據被接收，包括電壓測量、電流導數測量等。

如框1220處所示，控制單元(或多個單元)接收系統中的故障的指示。作為響應，基於在故障發生之前和之後採取的dc母線電流的測量來識別所指示故障的位置，如框1230處所示。故障位置的識別至少部分地取決於至少一個dc轉換器的預定的經限制故障電流電平。最後，如框1240處所示，基於所指示故障的識別位置來斷開系統中的一個或多個dc開關。

在一些實施例中，外部控制由控制單元(或多個控制單元)提供給dc轉換器中的至少一個，以產生其相應的轉換器故障電流。在一些實施例中，識別所指示故障的位置還基於dc母線上的電流導數、電壓和電流方向性中的一個或多個的測量。

在一些實施例中，斷開系統中的一個或多個dc開關包括響應於將第一dc母線識別為所指示故障的位置來斷開連接到第一dc母線的所有接線和分支dc開關。在其他實施例中，系統中的一個或多個dc開關的斷開包括，響應於將dc分支識別為所指示故障的位置來斷開緊接所識別故障位置的上遊的dc開關。

在圖12所示的方法的一些實施例或實例中，在斷開一個或多個開關之後，通過激活用於連接受斷開dc開關影響設施的一個或多個替代路徑來重新配置系統的至少一部分。在一些實施例或實例中，在斷開一個或多個dc開關之後，所示方法繼續確定故障已經被隔離，並且響應於這樣的確定，中斷限制為其相應預定故障電流電平的dc轉換器中的每一個中的輸出電流的限制。

如上所述，圖12所示的方法及其變體可以在一個或多個控制單元中實現。圖13是示出用於控制器電路1300的示例性配置的框圖，其可以用於根據上述技術中的任何一個來實現dc保護系統的全部或一部分。所圖示的示例包括一個或多個微處理器或微控制器1310以及其他數字硬體1320，其可以包括數位訊號處理器(dsp)、專用數字邏輯等。微處理器1310和數字硬體1320中的任何一個或二者可以被配置為與程序數據1334一起執行存儲在存儲器1330中的程序代碼1332。因為與處理電路的設計相關聯的各種細節和工程折衷是公知的，並且對於本發明不需要完全理解，這裡沒有示出附加細節。

在若干實施例中，存儲在存儲器電路1330中的程序代碼1332包括用於結合圖12所述的方法中的任何一個，存儲器電路1330可以包括諸如只讀存儲器(rom)、隨機存取存儲器、高速緩衝存儲器、快閃記憶體設備、光存儲設備等中的一個或多個類型的存儲裝置。程序數據1334包括各種預定的系統配置參數，諸如與用於一個或多個dc轉換器的預定故障電流電平相關聯的參數、以及從系統測量確定的參數。

然後，本文所公開的技術和系統的實施例包括直流(dc)電力配電系統，直流(dc)電力配電系統包括：通過dc母線連接的一個或多個dc轉換器和一個或多個負載，其中dc轉換器中的至少一個操作為響應於故障的檢測或在控制器的控制下產生處於或大約預定的限制故障電流電平的轉換器故障電流；一個或多個dc開關，其中每個dc開關操作為斷開dc母線或dc分支的至少一部分；以及配置為執行如圖12所示的方法的控制器電路。因此，例如，控制器電路1300可以被配置為：接收dc母線電流的測量；接收系統中的故障的指示；基於dc母線電流的測量來識別所指示故障的位置，其中所述識別至少部分地取決於轉換器故障電流處於或大約為dc轉換器中的至少一個的其相應的預定的限制故障電流電平；以及基於所識別的所指示故障的位置來斷開所述dc開關中的一個或多個。

在這些dc電力配電系統的一些實施例中，控制器電路進一步被配置為響應於在系統中的故障的指示，向dc轉換器中的至少一個提供外部控制以產生相應的轉換器故障電流。在各種實施例中，控制器電路可以被配置為進一步基於dc母線上的電流導數、電壓和電流方向性中的一個或多個的測量來識別所指示的故障的位置。應當理解，以上針對圖12所示的方法討論的若干變體同樣適用於這裡所描述的系統。

在考慮到上述電路、系統、方法以及其他變化和擴展的情況下，本領域技術人員將理解，前面的描述和附圖表示本文教導的系統和裝置的非限制性示例。因此，本發明不受前面的描述和附圖的限制。替代地，本發明僅由所附權利要求及其法律等同物限定。