含分布式储能的协同HVDC系统及故障协同保护方法与流程

本发明涉及高压直流（hvdc）供电，具体涉及一种含分布式储能的协同hvdc系统及故障协同保护方法。

背景技术：

1、随着ai算力负载的快速增长，数据中心单机柜功率已从传统的10–20kw跃升至100kw乃至兆瓦级，传统48v直流母线在此功率等级下的载流、损耗与铜材成本已不可持续。业界主流路线正转向800v高压直流（hvdc）配电架构的中压交流经固态变压器sst直接变换为800v直流母线，大幅减少了交直流转换环节，使系统效率提升至97%–98.5%，铜材用量减少45%。

2、然而，800v hvdc架构在提升系统效率与算力密度的同时，也给故障保护带来了严峻挑战。hvdc系统的输出侧为直流母线，而直流系统的故障保护特性与交流系统存在本质差异，这也是hvdc保护技术面临的核心难题所在。在交流系统中，电压和电流呈正弦波形，每个周期存在两次自然过零点，当开关或断路器触点断开时，电弧在电流过零处自然熄灭。相比之下，直流系统的电压和电流为恒定值，当末端发生短路故障时，由于没有过零点，故障电流持续存在，导致断路器触点部位的电弧持续拉长、温度升高，难以熄灭，严重时造成触点烧灼、熔焊甚至起火。

3、上述直流无过零点导致的灭弧困难，在固态变压器sst中变得更加严峻。这是因为sst输出侧直流母线由低等效串联电感esl支撑电容直接馈电，故障回路阻抗以微亨级寄生电感为主，直流故障电流上升速率极高，可达数十a/µs以上。同时，sst内部的sic mosfet功率器件短路耐受时间仅为微秒级，远小于传统机械式直流断路器所需的30–40ms分断时间，因此，两者之间存在两个数量级以上的时间尺度失配。这意味着，在传统断路器尚未完成分断之前，sst功率器件早已因过流而损坏，必须寻求比传统保护方案快得多的故障隔离手段。

4、为应对上述难题，目前业界主要采用以下几种方案：

5、（1）采用直流断路器切断故障。 由于直流触头处能量比交流大，开关触点和灭弧栅等元件尺寸更大，触头断开时间通常为30–40ms，需要上级电源部分具有更强的短路电流耐受能力，导致电源部分成本急剧增加。

6、（2）采用快速熔断器切断故障。 快速熔断器可将故障电流切断时间缩短至10ms以内，但熔断器为一次性消耗品，故障后需在断电状态下更换，无法实现远程控制及自复位。

7、（3）采用sscb固态断路器。 固态断路器以sic mosfet等全控型功率半导体器件替代机械触头，可在数微秒内完成故障关断。但其存在通态损耗大的问题，且大电流工况下需确保良好的散热环境；碳化硅器件成本较高，目前尚未进入全面商用阶段。同时，固态断路器的微秒级关断会产生电压陡变，由此带来的电磁干扰可能影响周边弱电控制、采样和通讯线路，需要进行额外的缓冲和屏蔽设计。

8、（4）采用集中式储能并接于直流母线，如巴拿马电源方案。 将电池直接并联在直流母线上，可提高电源的耐受能力。但集中式储能带来的问题是：电池故障会直接冲击母线，无隔离、无缓冲，导致系统保护更加困难。

9、（5）基于goose通信的网络化保护方案。 已有方案提出通过goose（面向通用对象的变电站事件）网络在相邻保护之间传输信息，实现直流保护的选择性。这类方案的核心在于用网络通信替代传统控制电缆，提升保护信号的传输效率。但其保护逻辑仍依赖断路器在带电流状态下分断故障电流，未改变故障切除的物理本质。

10、此外，公开号为cn104009452a的发明专利提出了一种用于直流配电系统短路故障的保护方案。该方案的核心思路是：当直流电压突变量超过整定值时，启动母线和线路保护；母线保护启动后，若差动电流大于整定值，则母线保护动作，跳开所有电源侧的直流断路器。该方案虽然涉及电源侧断路器在故障处理中的动作，但电源侧断路器一旦跳开即永久切除、不再恢复，属于断电式保护；且该方案不涉及分布式储能，无法在电源侧切断期间为负载提供不间断供电。

技术实现思路

1、发明目的：本发明为了克服上述现有技术的不足，提供一种含分布式储能的协同hvdc系统，旨在解决现有hvdc直流系统中故障电流无过零点导致断路器灭弧困难、分断速度慢、对保护器件性能要求高以及故障处理期间非故障回路供电中断的技术问题，还提供一种含分布式储能的协同hvdc系统的故障协同保护方法。

2、技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种含分布式储能的协同hvdc系统，该系统包括：

3、至少一个智能供电单元，各所述智能供电单元的输入端分别并联连接至交流母线，所述智能供电单元包括：

4、功率单元，其输入端连接所述交流母线，用于将交流电转换为直流电输出；

5、多个可控开关，各所述可控开关的输入端分别并联连接至所述功率单元的输出端；所述功率单元与各所述可控开关之间通信连接，所述可控开关被配置为在检测到所在支路发生故障时，向所述功率单元发送切断请求信号，所述功率单元被配置为在接收到所述切断请求信号后切断直流输出，并在预设时间后恢复直流输出；

6、多个负载，各所述负载分别连接于对应可控开关的输出端；

7、多个储能单元，各所述储能单元与对应负载并联连接于一连接点，所述连接点与对应可控开关的输出端电性连接；

8、多个第一防反二极管，各所述第一防反二极管串联设置于所述可控开关的输出端与所述连接点之间，所述第一防反二极管的阳极连接所述可控开关侧，阴极连接所述并联连接点侧，所述第一防反二极管被配置为允许电流从所述功率单元侧流向所述负载侧，并阻断电流从所述负载侧流向所述功率单元侧。

9、进一步的，包括：

10、所述可控开关为智能断路器。

11、进一步的，包括：

12、所述可控开关包括负荷开关、电流检测元件和通信模块，所述负荷开关、电流检测元件和通信模块串联，所述电流检测元件用于实时检测所在支路的电流，并在检测到故障电流时输出触发信号，以及在检测到电流消失时输出电流消失信号，所述通信模块与所述功率单元通信连接，用于在接收到所述触发信号时向所述功率单元发送切断请求信号，以及在接收到所述电流消失信号时控制对应支路的可控开关执行分闸。

13、进一步的，包括：

14、所述储能单元与对应负载一一对应设置，每个所述储能单元仅向对应支路的负载供电。

15、进一步的，包括：

16、还包括绿色能源装置，所述绿色能源装置与所述智能供电单元一一对应设置，用于向对应智能供电单元中的各个所述储能单元充电。

17、进一步的，包括：

18、还包括多个第二防反二极管，各所述第二防反二极管的阳极连接至所述绿色能源装置侧，阴极连接至对应的所述储能单元侧。

19、第二方面，本发明还提供一种hvdc系统故障协同保护方法，其应用于第一方面所述的含分布式储能的协同hvdc系统，该方法包括以下步骤：

20、s1当系统中的任一支路发生故障时，该支路的智能断路器实时检测所在支路是否出现故障电流，并在检测到所述故障电流后生成切断请求信号；

21、s2所述智能断路器将所述切断请求信号发送给所述功率单元发送，所述功率单元接收所述切断请求信号；

22、s3所述功率单元接收到切断请求信号后，立即切断直流输出，使整个直流回路内的电流迅速下降至接近于零，进入无电流时间段；

23、s4所述储能单元在检测到所在支路电流消失后启动供电，通过所述连接点向对应负载单向供电，维持非故障支路的负载在所述功率单元切断直流输出期间保持正常运行；

24、s5所述智能断路器在检测到所在支路电流消失后，在所述无电流时间段内执行分闸操作，切断故障支路与所述功率单元之间的电气连接；

25、s6所述智能断路器完成分闸操作后，所述功率单元在预设时间后自动恢复直流输出，其他非故障支路重新获得供电，故障支路因智能断路器已分闸而保持断电状态；

26、s7各所述储能单元在检测到所述功率单元恢复直流输出后，自动停止供电，退出运行状态，系统恢复正常供电模式。

27、进一步的，包括：

28、该方法的步骤s2还包括：

29、在所述功率单元正常供电时，所述储能单元处于热备状态，通过功率单元或绿色能源装置充电，所述第一防反二极管处于反向截止状态，所述储能单元不向对应支路的负载供电。

30、进一步的，包括：

31、该方法的步骤s2还包括：

32、所述智能断路器通过通信连接将所述切断请求信号发送给所述功率单元，所述通信连接为光纤通信连接，且所述切断请求信号通过所述光纤通信连接以广播方式同步发送至故障支路对应的功率单元及其他各非故障支路。

33、进一步的，包括：

34、所述步骤s4还包括：

35、当所述储能单元在向对应负载单向供电时，所述第二防反二极管处于反向截止状态，阻断所述储能单元向所述绿色能源装置侧反馈电能。

36、进一步的，包括：

37、该方法的所述步骤s5还包括：

38、当所述智能断路器未能无电流时间段内成功分闸时，串联于所述智能断路器与对应负载之间的熔断器因持续故障电流而熔断，从而切除故障支路。

39、进一步的，包括：

40、所述步骤s7中，储能单元退出运行状态的方式为：

41、当所述功率单元恢复直流输出、母线电压回升至高于所述储能单元的输出电压时，所述第一防反二极管自然截止，储能单元自动停止供电。

42、第三方面，本发明还提供一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储介质和总线，所述存储介质存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储介质之间通过总线通信，所述处理器执行所述机器可读指令，以执行如第二方面所述的hvdc系统故障协同保护方法的步骤。

43、第三方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如第二方面所述的hvdc系统故障协同保护方法的步骤。

44、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

45、1. 大幅降低系统成本：本发明通过电源侧主动切断直流输出，在直流回路中创造一个无电流时间段，使支路保护元件在无电流状态下完成分闸。这一技术方案使得支路保护元件无需具备直流故障电流分断能力，可以采用常规低成本断路器或负荷开关替代昂贵的混合式直流断路器或固态断路器sscb。与现有技术中依赖固态断路器的方案相比，本发明可显著降低系统保护设备的采购和维护成本。

46、2. 保障非故障回路不间断供电：本发明在每个负载支路独立配置储能单元，形成支路级分布式储能架构。当功率单元切断直流输出时，各储能单元自动启动为对应支路负载供电，储能单元自持供电时间不小于1秒，足以覆盖从电源切断到恢复的完整故障处理窗口，本发明在切除故障支路的同时保障了非故障支路的持续供电，显著提升了系统供电可靠性。

47、3. 延长设备使用寿命：本发明中可控开关在无电流状态下执行分闸操作，避免了带载分断时产生的电弧烧蚀，可显著延长开关设备的电气寿命，降低维护频率和更换成本。

48、4. 实现储能单元的精准能量管控：本发明通过对支路级分布式储能部署，结合第一防反二极管的物理阻断作用，确保每个储能单元仅向对应支路负载供电，不会向其他支路或电网侧反馈电能。同时，在绿色能源场景下，第二防反二极管进一步阻断储能单元向绿色能源装置侧倒灌，实现了储能能量的精准管控。

49、5. 提供可靠的后备保护机制：本发明在每条支路中设置熔断器作为后备保护。当主保护逻辑，即可控开关检测→上报→电源切断→无流分闸中任一环节失效时，熔断器在持续故障电流下熔断，从物理层面切除故障支路，确保系统安全。

50、6. 适应多种应用场景：本发明既适用于常规电网供电场景，即功率单元为储能单元充电，也适用于绿色能源场景，即风电、光伏等为储能单元独立充电，具有较强的场景适应性，同时，可控开关既可实施为智能断路器，也可实施为负荷开关、电流检测元件和通信模块的组合方案，为不同成本预算和应用需求提供了灵活选择。