电力电子技术的成熟促进了新能源的快速发展,为解决分布式电源并入电网时的间歇性问题提出了微电网的概念。近年来,由于直流性质分布式电源比例的增加以及直流、变频负载的增多,直流微网便于直流设备接入、运行损耗低、传输效率高、尤其是减少换流装置使用、控制简单的优势日益凸显,但其发展受到缺乏有效保护的限制。不同于传统的单端配电网络,直流微网为典型的多端网络,致使配网中原有保护不再满足保护选择性要求,增加了保护设计的复杂度。同时,直流微网覆盖面积小,供电线路短,原有的阶段式保护存在阈值和时间整定困难的问题。换流器作为分布式电源并网的接口装置,不可避免的会引入大量的电力电子器件。由于不可控电力电子器件的脆弱性,尤其是在容量小、电压等级低的直流微网中,对保护速动性的要求更加严苛。综合上述原因,直流微网的保护设计面对着巨大挑战。故障特征是电力系统保护方案设计的理论依据,而故障分析是获取故障特征和保护要求的基本途径,因此在继电保护设计之前需要对电网进行故障特性研究。直流微网中,不同电能性质的分布式电源需经过不同类型的换流器接入微网,以解决电源电压与系统电压不匹配的问题。由于不同换流器在电路结构和工作原理方面差异巨大,各电源模块对线路故障的故障特征差异显著,其保护要求亦不尽相同。因此,全面研究线路故障时直流微网中多种类型分布式电源模块的故障响应,获取对应故障特征,有利于明确微网保护要求,有针对性的制定保护方案。本文以典型的直流微网系统为研究对象,深入分析线路故障时VSC并网接口和光伏电源模块的故障过程,指出受故障影响严重的元件及保护要求,剖析导致该现象的因素。以此为理论依据,提出电流微分保护与方向比较式纵联保护相结合的保护方案,以兼顾保护速度性和选择性的要求。基于PSCAD软件搭建直流微网仿真模型,对线路故障暂态过程进行仿真并与理论波形比较,同时通过仿真实例研究保护原理的性能。本文具体的研究内容如下:1、分析直流微网中VSC并网接口、光伏和风力发电系统、蓄电池的工作原理,明确各模块换流装置类型并进行控制器的设计,为线路故障分析、暂态故障特征的提取奠定理论基础。基于PSCAD软件搭建直流微网仿真模型,为验证故障理论分析的正确性和保护方案的有效性提供平台。2、以线路典型的极间和接地故障为例,全面研究直流微网中VSC并网接口、光伏电源模块、蓄电池模块的线路故障响应,分阶段进行故障暂态过程理论分析,给出各阶段的故障电路及相关故障量的表达式,指出线路和换流器故障电流的故障特征。考虑到换流器中不可控电力电子器件的脆弱性,研究受故障影响严重的元件,指出威胁换流器安全的故障阶段。有利于明确直流微网保护要求,制定针对性保护方案。3、提出电流微分保护与方向比较式纵连保护相结合的保护方法。直流微网中,各电源模块的供电电流与外界环境有关具有随机性,这给过电流保护的整定造成困难。线路电流微分则在正常运行的任意状态均为较小的零值,故障瞬间发生突变而具有较大峰值,并且随故障距离以及过渡电阻的增加仅存在幅值的差异,具有全线速动性。根据电流微分保护的全线速动性和方向保护的绝对选择性,本文提出两者相结合的保护方案。电流微分保护中,提出按照线路极间故障时能够导致换流器中二极管同时导通的故障点处的最大电流微分值进行整定的原则,该电流微分值具有受分布式电源类型及其运行状态影响小的优势,主要与稳压电容和线路长度有关,通用性高。方向比较式纵联保护中,提出利用故障线路一端功率反向过零的特征作为启动条件,具有受线路负荷电流影响小启动快的优点。根据极间和接地故障时,故障与非故障极线路电流的幅值和方向差异,给出了故障类型判定和故障选极的方法。最后,通过仿真案例对保护的性能进行了仿真验证。