某科技园区内构建一个±375 V柔性直流微电网。为满足园区用户需求，微电网中配置总容量0.96 MW电动汽车快速直流充电桩，包括12台60 kW小车用直流充电桩，2台120 kW(一机双枪)大巴用直流充电桩。园区负荷为1 MW，含直流负荷0.5 MW(除直流充电桩以外)和直流逆变供电的交流负荷为0.5 MW；园区屋顶空间建立700 kWp分布式光伏发电系统，为园区负荷提供部分清洁电力供应；园区配置1 MW/1 MWh电化学储能系统，解决单直流母线供电可靠性和光伏发电存在的输出功率波动问题，保障园区单直流母线负荷第二路可靠独立电源支撑、支持园区快速充电桩运行、帮助消纳光伏、实现削峰填谷以及直流配电网故障时，直流微电网的孤岛运行。结合上述园区供电要求，建设了±375 V柔性直流微电网，其拓扑结构示意图如图1所示。

图  1  典型柔性直流微电网拓扑结构

Figure 1.  Topology of typical flexible DC microgrid

直流微电网采用单母线接线型式，直流变压器(2 MW)将中压±10 kV直流配网降至低压±375 V接入直流微电网直流母线。直流母线分别连接0.7 MWp光伏系统、1 MW/1 MWh电化学储能系统、1 MW电动汽车直流充电桩、0.5 MW直流负荷、经DC/AC逆变器接入0.5 MW交流负荷等分支，各分支配置低压直流断路器及低压直流电流互感器。

柔性直流微电网各支路的额定电流及最小运行方式如表1所示。

考虑以下典型运行状况：充电桩实时功率为0.5 MW，直流负荷实时功率为0.5 MW；交流负荷实时功率为0.5 MW；光伏发电系统输出功率为0.5 MW，储能系统充放电功率为0.5 MW，直流变压器稳态功率为1 MW。

在仿真软件中搭建直流微电网仿真测试模型^[11]。仿真测试考虑在典型运行状况下发生最严重的故障情况，即各端口±375 V侧极间短路故障，短路电阻为10 mΩ。仿真计算结果如表2所示：

从上述仿真结果，可得出低压直流电流互感器的选型要求：

1)因直流设备均可在最小运行点(0.1 p．u)到额定电流(1.34 p．u)范围内运行，区间内应能实现对直流设备的控制。直流变压器和储能设备具有定电流控制功能，应满足定电流控制对电流互感器的要求：最小运行点(0.1 p．u)到额定(1.34 p．u)电流互感器精度不低于0.2%。

2)各支路极间故障时，最大短路电流为11.42 kA，为该支路额定电流的20倍。因此，应保证此情况下直流电流互感器不饱和，避免保护误动。

3)电流互感器应有足够快的响应速度，避免延时造成保护误动。

4)应用场景为低电压等级直流开关柜，造价应在合理范围内。

根据上述要求，展开了直流电流互感器的选型。

本文考虑目前电流互感器产业化现状，选取在高压直流工程中使用过的全光纤互感器、电阻分流器、巨磁电阻效应传感器和零磁通型霍尔电流互感器为比较对象，对其原理进行分析，对各种电流互感器参数进行比较，得出低压直流互感器选型依据。

全光纤互感器测得电流周边磁场强度的线积分，因磁场强度正比于电流大小，可测得电流大小，其基本原理是安培环路定理及法拉第磁光效应^[2,3]。全光纤互感器目前应用于特高压直流工程的极线电流测量。互感器内的光源、光纤、分束器、光学调制器、电子元器件等设备易受环境温度影响，制造工艺要求高；且该互感器用量较少，导致目前全光纤互感器造价高。全光纤互感器原理图如图2所示。

图  2  全光纤互感器原理图

Figure 2.  Illustrative diagram of all-fiber CT

全光纤互感器包括激光发生装置、光纤传感器件、光信号处理系统等3部分。激光发生装置产生光信号；光纤传感元件将导体周围的磁场强度转换为两束相干光的相位差；光信号处理系统实现将光信号转换为电信号，并实现信号的调制与解调，计算出测量电流。

全光纤互感器需要供能回路，目前激光供能回路可靠性较低，已有特高压直流全光纤互感器的可靠性受制于激光供能回路可靠性。

全光纤传感器不存在其他类型互感器电阻发热、铁芯饱和等问题，测量范围较大，测量精度较高。

电阻分流器由锰镍铜合金四端电阻构成，电阻有2个电流端子和2个电压测量端子^[4,5,6]。一次电流流入电流端子，已知电阻阻值，测得电压测量端子的电压降即可得电流值。电阻分流器目前应用于测量特高压直流工程的极线电流，因制造工艺比全光纤互感器简单，且用量较大，其造价低于全光纤互感器。

电阻分流器串联在回路中，一次侧测出直流电流值，信号经过处理、转换后通过光纤接至合并单元，合并单元通过光纤向一次侧供能。电阻分流器测量原理如图3所示。

图  3  电阻分流器电流互感器原理图

Figure 3.  Illustrative diagram of resistor diverter CT

电阻分流器需要供能回路，目前激光供能回路可靠性较低，已有特高压直流工程中，电阻分流器互感器的可靠性受制于激光供能回路可靠性。

电阻分流器由锰铜合金电阻制成，须工作在最佳温度范围内。如大电流通过电阻，温升使测量精度降低，故电阻分流器在大电流时精度降低，最大测量范围设定为6 p．u。

物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，在某种条件下，电阻率在磁场作用下，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值减少幅度高10余倍的现象，称为“巨磁阻效应”(TMR)^[7]。巨磁电阻效应传感器原理如图4所示。

图  4  巨磁电阻效应传感器原理图1

Figure 4.  Illustrative diagram 1 of TMR CT

电流流过导体时，导体周围的磁场大小正比于导线中电流大小。如图5所示，利用四个TMR电阻组成一个惠斯通电桥结构，其中电阻R1、R3被NiFe材料屏蔽，不能感应到磁场的变化，电阻R2、R4未被屏蔽。在外磁场的作用下，被屏蔽的R1、R3阻值不发生变化，而没被屏蔽的R2、R4阻值发生改变，使得电桥输出发生变化，电桥的输出结果反映了外磁场的大小，从而反应了母线电流的大小。巨磁电阻效应传感器目前应用于配网柔性直流系统中。巨磁电阻效应传感器需要激光供能回路。

图  5  巨磁电阻效应传感器原理图2

Figure 5.  Illustrative diagram 2 of TMR CT

巨磁电阻效应传感器由电阻制成，须工作在最佳温度范围内。如大电流通过电阻，温升使测量精度降低，故巨磁电阻效应传感器在大电流时精度降低，最大测量范围设定为6 p．u。

零磁通型霍尔电流互感器的基本原理是基于完全的磁通势平衡，其原理图如图6所示。J为检测绕组，J为动态检测单元，K产生自平衡调整电流。回路的磁势平衡方程为

图  6  零磁通型霍尔电流互感器原理图

Figure 6.  Illustrative diagram of zero-flux Hoare CT

I₀为一次侧电流，其励磁磁势在N_J两端产生感应电压，动态检测单元J检测到N_J两端感应电压，通过K产生自平衡调整电流I₁，供给N₁绕组；I₁产生与I₀相反的磁通，达到磁势平衡^[8,9]。最终电流I₁全部由K供给。J随时动态检测N_J两端电压，当电压差足够小时，铁芯中的磁通为零磁通。如果检测值偏离允许值，K高速调整，使得铁芯始终保持在零磁通状态，此时传感器精度较高。

零磁通型霍尔电流互感器目前用于特高压直流项目中性线电流测量，因技术成熟且不需要激光供能回路，其造价水平最低。

零磁通霍尔电流互感器通过大电流使铁芯饱和，最大不饱和电流低于其他类型传感器，受制于闭环传感原理，测量精度低于其他类型传感器。

直流电流互感器的参数比较如表3所示。

对比2.2节列举的直流电流互感器，可得到如下分析：

1)全光纤互感器能同时满足最小运行点的测量精度、最大不饱和电流范围的要求。但是全光纤互感器工艺复杂、用量较少，导致其造价较高，且无现成的±375 V产品，不适用于本文提出的应用场景。

2)零磁通型霍尔电流互感器精度低于0.2，且无法承受大于5倍电流冲击，不适用于本文提出的应用场景，可应用于最小运行点至额定电流范围内测量精度要求不高，或短路电流不大的场景。

3)电阻分流器和磁电阻效应传感器均无法同时满足小电流精度和最大不饱和电流范围的要求。

基于3，首先以满足最大故障电流不饱和为原则选择电流互感器。

由于直流变压器、储能设备具备(0.1 p．u)～(1.34 p．u)范围内定电流运行方式，要求直流变压器低压侧端口、储能支路的储能换流器端口的电流互感器精度为0.2%，但不能同时满足最大故障电流不饱和和足最小运行点(0.1 p．u)的精度要求。因此，这2个支路配置专用于控制的电流互感器，以满足最小运行点(0.1 p．u)到额定运行点(1.34 p．u)之间控制精度要求。电阻分流器和磁电阻效应传感器均可抗大电流冲击，在短路状态下不会因大电流冲击造成损坏。

因此，针对本文提出的应用场景，选择电阻分流器或磁电阻效应传感器为电流测量器件。对于在最小运行点(0.1 p．u)到额定运行点(1.34 p．u)之间控制精度要求高的支路，如直流变压器低压侧、储能支路，保护和控制各自配置独立的电流互感器；以同时满足满足小电流控制精度和最大不饱和电流范围的要求；对于控制精度要求低的支路，保护和控制共用电流互感器，此电流互感器应满足最大不饱和电流范围。

本文以现有电流互感器产业化现状为基础，结合应用场景进行分析，得出如下结论：

1)本文的应用场景中最大短路电流为额定电流的20倍，最小运行电流为额定电流的1/10，直流变压器和储能装置有定电流控制要求，控制精度要求高。因此，选择电阻分流器或磁电阻效应传感器为电流测量器件；对于直流变压器、储能等短路电流水平高、控制精度要求高的支路，安装2个电流互感器，保护和控制各使用1个电流互感器；对于短路电流水平高、控制精度要求低的支路，只装设1个电流互感器，保护和控制共用。

2)对于最小运行点至额定电流范围内测量精度要求不高，或短路电流不大的低压柔性直流微电网应用场景，可使用零磁通霍尔电流互感器，可降低工程造价。同时霍尔器件不需激光供能回路，可提高电流互感器运行可靠性。

3)因光伏、储能、电动汽车等用户侧设备均呈现直流特性，如未来适用范围增大，可选择全光纤互感器进行量产，满足工程要求的同时可大幅降低造价。