低压直流微电网故障特性分析及保护技术研究

发布时间：2020-08-24 09:21

【摘要】：随着社会的进步与发展,传统交流电网难以满足可再生能源的接入要求与用户对更高电能质量的需求。低压直流微电网由于能更好地兼容分布式能源、具有更好的供电质量及更低的传输损耗等优点获得了研究学者们的关注。低压直流微电网保护技术作为低压微电网大规模应用的关键技术,其发展一直受到缺乏实际运行经验和直流系统保护设备落后等原因的制约。故障特性分析是保护系统设计的理论基础和重要前提。现有的直流保护研究大多针对高压直流输电等应用场合,而低压直流微电网则缺乏相应的故障特性研究及故障保护方案及设备。基于此,本文以低压直流微电网为研究对象,分析了典型故障的过程及特性,针对极间短路故障设计了基于碳化硅(Silicon Carbide,SiC)结型场效应管(Junction Field Effect Transistor,JFET)的新型固态直流断路器,针对单极接地故障提出了基于小波变换(Wavelet Transformation,WT)的故障定位方法。本文的主要研究内容如下:(1)针对低压直流微电网缺乏故障特性研究的问题,通过理论分析及故障仿真探究其典型故障的特点。首先,对极间短路故障和单极接地故障的过程及特性进行了详细的理论分析,深入探讨了故障暂态时经历的不同阶段,在Matlab/Simulink中搭建了直流微电网模型进行故障仿真;根据理论分析和仿真结果,提出了低压直流微电网故障及保护的特殊性,为设计低压直流微电网保护方案提供了理论基础。(2)基于低压直流微电网极间短路故障的特殊性和直流系统缺乏有效断路设备的现状,提出了基于耗尽型SiC JFET的新型固态直流断路器,该断路器具有快速分断、控制简单等突出优点。首先,对新型直流断路器的拓扑进行设计,介绍其工作原理并进行优化,设计了断路器上下游之间的配合实现方案;在PLECS中搭建了断路器仿真模型进行仿真,并制作断路器样机进行实验;仿真和实验结果均验证了所提新型固态直流断路器的有效性。(3)针对低压直流微电网单极接地故障定位困难的问题,提出了一种基于小波变换的单极接地故障定位方法。首先,基于单极接地故障发生时系统对地电容的放电现象,提出以暂态共模电流(Common Mode Current)作为接地故障定位的原始信号;然后选取合适的小波函数对原始信号进行小波分解提取故障特征量,并设定合适的判据以区分不同的接地故障点;最后,提出了该接地故障定位方法的算法流程并通过修改接地电阻对方法进行了可行性验证。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM721.1
【图文】：

主电路图,故障仿真,网线,主电路

Fig.2.9 Equivalent circuit of single-pole to ground fault during steady stage2.3.3 典型故障仿真及结果分析为了验证前节的理论推导过程，本文在 Matlab/Simulink 仿真软件中搭建了详细的直流微电网线路故障仿真模型，其主电路结构如图 2.10 所示，图 2.11 中展示了 VSC 变流器的控制系统结构。其中交流电源电压有效值为 230V，频率为 60Hz，交流线路等效电阻为 0.2 ，等效电抗为 2mH；直流侧母线电压为 340V，直流线路等效电阻为 0.1 ，等效电抗为 0.6mH，由于变流器直流侧出口处并联有较大的稳压电容，因此忽略直流线路的对地电容；VSC 变流器采用基于 PI 反馈的电压、电流双闭环控制。为简化分析，直流系统使用阻值为 10 的电阻进行等效，即直流系统正常运行电流为 34A，功率为 11.56kW。在 VSC 变流器直流侧分别设置了极间短路故障和单极接地故障，故障设置在仿真开始后 4s，此时系统已经处于稳定状态。如前文所述，为了简化故障分析过程，不考虑 VSC 变流器自身过电流等保护，认为在直流线路发生故障时变流器中所有的 IGBT 瞬间闭锁。

波形,故障仿真,模型控制,网线

图 2.11 Matlab/Simulink 中直流微电网线路故障仿真模型控制部分Fig.2.11 Control system of DC microgrid line faults simulation model in Matlab/Simulink① 极间短路故障仿真结果及分析极间短路故障电阻 Rf的阻值为 0.01 。图 2.12 是极间短路故障出现后直流线路的电压和电流波形。从仿真结果中可以看出，系统首先处于正常工作状态，直流线路电压为 340V，电流 idc为 34A；在故障发生后首先进入稳压电容放电阶段，带内容快速放电导致直流线路电压 udc快速下降，idc快速上升。通过前节中推导的电容放电阶段电流电压表达式(2.10)和(2.11)可以计算得出在故障发生后 0.001s 时，直流线路电压 udc为 167.36V，电流 idc为 1509.21A；仿真中得到的 udc为 163V，idc为 1503A，计算结果与仿真结果基本吻合。同时，在此阶段故障电流峰值为 1514A，约为正常工作时的 50 倍。

直流断路器,固态,仿真模型,车库

要短路故障保护设备。密尔沃基直流社区微电网中包含 12 栋建筑，其中 1 栋公寓楼，5 栋私人家庭住宅以及 6 个车库，其结构如图 3.13 所示。该直流微网中每个车库和公寓楼的屋顶都装有太阳能电池板，并且车库内装有电池储能单元以保证微电网的稳定运行。直流微电网通过可以双向流动的并网逆变器与 230V 交流电网进行连接。该直流社区微电网的直流母线额定电压为 340V，各建筑之间通过地下电缆进行连接，其中公寓楼和其所带车库中安装了为电网能量管理系统 MEMS（Microgrid EnergyManagementSystem），作为直流微电网的主要控制单元；居民住宅中装有家庭能量管理系统 HEMS（Home Energy Management System）来帮助用户监测并管理家中用电情况。此外，家庭住宅中还额外安装了终端变流器 PLC（Point of LoadConverter），能够为用户提供电压为 12V、24V 和 48V 的直流输出，满足用户对各种电压等级的电子设备的使用需求。文献[80-82]中对该直流社区微电网的详细参数进行了详细的介绍及论证，本文中便不再一一赘述。3.4.2 仿真模型搭建

【参考文献】