1、I硕士学位论文（20 届）环形直流微电网线路故障分析与直流固态断路器研究姓 名学 科 、 专 业 电气工程研 究 方 向 直流微电网指 导 教 师II论文提交日期III论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（签名）：年 月 日IV摘要随着全球经济的发展，能源需求快速增长，尤其是对电力的需求更加凸显，环境问题也日益严重。在能源需求和环境保护的双重压力下
2、，分布式发电受到了广泛的关注。为了最大限度地发掘分布式发电的价值，微电网的概念应运而生。直流微电网具有控制简单、变换环节少和线路带载能力强的优势。本文基于低压环状直流微电网，对其直流线路短路故障和直流固态断路器进行分析和研究，为推广直流微电网的工程应用提供技术支持。论文首先对微电网的拓扑结构、各端口组成部分和直流线路等效模型进行了阐述，基于三端低压环形直流微电网，详细地分析了线路发生最严酷短路故障时，直流母线上故障电流的特性，总结了直流微电网系统故障与保护的特殊性，基于分析结果提出了直流微电网对直流固态断路器的需求。其次，论文以电压等级为200V，容量为 4kW 的环网直流微电网为例，对现有直
3、流固态断路器技术路线进行了对比分析，展开对带传统 RCD 缓冲电路的直流固态断路器的研究。针对充放电型、放电阻止和型 RCD 缓冲电路从固态断路器瞬时过电压及其达到稳态的时间、线路故障电流峰值及其能量转移的快慢和缓冲电容电流电压峰值三方面，对极间短路情况下缓冲电容充电和放电过程进行了详细分析，在相同参数条件下以放电阻止型 RCD 缓冲电路性能最优，同时给出了缓冲电容、缓冲电阻和二极管的设计方法。仿真结果证明了理论分析的正确性和缓冲方案的可行性。最后，从带传统 RCD 缓冲电路的直流固态断路器的局限性出发，借鉴从过电压保护中分离出能量吸收的思想，对传统直流固态断路器进行拓扑改进，通过引入续流二极
4、管将故障电流旁路，从而实现了断路器的安全快速关断。在 Matlab/Simulink 中搭建模型进行仿真验证，将所搭建的直流固态断路器应用于三端环形直流微电网，成功切除故障线路并且避免了微电网因为故障而崩溃，仿真结果证明了该直流固态断路器在环网中的有效性和可行性。V关键词：直流微电网；固态断路器；缓冲电路；续流二极管；故障分析AbstractWith the development of global economy, the rapid growth of energy demand, especially for electric power demand is more prominen
5、t, environment problem is increasingly serious. Under the double pressure of energy demand and environmental protection, distributed generation has been widespread concern. In order to maximize the value of distributed generation, the concept of microgrid emerges. DC microgrid has advantages of simp
6、le control, low conversion loss and better load capability. Based on low voltage loop-type dc microgrid, the dc line fault and dc solid-state circuit breaker are analyzed in this dissertation, it will provide technical support to promote the engineering application of dc microgrid.Firstly, the topol
7、ogy of microgrid, each port components and the equivalent circuit model of dc line are described in this dissertation. Based on the structure of four terminal low-voltage loop-type dc microgrid, the characteristics of the fault current on the dc bus are analyzed in detail when the most severe fault
8、occur in dc line. The particularity between fault and protection in dc microgrid has been summarized. Demand for dc solid-state circuit breaker has been proposed based on the results of the analysis.Secondly, the dissertation analyzes with the voltage rating of 200V, capacity of 4kW loop-type DC mic
9、rogrid. Performance analysis and parameter design of solid-state circuit VIbreaker (SSCB) RCD snubbers are presented in a low-voltage dc microgrid at dc-bus short circuit occurrence. When SSCB trips to block a line-to-ground or line-to-line short-circuit fault on the DC bus, the rapidly decreasing f
10、ault current will cause a transient overvoltage in the stray inductance of main circuit. The situation is especially grave in a line-to-line fault which has a fault current of higher-magnitude. RCD snubbers are therefore added to suppress this overvoltage. Performance analysis of three commonly used
11、 RCD snubbers, i.e., charge-discharge-type, discharge-suppressing-type and discharge-suppressing-type , in a line-to-line fault are presented in this paper. Three indexes are selected to provide an inner look into the charging and discharging process of the snubber capacitor during line-to-line faul
12、t, which are respectively: 1) the peak value of transient overvoltage in SSCB and the time length when it reaches steady state; 2) the peak value of fault current and the speed of energy transfer; 3) the peak value of snubber capacitor current and voltage. Using the same set of parameters, discharge
13、-suppressing-type proves to obtain the best performance. The parameter design method of snubber capacitor, inductor and diode is also given. Simulations verify the validity of performance analysis and the feasibility of the snubber.Finally, based on the limitations of traditional dc solid-state circ
14、uit breaker RCD snubbers, topology improvements have been proposed by using a freewheeling diode to bypass the fault current to realize the fast shut off safely. This way, the over-voltage protection can be separated from the energy absorption task of the RCD snubber. Simulation results verify the e
15、ffectiveness and feasibility of the improved dc solid-state circuit breaker to meet the needs of rapid removal of fault current in three terminal loop-type dc microgrid.Keywords: DC microgrid; solid-state circuit breaker; snubber circuit; freewheeling diode; fault analysisVII目 录摘要 .IAbstract.III1 绪论
16、 .11.1 研究背景与意义 .11.2 直流微电网国内外研究现状 .21.3 直流微电网保护技术研究现状 .51.4 论文的主要工作与章节安排 .71.4.1 本文的主要工作 .71.4.2 本文的章节安排 .72 直流微电网结构与故障机理分析 .92.1 直流微电网拓扑结构 .92.2 分布式微电源和储能装置 .102.2.1 分布式微电源 .112.2.2 储能装置 .132.3 直流线路等效模型 .142.4 直流线路故障机理分析 .152.4.1 线路故障类型 .162.4.2 直流线路故障过程机理分析 .172.4.3 直流微电网线路故障与保护的特殊性 .212.5 直流微电网保护
17、设备概述 .222.6 本章小结 .23VIII3 直流固态断路器拓扑及工作特性研究 .253.1 直流断路器常见拓扑 .253.2 RCD 缓冲电路工作原理 .283.3 三种 RCD 缓冲电路性能分析 .303.3.1 充放电型 RCD 缓冲电路 .323.3.2 放电阻止型 RCD 缓冲电路 .353.3.3 放电阻止型 RCD 缓冲电路 .393.3.4 三种缓冲电路拓扑的仿真分析 .423.4 缓冲电路参数设计 .453.4.1 缓冲电容 .453.4.2 缓冲电阻 .463.4.3 缓冲二极管 .473.5 本章小结 .484 三端环形直流微电网固态断路器运行特性分析 .494.1
18、 直流固态断路器设计 .494.2 环形直流微电网中固态断路器工作原理 .504.3 三端环形直流微电网固态断路器运行特性仿真 .524.3.1 线路 1-2 故障 .544.3.2 线路 1-3 故障 .564.3.3 线路 2-3 故障 .504.4 本章小结 .605 总结与展望 .615.1 全文工作总结 .61IX5.2 未来工作展望 .61参考文献 .63攻读硕士学位期间发表的科研成果 .67致谢 .6911 绪论1.1 研究背景与意义随着一次能源的短缺和环境恶化问题的不断加剧，发展低碳经济、建设生态文明以及实现可持续发展已经成为人类社会的普遍共识，而开发利用清洁高效的可再生能源是
19、解决未来能源问题和环境问题的主要出路。在能源需求、环境保护和完善电网建设的三重需求之下，以可再生能源为主的分布式发电（distributed generation，DG）技术凭借其投资小、环境友好、发电方式灵活等优点近年来越来越受到了人们的关注 1-3。分布式发电是指接在用户侧附近的小型发电系统、满足终端用户的特殊需求，是存在于传统公共电网之外的系统。这种方式省去了庞大的输配电网络，减小了电能传输过程中的损耗。然而，由于分布式电源的不可控性，大量分布式发电的接入不仅对传统配电网造成不可控性、不安全性和不稳定性。IEEE P1547分布式电源与电力係统互连标准（IEEE Standard for
20、 Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems）规定，当电力系统发生故障时，分布式能源必须马上退出运行 4-8。分布式电源的发挥在一定程度上受到了限制，新能源的利用也间接受到了限制。为了协调大电网和分布式发电的矛盾，充分挖掘分布式能源的价值和效益，微电网（Microgrid）的概念被提了出来。目前，国际上对微电网没有统一明确的定义，根据各国自身的条件和基本国情，各有其研究重点。但各国研究的微电网又有共同特征，一般认为微电网是由分布式微电源、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统，它作为一个独
21、立的整体，可以并网运行，也可以孤岛模式运行。在难以接入传统大电网、需要部分或者全部自主供电的偏远地区，例如海岛、矿区、极地等等，微电网的出现为人们在这些地方工作和生活提供了极大的便利。此外，在能够接入传统电网的地区，人们也可以为家庭、社区或者单位搭建包含小型太阳能或者风力发电设备的直流微电网，部分或者全部实现电力自给自足，从而节约电费、减少二氧化碳的排放。目前主要以交流微电网为主，交直流混合微电网本质上也属于交流微电网。微电网的组网方式可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网9-11。与交流微电网相比，直流微电网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，对于直流微电网的控制只取决于直流母线电压，可控性和可靠性大大提高；其次，直流微电网相比交流微电网省去了不少变流环节，理论上仅需一级变流器便能方便地实现与分布式电源和负载的连接，具有更高转化效率；此外，直流电在传输过程中不需要考虑线路的无功功率和集肤效应，线路带载能力更强。因此，直流微电网作为连接分布式
