1、 分 类 号 密 级UDC 编 号武 汉 大 学工 程 硕 士 学 位 论 文环形直流微电网线路故障分析与直流固态断路器研究：研 究 生 姓 名：学 号： 指 导 教 师 姓 名 、 职 称：电气工程专 业 名 称：直流微电网研 究 方 向年 月I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，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
2、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
3、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
4、态断路器在环网中的有效性和可行性。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IIAbstractWith the development of global economy, the rapid growth of energy demand, especially for electric power demand is more prominent, environment problem is increasingly serious. Under the double pressure of energy demand and environmental prote
5、ction, 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 simple control, low conversion loss and better load capability. Based on low voltage loop-type dc microgrid, the dc li
6、ne 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 topology of microgrid, each port components and the equivalent circuit model of dc line are described in this dissertat
7、ion. 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 occur in dc line. The particularity between fault and protection in dc microgrid has been summarized. Demand for d
8、c 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 microgrid. Performance analysis and parameter design of solid-state circuit breaker (SSCB) RCD snubbers are presented
9、 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 fault current will cause a transient overvoltage in the stray inductance of main circuit. The situation is especially
10、 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 RCD snubbers, i.e., charge-discharge-type, discharge-suppressing-type and discharge-suppressing-type , in a line-to
11、-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 fault, which are respectively: 1) the peak value of transient overvoltage in SSCB and the time length when it reaches st
12、eady 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-suppressing-type proves IIIto obtain the best performance. The parameter design method of snubber capacitor, induct
13、or 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 circuit breaker RCD snubbers, topology improvements have been proposed by using a freewheeling diode to bypass the fa
14、ult 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 effectiveness and feasibility of the improved dc solid-state circuit breaker to meet the needs of rapid removal of
15、 fault current in three terminal loop-type dc microgrid.Keywords: DC microgrid; solid-state circuit breaker; snubber circuit; freewheeling diode; fault analysisIV目 录摘要 .IAbstract.III1 绪论 .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
16、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 直流微电网保护设备概述 .222.6 本章小结 .233 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 R
17、CD 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 .46V3.4.3 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 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
18、 故障 .504.4 本章小结 .605 总结与展望 .615.1 全文工作总结 .615.2 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
19、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 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，
20、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
21、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
22、流微电网作为连接分布式电源与主网的一种微网形式，能高效地发挥分布式电源的价值与效益，具备比交流微2电网更灵活的重构能力 12-13。对于直流微电网供电而言，最重要的就是保证系统安全可靠运行，直流微电网保护设备也就显得尤为重要 14。由于直流微电网的潮流具有不确定性，导致传统的交流电网继电保护方案难以适用于直流微电网。因此，有必要针对直流微电网的特点，对直流微电网的保护方案进行研究。通过研究直流微电网的核心设备直流断路器，可以提高直流微电网供电的安全性和可靠性，这不仅能够促进直流微电网的研究和发展，而且有利于直流微电网的应用和推广，从而充分利用微电网的优势，最大限度地开发清洁能源，同时也可以降低
23、光伏发电和燃料电池等可再生能源的发电成本，这对于缓解能源危机和环境污染都具有极其重要的意义。1.2 直流微电网国内外研究现状1999 年，可靠性技术解决方案协会（the Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS）首次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究。到 2001 年，美国 University of Wisconsin-Madison 的 R.H. Lasseter教授首先提出了微电网的概念，随后，立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标，美国可靠性技术解决方案协会、欧盟微
24、电网项目组（European Commission Project Micro-grids）以及日本新能源和工业技术发展组织（New Energy Development Organization，NEDO）相继给出了微电网的定义 20-24，并展开了相关的研究。同一时期，世界各地相继建成了多个微电网示范化工程项目，如：美国在范特蒙特（Mad River Park Vermont, US）建成的 7.2kV 的微电网工程；希腊在基斯诺斯岛（Kythnos Islands Micro-grid, Greece）建成的 400V 微电网工程；日本相继建成了爱知（Aichi project）、京都（
25、 Kyotango project）、八户（Hachinohe project）微电网工程等。通过调研各个国家对微电网的研究和应用及其未来电网的发展战略中可以发现，微电网的形成与发展并未颠覆传统大规摸电网的观念，而是对电力行业在可持续发展和服务质量等方面的一种改善与提高，是大电网发展的必然趋势。由于关于直流网方面的研究水平远远落后于交流网，因此目前的组网方式大多以交流网为主。然而交流微电网控制复杂，需要考虑电压幅值、频率以及相位问题；要求各分布式电源相位同步，不便于分布式能源的接入；短路电流幅值具有随机性，不便于故障诊断，存在系统稳定问题；有无功损耗和集肤效应等缺点。因此，直流微电网比交流微电
26、网更适合于分布式能源的接入。当然，直流微电 也受以下问题的限制，网例如：目前用电设备多为交流，如使用直流供电需要对用电设备进行改造；3缺乏统一标准，设备造价成本较高；直流保护设备成本较高，技术上也存在一定难题；缺少相关规范准则对直流供电安全性和可靠性进行评估。A C / D C光 伏 组 件D C / D C交 流 负 载D C / A C蓄 电 池直 流 负 载D C / D C直 流母 线图 1.1 ABB 公司提出的直流微电网架构从上个世纪末开始，直流微电网相关技术的研发便得到了产学研各界的广泛关注。瑞典、日本、法国和美国等国家的通信公司已于 20 世纪 90 年代开始 300400V
27、数据中心直流配电的研究和介绍 25-26。另外，军舰、航空和自动化系统的直流区域配电，尤其是电力牵引直流供电技术已然成熟 27-28，这为直流微电网的推广应用提供了良好的契机。美国弗吉尼亚理工大学 CPES 中心 29、ABB 公司、日本大阪大学(Osaka University)9、日本山口大学 (Yamaguchi University)30和韩国智能微电网研究中心(Research Center for Intelligent Micro-Grid) 31等众多国际机构展开了对直流微电网的研究，图 1.1 所示是 ABB 公司在 2008 年提出的直流微电网架构。该架构拓扑简单，忽略了对
28、于储能设备的控制，简化了系统。但是这可能导致蓄电池寿命大大缩短，增加了系统的维护成本。4 8 V D CD C / D C电动汽车D C / D C蓄电池A C / D C风力发电D C / D C太阳能A C / D C大电网D C / D C燃料电池D C / A C空调系统D C / D C直流负载显示设备服务器3 0 0 V D C图 1.2 弗吉尼亚理工大学 CPES 中心提出的直流微电网架构4此外，弗吉尼亚理工大学 CPES 中心也提出了一个针对未来家庭供电的直流微电网架构，其结构如图 1.2 所示。该系统通过一个双向 DC/AC 与大电网并网，可以接入光伏、风电、燃料电池等微电源
29、，并可以将家庭多余电能输送至大电网。此外，该架构中还增加了能量管理系统，可以对储能单元进行优化控制。系统包含了 300V 和48V 两种电压等级，能够满足一般家庭日常使用。直流微电网家庭供电技术的发展引起了韩国的关注，为此韩国政府专门成立了智能微电网研究中心，其研究方向主要包括能量管理、优化控制和通讯系统三个方面。日本在直流微电网家庭供电领域的研究一直处于国际领先地位。2008 年 12 月，日本东北大学研究生院环境科学研究科与住友商事、NEC 东金和积水建房共同实施了将光伏电池产生的直流电直接储存于锂离子电池，并以直流形式直接为家用电器供电的试验。2010 年 6 月东北大学建成综合使用光伏
30、电池、锂离子电池及直流供电等的实验教学楼“ECOLAB”。在该实验楼内，可将光伏电池产生的电能直接储存在锂离子电池中，以直流方式用于 LED 照明等。此外还进行微弱能量的回收与再利用，如将卫生间、盥洗台及洗涤槽等的排水以及健身自行车等产生的微弱电能储存在锂离子电池中，供笔记本电脑等使用。为了促进直流供电的普及应用，NTT FACILITIES 和富士通元件（Fujitsu Component）共同研制发出了可支持 400V 左右直流供电系统的电源分配器和电源插头。这无疑解决了直流供电普及化所面临的技术难题直流电源电路开通关断时的电弧放电以及威胁人身安全的问题。产品中没有使用加载设备，安全性好；
31、没有使用复杂的机械装置，插座耗电量极低。另外，该产品使用的部件数量也很少，因此性价比高。今后，NTT FACILITIES 将与 NTT 集团推进直流供电的计划同步，实施开发产品的实证试验。此外，像丰田住宅（Toyota Home）、日本国誉寿都亚（KOKUYO Store Creation）、日立、NTT Data、NEC 等公司也都积极致力于直流微电网系统的研究。我国在微电网的研究方面还处于起步阶段，但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向，在中国有着广阔的发展前景，具体体现在微电网是中国发展可再生能源的有效形式。充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、解决农村用能及边远地
32、区用电等均具有重要意义。从 2006 年开始，我国把微电网技术研究相继列入国家“863”计划、“973”计划。同年，清华大学开始对微电网领域进行探索研究，利用清华大学电机系电力系统和发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的硬件条件，建成包含可再生能源发电、储能设备和负荷的微电网试验平台。2008 年，天津大学、合肥工业大学分别开展微电网实验测试研究。天津大学侧重试验研究不同形式能源的科学调度，以期达到能源高效利用、满足用户多种能源需求、提高供电可靠性；合肥工业大学侧重试验研究微电网的运行控制及微电网的能量管理系统。2010 年，国家电网公司在郑州建成了“分布式光储联合微电网运行控制综合研究及工程应用”的示范工程项目，在西安建成“分
