發(fā)布時間：2020-08-24 09:21

【摘要】：隨著社會的進步與發(fā)展,傳統(tǒng)交流電網(wǎng)難以滿足可再生能源的接入要求與用戶對更高電能質(zhì)量的需求。低壓直流微電網(wǎng)由于能更好地兼容分布式能源、具有更好的供電質(zhì)量及更低的傳輸損耗等優(yōu)點獲得了研究學者們的關(guān)注。低壓直流微電網(wǎng)保護技術(shù)作為低壓微電網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),其發(fā)展一直受到缺乏實際運行經(jīng)驗和直流系統(tǒng)保護設(shè)備落后等原因的制約。故障特性分析是保護系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)和重要前提�，F(xiàn)有的直流保護研究大多針對高壓直流輸電等應(yīng)用場合,而低壓直流微電網(wǎng)則缺乏相應(yīng)的故障特性研究及故障保護方案及設(shè)備�；诖�,本文以低壓直流微電網(wǎng)為研究對象,分析了典型故障的過程及特性,針對極間短路故障設(shè)計了基于碳化硅(Silicon Carbide,SiC)結(jié)型場效應(yīng)管(Junction Field Effect Transistor,JFET)的新型固態(tài)直流斷路器,針對單極接地故障提出了基于小波變換(Wavelet Transformation,WT)的故障定位方法。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)針對低壓直流微電網(wǎng)缺乏故障特性研究的問題,通過理論分析及故障仿真探究其典型故障的特點。首先,對極間短路故障和單極接地故障的過程及特性進行了詳細的理論分析,深入探討了故障暫態(tài)時經(jīng)歷的不同階段,在Matlab/Simulink中搭建了直流微電網(wǎng)模型進行故障仿真;根據(jù)理論分析和仿真結(jié)果,提出了低壓直流微電網(wǎng)故障及保護的特殊性,為設(shè)計低壓直流微電網(wǎng)保護方案提供了理論基礎(chǔ)。(2)基于低壓直流微電網(wǎng)極間短路故障的特殊性和直流系統(tǒng)缺乏有效斷路設(shè)備的現(xiàn)狀,提出了基于耗盡型SiC JFET的新型固態(tài)直流斷路器,該斷路器具有快速分斷、控制簡單等突出優(yōu)點。首先,對新型直流斷路器的拓撲進行設(shè)計,介紹其工作原理并進行優(yōu)化,設(shè)計了斷路器上下游之間的配合實現(xiàn)方案;在PLECS中搭建了斷路器仿真模型進行仿真,并制作斷路器樣機進行實驗;仿真和實驗結(jié)果均驗證了所提新型固態(tài)直流斷路器的有效性。(3)針對低壓直流微電網(wǎng)單極接地故障定位困難的問題,提出了一種基于小波變換的單極接地故障定位方法。首先,基于單極接地故障發(fā)生時系統(tǒng)對地電容的放電現(xiàn)象,提出以暫態(tài)共模電流(Common Mode Current)作為接地故障定位的原始信號;然后選取合適的小波函數(shù)對原始信號進行小波分解提取故障特征量,并設(shè)定合適的判據(jù)以區(qū)分不同的接地故障點;最后,提出了該接地故障定位方法的算法流程并通過修改接地電阻對方法進行了可行性驗證。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM721.1
【圖文】：

Fig.2.9 Equivalent circuit of single-pole to ground fault during steady stage2.3.3 典型故障仿真及結(jié)果分析為了驗證前節(jié)的理論推導(dǎo)過程，本文在 Matlab/Simulink 仿真軟件中搭建了詳細的直流微電網(wǎng)線路故障仿真模型，其主電路結(jié)構(gòu)如圖 2.10 所示，圖 2.11 中展示了 VSC 變流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中交流電源電壓有效值為 230V，頻率為 60Hz，交流線路等效電阻為 0.2 ，等效電抗為 2mH；直流側(cè)母線電壓為 340V，直流線路等效電阻為 0.1 ，等效電抗為 0.6mH，由于變流器直流側(cè)出口處并聯(lián)有較大的穩(wěn)壓電容，因此忽略直流線路的對地電容；VSC 變流器采用基于 PI 反饋的電壓、電流雙閉環(huán)控制。為簡化分析，直流系統(tǒng)使用阻值為 10 的電阻進行等效，即直流系統(tǒng)正常運行電流為 34A，功率為 11.56kW。在 VSC 變流器直流側(cè)分別設(shè)置了極間短路故障和單極接地故障，故障設(shè)置在仿真開始后 4s，此時系統(tǒng)已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。如前文所述，為了簡化故障分析過程，不考慮 VSC 變流器自身過電流等保護，認為在直流線路發(fā)生故障時變流器中所有的 IGBT 瞬間閉鎖。

圖 2.11 Matlab/Simulink 中直流微電網(wǎng)線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 極間短路故障仿真結(jié)果及分析極間短路故障電阻 Rf的阻值為 0.01 。圖 2.12 是極間短路故障出現(xiàn)后直流線路的電壓和電流波形。從仿真結(jié)果中可以看出，系統(tǒng)首先處于正常工作狀態(tài)，直流線路電壓為 340V，電流 idc為 34A；在故障發(fā)生后首先進入穩(wěn)壓電容放電階段，帶內(nèi)容快速放電導(dǎo)致直流線路電壓 udc快速下降，idc快速上升。通過前節(jié)中推導(dǎo)的電容放電階段電流電壓表達式(2.10)和(2.11)可以計算得出在故障發(fā)生后 0.001s 時，直流線路電壓 udc為 167.36V，電流 idc為 1509.21A；仿真中得到的 udc為 163V，idc為 1503A，計算結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。同時，在此階段故障電流峰值為 1514A，約為正常工作時的 50 倍。

要短路故障保護設(shè)備。密爾沃基直流社區(qū)微電網(wǎng)中包含 12 棟建筑，其中 1 棟公寓樓，5 棟私人家庭住宅以及 6 個車庫，其結(jié)構(gòu)如圖 3.13 所示。該直流微網(wǎng)中每個車庫和公寓樓的屋頂都裝有太陽能電池板，并且車庫內(nèi)裝有電池儲能單元以保證微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。直流微電網(wǎng)通過可以雙向流動的并網(wǎng)逆變器與 230V 交流電網(wǎng)進行連接。該直流社區(qū)微電網(wǎng)的直流母線額定電壓為 340V，各建筑之間通過地下電纜進行連接，其中公寓樓和其所帶車庫中安裝了為電網(wǎng)能量管理系統(tǒng) MEMS（Microgrid EnergyManagementSystem），作為直流微電網(wǎng)的主要控制單元；居民住宅中裝有家庭能量管理系統(tǒng) HEMS（Home Energy Management System）來幫助用戶監(jiān)測并管理家中用電情況。此外，家庭住宅中還額外安裝了終端變流器 PLC（Point of LoadConverter），能夠為用戶提供電壓為 12V、24V 和 48V 的直流輸出，滿足用戶對各種電壓等級的電子設(shè)備的使用需求。文獻[80-82]中對該直流社區(qū)微電網(wǎng)的詳細參數(shù)進行了詳細的介紹及論證，本文中便不再一一贅述。3.4.2 仿真模型搭建

【參考文獻】

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本文編號：2802278