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交直流配电网的故障分析与保护方法研究

丁凡凡  
【摘要】:直流配电网有利于广泛接纳分布式电源和储能装置,能够显著提高配电网的传输容量和电能质量,具有广阔的发展前景。但交流配电网发展成熟,且交流电源和负载仍是配电网的主要组成部分,因此直流配电网无法完全替代交流配电网,建设交直流混合配电网是未来配电网的发展趋势。由于含有大量的分布式电源和电力电子接口,直流侧故障特征更加复杂,研究直流保护新方法对于保障配电网的安全可靠运行具有十分重要的意义。首先,本文从交直流配电网的系统设计出发,以各元件的基本原理及其接口装置的控制策略为基础,搭建了交直流配电网仿真模型。在此基础上,分析了直流网络发生单极接地或极间短路故障时各电源的故障响应机理以及过渡电阻对故障响应过程的影响,通过总结直流网络故障典型特征,对比分析了现有主要直流保护方法在直流配电网中的适用性,为后文保护方法的提出奠定了基础。其次,借鉴现有直流边界保护方法,本文以直流线路两端的限流电抗器为边界元件,利用其对低频分量衰减作用不明显而对高频分量具有明显阻滞效果的边界特性,通过比较线路区内、外故障时高、低频电压幅值比的差异,提出了一种仅利用单端电压量的直流线路保护新原理。该方法能够实现区内、外故障的可靠识别,对采样率要求不高,动作速度快,且具有较高的耐过渡电阻的能力。接下来,当直流线路边界特性不明显时,利用单端量的主保护方法可能无法保证保护选择性和可靠性,由此,本文提出了基于电流突变方向的集中式后备保护方法。该方法以网络拓扑为基础,通过比较全网各点的电流突变方向信息,能够快速识别、定位故障元件。同时,本文从故障信息异常、断路器失灵以及无线传感器网络通信等方面全面地分析了该保护的可靠性、选择性和速动性最后,为实现直流配电网保护动作后快速准确的确定故障位置,本文提出了一种注入式故障测距方法。该方法以电流注入单元和最小二乘法为工具,通过调整电流注入单元的参数使放电回路为过阻尼电路,提取信号衰减系数,分析了电流衰减系数与电路参数的关系,以及电路元件在指数衰减信号下的阻抗特性,针对不同的线路等效模型提出了故障测距方法。仿真结果表明,该故障测距方法的误差较小,能够满足定位精度的要求,且受过渡电阻的影响小。


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