直流微电网短路故障保护关键技术研究

【摘要】：直流微电网是一种含有大量电力电子器件的中低压直流电网,也是智能化电力系统的重要组成部分。直流微电网的引入,提高了电力系统的经济性、安全性、可靠性以及对可再生能源的消纳能力。短路故障保护是电力系统中的关键技术之一。由于直流电网中输电线路阻抗远小于交流输电线路阻抗,因此与交流电网相比直流电网短路故障电流增长速度更快;而且由于直流电网故障电流为直流电,故障电流到达过零点时间较长,因此不能将交流电网中过零点开断线路的方法应用到直流电网的故障保护中。综合以上两点因素,直流电网故障保护面临着严峻的挑战。与其他类型的直流电网相比,当前学术界对应用于智能配用电系统的直流微电网故障保护研究较少,且直流微电网在电压等级、接入设备类型、网架拓扑、输电线路长度等方面与柔性直流输电系统等其他类型直流电网存在很大差异。因此进行直流微电网短路故障保护研究具有极其重要的意义。基于当前直流微电网故障研究所面临的困境,本文针对直流微电网数学建模与典型故障特性分析、故障检测与故障定位、故障隔离设备优化配置三个关键性问题进行了研究,研究工作和创新点具体如下:针对直流微电网中换流器模型忽略了控制系统影响的问题,本文提出了一种故障直流微电网中换流器的建模方法,在考虑换流器控制系统影响下分别建立了电压源型换流器(Voltage source converter,VSC)和三种常用DC/DC换流器的数学模型,并借助控制硬件在环(Control hardware-in-the-loop,CHIL)实验平台验证了故障下所建立换流器模型的准确性。另一方面,针对连接单元众多的直流微电网网络拓扑复杂的问题,本文提出了一种考虑中间节点的适用于各种直流微电网网络拓扑的离散化输电线路建模方法,并借助Matlab/Simulink仿真验证了所建立直流输电线路模型的准确性。最后,本文通过整合换流器模型和输电线路模型,建立了直流微电网模型,并借助CHIL实验平台验证了故障下所建立直流微电网数学模型的准确性。针对直流微电网故障检测速度慢和容易发生误判、漏判的问题,以及直流微电网故障定位精度低和采样频率要求高的问题,本文提出一种基于改进Pearson方法的故障检测与故障定位方法。一方面,本文通过Pearson方法实时监视采样电流和稳态参考电流之间的差异以实现直流微电网故障检测功能,并在Pearson方法中引入的调整因子能够有效的避免电流曲线不同而电流变化率相同时发生的误判。另一方面,本文通过Pearson方法对比采样电流信号和暂态电流信号来实现故障定位,其中定位的采样信号选取为故障被检测到前的一段固定时长的信号,并改用故障后变化程度更大的电流信号取代电压信号作为被分析对象。最后,基于四端口直流微电网系统,本文对所提出的故障检测与故障定位方法进行了充分的数值分析。针对直流微电网中直流断路器(DC circuit breaker,DCCB)和直流故障电流限制器(DC fault current limiter,DCFCL)故障参数多维度、强耦合、非线性化的优化配置难题,本文提出一种基于带精英策略的非支配排序的遗传算法(Elitist nondominated sorting genetic algorithm,NSGA-II)的直流微电网中DCCB和DCFCL的优化配置方法。首先,本文分析了DCCB和DCFCL实现故障隔离的机理,以及DCCB额定开断电流断路、DCCB开断时间和DCFCL限流电感值等参数与故障隔离之间的关系。其次,本文提出了故障隔离设备参数评估模型以及基于改进NSGA-II算法的故障隔离设备优化配置方法。最后,本文借助Matlab中的代码编译功能实现了所提出的优化配置方法,验证了NSGA-II算法的改进有效性和收敛速度,并给出了最优方案集合和最终最优方案的获取流程。