关键词：
直流微电网
短路故障
故障分析
故障测距
继电保护
摘要：
以新能源发电代替化石能源发电是实现节能减排目标的重要技术手段,通过微电网实现并网无疑是光伏电源、风力电机等新能源电源并网的主要方式。直流微电网中无需考虑频率和相角匹配等问题,控制相比交流微电网更为简单,而且直流线路能量传输效率高,所需电能变换等级少,具备更低的组网成本和运行成本,直流微电网通过变压器和变流器与交流网络并联运行,能够有效屏蔽来自交流网络的干扰,运行稳定性更高,因此应用前景广阔。但作为一种低压直流电网,直流微电网的电压等级低,电能输送范围有限,导致其线路长度较短,而直接接入负荷使得其供电可靠性要求较高;此外,直流微电网中含有大量的稳压电容,在短路故障发生后电容的剧烈放电将导致短路电流快速增大,对脆弱的电力电子元件构成威胁,要求保护必须快速切除故障以保障电力电子元件安全。线路长度短、供电可靠性要求高、保护速动性要求高等特点,导致直流微电网仍缺乏成熟完善的保护方案。本文以此为目标,针对直流微电网出线电缆及母线短路故障研究构建了能够满足直流微电网要求的保护判据及保护方案。根据直流微电网的需要和现有母线结构存在的不足,提出了一种划分母线保护区的方式,该方式中母线保护区不再限定接入设备数量,同一保护区可以容纳若干设备,避免了保护区数量随设备数量增加而被动增加,减少了直流断路器的数量,降低了组网成本。基于所提出的母线保护区划分方式,充分发挥其保护区划分灵活的优势,为重要负荷加设了备线,提高供电可靠性。以理论分析和仿真研究相结合的方式,指出现有电缆直流断路器配置存在的缺陷,提出新型直流断路器配置思路,避免了保护动作后变流器受到续流过电流威胁,同时配合提出了电容电流限制器,确保稳压电容安全,并为后续电缆短路故障测距方法的实现奠定了基础。针对目前直流微电网故障分析对经直流-直流变流器并网设备的故障特性研究显著不足的情况,本文对直流-直流变流器的故障暂态特性进行了详细分析。分析以故障发展中故障回路的变化为依据,对故障过程划分阶段,对每个阶段从故障电流回路、故障电流相关公式、各主要电气量变化趋势等几个方面,进行了研究分析,指明了故障发展过程中的主要现象,分析了引起故障回路变化的主要原因。利用仿真验证了故障分析理论的正确性,探讨了故障距离和过渡电阻对故障特性的影响,着重分析了变流器中脆弱的不可控电力电子元件所面临的故障威胁,指出其中受威胁最为严重的元件。综合所有分析,提出了直流微电网中各类接入设备普遍存在的故障特性,作为直流微电网保护判据研究的基本依据。针对直流微电网的电缆短路故障构建了保护方案,为直流微电网中具备不同暂态特性的接入设备提供通用性保护。(1)基于故障分析所得到的通用性结论,依靠直流微电网中不同电源和负荷在故障初期必然会出现的稳压电容剧烈放电现象,以电容电流比例和接地电流分别构建了电缆极间故障和接地故障的保护判据,并在线路末端加设方向元件,依靠方向元件给出的故障方向信息,实现故障的区内外判别,有选择性的切除电缆短路故障。故障切除判据不依赖特定类型的电源、负荷或变流器,具备良好的适应能力,整个方案算法易于实现,具备较强的抗过渡电阻能力和工程实用性。(2)依靠所提出的直流断路器配置方式及电容电流限制器在保护动作后所形成的过阻尼电容放电回路,以电容放电回路中电阻为主导参数为前提,得到电容放电电流简化表达式,并根据简化表达式,推导出了电缆故障测距方法。该方法实现了精确的电缆短路故障测距,且具备良好的抗过渡电阻能力,而且由于测距仅采用保护动作后所测量的稳定数据,有效避免了短路故障中电流电压突变所引起的测量误差,进一步保障了测距精度。(3)综合故障判据、方向元件判据和故障测距方法,形成了直流微电网电缆短路故障保护和测距流程,最终得到完整的直流微电网电缆短路故障保护方案。(4)利用直流微电网仿真系统,对经电压源换流器并网、光伏电源经直流-直流换流器并网和直流负荷直接并网三种典型情况下的电缆短路区内外故障进行了充分的仿真验证,仿真结果证明了该保护方案的有效性、通用性、抗过渡电阻能力以及测距的精度。针对直流微电网母线短路故障构建了集中式纵联保护方案。(1)首先将网络拓扑信息进行数字化处理,对保护区、分段开关和出线电缆进行编号,并提出电流方向系数矩阵。(2)通过在直流微电网母线分段开关处配置方向元件,保护能够获取来自母线多点的故障方向信息。母线分段开关方向元件以记录数据构成动态门槛,采用正极电流故障分量和横差电流作为动作电流,分别为极间故障和接地故障构建了启动判据,确保了方向元件具备足够的灵敏度,能够有效应对过渡电阻;依靠故障初期的电流故障分量方向和横差电流的方向,结合故障极选择方法,方向元件能够以合理的流程提供准确的故障方向信息。(3)基于数字化拓扑和分段开关方向元件提供的故障方向信息,保护方案以纵联算法实现对故障区域准确判断。本文提出的纵联
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