多端环状柔性直流配电线路保护方法研究

摘要

分布式能源的大规模发展，使得可再生能源广泛接入、就地消纳成为了配电网未来发展的主要方向。相比于传统交流能量传输网络，直流系统在降低线路损耗、减少分布式电源接入过程的变流能耗等方面均具备明显的优势。近年来随着电压源换流器(Voltage Sourced Converter，VSC)技术的飞跃式发展，直流区域闭环组网运行已经成为现实。并且，电力电子控制技术的提升和变流器制造成本的降低，进一步推动了直流配电网络的技术革新。越来越多的国家把直流配电系统作为未来智能电网的重要组成部分。然而，作为一个新兴的研究热点，要实现直流配电系统的大规模实际运行，一些关键问题仍然需要解决。其中，直流配网的保护，作为直流系统、乃至于与之相联的交流网络可靠稳定运行的关键，是直流配电网研究的重中之重。因此，本文结合实际拓扑结构，针对直流配电系统故障与保护的特殊性，对直流配电系统保护方案的配置进行了以下研究。
　　首先，基于对现有直流配电领域拓扑结构的分析及优缺点比较，选择了三端环状拓扑结构作为本文直流配电系统建模的基本拓扑。在换流器设计上，选择定直流电压-无功控制和定有功-无功控制策略对基于两电平电压源型入网换流器AC/DC进行控制;采用双向BUCK-BOOST变换器，以恒流控制策略对储能负载并网进行控制，并在MATLAB/Simulink环境下建立了直流配电系统的电磁暂态仿真模型。基于本文模型，对直流配电系统入网换流器直流侧极间短路故障和单极接地故障的故障回路及其传播特性、交流电源侧不对称故障的故障特性进行理论分析和仿真验证，提取相关故障特征为保护方案的合理配置打下基础。
　　其次，本文结合实际拓扑结构，针对直流配电系统故障与保护的特殊性，对多端环状直流配电线路故障提出了基于本地信息的两种快速直流保护方案。其一，利用检测直流线路过电流实现保护启动;分别计算正、负极暂态电压的标准差系数进行故障选极;同时利用区内故障时各电气量的时域解析关系，分别推导出单、双极故障时的微分方程以计算故障距离，从而实现区内、外故障的快速、可靠识别。其二，通过对直流配电线路频率特性的分析，根据区内线路末端的谐振频率选取电流信号高频段，利用区内、外故障时的高频电流作为保护动作判据;根据正极电流与负极电流的绝对值之比作为故障选极判据。基于MATLAB/Simulink仿真，得出其可对直流区内各故障进行快速保护动作，在区外故障时不动作，验证了保护方案的有效性与可行性。
　　最后，利用直流配电线路区内、外故障时两端电流突变量方向的特征，针对现有直流线路纵联保护存在的高阻故障时可靠性差、门槛值难以整定等问题，将斜率方向引入电流突变量方向特征检测中，利用低频带故障电流信号的极性关系，实现能准确动作于直流配电线路的后备保护。基于MATLAB/Simulink仿真，验证了保护方法能够识别区内、外故障，满足直流配电网对后备保护选择性和可靠性的需求。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 本课题研究背景及意义

1．2 本课题研究与发展现状

1．2．1 柔性直流技术发展概述

1．2．2 直流配电系统保护技术难点与研究现状

1．3 本课题主要研究内容及创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

2 多端柔性直流配电系统建模及故障特性分析

2．1 直流配电系统拓扑结构

2．2 多端柔性直流配电系统关键模块

2．2．1 本文直流配电系统拓扑结构

2．2．2 关键模块基本原理介绍

2．2．3 稳态运行仿真结果

2．3 多端柔性直流配电系统故障特性分析

2．3．1 入网换流器直流侧故障特性分析及仿真

2．3．2 交流电源侧故障特性分析及仿真

2．4 本章小结

3 基于单端量的多端柔性直流配电线路测距式保护方法

3．1 现有直流保护方法的原理

3．2 直流配电线路故障与保护的特殊性

3．3 直流配电线路保护原理及判据

3．3．1 保护启动原理及判据

3．3．2 故障极选极原理及判据

3．3．3 基于测距算法的区内、外故障识别原理及判据

3．4 保护方案

3．5 仿真验证

3．5．1 故障选极仿真

3．5．2 区、内外故障仿真

3．6 本章小结

4 基于高频电流分量的多端柔性直流配电线路保护方法

4．1 直流配电线路频率特性分析

4．2 保护原理及判据

4．2．1 基于高频电流分量的区内、外故障判别方法

4．2．2 故障选极方法

4．3 保护方案

4．4 仿真验证

4．4．1 区内、外故障仿真

4．4．2 保护动作性能

4．5 两种保护方法对比

4．6 本章小结

5 基于电流突变量斜率方向的纵联后备保护方法

5．1 电流突变量方向特征分析

5．2 基于斜率方向的保护原理及判据

5．2．1 电流突变量极性提取方法

5．2．2 保护判剧

5．3 保护方法

5．4 保护实现策略

5．5 仿真验证

5．5．1 区内、外故障仿真

5．5．2 保护动作性能

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 主要研究内容与结论

6．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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