风电直流微网的控制与保护技术研究

摘要

对于以可再生能源发电为主的微网系统，直流微网以其显著优势成为微网技术新的研究方向。论文以风电直流微网为研究对象，首先提出电压分层协调控制策略以确保系统稳定运行。该控制策略根据直流电压的变化量来使各端变流器自动对直流电压进行调节。然后根据交流主网故障下直流微网的运行特性，提出直流微网在不同工作条件下的交流故障穿越控制方案。最后根据直流短路故障下电压源变流器及直流微网系统的故障特性，提出电流差动保护作为主保护的直流故障保护方案。充分利用各端直流电流特性，确保短路故障时保护系统能够根据线路差动电流值做出快速响应，从而实现了直流微网系统的直流短路故障保护。
　　本文的主要研究成果如下:
　　1.提出风电直流微网的三种运行模式，为风电直流微网的整体协调控制策略的研究奠定基础。分析直流微网的典型构成及各单元功能，并在此基础上研究永磁风电机组、蓄电池储能单元、联网变流器以及交直流负荷的数学模型，并进一步分析各单元的控制策略。
　　2.提出适用于直流微网的直流电压分层协调控制策略，以确保在风速或负荷变化等各种工作状态下风电直流微网的稳定运行。分析直流电压下垂控制的基本工作原理，在此基础上，根据风电直流微网的组成结构、运行模式和工作特点以及直流电压的工作范围，提出直流电压分层协调控制策略，并分析各层控制下各端变流器的控制方法，使联网变流器、储能系统、风力发电机组和负荷都参与到系统的协调控制中，并根据它们的优先级别实现对直流电压的自动调节，满足直流微网在不同工况下的运行要求。该方法不依赖于通讯，控制系统结构简单，控制灵活可靠。
　　3.提出交流故障下直流微网内有功剩余和有功不足两种工作条件下系统的故障穿越控制方案。在分析交流主网故障扰动对直流微网系统运行的影响和工作特性的基础上，以直流电压的迅速抬升或下降作为交流主网故障的判据，提出直流微网的交流故障穿越控制方案，充分发挥系统多个直流端的有功调节优势，尤其是储能系统和风电机组。通过合理调节故障扰动后蓄电池的充放电电流和风电机组的有功输出可有效缓解直流微网系统的不平衡功率，使风电直流微网在交流主网故障时具备更强的穿越能力。
　　4.提出环型拓扑结构的风电直流微网的直流输电线路双极短路故障的保护方案。对比分析风电直流微网的三种拓扑结构，在此基础上提出直流微网的一种通用拓扑结构;分析电压源变流器和直流微网系统在直流线路短路故障时的暂态特性，提取短路电流故障特征，得出电路参数与故障电流及反并联二极管过流时间的定性关系。根据系统的电压电流故障特性提出以电流差动保护作为主保护、欠电压保护作为后备保护的保护方案，以快速准确地检测故障线路、合理开断直流断路器。该保护策略通过检测直流线路的输入输出电流及其差动电流来定位和隔离故障线路，从而确保直流短路故障下微网系统的安全运行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 直流微网的提出

1．2．2 直流微网的运行控制研究现状

1．2．3 直流故障时直流微网的保护策略研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 风电直流微网的系统建模及控制

2．1 引言

2．2 风电直流微网的构成

2．3 风电直流微网的系统建模与控制系统

2．3．1 风力发电单元的建模与控制系统

2．3．2 储能单元的建模与控制系统

2．3．3 联网变流器的建模与控制系统

2．3．4 负荷单元的的建模与控制系统

2．4 风电直流微网的运行模式

2．4．1 联网自由模式

2．4．2 联网限流模式

2．4．3 孤岛模式

2．5 本章小结

第3章 风电直流微网的电压协调控制

3．1 引言

3．2 直流电压的下垂控制

3．3 电压分层协调控制策略

3．3．1 第一层控制

3．3．2 第二层控制

3．3．3 第三层控制

3．4 风电直流微网运行控制的仿真分析

3．4．1 仿真系统简介

3．4．2 联网自由模式下系统的仿真分析

3．4．3 联网限流模式下系统的仿真分析

3．4．4 孤岛模式下系统的仿真分析

3．5 本章小结

第4章 风电直流微网的交流故障穿越控制

4．1 引言

4．2 交流主网故障下直流微网的运行条件

4．3 交流故障穿越控制策略

4．3．1 条件1下的故障穿越控制

4．3．2 条件2下的故障穿越控制

4．4 风电直流微网交流故障穿越的仿真分析

4．4．1 仿真系统简介

4．4．2 直流微网内功率过剩时的故障穿越仿真分析

4．4．3 直流微网内功率不足时的故障穿越仿真分析

4．5 本章小结

第5章 风电直流微网的直流短路故障分析与保护策略

5．1 引言

5．2 风电直流微网的拓扑结构

5．2．1 辐射型拓扑

5．2．2 环型拓扑

5．2．3 中心环型拓扑

5．2．4 通用型拓扑

5．3 直流线路双极短路故障特性

5．3．1 VSC的直流短路故障特性

5．3．2 环型直流微网系统的短路故障特性

5．4 风电直流微网系统的短路故障保护设计

5．4．1 电流差动保护策略

5．4．2 欠电压保护策略

5．5 风电直流微网系统直流故障下的仿真分析

5．5．1 仿真系统简介

5．5．2 短路故障下系统的仿真分析

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 进一步研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介