【硕士论文】环形直流微电网线路故障分析与直流固态断路器研究

工程硕士学位论文环形直流微电网线路故障分析与直流固态断路器研究LINEFAULTANALYSISANDSTUDYOFDCSOLIDSTATECIRCUITBREAKERINLOOPTYPEDCMICROGRID电气工程专业名称直流微电网研究方向二一五年五月摘要随着全球经济的发展，能源需求快速增长，尤其是对电力的需求更加凸显，环境问题也日益严重。在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电受到了广泛的关注。为了最大限度地发掘分布式发电的价值，微电网的概念应运而生。直流微电网具有控制简单、变换环节少和线路带载能力强的优势。本文基于低压环状直流微电网，对其直流线路短路故障和直流固态断路器进行分析和研究，为推广直流微电网的工程应用提供技术支持。论文首先对微电网的拓扑结构、各端口组成部分和直流线路等效模型进行了阐述，基于三端低压环形直流微电网，详细地分析了线路发生最严酷短路故障时，直流母线上故障电流的特性，总结了直流微电网系统故障与保护的特殊性，基于分析结果提出了直流微电网对直流固态断路器的需求。其次，论文以电压等级为200V，容量为4KW的环网直流微电网为例，对现有直流固态断路器技术路线进行了对比分析，展开对带传统RCD缓冲电路的直流固态断路器的研究。针对充放电型、放电阻止和型RCD缓冲电路从固态断路器瞬时过电压及其达到稳态的时间、线路故障电流峰值及其能量转移的快慢和缓冲电容电流电压峰值三方面，对极间短路情况下缓冲电容充电和放电过程进行了详细分析，在相同参数条件下以放电阻止型RCD缓冲电路性能最优，同时给出了缓冲电容、缓冲电阻和二极管的设计方法。仿真结果证明了理论分析的正确性和缓冲方案的可行性。最后，从带传统RCD缓冲电路的直流固态断路器的局限性出发，借鉴从过电压保护中分离出能量吸收的思想，对传统直流固态断路器进行拓扑改进，通过引入续流二极管将故障电流旁路，从而实现了断路器的安全快速关断。在MATLAB/SIMULINK中搭建模型进行仿真验证，将所搭建的直流固态断路器应用于三端环形直流微电网，成功切除故障线路并且避免了微电网因为故障而崩溃，仿真结果证明了该直流固态断路器在环网中的有效性和可行性。关键词直流微电网；固态断路器；缓冲电路；续流二极管；故障分析ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFGLOBALECONOMY,THERAPIDGROWTHOFENERGYDEMAND,ESPECIALLYFORELECTRICPOWERDEMANDISMOREPROMINENT,ENVIRONMENTPROBLEMISINCREASINGLYSERIOUSUNDERTHEDOUBLEPRESSUREOFENERGYDEMANDANDENVIRONMENTALPROTECTION,DISTRIBUTEDGENERATIONHASBEENWIDESPREADCONCERNINORDERTOMAXIMIZETHEVALUEOFDISTRIBUTEDGENERATION,THECONCEPTOFMICROGRIDEMERGESDCMICROGRIDHASADVANTAGESOFSIMPLECONTROL,LOWCONVERSIONLOSSANDBETTERLOADCAPABILITYBASEDONLOWVOLTAGELOOPTYPEDCMICROGRID,THEDCLINEFAULTANDDCSOLIDSTATECIRCUITBREAKERAREANALYZEDINTHISDISSERTATION,ITWILLPROVIDETECHNICALSUPPORTTOPROMOTETHEENGINEERINGAPPLICATIONOFDCMICROGRIDFIRSTLY,THETOPOLOGYOFMICROGRID,EACHPORTCOMPONENTSANDTHEEQUIVALENTCIRCUITMODELOFDCLINEAREDESCRIBEDINTHISDISSERTATIONBASEDONTHESTRUCTUREOFFOURTERMINALLOWVOLTAGELOOPTYPEDCMICROGRID,THECHARACTERISTICSOFTHEFAULTCURRENTONTHEDCBUSAREANALYZEDINDETAILWHENTHEMOSTSEVEREFAULTOCCURINDCLINETHEPARTICULARITYBETWEENFAULTANDPROTECTIONINDCMICROGRIDHASBEENSUMMARIZEDDEMANDFORDCSOLIDSTATECIRCUITBREAKERHASBEENPROPOSEDBASEDONTHERESULTSOFTHEANALYSISSECONDLY,THEDISSERTATIONANALYZESWITHTHEVOLTAGERATINGOF200V,CAPACITYOF4KWLOOPTYPEDCMICROGRIDPERFORMANCEANALYSISANDPARAMETERDESIGNOFSOLIDSTATECIRCUITBREAKERSSCBRCDSNUBBERSAREPRESENTEDINALOWVOLTAGEDCMICROGRIDATDCBUSSHORTCIRCUITOCCURRENCEWHENSSCBTRIPSTOBLOCKALINETOGROUNDORLINETOLINESHORTCIRCUITFAULTONTHEDCBUS,THERAPIDLYDECREASINGFAULTCURRENTWILLCAUSEATRANSIENTOVERVOLTAGEINTHESTRAYINDUCTANCEOFMAINCIRCUITTHESITUATIONISESPECIALLYGRAVEINALINETOLINEFAULTWHICHHASAFAULTCURRENTOFHIGHERMAGNITUDERCDSNUBBERSARETHEREFOREADDEDTOSUPPRESSTHISOVERVOLTAGEPERFORMANCEANALYSISOFTHREECOMMONLYUSEDRCDSNUBBERS,IE,CHARGEDISCHARGETYPE,DISCHARGESUPPRESSINGTYPEANDDISCHARGESUPPRESSINGTYPE,INALINETOLINEFAULTAREPRESENTEDINTHISPAPERTHREEINDEXESARESELECTEDTOPROVIDEANINNERLOOKINTOTHECHARGINGANDDISCHARGINGPROCESSOFTHESNUBBERCAPACITORDURINGLINETOLINEFAULT,WHICHARERESPECTIVELY1THEPEAKVALUEOFTRANSIENTOVERVOLTAGEINSSCBANDTHETIMELENGTHWHENITREACHESSTEADYSTATE2THEPEAKVALUEOFFAULTCURRENTANDTHESPEEDOFENERGYTRANSFER3THEPEAKVALUEOFSNUBBERCAPACITORCURRENTANDVOLTAGEUSINGTHESAMESETOFPARAMETERS,DISCHARGESUPPRESSINGTYPEPROVESTOOBTAINTHEBESTPERFORMANCETHEPARAMETERDESIGNMETHODOFSNUBBERCAPACITOR,INDUCTORANDDIODEISALSOGIVENSIMULATIONSVERIFYTHEVALIDITYOFPERFORMANCEANALYSISANDTHEFEASIBILITYOFTHESNUBBERFINALLY,BASEDONTHELIMITATIONSOFTRADITIONALDCSOLIDSTATECIRCUITBREAKERRCDSNUBBERS,TOPOLOGYIMPROVEMENTSHAVEBEENPROPOSEDBYUSINGAFREEWHEELINGDIODETOBYPASSTHEFAULTCURRENTTOREALIZETHEFASTSHUTOFFSAFELYTHISWAY,THEOVERVOLTAGEPROTECTIONCANBESEPARATEDFROMTHEENERGYABSORPTIONTASKOFTHERCDSNUBBERSIMULATIONRESULTSVERIFYTHEEFFECTIVENESSANDFEASIBILITYOFTHEIMPROVEDDCSOLIDSTATECIRCUITBREAKERTOMEETTHENEEDSOFRAPIDREMOVALOFFAULTCURRENTINTHREETERMINALLOOPTYPEDCMICROGRIDKEYWORDSDCMICROGRIDSOLIDSTATECIRCUITBREAKERSNUBBERCIRCUITFREEWHEELINGDIODEFAULTANALYSIS目录摘要IABSTRACTIII1绪论111研究背景与意义112直流微电网国内外研究现状213直流微电网保护技术研究现状514论文的主要工作与章节安排7141本文的主要工作7142本文的章节安排72直流微电网结构与故障机理分析921直流微电网拓扑结构922分布式微电源和储能装置10221分布式微电源11222储能装置1323直流线路等效模型1424直流线路故障机理分析15241线路故障类型16242直流线路故障过程机理分析17243直流微电网线路故障与保护的特殊性2125直流微电网保护设备概述2226本章小结233直流固态断路器拓扑及工作特性研究2531直流断路器常见拓扑2532RCD缓冲电路工作原理2833三种RCD缓冲电路性能分析30331充放电型RCD缓冲电路32332放电阻止型RCD缓冲电路35333放电阻止型RCD缓冲电路39334三种缓冲电路拓扑的仿真分析4234缓冲电路参数设计45341缓冲电容45342缓冲电阻46343缓冲二极管4735本章小结484三端环形直流微电网固态断路器运行特性分析4941直流固态断路器设计4942环形直流微电网中固态断路器工作原理5043三端环形直流微电网固态断路器运行特性仿真52431线路12故障54432线路13故障56433线路23故障5044本章小结605总结与展望6151全文工作总结6152未来工作展望61参考文献63攻读硕士学位期间发表的科研成果67致谢691绪论11研究背景与意义随着一次能源的短缺和环境恶化问题的不断加剧，发展低碳经济、建设生态文明以及实现可持续发展已经成为人类社会的普遍共识，而开发利用清洁高效的可再生能源是解决未来能源问题和环境问题的主要出路。在能源需求、环境保护和完善电网建设的三重需求之下，以可再生能源为主的分布式发电（DISTRIBUTEDGENERATION，DG）技术凭借其投资小、环境友好、发电方式灵活等优点近年来越来越受到了人们的关注13。分布式发电是指接在用户侧附近的小型发电系统、满足终端用户的特殊需求，是存在于传统公共电网之外的系统。这种方式省去了庞大的输配电网络，减小了电能传输过程中的损耗。然而，由于分布式电源的不可控性，大量分布式发电的接入不仅对传统配电网造成不可控性、不安全性和不稳定性。IEEEP1547分布式电源与电力係统互连标准（IEEESTANDARDFORINTERCONNECTINGDISTRIBUTEDRESOURCESWITHELECTRICPOWERSYSTEMS）规定，当电力系统发生故障时，分布式能源必须马上退出运行48。分布式电源的发挥在一定程度上受到了限制，新能源的利用也间接受到了限制。为了协调大电网和分布式发电的矛盾，充分挖掘分布式能源的价值和效益，微电网（MICROGRID）的概念被提了出来。目前，国际上对微电网没有统一明确的定义，根据各国自身的条件和基本国情，各有其研究重点。但各国研究的微电网又有共同特征，一般认为微电网是由分布式微电源、负荷、储能装置及控制装置构成的一个单一可控的独立发电系统，它作为一个独立的整体，可以并网运行，也可以孤岛模式运行。在难以接入传统大电网、需要部分或者全部自主供电的偏远地区，例如海岛、矿区、极地等等，微电网的出现为人们在这些地方工作和生活提供了极大的便利。此外，在能够接入传统电网的地区，人们也可以为家庭、社区或者单位搭建包含小型太阳能或者风力发电设备的直流微电网，部分或者全部实现电力自给自足，从而节约电费、减少二氧化碳的排放。目前主要以交流微电网为主，交直流混合微电网本质上也属于交流微电网。微电网的组网方式可分为交流微电网、直流微电网和交直流混合微电网911。与交流微电网相比，直流微电网不需要对电压的相位和频率进行跟踪，对于直流微电网的控制只取决于直流母线电压，可控性和可靠性大大提高；其次，直流微电网相比交流微电网省去了不少变流环节，理论上仅需一级变流器便能方便地实现与分布式电源和负载的连接，具有更高转化效率；此外，直流电在传输过程中不需要考虑线路的无功功率和集肤效应，线路带载能力更强。因此，直流微电网作为连接分布式电源与主网的一种微网形式，能高效地发挥分布式电源的价值与效益，具备比交流微电网更灵活的重构能力1213。对于直流微电网供电而言，最重要的就是保证系统安全可靠运行，直流微电网保护设备也就显得尤为重要14。由于直流微电网的潮流具有不确定性，导致传统的交流电网继电保护方案难以适用于直流微电网。因此，有必要针对直流微电网的特点，对直流微电网的保护方案进行研究。通过研究直流微电网的核心设备直流断路器，可以提高直流微电网供电的安全性和可靠性，这不仅能够促进直流微电网的研究和发展，而且有利于直流微电网的应用和推广，从而充分利用微电网的优势，最大限度地开发清洁能源，同时也可以降低光伏发电和燃料电池等可再生能源的发电成本，这对于缓解能源危机和环境污染都具有极其重要的意义。12直流微电网国内外研究现状1999年，可靠性技术解决方案协会（THECONSORTIUMFORELECTRICRELIABILITYTECHNOLOGYSOLUTIONS，CERTS）首次对微电网在可靠性、经济性及其对环境的影响等方面进行了研究。到2001年，美国UNIVERSITYOFWISCONSINMADISON的RHLASSETER教授首先提出了微电网的概念，随后，立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标，美国可靠性技术解决方案协会、欧盟微电网项目组（EUROPEANCOMMISSIONPROJECTMICROGRIDS）以及日本新能源和工业技术发展组织（NEWENERGYDEVELOPMENTORGANIZATION，NEDO）相继给出了微电网的定义2024，并展开了相关的研究。同一时期，世界各地相继建成了多个微电网示范化工程项目，如美国在范特蒙特（MADRIVERPARKVERMONT,US）建成的72KV的微电网工程；希腊在基斯诺斯岛（KYTHNOSISLANDSMICROGRID,GREECE）建成的400V微电网工程；日本相继建成了爱知（AICHIPROJECT）、京都（KYOTANGOPROJECT）、八户（HACHINOHEPROJECT）微电网工程等。通过调研各个国家对微电网的研究和应用及其未来电网的发展战略中可以发现，微电网的形成与发展并未颠覆传统大规摸电网的观念，而是对电力行业在可持续发展和服务质量等方面的一种改善与提高，是大电网发展的必然趋势。由于关于直流网方面的研究水平远远落后于交流网，因此目前的组网方式大多以交流网为主。然而交流微电网控制复杂，需要考虑电压幅值、频率以及相位问题；要求各分布式电源相位同步，不便于分布式能源的接入；短路电流幅值具有随机性，不便于故障诊断，存在系统稳定问题；有无功损耗和集肤效应等缺点。因此，直流微电网比交流微电网更适合于分布式能源的接入。当然，直流微电也受以下问题的限制，网例如目前用电设备多为交流，如使用直流供电需要对用电设备进行改造；缺乏统一标准，设备造价成本较高；直流保护设备成本较高，技术上也存在一定难题；缺少相关规范准则对直流供电安全性和可靠性进行评估。AC/DC光伏组件DC/DC交流负载DC/AC蓄电池直流负载DC/DC直流母线图11ABB公司提出的直流微电网架构从上个世纪末开始，直流微电网相关技术的研发便得到了产学研各界的广泛关注。瑞典、日本、法国和美国等国家的通信公司已于20世纪90年代开始300400V数据中心直流配电的研究和介绍2526。另外，军舰、航空和自动化系统的直流区域配电，尤其是电力牵引直流供电技术已然成熟2728，这为直流微电网的推广应用提供了良好的契机。美国弗吉尼亚理工大学CPES中心29、ABB公司、日本大阪大学OSAKAUNIVERSITY9、日本山口大学YAMAGUCHIUNIVERSITY30和韩国智能微电网研究中心RESEARCHCENTERFORINTELLIGENTMICROGRID31等众多国际机构展开了对直流微电网的研究，图11所示是ABB公司在2008年提出的直流微电网架构。该架构拓扑简单，忽略了对于储能设备的控制，简化了系统。但是这可能导致蓄电池寿命大大缩短，增加了系统的维护成本。48VDCDC/DC电动汽车DC/DC蓄电池AC/DC风力发电DC/DC太阳能AC/DC大电网DC/DC燃料电池DC/AC空调系统DC/DC直流负载显示设备服务器300VDC图12弗吉尼亚理工大学CPES中心提出的直流微电网架构此外，弗吉尼亚理工大学CPES中心也提出了一个针对未来家庭供电的直流微电网架构，其结构如图12所示。该系统通过一个双向DC/AC与大电网并网，可以接入光伏、风电、燃料电池等微电源，并可以将家庭多余电能输送至大电网。此外，该架构中还增加了能量管理系统，可以对储能单元进行优化控制。系统包含了300V和48V两种电压等级，能够满足一般家庭日常使用。直流微电网家庭供电技术的发展引起了韩国的关注，为此韩国政府专门成立了智能微电网研究中心，其研究方向主要包括能量管理、优化控制和通讯系统三个方面。日本在直流微电网家庭供电领域的研究一直处于国际领先地位。2008年12月，日本东北大学研究生院环境科学研究科与住友商事、NEC东金和积水建房共同实施了将光伏电池产生的直流电直接储存于锂离子电池，并以直流形式直接为家用电器供电的试验。2010年6月东北大学建成综合使用光伏电池、锂离子电池及直流供电等的实验教学楼“ECOLAB”。在该实验楼内，可将光伏电池产生的电能直接储存在锂离子电池中，以直流方式用于LED照明等。此外还进行微弱能量的回收与再利用，如将卫生间、盥洗台及洗涤槽等的排水以及健身自行车等产生的微弱电能储存在锂离子电池中，供笔记本电脑等使用。为了促进直流供电的普及应用，NTTFACILITIES和富士通元件（FUJITSUCOMPONENT）共同研制发出了可支持400V左右直流供电系统的电源分配器和电源插头。这无疑解决了直流供电普及化所面临的技术难题直流电源电路开通关断时的电弧放电以及威胁人身安全的问题。产品中没有使用加载设备，安全性好；没有使用复杂的机械装置，插座耗电量极低。另外，该产品使用的部件数量也很少，因此性价比高。今后，NTTFACILITIES将与NTT集团推进直流供电的计划同步，实施开发产品的实证试验。此外，像丰田住宅（TOYOTAHOME）、日本国誉寿都亚（KOKUYOSTORECREATION）、日立、NTTDATA、NEC等公司也都积极致力于直流微电网系统的研究。我国在微电网的研究方面还处于起步阶段，但微电网的特点适应中国电力发展的需求与方向，在中国有着广阔的发展前景，具体体现在微电网是中国发展可再生能源的有效形式。充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、解决农村用能及边远地区用电等均具有重要意义。从2006年开始，我国把微电网技术研究相继列入国家“863”计划、“973”计划。同年，清华大学开始对微电网领域进行探索研究，利用清华大学电机系电力系统和发电设备安全控制和仿真国家重点实验室的硬件条件，建成包含可再生能源发电、储能设备和负荷的微电网试验平台。2008年，天津大学、合肥工业大学分别开展微电网实验测试研究。天津大学侧重试验研究不同形式能源的科学调度，以期达到能源高效利用、满足用户多种能源需求、提高供电可靠性；合肥工业大学侧重试验研究微电网的运行控制及微电网的能量管理系统。2010年，国家电网公司在郑州建成了“分布式光储联合微电网运行控制综合研究及工程应用”的示范工程项目，在西安建成“分布式发电/储能及微电网控制技术研究”的示范工程项目。同年，南方电网公司在佛山建成了国家“863”计划“分布式供能课题冷电联供系统示范工程”。然而国内直流微电网方面的研究起步稍晚，2009年7月，广东白色家电产学研创新联盟成立了直流家电技术工作组和家电集成能源系统技术工作组，才正式启动了我国在该领域的研究和开发32。随着政府对新能源开发的日益重视和越来越多的直流家电技术得到推广和应用，直流微电网将具有广阔的发展空间。与交流微电网的研究重点类似，直流微电网的研究重点为3335直流微电网与配电网的协调规划、分布式微电源优化配置、直流微电网控制、直流微电网储能单元能量管理、直流微电网系统的监控与保护策略等。13直流微电网保护技术研究现状目前，关于直流微电网并没有明确的相关规范和工业标准。由于直流微电网现仍处于研究阶段，关于直流微电网保护方面的研究成果甚少。传统交流系统根据几十年的运行经验已经形成了比较完善的保护运行标准和规范，而直流系统保护缺乏相关的标准和运行经验，只有近十多年来在铁路牵引、高压直流输电方面逐步形成了相关的标准规范，直流系统与交流系统有很大不同，与铁路牵引、高压直流输电也有较大差异，其故障有自身的特点，保护的整定计算、隔离方法等都需要重新研究36。由于直流微电网潮流的特殊性，传统交流电网的继电保护方案无法完全适用。故障分析与保护技术是直流微电网研究的一个重要方面，保护系统的可靠性对直流微电网的安全稳定运行有着直接的影响。直流微电网的故障包括换流器交流侧故障、换流器故障、直流线路故障、直流负荷故障、交流负荷故障等。其中换流器交流侧故障、换流器故障可以参考高压直流输电系统的相关故障分析，如文献3739研究了换流器交流侧故障或不平衡状态下的控制和保护方法，文献40研究了高压直流输电中换流器的故障分析与保护原理。直流线路故障是直流微电网保护的关键内容，直流线路故障有短路故障和断线故障，其中以短路故障为主，包括单极接地故障和极间短路故障。文献41详细分析了直流系统的单极接地故障和极间短路故障，分别对这两种故障进行了理论推导和仿真验证，并提出了一种基于电压测量的故障定位方法。直流微电网的保护研究主要包括故障分析、故障检测、故障隔离及微电网接地方式对保护的影响等方面。文献42指出，微电网的继电保护必须遵循以下原则保护策略在并网运行和孤岛运行时一致；发生短路故障时，提供短路电流的电源必须迅速被隔离。直流牵引供电技术43已经发展了数十年，具备了较为成熟的直流继电保护方案，这些为直流微电网保护的研究提供了重要指导。文献44也提到了微电网保护系统设计的准则1可靠性，包括故障诊断和抗扰动的能力；2灵敏性，包括迅速隔离故障和恢复系统正常工作的能力；3健壮性，能够最大限度地对敏感负载连续供电；4经济性，包括安装和维护成本；5简洁性，包括接线复杂程度、设备数量等。在直流微电网保护系统中，面临最大的挑战是灭弧较为困难。由于直流供电不存在过零点，在电流开断的瞬间会产生电弧，因此存在火灾隐患，这直接关系到人身安全问题。为了确保电弧熄灭，在直流保护系统中所采用的保护设备与交流系统有一定的差别。线路上常用的保护设备主要有直流断路器、快速熔断器和快速隔离开关4546。直流断路器具备很强的限流能力，当线路上发生故障时，能够快速切断直流系统中的故障电流。快速熔断器在高DI/DT的场合，熔断较快，电弧熄灭容易。但从可靠性和简洁性的角度来看，在直流电路中使用熔断器并非上佳选择，这是因为熔断器的安秒特性需要考虑到直流线路的寄生参数，熔断器应具备良好的灭弧装置以避免拉弧效应。目前，快速熔断器主要应用于电力牵引、蓄电池等直流保护系统。在直流微电网中，可将快速熔断器作为后备式的保护设备。快速隔离开关不具备带电通断的能力，通常作为机械断口，保证人身安全。在直流微电网系统中，故障类型可分为极间故障和接地故障47。极间故障分为母线故障和支路故障；接地故障分为正极接地故障和负极接地故障。在设计直流保护系统之前，应对系统所有可能发生的故障进行详细的分析。当直流微电网发生故障时，将直接影响到分布式电源、负载以及电力电子设备等，甚至可能造成设备损坏或系统瘫痪。根据文献44对微电网保护系统的要求，直流母线的保护应为最高级别。为了提高直流母线供电的可靠性，可釆取设置后备式保护或不依懒于通信的保护方式等48。直流支路发生故障时，只需将与该故障线路与微电网断开即可。直流微电网发生极间故障多为短路故障，故障电流较大便于诊断和定位；接地故障诊断的方法则随系统结构和接地方式不同而不同。对于舰船、飞行器等直流供电系统均为不接地系统，其故障诊断相对较难。文献47、48中介绍了一些方法，但是从实际应用的角度而言，关于不接地系统的接地故障诊断和定位仍需进一步研究。此外，对于直流微电网的保护还应包括非电类保护，例如温度保护，储能设备的过充过放保护等。文献49、50介绍了储能设备温度检测、过温保护和充放电管理方案，可以有效地对储能设备进行保护，延长其使用寿命。通过对直流微电网固态断路器的研究，可以提高其供电可靠性，从而促进直流微电网技术的发展，加速直流微电网的推广进程。同时也能进一步地利用分布式发电的优势，充分挖掘可再生能源的价值，使其更好地为人类服务。14论文的主要工作与章节安排141本文的主要工作本课题以适用于偏远地区供电的直流微电网的故障与保护为研究对象，主要完成了对直流微电网故障的分析、仿真和直流固态断路器的研究，具体工作内容可总结为以下几个部分1对微电网的拓扑结构、各端口组成部分和直流线路等效模型进行了阐述，基于该直流微电网的结构，详细地分析了当直流线路发生极间短路故障时，直流线路上故障电流的特性，并总结了直流微电网系统故障与保护的特殊性，基于分析结果提出了直流微电网对直流固态断路器的要求。2）针对直流固态断路器切除线路故障时出现的瞬时过电压现象，对充放电型、放电阻止和型RCD缓冲电路充电和放电过程进行了详细分析，在相同参数条件下以放电阻止型RCD缓冲电路性能最优，同时给出了缓冲电容、缓冲电阻和二极管的设计方法。针对仿真结果证明了理论分析的正确性和缓冲方案的可行性。3）从带有传统RCD缓冲电路的直流固态断路器的局限性出发，借鉴从过电压保护中分离出能量吸收的思想，通过引入续流二极管对传统直流固态断路器拓扑加以改进，实现了断路器的安全快速关断；在MATLAB/SIMULINK中搭建三端环形直流微电网模型进行仿真验证，仿真结果验证了搭建的直流固态断路器在环网中的有效性和可行性。142本文的章节安排第1章介绍了直流微电网的课题背景和意义，分析了目前直流微电网及其保护技术的国内外研究现状，由此展开对微电网故障分析和保护的研究。第2章主要介绍了本文所设计的直流微电网的结构与运行特点，详细地分析了微电网线路等效模型，然后从直流微电网的线路短路故障出发，分析了直流线路故障机理，并根据分析结果指出了对直流固态断路器的需求。第3章对直流固态断路器的缓冲电路常见拓扑及工作原理进行了详细的分析，主要完成了三种RCD缓冲电路性能分析的理论推导和仿真分析，对最优性能的RCD缓冲电路的参数进行了设计。第4章从带传统RCD缓冲电路的直流固态断路器的局限性出发，借鉴换流思想和电流转移分断的思想，从过电压保护中分离出能量吸收功能，通过引入续流二极管对传统直流固态断路器进行拓扑改进，分析改进的直流固态断路器的工作过程，在MATLAB/SIMULINK中搭建模型进行仿真验证，将所搭建的直流断路器应用于三端环形直流微电网，成功切除故障线路并且避免了微电网因为故障而崩溃，仿真结果证明了该直流固态断路器在环网中的有效性和可行性。第5章对本文的主要工作做出了总结，对直流微电网的故障分析和直流断路器研究做出了展望。2直流微电网结构与故障机理分析对于直流微电网而言，由于分布式微电源的存在，其潮流具有不确定性。因此，直流微电网的结构对故障分析和保护装置的研究有重要影响。直流微电网通常由分布式发电系统、负载和储能系统构成，可以满足一片电力负荷聚集区的能量需要。通过电网控制中心对其进行控制和管理，网内微电源与用户直接挂钩，安装在用户区域。直流微电网以直流配电的形式，通过直流母线很好地将各种分布式微电源融合起来并加以协调控制，同时又能将直流电直接输送给对电能质量要求高的直流负荷。一般情况下，直流微电网内有多根配电线和负荷，每根配电线有多个直流断路器。分布式微电源都是通过电力电子装置与系统相连，可以为当地负荷提供电力和电压支撑。在正常工作状态下，微电网通过固态断路器在公共连接点（POINTOFCOMMONCOUPLING，PCC）与大电网连接；当大电网出现故障时，也是通过固态断路器与大电网快速隔离。一旦微电网与公共电网隔离，也就是进入了孤岛运行状态，分布式发电系统就成了唯一的电源，所以分布式微电源必须具有调节负载电压并提供不间断电源的能力，能够按照预先确定的功率根据负荷进行合理的分配；当故障清除以后，微电网重新并入公共电网，实现正常的并网运行。21直流微电网拓扑结构直流微电网的拓扑结构包括单端供电式、双端供电式、福射式和环网式3738，通过对比各种网络结构的优缺点，选择一种最适合本课题的网络结构。下文将对上述四种供电网络结构进行分析（1）单端供电式单端供电式是一种最为简单的直流微电网结构，严格来说，它是辐射式结构的一个特例。这种结构大多是用于偏远地区的通信基站或者是通信公司的小范围直流供电系统中。单端供电式的结构虽然比较简单，它的系统成本也较低，但其电压等级一般较低，供电范围也很有限。因此单端供电式结构大多用在负荷容量较低且供电半径较小的场合。目前而言，初步的理论研究和实验可采用这种结构。（2）双端供电式相比于单端供电式，双端供电式直流微电网结构则有两路电源进线，分别接至微电网中2条不同的直流母线。这2路电源既可以同时为网络上的负荷供电，也可只由1路电源供电，另一路作为热备用，从而达到提高供电可靠性的目的。直流微电网中的分布式电源和储能设备可集中接入直流母线，也可以分散地接入。由于系统中存在2套电源，故而系统成本会响应增加，供电范围也随之扩大，控制保护也相对复杂。因此双端供电式适用于负荷供电可靠性要求较高的场合。目前，在船舶电力系统和航天航空供电系统和电力牵引供电系统等领域多数采用双端供电式结构。（3）辐射式辐射式供电结构具有相对较高的电压等级（如400V甚至更高），同时供电范围也较大；但其供电可靠性可能会较低，这由微电网中储能设备的配置情况决定，如果配置合理，可保证重要负荷的连续供电，可在一定程度上提供局部网络的供电可靠性，如此一来，系统成本将会大大增加。如若不配置相应的储能或分布式电源，一旦主电源出口或电源进线发生故障则会造成整个系统瘫痪。在应用场合方面，这种结构比较适合住宅小区直流供电系统。因为用户的地理位置是离散的，能充分发挥辐射式供电结构的优点，储能和分布式电源能分散布置。（4）环网式与上述3种供电网络结构相比，环网式可以视为双端式与辐射式的综合体。和双端供电式网络结构相比，环网式有2路甚至是多路直流供电线路和直流母线，分布式电源和储能装置可任意接至其中一条直流母线；与辐射式网络结构相比，环网式供电网络增加了1条甚至多条电源的进线。环网式供电结构的供电可靠性很高，供电范围也大，但网络结构较为复杂，且系统成本较高。根据本课题的要求，供电可靠性是设计首要指标，其次是供电距离。为了满足设计要求，本文将釆用环网式供电网络结构。但是目前该结构还处于一种理论研究阶段，实际工程中罕见应用。而环网式供电网络结构中的网状层会导致系统更加复杂繁冗，不便于系统控制。鉴于该系统的特殊用途，对于供电可靠性和供电质量以及供电距离具有较高的要求。因此本文将采用环形结构，舍去了网状结构层可相应简化系统复杂程度，同时降低了控制和保护的难度。直观的说，环形网络就是将放射状结构的单个直流微电网单元通过电缆和直流断路器（或可控变流器）相联结，实现单元之间的电力调度，使得各单元互为备用，大大地提高了系统的供电可靠性。同时舍去了网状结构中的复杂线路单元，降低了系统的复杂程度，便于系统控制。22分布式微电源和储能装置分布式微电源和储能装置是直流微电网的重要组成部分，储能装置能很好地解决当发电功率和吸收功率供需不平衡的问题。在分布式发电领域，采用储能技术能很好地解决分布式发电的间歇性和不确定性、用户侧平滑负荷的问题。在微电网技术当中，储能技术能很好地实现微电网的“黑启动”、电能质量的调节，微电网的系统稳定性、电能质量控制等等。当微电网正常运行时，如果微电源发出的总功率大于负荷的总需求功率，那么多余的能量储存在储能单元中；相反，如果微电源发出的总功率小于负荷的总需求功率，那么储能单元中储存的能量便会释放出来，给负荷供电，保证功率输送的连续性。微电源和储能装置相结合，能很好地解决分布式电源较大的波动问题，使得它们在微电网的正常运行和能量管理中发挥更好的作用。221分布式微电源微电源通常是指分布在电力负荷附近、与环境兼容的、容量在数千瓦至数十兆瓦之间的发电装置，如内燃机、燃气轮机以及以风能、太阳能电池、燃料电池为能源的发电装置等。1）微型燃气轮机微型燃气轮机也称为微型涡轮机、微型燃气轮机，微型轮机适合于各种传统燃料，且噪音低，寿命和耐性远高于柴油发电机。这种分散型、高效率和小型化的发电装置，逐渐成为世界能源技术的主流设备之。微型燃气轮机是一种新兴发展起来的小型热力发动机，工作原理与中国唐朝开始流行的走马灯相同。燃气轮机是靠燃烧产生的高温高压气体推动燃气叶轮旋转，其单个机组的功率范围大约为25300KW，以汽油、柴油、天然气、甲烷等为燃料。在满负荷运行时，它的效率能达到30，实行热电联产时效率可以达到更高，约为75。微型燃气轮机具有可靠、维修成本低，震动小，排放低，结构紧凑等优点，是当前最具有商业竞争力、最成熟的分布式发电设备之一。2）燃料电池燃料电池的原理是将燃料的化学能直接转变成电能。它包括两个电极（阳极和阴极）和存储在一个容器中的电解质。燃料电池的运行与蓄电池类似，不同之处在于反应物和生成物无需存而是不断的馈入电池当中。在其工作期间，氧化剂（通常是空气）和富氢燃料分别供给两个电极。氧化剂供给阴极，燃料供给阳极，两股气流被电极电解液系统分开。电化学的氧化和还原都发生在电极处且产生电，热和水是这个过程的副产物。根据电解质和不同工作的温度，燃料电池可以分为工作温度为200的磷酸型燃料电池PHOSPHORICACIDFUELCELL，PAFC、工作温度为650的熔融碳酸盐燃料电池MOLTENCARBONATEFUELCELL，MCFC、工作温度为80的质子交换膜燃料电池PROTONEXCHANGEMEMBRANEFUELCELL，PEMFC以及工作温度为1000的固体氧化物燃料电池SOLIDOXIDEFORCONTROL，SOFC等。其中，适用于分布式发电的燃料电池有质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池1618。燃料电池拥有很多优于传统发电机的优点。由于效率更高和燃料的氧化温度较低，燃料电池单位千瓦发电所释放的二氧化碳和氮氧化物更少。因此，燃料电池是一种环境友好型的能源。因为没有活动部件，它们几乎没有噪声和振动，而且耐用和维护工作量比较少，因此比较适合以城区。与燃气轮机不同，燃料电池在不满载的情况下效率会更高。此外，它们还可以使用多种燃料进行发电，如丙烷、柴油、氢气、天然气、垃圾填埋气、厌氧沼气、甲醇和石油脑等，这种适用性确保该技术不会由于燃料不可用而过时。然而使用燃料电池发电要前期需要投入比较高的建设成本和运行费用，如需要昂贵的耐高温材料、催化剂等，所以燃料电池发电暂时还没有办法与传统的发电方式进行竞争17。但是燃料电池却拥有许多传统的发电方式所不具备的优点，比如适应负荷变化的能力强、无噪音无震动、清洁高效无污染及检修维护简单等18，因此，它将成为除火电、水电、核电三大发电方式之外的第四种发电方式。3）光伏发电正如光伏发电是将太阳能直接转换为电能的一种发电形式。太阳能电池是太阳能光电转換的最核心器件，日前在生产、市场和应用上占主导地位的是晶体硅太阳能电池，也有非晶体硅薄膜光伏电池及多元化合物薄膜光伏电池。光伏发电的主要优点为第一，太阳能作为燃料的可持续性；第二，环境影响最小；第三，由于免费获取阳光，用户电费可以大幅度得到降低；第四，具有可超过三十年的功能寿命，即便在最小的维护量下；第五，可以静音运行。基于以上五个优点，光伏发电作为一种颇有潜力的技术得到了政府、环保组织以及商业机构的认可，将以可持续和可再生能源的方式成为世界能源需求供应的一个重要组成部分。虽然光伏电池作为微电网中的DER可以得到有效利用，但是其安装成本高，且能源利用率较低。并且容易受到季节气候变化、不問经纬度位置及昼夜光照差别的影响。4）风力发电风力发电是将风能转化为电能的一种发电方式，其主要部件为风力发电机。风力发电机多通过传动比齿轮箱连接到发电机，通常使用感应电动机。风力发电机组的主要组成部分为转子、机塔和机舱，机舱内设有传动装置发电机，转子有两个或两个以上的叶片。风力发电机通过桨叶捕集风的动能，然后通过齿轮箱将能量传递到感应发电机侧。风力发电机驱动发电机轴产生电力，齿轮箱的作用是将风力发电机较慢的转速转換成感应发电机侧较高的转速。然后再利用监测计量、保护及控制技术，将发电机输出的电圧和频率维持在规定的范围内。风力发电的运行方式主要有两种一种是独立运行的供电系统；另一种是作为常规电网电源，与电网并联运行20。独立运行的供电系统通常用于大电网未能覆盖的农村及偏远地区，如沙漠、高原及海岛等。眹网风力发电是大规模利用风能的最经济的方式，其单个机组的容量比较大，日前已经达到了兆瓦级，根据可控性，风力发电系统分为恒速风力发电系统和变速风力发电系统。在恒速发电系统中，由于其部件较少，结构简单，且没有频率变換，因而不存在谐波电流，問时具有较高的电效率；然而其功率的变化和电圧的闪变都会给配电网带来不利影响，此外，就空气动力学而言，效率较低，容易受到机械应力，噪声会比较大。变速风力发电系统能提供较为平稳的功率、更稳定的母线电圧和相对更低的损耗；然而，相对于恒速风力发电，其电效率较低，部件较为昂贵，并且需要更为复杂的控制筞略。目前，单机容量在2500KW以下的风电技术己经成熟。风电的突出优点是环境效益好，不排放任何废弃物和有害气体，但是目前风电机组成本还比较高。222储能装置由于微电网内存在多种功率不稳定的微电源，比如，风力发电、光伏电池等单元的输出功率随环境因素而变化，因此为了抑制这些类型的微电源引起的电压闪变、电网功率瞬时变动等现象，微电网中必须备用储能装置以确保不间断供电，这些储能设备主要有超级电容器储能、蓄电池储能、飞轮储能和超导储能等2122。这些储能装置连接到微电网的直流母线上，并能在系统状态发生变化时提供穿越能力（RIDETHROUGHCAPABILITIES）。1）超级电容器储能超级电容器储能系统是利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，由控制单元将存储的能量释放出来，快速补偿系统所需功率，实现电能的平衡与稳定。超级电容器存储的能量可达到静电电容器的100倍以上，并且其功率密度比电池高出10100倍。与传统的蓄电池相比，超级电容器能量密度高、充放电循环寿命和能量储存寿命长；与超导储能和飞轮储能相比，维护工作很少，可靠性很高。超级电容器的这些特点使其在微电网的应用中占很大优势。2）蓄电池储能蓄电池储能系统由电池、逆变器、控制装置和辅助设备组成，是目前应用最广泛的储能技术。按其使用的化学物质，蓄电池可分为铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池和锂离子电池等。目前分布式发电使用的蓄电池储能大都还是采用传统的铅酸电池，然而铅酸蓄电池却存在寿命短、投资高且污染环境等问题。而新型高能量二次电池锂离子电池19，以其工作电压高、体积小、无污染、储能密度高300400KWH/M3、循环寿命长等特点而受到人们的重视。此外，锂离子电池的充放电转化率高达90以上，这些优点将使锂离子电池在未来的微电网储能中发挥越来越重要的作用。3）飞轮储能飞轮储能是一种新型的机械储能方式，它将能量以动能的形式存储在高速旋转的飞轮中。其储能原理可以表示为2121EI2221IRMH其中，为存储的能量，为飞轮转子的转动惯量，为飞轮的转速，转动惯量与转子的半径；、质量和高度有关。飞轮储能效率高、寿命长、储能量高、建RMH设周期短，且充电速度快，可无限次充放电，不污染环境，因此它在微电网中作为储能装置具有很强的竞争力。4）超导储能超导储能系统是将电网供电励磁产生的磁场能量利用超导线线圈储存起来，在需要时将能量送回电网或作它用。与其他储能技术相比，超导储能具有显著的优点19能量释放速度快，仅需几秒钟；可长期无损耗储存能量，且能量返回效率高；容易调节电网电压、频率、有功和无功功率。其显著缺点是成本太高，系统太复杂，且需定期维护。23直流线路等效模型BATTACGRIDPHOTOVOLTAICSDC/DCAC/DCDC/DC断路器断路器断路器断路器断路器断路器断路器断路器断路器双向并网变流器储能端口发电端口负载端口线路等效模型断路器断路器直流线路模型线路等效模型线路等效模型线路等效模型负载DC/DC断路器图21低压环形直流微电网在负荷大多数为敏感性电子设备的场合，低压环形直流微电网是较为适合的一种选择，如图21所示。每端分布式电源通过一个AC/DC或DC/DC变换器与直流母线连接起来，交流大电网采用具有双向换流能力的电压源型换流器与直流母线连接，变换器之间由直流线路连接，并且每条输电线路两端都配有直流固态断路器。当任意一条线路或变换器发生故障时，为快速限制并切断故障电流，以维持直流微电网安全稳定运行并保护电网中的关键设备，直流固态断路器成为有效甚至唯一技术手段，直流微电网能够通过直流断路器将故障切除，仍能够利用其他线路进行供电，具有一定可靠性和冗余度。一般而言，直流微电网中直流线路上电阻、电感、电容、电导等参数是沿线均匀分布的，由于绝缘子的漏电、线路电晕损失以及电缆中的介质损耗比较小，工程实际中为简化计算，通常采用略去电导参数的型等值电路。当线路较长时，可采用型等值链型电路以分段式集中参数来模拟分布参数。根据动模相似等效原理可计算出型等值电路的等效电感、等效电容和等效电阻。LCR图22为双极性直流线路型等值链型电路。其中直流固态断路器（SOLIDSTATECIRCUITBREAKER，SSCB）由反并联二极管的绝缘栅双极晶体管IGBT反串联构成，当正常运行时，若控制电路中某一个正向IGBT导通，与另一个IGBT并联的二