風(fēng)電直流微網(wǎng)的控制與保護技術(shù)研究

【摘要】：對于以可再生能源發(fā)電為主的微網(wǎng)系統(tǒng),直流微網(wǎng)以其顯著優(yōu)勢成為微網(wǎng)技術(shù)新的研究方向。論文以風(fēng)電直流微網(wǎng)為研究對象,首先提出電壓分層協(xié)調(diào)控制策略以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。該控制策略根據(jù)直流電壓的變化量來使各端變流器自動對直流電壓進行調(diào)節(jié)。然后根據(jù)交流主網(wǎng)故障下直流微網(wǎng)的運行特性,提出直流微網(wǎng)在不同工作條件下的交流故障穿越控制方案。最后根據(jù)直流短路故障下電壓源變流器及直流微網(wǎng)系統(tǒng)的故障特性,提出電流差動保護作為主保護的直流故障保護方案。充分利用各端直流電流特性,確保短路故障時保護系統(tǒng)能夠根據(jù)線路差動電流值做出快速響應(yīng),從而實現(xiàn)了直流微網(wǎng)系統(tǒng)的直流短路故障保護。本文的主要研究成果如下：1.提出風(fēng)電直流微網(wǎng)的三種運行模式,為風(fēng)電直流微網(wǎng)的整體協(xié)調(diào)控制策略的研究奠定基礎(chǔ)。分析直流微網(wǎng)的典型構(gòu)成及各單元功能,并在此基礎(chǔ)上研究永磁風(fēng)電機組、蓄電池儲能單元、聯(lián)網(wǎng)變流器以及交直流負荷的數(shù)學(xué)模型,并進一步分析各單元的控制策略。2.提出適用于直流微網(wǎng)的直流電壓分層協(xié)調(diào)控制策略,以確保在風(fēng)速或負荷變化等各種工作狀態(tài)下風(fēng)電直流微網(wǎng)的穩(wěn)定運行。分析直流電壓下垂控制的基本工作原理,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)風(fēng)電直流微網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)、運行模式和工作特點以及直流電壓的工作范圍,提出直流電壓分層協(xié)調(diào)控制策略,并分析各層控制下各端變流器的控制方法,使聯(lián)網(wǎng)變流器、儲能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機組和負荷都參與到系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制中,并根據(jù)它們的優(yōu)先級別實現(xiàn)對直流電壓的自動調(diào)節(jié),滿足直流微網(wǎng)在不同工況下的運行要求。該方法不依賴于通訊,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,控制靈活可靠。3.提出交流故障下直流微網(wǎng)內(nèi)有功剩余和有功不足兩種工作條件下系統(tǒng)的故障穿越控制方案。在分析交流主網(wǎng)故障擾動對直流微網(wǎng)系統(tǒng)運行的影響和工作特性的基礎(chǔ)上,以直流電壓的迅速抬升或下降作為交流主網(wǎng)故障的判據(jù),提出直流微網(wǎng)的交流故障穿越控制方案,充分發(fā)揮系統(tǒng)多個直流端的有功調(diào)節(jié)優(yōu)勢,尤其是儲能系統(tǒng)和風(fēng)電機組。通過合理調(diào)節(jié)故障擾動后蓄電池的充放電電流和風(fēng)電機組的有功輸出可有效緩解直流微網(wǎng)系統(tǒng)的不平衡功率,使風(fēng)電直流微網(wǎng)在交流主網(wǎng)故障時具備更強的穿越能力。4.提出環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的風(fēng)電直流微網(wǎng)的直流輸電線路雙極短路故障的保護方案。對比分析風(fēng)電直流微網(wǎng)的三種拓撲結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上提出直流微網(wǎng)的一種通用拓撲結(jié)構(gòu)；分析電壓源變流器和直流微網(wǎng)系統(tǒng)在直流線路短路故障時的暫態(tài)特性,提取短路電流故障特征,得出電路參數(shù)與故障電流及反并聯(lián)二極管過流時間的定性關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)的電壓電流故障特性提出以電流差動保護作為主保護、欠電壓保護作為后備保護的保護方案,以快速準(zhǔn)確地檢測故障線路、合理開斷直流斷路器。該保護策略通過檢測直流線路的輸入輸出電流及其差動電流來定位和隔離故障線路,從而確保直流短路故障下微網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。 【關(guān)鍵詞】：直流微網(wǎng) 風(fēng)力發(fā)電 電壓分層協(xié)調(diào)控制 故障穿越 拓撲結(jié)構(gòu) 電流差動保護
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM614
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-33
• 1.1 課題背景及意義14-16
• 1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)16-31
• 1.2.1 直流微網(wǎng)的提出16-21
• 1.2.2 直流微網(wǎng)的運行控制研究現(xiàn)狀21-27
• 1.2.3 直流故障時直流微網(wǎng)的保護策略研究現(xiàn)狀27-31
• 1.3 本文研究內(nèi)容31-33
• 第2章 風(fēng)電直流微網(wǎng)的系統(tǒng)建模及控制33-55
• 2.1 引言33
• 2.2 風(fēng)電直流微網(wǎng)的構(gòu)成33-34
• 2.3 風(fēng)電直流微網(wǎng)的系統(tǒng)建模與控制系統(tǒng)34-51
• 2.3.1 風(fēng)力發(fā)電單元的建模與控制系統(tǒng)34-41
• 2.3.2 儲能單元的建模與控制系統(tǒng)41-48
• 2.3.3 聯(lián)網(wǎng)變流器的建模與控制系統(tǒng)48-50
• 2.3.4 負荷單元的的建模與控制系統(tǒng)50-51
• 2.4 風(fēng)電直流微網(wǎng)的運行模式51-53
• 2.4.1 聯(lián)網(wǎng)自由模式52
• 2.4.2 聯(lián)網(wǎng)限流模式52-53
• 2.4.3 孤島模式53
• 2.5 本章小結(jié)53-55
• 第3章 風(fēng)電直流微網(wǎng)的電壓協(xié)調(diào)控制55-75
• 3.1 引言55-56
• 3.2 直流電壓的下垂控制56-59
• 3.3 電壓分層協(xié)調(diào)控制策略59-65
• 3.3.1 第一層控制60-62
• 3.3.2 第二層控制62-63
• 3.3.3 第三層控制63-65
• 3.4 風(fēng)電直流微網(wǎng)運行控制的仿真分析65-73
• 3.4.1 仿真系統(tǒng)簡介65-67
• 3.4.2 聯(lián)網(wǎng)自由模式下系統(tǒng)的仿真分析67-69
• 3.4.3 聯(lián)網(wǎng)限流模式下系統(tǒng)的仿真分析69-70
• 3.4.4 孤島模式下系統(tǒng)的仿真分析70-73
• 3.5 本章小結(jié)73-75
• 第4章 風(fēng)電直流微網(wǎng)的交流故障穿越控制75-90
• 4.1 引言75-76
• 4.2 交流主網(wǎng)故障下直流微網(wǎng)的運行條件76-77
• 4.3 交流故障穿越控制策略77-82
• 4.3.1 條件1下的故障穿越控制77-81
• 4.3.2 條件2下的故障穿越控制81-82
• 4.4 風(fēng)電直流微網(wǎng)交流故障穿越的仿真分析82-88
• 4.4.1 仿真系統(tǒng)簡介82
• 4.4.2 直流微網(wǎng)內(nèi)功率過剩時的故障穿越仿真分析82-85
• 4.4.3 直流微網(wǎng)內(nèi)功率不足時的故障穿越仿真分析85-88
• 4.5 本章小結(jié)88-90
• 第5章 風(fēng)電直流微網(wǎng)的直流短路故障分析與保護策略90-108
• 5.1 引言90-91
• 5.2 風(fēng)電直流微網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)91-95
• 5.2.1 輻射型拓撲91-92
• 5.2.2 環(huán)型拓撲92-93
• 5.2.3 中心環(huán)型拓撲93-94
• 5.2.4 通用型拓撲94-95
• 5.3 直流線路雙極短路故障特性95-100
• 5.3.1 VSC的直流短路故障特性95-99
• 5.3.2 環(huán)型直流微網(wǎng)系統(tǒng)的短路故障特性99-100
• 5.4 風(fēng)電直流微網(wǎng)系統(tǒng)的短路故障保護設(shè)計100-103
• 5.4.1 電流差動保護策略101-103
• 5.4.2 欠電壓保護策略103
• 5.5 風(fēng)電直流微網(wǎng)系統(tǒng)直流故障下的仿真分析103-107
• 5.5.1 仿真系統(tǒng)簡介103
• 5.5.2 短路故障下系統(tǒng)的仿真分析103-107
• 5.6 本章小結(jié)107-108
• 第6章 結(jié)論與展望108-111
• 6.1 結(jié)論108-109
• 6.2 進一步研究工作展望109-111
• 參考文獻111-121
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果121-123
• 攻讀博士學(xué)位期間參加的科研工作123-124
• 致謝124-125
• 作者簡介125

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