直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略END8頁

1、 高壓直流數(shù)電基礎(chǔ)結(jié)課作業(yè) 姓名：張舜堯 班級(jí)：電氣14-01 學(xué)號(hào)：541401020153 院系：電氣信息工程學(xué)院直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略摘要：對(duì)直流配電網(wǎng)的環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了探討，對(duì)直流配電網(wǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)典型支路 的功率方程等進(jìn)行了推導(dǎo)與求解。對(duì)分布式能源和儲(chǔ)能裝置并入交流配電網(wǎng)和直流電網(wǎng)進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明相較于接入交流配電網(wǎng)而言，接入直流配電網(wǎng)能夠有效節(jié)省 DC AC 變換器和濾波裝置。采用了混合式直流斷路器同時(shí)提出了一種直流配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制模型。利用 PSCAD EMTDC 對(duì)環(huán)狀直流配電網(wǎng)結(jié) 構(gòu)的正常工況和故障情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明通過有效的控制和

2、分布式能源的合理調(diào)度，能夠有效限制 短路故障對(duì)系統(tǒng)造成危害，縮短短路時(shí)間，使整個(gè)直流配電網(wǎng)更加有效穩(wěn)定地運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：直流配電網(wǎng)；拓?fù)?；混合式直流斷路器；控制策? 引言 隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的日趨成熟，城市用電負(fù)荷不斷增長，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也不斷提高，現(xiàn)有的交流供電系統(tǒng)越來越難以滿足發(fā)展的需求。近年來，隨著大功率電力電子件、高壓換流技術(shù)的高速發(fā)展，高壓直流輸電技術(shù)也得到了不斷的完善，中國、美國、瑞典等國家已經(jīng)在建造多端直流輸電工程。直流配電網(wǎng)是一個(gè)具有先進(jìn)的能源管理系統(tǒng)的智能、穩(wěn)定的交直流混合廣域網(wǎng)絡(luò)。與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)有著一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：在絕緣水平相同的情況下，直流配電網(wǎng)的傳

3、輸功率約為交流配 電網(wǎng)的1.5倍；直流配電網(wǎng)能夠方便各種分布式電 源和電動(dòng)汽車充電站的接入；不同于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)并不存在渦流損耗以及線路的無功損耗，直流配電網(wǎng)的損耗僅為交流網(wǎng)絡(luò)的 15 % 50 %；理論上直流系統(tǒng)沒有頻率偏差、三相電壓不平衡和無功 補(bǔ)償?shù)葐栴}，因此能夠有效避免電壓波動(dòng)與閃變、頻率偏移、諧波污染等問題，能夠有效地改善電能質(zhì)量，提高電網(wǎng)可靠性。目前，國內(nèi)外對(duì)直流配電網(wǎng)的研究尚處于初級(jí)階段，未來的直流配電網(wǎng)技術(shù)仍存在許多挑戰(zhàn)。本文首先提出了直流配電網(wǎng)的基本概念，對(duì)直流配電網(wǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)典型支路的功率方程等進(jìn)行了推導(dǎo)與求解，并對(duì)環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性進(jìn) 行了探討；然后

4、提出了一種直流配電網(wǎng)的控制方式，對(duì)直流配電網(wǎng)的進(jìn)一步研究具有一定的參考價(jià)值。1 直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 多端直流系統(tǒng)是從交流系統(tǒng)引出多個(gè)換流站，通過多組點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直流連接不同的交流系統(tǒng)，沒有網(wǎng) 格、冗余，當(dāng)拓?fù)渲腥魏我粋€(gè)換流站或線路上發(fā)生故障時(shí)，整條線路及其相連的換流站要退出運(yùn)行，可靠 性較低。直流配電網(wǎng)中，各條直流線路可以自由連 接，可以互相作為冗余使用，而不是僅僅作為異步交 流電網(wǎng)的連接設(shè)備。直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以根據(jù)用途來決定，常見的直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為：鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 1.1 鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu) 常見的直流配電網(wǎng)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)如圖 1 所示。在直流配電網(wǎng)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中，

5、隨著負(fù)荷的增加，直流電 壓將會(huì)隨著潮流流動(dòng)的方向下降。 圖1 鏈?zhǔn)街绷髋潆娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)圖2 為直流配電網(wǎng)的典型支路。其中，Ui、Uj 為始、末兩端的端直流母線電壓；Ib 為支路電流；Ri j 為線路阻抗；Pj 為末端負(fù)荷的有功功率。由圖2 可得： 圖2 直流配電網(wǎng)典型支路示意圖 在實(shí)際的直流配電網(wǎng)中，由于線路上的阻抗相對(duì)較小，正常情況下線路兩端的電壓相差不大，不會(huì)出現(xiàn)如式（6）所示的末端電壓只有始端電壓一半的情況，即式（3）始終有解?？梢娭绷髋潆娋W(wǎng)不存在類似交流配電網(wǎng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性問題。1.2 環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性環(huán)狀直流配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。交流配電網(wǎng)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，通常采用環(huán)狀設(shè)計(jì)、解環(huán)運(yùn)

6、行，從而避免了雙電源時(shí)電壓幅值差、相角差引起的無功環(huán)流。由于直流配電網(wǎng)中并不需要考慮無功功率，因此也不需要考慮無功環(huán)流問題。在研究直流配電網(wǎng)環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮出現(xiàn)短路情況的保護(hù)問題。 圖3 環(huán)狀直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)由于直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中線路阻抗較小，當(dāng)線路上發(fā)生短路故時(shí)，短路電流上升速度快、幅值高。如果缺乏實(shí)用的直流斷路器，通常只能將直流變壓器或換流器閉鎖，以隔離故障。當(dāng)采用鏈?zhǔn)浇y(tǒng)時(shí)，若末端線路發(fā)生故障，將上級(jí)直流變壓器或換流器閉鎖，余下線路仍可以正常運(yùn)行；當(dāng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，只能將全部線路停運(yùn)，極大地降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，制約環(huán)狀直流配電網(wǎng)可行性的關(guān)鍵技術(shù)即為直流斷路器的研發(fā)。1.3 兩端直流

7、配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性為了保障直流配電網(wǎng)的可靠性，在兩端直流配電網(wǎng)中通常會(huì)有端的交流接口采用定電壓控制，其余交流接口采用定功率控制。直流配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，由于不需考慮無功功率因素，并且整個(gè)直流配電系統(tǒng)的電壓完全由定電壓控制端和負(fù)荷決定，從而避免了直流電壓差引起的功率環(huán)流，常見的兩端直流配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。 圖4 兩端直流配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)2 直流斷路器模型與直流配電網(wǎng)控制策略2.1 混合式高壓直流斷路器與傳統(tǒng)的交流輸電相比，直流輸電由于沒有電流過零點(diǎn)，因此相較于交流電弧，直流電弧更難以熄滅。現(xiàn)有的高壓直流斷路器能夠在幾十毫秒內(nèi)斷開電路，但對(duì)于高壓直流輸電系統(tǒng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求?；诎雽?dǎo)體的高壓

8、直流斷路器能夠克服動(dòng)作速度上的問題，但是需要大量電力電子開關(guān)器件串聯(lián)。本文采用了新型的混合式直流斷路器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示，能夠有效地克服上述缺點(diǎn)。機(jī)械開關(guān)S 采用高速斥力開關(guān)，該裝置動(dòng)作時(shí)短，可以顯著縮短直流斷路器的開斷時(shí)間；電力電子復(fù)合開關(guān)IGBT 閥組T1 與晶閘管閥組T2 串聯(lián)構(gòu)成，由于晶閘管的容量較大，靜態(tài)電阻也較大，其均壓（均流）技術(shù)亦較為成熟，因此該復(fù)合開關(guān)可以有效降低電力電子器件的串（并）聯(lián)數(shù)量及均（均流）難度；限流電路由限流電感L、晶閘管VDL、VDL 及能量釋放電阻RL 構(gòu)成，故障發(fā)生時(shí)，L用于限制短路電流上升率，故障切除后，L中儲(chǔ)存的能量經(jīng)VDL、VDL及RL 釋放，

9、并限制 圖5 混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 L 的感應(yīng)過電壓；續(xù)流二極管VD用于釋放電源出口與短路點(diǎn)間的線路阻抗中儲(chǔ)存的能量，故障切除后，線路阻抗經(jīng)續(xù)流二極管與短路點(diǎn)續(xù)流，其感應(yīng)過電壓不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響。3.2 直流配電網(wǎng)的控制策略直流配電網(wǎng)的控制策略可以分為2 層：第一層為配電網(wǎng)上層控制，即系統(tǒng)控制，主要對(duì)換流站進(jìn)行控制，控制直流配電網(wǎng)與交流配電網(wǎng)的功率傳輸和整個(gè)直流配電網(wǎng)的電壓；第二層為配電網(wǎng)下層控制，即單元控制，主要對(duì)分布式電源的發(fā)電、儲(chǔ)能元件、直流負(fù)荷進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。當(dāng)系統(tǒng)級(jí)發(fā)生故障時(shí)，即交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)連接處或換流站發(fā)生故障時(shí)，如果與發(fā)生故障的線路連接的換流站為一般換流站，只需切除

10、故障線路，將故障的線路與整個(gè)直流系統(tǒng)隔離即可；如果與發(fā)生故障的線路相連接的換流站為控制直流配電網(wǎng)電壓等級(jí)的換流站，則應(yīng)迅速切除故障線路，同時(shí)將備用換流站由定功率控制轉(zhuǎn)為定電壓控制，來維持直流配電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。當(dāng)直流配電網(wǎng)下層發(fā)生故障時(shí)，如分布式電源發(fā)生故障，首先將故障線路切除，為了避免整個(gè)直流配電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)短時(shí)功率跌落，控制儲(chǔ)能單元向直流系統(tǒng)傳輸功率，維持系統(tǒng)的功率平衡，減小直流系統(tǒng)的電壓波動(dòng)，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)語本文對(duì)直流配電網(wǎng)鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型支路的功率方程等進(jìn)行了推導(dǎo)與求解，并對(duì)環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了探討，接著對(duì)分布式能源和儲(chǔ)能裝置接入直流配電網(wǎng)進(jìn)行了研究，最后采用了

11、混合式直流斷路器模型同時(shí)提出了一種新的直流配電網(wǎng)控制策略。仿真結(jié)果證明：在正常工況下，中壓直流配電系統(tǒng)和低壓直流配電系統(tǒng)的電壓和功率都可以保持穩(wěn)定；在故障情況下，直流斷路器能夠迅速地切斷故障線路，同時(shí)采用本文提出的控制策略，能夠更好地維持系統(tǒng)電壓和功率傳輸?shù)姆€(wěn)定，縮短故障時(shí)間，使整個(gè)直流配電系統(tǒng)能夠更加有效穩(wěn)定地運(yùn)行。參考文獻(xiàn)：1 DASTGEER F，KALAM A. Efficiency comparison of DCand ACdistribution systems for distributed generationCProceedings ofAustralasian Unive

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