电压敏感型负荷接入的直流微电网熔断器选择优化开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

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。在环境需求和能源需求的两方面要求下,分布式发电应运而生。分布式发电是将小型发电装置就近分布在负荷附近的一种发电方式,可以有效地利用可再生能源。这种方式可以省去庞大的输配电网络,减小了电能传输过程中的损耗,同时还能有效地提高供电可靠性。然而,分布式发电也存在一些问题,比如分布式电源接入成本髙、分布式电源输出不稳定等。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,微电网的概念也随之出现。

微电网是一个包含分布式微电源、负载、储能装置以及控制装置等设备的可控系统,具有低成本、低电压和低污染等优点。它具有并网运行和孤岛运行两种工作方式。微电网可分为交流微电网和直流微电网,现有研究多集中于交流微电网。然而相比交流微电网,直流微电网不存在相位同步、谐波治理和无功损耗等问题,且具备以下优点:电能变换等级少,系统效率得以提高且动态响应性能更好;线路传输功率为交流的√2倍,不存在集肤效应,更利于减小线路尺寸和降低功率损耗。因此,作为一种运行效率更高、综合造价更低和占用空间更少的组网方式,直流微电网已逐渐受到重视。

直流微电网通常是由分布式电源、储能系统、并网变流器和负荷单元四部分组成,典型结构如图1所示。

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2. 研究的基本内容与方案

电压敏感型负荷单元接入直流微电网后熔断器的优化。当直流微电网发生短路故障后,系统电压降急剧下降,而直流微电网中接入的电压敏感型负荷正常工作与否对电压跌落十分敏感,因此对直流微电网熔断器的选型优化进行研究。

直流微电网发生短路故障时,各故障点的短路电流特征非常接近,目前的保护算法几乎无法识别。为了更好对保护装置熔断器进行选型,首先要对故障点进行区分,测出故障点电压电流,进而选出合适型号的熔断器。

本设计针对直流微电网技术,设计了一个由分布式电源、储能系统、电压敏感型负荷、变流器等组成的直流微电网系统。

目前,国内微电网的边界拟定为:电压等级在35 kV 以下,包含35 kV、10 kV、400 V。本设计拟采用直流微电网电压等级设为400 V,系统中分布式电源、储能系统、电压敏感型负荷需要经过电力电子器件的变换才能接入配电网。简单的直流微电网结构图如图2所示

图2.直流微电网结构图

本次设计拟采用光伏电池作为直流电网的分布式电源。光伏电池等效电路如图3所示。通过查阅相关文献资料,得出公式

根据此式在MATLAB中搭建光伏电池仿真模型,完成分布式电源的构建。

图3.光伏电池等效电路

直流微电网包含风力发电、光伏发电、电动汽车、储能4 种直流电源。风能和太阳能属于可再生能源,所以优先级最高。风机发出的交流电通过 AC/DC 变换成直流电接入直流母线。光伏发电采用直流输出,通过 DC/DC 升压后连接到微电网。电动汽车充放电站可作为新型分布式电源,通过双向DC/DC 变换器接入直流微电网,也可以作为分布式电源的储能设备,增加供电的可靠性。

分布式发电首先要解决的就是储能问题。储能电池通过双向DC/ DC 变换器接入微电网,随母线电压的变化而改变工作模式。在储能电池中锂离子电池成为近年来分布式发电及微电网应用中最具发展前景的储能方案。

直流微电网与交流电网通过双向DC/AC 变换器连接,可以并网运行,也可以孤网运行。在并网情况下,大电网的放电优先级高于储能,并通过设置储能电池关断电压区域 ΔU 来延长电池的寿命; 孤网情况下,风力发电和光伏发电主要作为供电单元向系统提供能量,当发电容量大于负载容量时,将多余的能量储存到储能电池和电动汽车充电站中,用来平衡直流母线电压。当风速较低或光照不足,发电容量小于负载容量时,通过储能电池和电动汽车放电维持直流母线电压平衡。

电压源换流器 ( Voltage Source Converter,VSC) 与电流源换流器相比,其结构和控制简单、损耗低。所以直流微电网通常采用双向VSC与交流大电网并网。VSC大致可分为: 基于IGBT串联的 VSC和基于模块化多电平的换流器 (Modular Multilevel Converter,MMC)。三相 MMC 主电路图和子模块示意图如图3 所示。

图3.三相MMC主电路图和子模块示意图

两电平和三电平的 VSC 在电压等级较低的场合使用比较常见,而 MMC 多用于高压直流输电,并成为多电平技术研究的热点。文献采用 MMC 进行两级式光伏并网逆变器的设计,经过仿真分析得出结论: 采用MMC作为核心换流器并基于普通双闭环控制设计光伏并网逆变器的方案不仅是可行的,而且具有低谐波等优势。风力发电机接口处的整流器可采用三相两电平 VSC; 光伏发电发出的是直流电,可以经过 Boost 变换器升压后直接接入直流微电网;储能与电动汽车则通过双向DC/DC 变换器接入,来提升微电网的供电稳定性和可靠性。

目前,将 MMC 技术应用于直流微电网与交流大电网并网的研究并不多见,MMC 作为直流微电网的并网变换器经改善后也许会有更好的适用性。

本次设计是目的在于熔断器的选型与优化,因此了解一些直流保护设备是很有必要的。

直流用电设备及直流保护设备的研发是直流微电网得以推广的基础。选择合理的用电设备及保护设备可以简化电网拓扑结构、缩小停电范围、减少停电时间,从而提高供电可靠性。

合理的保护设备是电网安全运行的前提条件,文献对直流微电网保护现状做了简要的分析。当电网发生故障时,直流开关可用于切除 故障,减小停电范围;直流保护器则用于防止雷电过电压、瞬时过电压等对直流电源系统及用电设备产生危害与交流电相比,直流电在时间上没有过零点,分断比较困难。因此,为了加速断开故障时直流电所产生的电弧,对直流开关设计的要求更高。为克服机械开关分断速度慢、电力电子器件开关损耗大及成本高等缺点,混合式高压直流断路器应运而生。某公司开发的混合式高压直流断路器将机械动力学与电力电子设备相结合,可以在 5 ms内分断一所大型发电站的输出电流。直流电器一般包括: 直流断路器、直流接触 器、直流隔离开关、直流熔断器、直流接近开关、直流继电器等。直流保护器包括:直流电涌保护器、直流过压保护器、直流欠压保护器、直流短路保护 器等。本设计主要研究的是低压直流熔断器的选型优化。其中表1列出了市场中几种直流断路器的型号及参数。

表1直流断路器的型号及参数

品牌

型号

额定电压/V

额定电流/A

正泰

NB1Z-63

220

1~63

3德力西

CDB7DC/1P/2P

110/220

0.5~63

江苏人民电气有限公司

TX7-63Z/1P/2P/3P/4P

250/500/750/1000

1~63

施耐德

C65H-DC/1P/2P

125/250

1~63

ABB

S800PV-S/2P/3P/4P

800/1200

10~125

3. 研究计划与安排

第1周:阅读文献,并对英文文献《protection of low-voltage dc microgrids》进行翻译,修改完成后提交;撰写并完成开题报告,无错字、别字,格式规范;

第2周 修改、完善开题报告,进行开题答辩,主要对研究意义(1-3句话)、目标(1-3句话)、内容(1-3句话)、技术路线,重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解;

第3周 撰写毕业设计论文目录,需要获得指导老师认可;

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4. 参考文献(12篇以上)

1.吴盛军,王益鑫,李强,费骏韬,吕振华.低压直流供电技术研究综述[j].电力工程技术,2018.

2.李子峰.使用故障分类新方法的直流微电网保护方案[j].高电压技术,2018.

3.吴裘,吴昊,任路路,宋坤.含光伏发电接入的直流微电网仿真模型的研究[j].通信电源技术,2017.

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