直流電網(wǎng)拓撲結構及控制策略END8頁

1、 高壓直流數(shù)電基礎結課作業(yè) 姓名：張舜堯 班級：電氣14-01 學號：541401020153 院系：電氣信息工程學院直流電網(wǎng)拓撲結構及控制策略摘要：對直流配電網(wǎng)的環(huán)狀拓撲結構和兩端拓撲結構的可行性進行了探討，對直流配電網(wǎng)鏈式結構典型支路 的功率方程等進行了推導與求解。對分布式能源和儲能裝置并入交流配電網(wǎng)和直流電網(wǎng)進行了對比研究，研究結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提出了一種直流配電網(wǎng)的協(xié)調控制模型。利用 PSCAD EMTDC 對環(huán)狀直流配電網(wǎng)結 構的正常工況和故障情況進行仿真，仿真結果表明通過有效的控制和

2、分布式能源的合理調度，能夠有效限制 短路故障對系統(tǒng)造成危害，縮短短路時間，使整個直流配電網(wǎng)更加有效穩(wěn)定地運行。 關鍵詞：直流配電網(wǎng)；拓撲；混合式直流斷路器；控制策略0 引言 隨著現(xiàn)代化城市建設的日趨成熟，城市用電負荷不斷增長，用戶對電能質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、高壓換流技術的高速發(fā)展，高壓直流輸電技術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)是一個具有先進的能源管理系統(tǒng)的智能、穩(wěn)定的交直流混合廣域網(wǎng)絡。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：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 補償?shù)葐栴}，因此能夠有效避免電壓波動與閃變、頻率偏移、諧波污染等問題，能夠有效地改善電能質量，提高電網(wǎng)可靠性。目前，國內外對直流配電網(wǎng)的研究尚處于初級階段，未來的直流配電網(wǎng)技術仍存在許多挑戰(zhàn)。本文首先提出了直流配電網(wǎng)的基本概念，對直流配電網(wǎng)鏈式結構典型支路的功率方程等進行了推導與求解，并對環(huán)狀拓撲結構及兩端拓撲結構的可行性進 行了探討；然后

4、提出了一種直流配電網(wǎng)的控制方式，對直流配電網(wǎng)的進一步研究具有一定的參考價值。1 直流配電網(wǎng)拓撲結構 多端直流系統(tǒng)是從交流系統(tǒng)引出多個換流站，通過多組點對點直流連接不同的交流系統(tǒng)，沒有網(wǎng) 格、冗余，當拓撲中任何一個換流站或線路上發(fā)生故障時，整條線路及其相連的換流站要退出運行，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)的連接設備。直流配電網(wǎng)的拓撲結構可以根據(jù)用途來決定，常見的直流配電網(wǎng)拓撲結構可以分為：鏈式拓撲結構、兩端拓撲結構和環(huán)狀拓撲結構。 1.1 鏈式拓撲結構 常見的直流配電網(wǎng)的鏈式結構如圖 1 所示。在直流配電網(wǎng)的鏈式結構中，

5、隨著負荷的增加，直流電 壓將會隨著潮流流動的方向下降。 圖1 鏈式直流配電網(wǎng)結構圖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 在實際的直流配電網(wǎng)中，由于線路上的阻抗相對較小，正常情況下線路兩端的電壓相差不大，不會出現(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)狀拓撲結構的可行性環(huán)狀直流配電網(wǎng)的拓撲結構如圖3 所示。交流配電網(wǎng)的環(huán)狀結構，通常采用環(huán)狀設計、解環(huán)運

6、行，從而避免了雙電源時電壓幅值差、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)狀拓撲結構時主要考慮出現(xiàn)短路情況的保護問題。 圖3 環(huán)狀直流配電網(wǎng)結構由于直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中線路阻抗較小，當線路上發(fā)生短路故時，短路電流上升速度快、幅值高。如果缺乏實用的直流斷路器，通常只能將直流變壓器或換流器閉鎖，以隔離故障。當采用鏈式統(tǒng)時，若末端線路發(fā)生故障，將上級直流變壓器或換流器閉鎖，余下線路仍可以正常運行；當采用環(huán)狀結構時，只能將全部線路停運，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)可行性的關鍵技術即為直流斷路器的研發(fā)。1.3 兩端直流

7、配電網(wǎng)拓撲結構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)正常運行時，由于不需考慮無功功率因素，并且整個直流配電系統(tǒng)的電壓完全由定電壓控制端和負荷決定，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)拓撲結構如圖4 所示。 圖4 兩端直流配電網(wǎng)結構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，因此相較于交流電弧，直流電弧更難以熄滅?，F(xiàn)有的高壓直流斷路器能夠在幾十毫秒內斷開電路，但對于高壓直流輸電系統(tǒng)，遠遠不能達到要求?；诎雽w的高壓

8、直流斷路器能夠克服動作速度上的問題，但是需要大量電力電子開關器件串聯(lián)。本文采用了新型的混合式直流斷路器，其拓撲結構如圖5 所示，能夠有效地克服上述缺點。機械開關S 采用高速斥力開關，該裝置動作時短，可以顯著縮短直流斷路器的開斷時間；電力電子復合開關IGBT 閥組T1 與晶閘管閥組T2 串聯(lián)構成，由于晶閘管的容量較大，靜態(tài)電阻也較大，其均壓（均流）技術亦較為成熟，因此該復合開關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 構成，故障發(fā)生時，L用于限制短路電流上升率，故障切除后，L中儲存的能量經(jīng)VDL、VDL及RL 釋放，

9、并限制 圖5 混合式直流斷路器拓撲結構圖 L 的感應過電壓；續(xù)流二極管VD用于釋放電源出口與短路點間的線路阻抗中儲存的能量，故障切除后，線路阻抗經(jīng)續(xù)流二極管與短路點續(xù)流，其感應過電壓不會對其他設備產(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，主要對換流站進行控制，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，主要對分布式電源的發(fā)電、儲能元件、直流負荷進行協(xié)調控制。當系統(tǒng)級發(fā)生故障時，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，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)電壓等級的換流站，則應迅速切除故障線路，同時將備用換流站由定功率控制轉為定電壓控制，來維持直流配電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。當直流配電網(wǎng)下層發(fā)生故障時，如分布式電源發(fā)生故障，首先將故障線路切除，為了避免整個直流配電網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)短時功率跌落，控制儲能單元向直流系統(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，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結語本文對直流配電網(wǎng)鏈式拓撲結構的典型支路的功率方程等進行了推導與求解，并對環(huán)狀拓撲結構及兩端拓撲結構的可行性進行了探討，接著對分布式能源和儲能裝置接入直流配電網(wǎng)進行了研究，最后采用了

11、混合式直流斷路器模型同時提出了一種新的直流配電網(wǎng)控制策略。仿真結果證明：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，縮短故障時間，使整個直流配電系統(tǒng)能夠更加有效穩(wěn)定地運行。參考文獻：1 DASTGEER F，KALAM A. Efficiency comparison of DCand ACdistribution systems for distributed generationCProceedings ofAustralasian Unive

12、rsity Power Engineering Conference （AUPEC）.Adelaide，Australia：s.n.，20092 張文亮，湯涌，曾南超. 多端高壓直流輸電技術及應用前景J.電網(wǎng)技術，2010，34（9）：3 曾慶禹. 特高壓交直流輸電系統(tǒng)可靠性分析J. 電網(wǎng)技術，2013，37（10）4 方進，鄧珂琳，溫家良. 環(huán)網(wǎng)式三端直流輸電系統(tǒng)及直流斷路器應用的分析與仿真J. 電網(wǎng)技術，2012，36（6）5 文俊，溫家良，殷威揚，等. 高壓直流三極輸電技術J. 電網(wǎng)技術，2013，37（8） 6 LUO F，CHEN J，JIN X C，et al. A novel solid fault currentlimiter for DC power distri