低压直流配电系统的断路器保护分析

随着分布式能源、储能设备和电动汽车等的广泛应用,低压直流配电系统兴趣日益增强。然而,低压直流配电系统暴露出许多新的问题和挑战,其中一个重要的问题是电弧控制和断路器的保护。本研究针对低压直流配电系统的断路器保护进行了深入的理论分析和实验研究。通过构建理论模型,对低压直流断路器的工作原理进行了详尽的讨论,并提出了一种新的电弧消除方案。通过对比分析,得出该方案能有效增强低压直流断路器的开断能力,降低系统的损耗,提升系统的运行效率。研究也表明,断路器在低压直流配电系统中的保护和控制对于提高系统的稳定性和继电保护的有效性至关重要。此外,还通过仿真和实验验证了该方案的可行性。该研究为低压直流配电系统的断路器设计和应用提供了重要的理论依据和参考。

改进下垂控制下的中压直流配电系统双时间尺度分层调控方法

针对中压直流配电系统,在负荷激增、可再生能源出力突变等特殊工况下,传统优化调度方案与协调控制策略存在系统运行经济性有待提升、直流母线电压易越限的问题。为此,提出一种基于改进下垂控制的中压直流配电系统双时间尺度分层调控方法。首先,构建一种具备直流故障穿越能力的3端混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)环状±10 kV中压直流配电系统,该系统含电动汽车充电站、储能系统、分布式光伏与风电等灵活性资源。其次,制定各单元协调控制策略,并采用tan函数改进传统下垂控制,以提高系统应对大幅功率波动的能力。然后,基于改进控制策略提出一种双时间尺度分层优化调控方法:在长时间尺度的系统调度层,以运行总成本最小为优化目标,确定各换流器参考功率;在短时间尺度的换流器间协调控制层,改进下垂曲线,并优化控制系数,以兼顾系统运行经济性与电能质量。最后,以典型算例验证该文所提优化调度方案及协调控制策略的有效性:通过灵活调度多种柔性资源,系统运行总成本可降低约11%;在某数据中心负荷激增100%的工况下,各直流母线电压波动仍能维持在±3%UN(额定电压)的允许范围内。

超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES(superconducting magnetic energy storage)装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC(modular multilevel DC/DC converter)的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真研究

对新能源低压直流配电系统开展暂态实时仿真研究对优化其运行控制具有重要作用。由于现场可编程门阵列(FPGA)内部集成了大量具有不同功能的电路,FPGA正成为电力系统暂态实时仿真领域主要的计算载体之一。该文面向新能源低压直流配电系统的暂态实时仿真需求,开发了一种基于FPGA的包含小型分布式风力发电、光伏发电以及蓄电池储能单元的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器。首先,研究构建了分布式发电单元和典型控制回路的计算模块,利用FPGA的并行计算特性并结合“算法-结构-有效匹配(AAA)”理念建立了底层模块串并联混合求解结构;然后,在节点分析法的框架下,建立了一种结合矩阵LDU分解和有向无环图(DAG)的电气系统节点电导矩阵并行求解方法;最后,在建立电气系统与控制系统并行求解架构的基础上,开发了一种基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器,通过将其仿真结果与PSCAD/EMTDC离线仿真平台的计算结果进行对比,验证了所开发暂态实时仿真器的有效性和准确性。

多端交直流配电系统的降阶建模与稳定域分析

随着不同电力电子设备的广泛接入,交直流配电系统的稳定性分析变得更为复杂,已引发多起低频振荡事故,严重危害到系统安全稳定运行。如何简化复杂的交直流配电系统模型,分析不同参数下直流电压的动态特性,是提高系统稳定性、避免系统振荡失稳的关键。文中以三端交直流配电系统为研究对象,首先,通过建立等值单机模型实现了多端交直流配电系统的等效降阶。其次,基于等值单机模型,推导了直流电压的低频分析模型。在实现低频模型降阶的同时,得到了直流电压动态性能的解析表达。再次,基于等值单机模型的传递函数和解析表达式,提出了一种稳定域分析方法,研究了系统参数变化对稳定域和系统动态性能的影响规律。最后,基于软件仿真模拟与硬件在环实验,验证了所提方法的有效性。

直流配电系统虚拟惯性控制阻尼增强特性分析及参数设计

为说明直流配电系统附加虚拟惯性控制对系统阻尼的影响机理并实现合理配置,首先从模拟电容的物理概念出发,基于直流网络二端口等效,解释了负载侧并联电容对系统惯性-阻尼的同步增强作用及与源侧并联电容的差异性。其次,针对面向负载供电的定功率和定交流电压控制电压源变换器(VSC),在推导附加虚拟惯性控制补偿环节的基础上,通过直流侧阻抗的建模和分解,确定了可强化系统阻尼的虚拟电容与电阻分量。然后,考虑接入稳定性、控制器响应速度和高频谐波导致的控制误差,提出了基于附加导纳分频段近似和参数可行域估计的负载VSC虚拟惯性控制参数设计方法。最后,通过双端/三端直流配电系统的仿真分析和RT-Lab硬件在环实验,验证了负载VSC附加虚拟惯性控制的阻尼增强特性及参数设计方法的有效性。

计及占空比限幅环节的直流配电系统暂态稳定性分析

大功率扰动条件下,限幅环节容易造成占空比出现饱和现象,直流配电系统就会由闭环控制退化成开环响应并出现暂态失稳。为此,文中开展了计及占空比限幅环节的直流配电系统暂态稳定性分析。首先,文中利用Sigmoid函数模拟占空比限幅环节中的非线性特性,建立了更为贴近工程实际的直流配电系统大信号模型。其次,利用Takagi-Sugeno(TS)模糊模型法,刻画了计及占空比限幅环节影响的估计吸引域。然后,通过不同控制参数的估计吸引域变化情况,揭示了占空比饱和引发的直流配电系统暂态失稳现象。最后,针对占空比限幅环节导致已有暂态稳定性提升方法存在的局限性,提出了一种控制参数优化设计的方法,为提升系统暂态稳定性的控制参数选择提供了方案。RT-Box硬件在环实验验证了理论分析的有效性。

基于非线性解耦方法的交直流配电系统暂态稳定性分析

随着柔性交直流配电系统的迅速发展,电力电子装置和恒功率负载等非线性元件的大规模接入使系统的暂态稳定性问题日趋严重。首先,建立了双环控制下AC/DC与DC/DC换流器并联的具有恒功率负载的交直流配电系统数学模型,并进行非线性泰勒展开。其次,根据非线性解耦理论将原始高阶系统解耦成一系列低阶子系统,确定主导解耦子系统并采用相平面法和逆轨迹法对其进行暂态稳定性分析,通过实物仿真验证理论分析的有效性。然后,基于非线性解耦原理引入非线性参与因子概念,对状态变量进行参与因子的计算,提出恒功率负载扰动下控制参数影响稳定性的分析方法,进一步给出控制参数的可行域。最后,利用PLECS软件搭建了恒功率负载下双环控制的交直流配电系统,仿真及实验验证了所提方法的有效性。

考虑测量延时的直流配电系统控制器参数优化

随着DC/DC换流器(简称为换流器)在直流配电系统的大规模应用,反馈信号的延时导致换流器难以接收到实时信号,滞后的换流器控制可能引起负荷侧电压在延时状态下失稳。由于延时具有随机性,对负荷侧电压的影响不可避免。该文提出一种基于范数条件约束的优化策略,它在不增加额外辅助控制器的基础上,保证延时状态下换流器稳定运行的同时,极大地保留了系统的动态响应性能。该文首先分析延时下换流器的稳定性,并找到制约稳定性的关键因素:电压外环控制器参数设置不合理;其次,构建电压扰动与负荷侧电压响应的范数不等式,通过Lyapunov函数找到使得范数不等式成立的最优电压外环控制器参数;最后,以某区域直流配电系统作为研究算例,通过对比控制参数优化前后系统的综合性能,验证所提方法的有效性和正确性。

兼容分布式电源的直流配电系统运行控制技术

该文主要探究兼容分布式电源的直流配电系统运行控制技术,旨在提升直流配电网的电压稳定性和运行可靠性。以直流配电系统中的并网接口作为控制对象,在并网接口中设计三相VSC变换器和DC/DC变换器,均采用电流与电压的双闭环控制策略。在交流负载侧采用恒压恒频控制,满足直流配电网向交流电网供电的需要。仿真结果表明,并网接口的VSC变换器和DC/DC变换器直流侧输出电压在启动1.5 s后达到设定值并且维持稳定,系统动态响应性能良好;交流负载侧电压的幅值和频率恒定,稳定输出220 V交流电压,保证直流配电系统的可靠运行。

光伏建筑一体化项目发电和直流配电系统设计实践

基于北京某光伏建筑一体化(BIPV)工程项目介绍了光伏发电直流配电系统,对光伏发电、直流配电2个子系统的设计、各系统设计的要点分析及系统的运行工况等进行了介绍,为后续BIPV工程的设计提供了参考。

农村电网低压直流配电系统研究

现如今,正值能源变革,农村经济快速发展,乡村配电网电能供求矛盾突出,但是乡村又蕴藏着大量太阳能光伏能源和其他分布式清洁能源。如何能够高效地利用这些能源,改善农村电能紧张局面,需要根据需求进行研究。由于分布式能源大多带有直流属性,因此可采用低压直流配电系统建设新能源。采用电力电子自适应控制技术并结合实际需求合理设计蓄电容量,仔细研究直流配电系统的网络拓扑和工作流程,对实际系统运行中出现的实际问题从标准、性价比及负荷等方面提出相应对策。文章分析了低压直流电网应用与农村的特性,并提出了一种农村低压直流配电系统整体方案。

交直流配电系统储能优化配置方法

为提高配电网对可再生能源的消纳能力并减轻可再生能源并网对配电网造成的影响,针对交直流混合配电系统,提出了一种考虑电压源型换流器和储能系统协调运行的储能容量双层优化模型,结合遗传算法与二阶锥规划方法对大规模非线性规划问题进行求解。最后,通过设置3种不同场景以验证模型的合理性和有效性。算例结果表明:储能系统和交直流混合配电系统协调运行能够有效抑制电压波动,提高储能系统的收益。

中低压直流配电系统的主动保护研究

分布式发电和储能的大量接入、直流负荷的快速增长、电力电子技术的迅速发展,使得直流配电越来越受关注。直流配电系统将会成为未来配电技术的一个重要组成部分。但直流配电保护是直流配电系统快速发展的一个关键问题,亟需深入研究。针对中低压直流配电网中常见的短路、接地、环网、交直流混接、绝缘下降等典型故障类型,该文分析了这些故障的特点和发展过程,并提出了一种基于电力电子技术的主动保护方案,即将直流保护与电力电子变换器有效集成,基于变换器的拓扑结构和运行机理,保护动作逻辑与器件控制逻辑协调配合,实现快速保护和故障自然隔离。该文阐述了直流主动保护的应用场景,分析了主动保护各功能的实现原理和方法,论述了直流配电系统的短路主动保护和接地主动保护,以及直流环网、交直流混接故障的出现机理和基于主动保护的解决方法。最后通过试验进行验证,结果表明,主动保护能够有效可以实现故障的快速切断和准确隔离,从而保障系统的稳定。

中低压柔性直流配电系统稳定性分析模型与机理研究综述

中低压柔性直流配电系统可高效接纳利用光伏、风电等新能源和储能等直流型电源,为电动汽车、数据中心及LED照明等直流型负荷提供高效可靠供电,因此得到广泛关注。然而由于系统内电力电子设备特性各异,直流网络拓扑复杂,控制策略多样,运行状态变化频繁且变化范围较大,使得直流配电网存在多时间尺度小扰动和大扰动稳定性问题。为此,首先对直流配电系统的拓扑类型以及典型控制策略进行了梳理,然后分别对直流配电系统的典型小扰动和大扰动稳定性研究现状进行了详细的综述,最后对直流配电系统稳定性研究进行了总结和展望。

基于边界特性的多端柔性直流配电系统单端量保护方案

多端柔性直流配电系统的发展尚面临几大技术难点亟待解决,在继电保护方面主要问题在于直流故障的可靠识别。传统交流配电系统、高压直流输电系统保护原理无法适用于多端柔性直流配电系统。因此,该文设计了一种新型的多端柔性直流配电系统直流线路保护方法。利用线路边界特性,通过小波变换提取区、内外故障的暂态特征差异,实现故障的快速、可靠识别;并利用直流电抗器压降判据实现保护的方向性。该方法基于单端电气量实现全线路保护,动作速度快,无需通信,能够满足直流配电系统对保护的速动性、可靠性和选择性要求。最后,大量的仿真算例验证了所设计方案的可行性。

多端柔性直流配电系统下垂控制动态特性分析

多端柔性直流配电系统能更好地满足未来城市配电系统发展需求,其灵活的运行方式也给控制系统带来了新的挑战。针对换流器的不同下垂控制特性,理论分析了控制系统的超调量、阻尼比等动态性能,讨论了下垂系数对换流器功率输出动态特性的影响,进行了小扰动稳定分析。基于DIgSILENT仿真软件搭建了改进的IEEE 33节点算例,理论分析与仿真结果表明,I_(dc)-U_(dc)与Q-U_(ac)下垂控制相对其他下垂策略具有较好的动态特性以及较高的安全稳定裕度,更适合应用于多端互联的柔性直流配电系统。

直流配电系统控制与保护协同关键技术及展望

直流配电系统中电力电子装置众多。一方面,电力电子装置的脆弱性提高了对保护的要求;另一方面,依靠灵活可控的电力电子装置,通过直流配电系统控制与保护协同实现故障快速恢复成为直流配电系统控制与保护研究的重要思路。文中首先归纳了直流配电系统保护与控制协同的整体思路;其次总结了换流阀子模块结构和控制策略对直流配电系统故障特性的影响,归纳了基于保护与控制协同思想的直流配电系统保护原理,分析了其协同配合过程;最后,对直流配电系统控制与保护协同研究进行了总结和展望。

基于控制与保护协同的直流配电系统单极接地故障保护策略

随着电力电子技术的发展,柔性直流配电系统逐渐成为研究热点。单极接地故障是直流配电系统中最为常见的故障类型,当交流侧通过高阻接地时,直流侧发生单极接地故障后,故障电流变化不明显,难以准确定位。文中提出了基于控制与保护协同的双端直流配电系统单极接地故障保护策略,通过就地检测交流接地支路电流微分判断故障发生,进而快速投切交流接地支路上并联的小电阻。相比于传统的差动保护方法,所提方法省去了通信时间,有效提高了保护的快速性。同时,根据保护可靠性的要求,优选了并联小电阻的阻值。最后,在PSCAD/EMTDC平台中进行了仿真分析,验证了所提保护策略的可靠性和快速性。

多端柔性直流配电系统主从控制模式下的稳定性与优化控制

多端柔性直流配电系统是配电系统的一个重要发展趋势,其可有效提升城市配电系统的电能质量、可靠性与运行效率。主要研究了主从控制模式下多端柔性直流配电系统运行时的稳定性问题。建立了基于动态导纳的小扰动稳定分析模型,研究了直流负荷、直流线路参数和多端互联等影响因素变化时系统出现的不稳定现象,提出了基于带通滤波的前馈补偿定直流电压控制方法,并对补偿前、后的系统稳定性进行了分析比较,通过改进的IEEE 33节点配电系统进行时域仿真测试,仿真结果表明了所提方法能够有效地提高系统阻尼与稳定性。