畢業(yè)設(shè)計開題報告參考

1、1 課題背景、目的和意義1.1 課題背景早在輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生之時，人們就將目光鎖定于直流，但由于早期直流輸配電電壓水平低、輸送容量小等因素的制約以及交流系統(tǒng)的優(yōu)越性使直流配電系統(tǒng)停滯不前。20世紀末，隨著直流供電技術(shù)的發(fā)展，尤其是電力半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，直流供電技術(shù)和直流電器產(chǎn)品克服了原有缺點，并在某些領(lǐng)域重新取得了技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。近年來高壓直流輸電技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，換流器、濾波器、斷路器等各方面發(fā)展較為成熟，低壓直流配電技術(shù)也逐漸受到國外學(xué)者的關(guān)注。這對直流配電網(wǎng)的建設(shè)有著很好的借鑒作用和有力的技術(shù)支持1。1.2 課題研究的目的和意義隨著新能源、新材料、信息技術(shù)和電力電子技術(shù)的長足發(fā)展和廣

2、泛應(yīng)用，用戶對用電需求、電能質(zhì)量及供電可靠性等要求不斷提高，現(xiàn)有交流配電網(wǎng)將面臨分布式新能源（電源）接入，負荷和用電需求多樣化、潮流均衡協(xié)調(diào)控制復(fù)雜化，以及電能供應(yīng)穩(wěn)定性、高效性、經(jīng)濟性等方面的巨大挑戰(zhàn)。風(fēng)電、光伏發(fā)電、燃料電池、以及電動汽車動力電池、超級電容器等各種儲能裝置基本上都是直流電（或采用直流電技術(shù)）,必須通過DC/AC換流器才能并入交流配電網(wǎng)；眾多辦公與家用電器設(shè)備采用直流供電實際上更為方便、節(jié)能；越來越多的工業(yè)負荷采用變頻技術(shù)以提高電能利用效率。另外，國內(nèi)數(shù)十年來由于城市規(guī)劃與電力系統(tǒng)規(guī)劃工作的相互分離，形成了與負荷發(fā)展要求不相應(yīng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使配電網(wǎng)的規(guī)劃、發(fā)展及供電質(zhì)量越來越

3、不適應(yīng)城市發(fā)展的需求。總之，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與配（供）電方式已越來越不能滿足快速發(fā)展的經(jīng)濟社會對其提出的更加環(huán)保、更加安全可靠、更加優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟、支持分布式電源接入，以及用戶與電網(wǎng)雙向互動等諸多要求。國外研究資料表明，基于直流的配電網(wǎng)在輸送容量、可控性及提高供電質(zhì)量等方面具有比交流更好的性能，可以有效提高電能質(zhì)量、減少電力電子換流器的使用、降低電能損耗和運行成本、協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式能源的價值和效益2。2 課題國內(nèi)外基本研究概況2.1 直流配電在國外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展相比交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)以其強大的節(jié)能優(yōu)勢具有巨大的發(fā)展前景。目前，一些國家已經(jīng)紛紛開展了直流配電網(wǎng)的研

4、究，提出了各自的直流配電網(wǎng)概念和發(fā)展目標。下面列舉幾個具有代表意義的結(jié)構(gòu)方案進行介紹3。2.1.1 美國的直流配電網(wǎng)研究2010年，美國弗吉尼亞理工大學(xué)CPES中心提出了“Sustainable Building and Nanogrids（SBN）”研究計劃，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)具有2個電壓等級的直流母線 DC380V和 DC48V，分別給不同等級的負載供電。DC380V母線主要是為了匹配工業(yè)標準的直流電壓等級，它依靠前端整流器和功率因數(shù)校正（power factor correction，PFC）電路接入主電網(wǎng)。DC48V母線主要是為了匹配通信標準的直流電壓等級，它依靠DC/DC

5、變換器與 DC380V母線連接。在SBN研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合高壓直流輸電的發(fā)展，CPES還提出了交直流配電分層連接的混合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在該結(jié)構(gòu)中，交流配電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)是同時存在的，并采用分層的結(jié)構(gòu)組成了一個交直流混合的配電網(wǎng)絡(luò)。圖1 CPES中心提出的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2 CPES 中心提出的交直流混合配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.2 日本的直流配電網(wǎng)研究2004年，日本東京工業(yè)大學(xué)等機構(gòu)實現(xiàn)了一套10kW直流配電系統(tǒng)樣機13。在上述研究的基礎(chǔ)上，日本大阪大學(xué)于2006年提出了一種雙極結(jié)構(gòu)的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，如圖414-15所示。230V交流電由降壓變壓器從6.6 kV配電網(wǎng)直接獲得，然后通過

6、雙向整流器變換為±170V直流電壓。一個燃氣輪機通過背靠背變換器直接連接到 230V交流電，蓄電池和超級電容等儲能設(shè)備以及光伏電池等分布式電源均通過DC-DC變換器連接到直流母線。圖3 具有雙電極的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.3 歐洲的直流配電網(wǎng)研究羅馬尼亞的布加勒斯特理工大學(xué)在2007年提出了一種帶有交替供電電源的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 5 所示。該系統(tǒng)不僅可以利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能，還可以由沼氣等產(chǎn)生生物能供電。另外，自2008年以來，英國、瑞士及意大利等國開展一項名為 UNIFLEX （Universal and Flexible Power Management）的研究

7、項目，重點研究通過新型功率變換技術(shù)適應(yīng)未來有大量分布式電源接入的歐洲電網(wǎng)的功率流動管理。圖4 帶有交替供電電源的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.1.4 直流配電在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展直流配電自身存在線路造價低、輸電損耗小、可靠性高及環(huán)保等優(yōu)勢。另外，直流配電還可以減少分布式發(fā)電系統(tǒng)及直流負荷接入電網(wǎng)的中間環(huán)節(jié)，進而降低接入成本，提高功率轉(zhuǎn)換效率和電能質(zhì)量。直流配電網(wǎng)的這些特點完全符合中國電力的發(fā)展需求和方向。 自2009年開始，國內(nèi)相關(guān)單位逐步對直流配電網(wǎng)展開了相關(guān)研究。清華大學(xué)在國家自然科學(xué)基金項目中提出了基于高頻隔離和公共直流母線的電池儲能電網(wǎng)接入系統(tǒng)，該項目的側(cè)重點在于研究用于直流配電系統(tǒng)中的新一代

8、功率變換技術(shù)，包括新一代功率器件應(yīng)用以及高頻隔離變換技術(shù)等。另外，2012年，中國還以深圳供電局為主成立了城市電網(wǎng)先進技術(shù)研究中心，計劃于2012年至2015年建立柔性直流配電技術(shù)實驗室，并實施柔性直流配電相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究3。綜上所述，目前關(guān)于直流配電技術(shù)的研究主要集中在一些特殊領(lǐng)域，針對的對象主要是配電系統(tǒng)最末端的低壓供電系統(tǒng)，或者是與交流配電網(wǎng)配合運行供電。真正從電力系統(tǒng)角度出發(fā)對直流配電技術(shù)進行的研究無論是在深度上還是廣度上均有限，特別是在直流配電保護的問題上還存在很多挑戰(zhàn)。本課題就是要在保護這方面進行一些研究，探討可行、通用的保護方案。3 課題研究內(nèi)容、研究路線及方案3.1 課題研究

9、內(nèi)容13.13.1.1 了解國內(nèi)外直流配電網(wǎng)運行及其保護的研究及發(fā)展現(xiàn)狀（見2）3.1.2 學(xué)習(xí)直流配電的基本知識直流配電技術(shù)是指在配電網(wǎng)中采用直流制為主導(dǎo)的電能輸送技術(shù)，主要應(yīng)用了電力電子設(shè)備。利用傳統(tǒng)能源發(fā)出的電能首先輸送到交流電網(wǎng)上。交流配電網(wǎng)通過AC/DC變換接入直流配電網(wǎng)，同樣，直流配電網(wǎng)通過DC/AC變換與交流配電網(wǎng)相連。近年來，出于能源危機和環(huán)境保護的考慮，很多分布式電源得到發(fā)展，這些電源發(fā)出的電能有直流有交流，但要并入交流電網(wǎng)都需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換，若是廣泛采用直流配電網(wǎng)，那么就無需最后的DC/AC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。同樣，現(xiàn)在用戶負荷有很多是利用直流驅(qū)動的，直流配電網(wǎng)可直接為它們供電。對于需要

10、變頻或是有很高供電可靠性的負荷，直流配電網(wǎng)也是也可省略AC/DC變換，減少消耗3。3.1.3 學(xué)習(xí)直流保護的基本原理在直流配電網(wǎng)的保護技術(shù)的研究中，目前主要吸取了交流配網(wǎng)保護技術(shù)的經(jīng)驗。關(guān)于直流配電網(wǎng)保護技術(shù)的研究方向主要包括直流配電網(wǎng)的保護設(shè)備、直流配電網(wǎng)的接地方式、直流配電網(wǎng)的故障診斷與處理方法等3。3.1.4 研究直流配電網(wǎng)運行特性總的來說，直流配電網(wǎng)具有供電容量大、線路損耗小、電能質(zhì)量好、無需無功補償以及適于各類電源和負載接入等優(yōu)（特）點。經(jīng)研究計算表明，在線路建造費用及占用走廊寬度相同時，采用直流配電能夠有效提高供電容量或供電半徑。直流配電網(wǎng)實現(xiàn)分布式儲能的技術(shù)難度與交流配電網(wǎng)比相對

11、較低，在解決一定的技術(shù)問題后，可有效解決電壓閃變等電能質(zhì)量問題。此外，柔性直流配電網(wǎng)中的換流器不需要交流側(cè)提供無功功率，在靈活地發(fā)出或吸收無功功率的同時，還可起到靜止無功補償器（STATCOM）的作用，動態(tài)補償交流母線和用戶負載的無功功率，并穩(wěn)定交流母線和用戶側(cè)交流電壓?？紤]交流電纜金屬護套渦流造成的有功損耗和交流系統(tǒng)的無功損耗，當直流系統(tǒng)線電壓為交流系統(tǒng)的2倍時，直流配電網(wǎng)的線損僅為交流網(wǎng)絡(luò)的15%50%。直流配電網(wǎng)采用大量電力電子設(shè)備，因此通態(tài)損耗和開關(guān)損耗較大，其效率約為85%95%，亦即換流器和直流變壓器的電能轉(zhuǎn)換效率低于交流變壓器。但是，直流配電網(wǎng)的線損遠低于交流配電網(wǎng)。目前研究證明

12、，交直流混合配電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)的總體效率與交流配電網(wǎng)相差不大，但隨著電力電子技術(shù)與器件的發(fā)展，其換流器的通態(tài)損耗與開關(guān)損耗不斷降低，直流配電網(wǎng)的總體效率仍存在上升的空間。相對交流配電網(wǎng)而言，直流配電網(wǎng)更便于超級電容、蓄電池等儲能裝置的接入，從而提高其供電可靠性與故障穿越能力。未來的配電網(wǎng)應(yīng)能夠接納風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電的大規(guī)模、分布式并網(wǎng)。在直流配電網(wǎng)情況下，實現(xiàn)分布式新能源并網(wǎng)發(fā)電及儲能等的接口設(shè)備與控制技術(shù)相對要簡單得多2?，F(xiàn)代以及將來的直流配電網(wǎng)會以微電網(wǎng)為主要運行方式，交流微電網(wǎng)相比，直流微電網(wǎng)不需要對電壓的相位和頻率進行跟蹤，可控性和可靠性進一步提高，因而更加適合分布式電源和負載的

13、接入3。3.1.5 研究直流配電保護方案直流配電保護主要涉及3個方面的內(nèi)容：開關(guān)設(shè)備；系統(tǒng)接地；繼電保護系統(tǒng)4。開關(guān)設(shè)備主要是直流斷路器。與交流電不同，直流電不存在自然過零點，因此，開斷直流電路相比交流電路要困難，這也給高壓大容量直流斷路器的研制帶來了困難4。目前，對于直流斷路器的開斷方法主要有增大電弧電壓法、分段串接入限流電阻法、磁場控制氣體放電管斷流法、 迭加振蕩電流法、 電流轉(zhuǎn)移法等3。在直流配電系統(tǒng)中，可以采用不接地、高阻接地和低阻接地等方式；大地也可以與兩電極中的一極或者變換器和電池的中性點連接。在圖8（a）所示的TN-S接地方式中，變換器和電池的中性點連接到大地（T），并通過一條單

14、獨的線路將大地（T）、中性點（N）和保護線（PE）連接。當接地故障發(fā)生時，會有較大的故障電流和電壓暫變現(xiàn)象，這會影響連接在故障電極上的其他負載運行，但不會影響另一電極上的負載。該接地方式故障容易檢測并快速清除。在圖8（b）所示的IT接地方式中， 系統(tǒng)正電極和保護線均經(jīng)過高阻抗（I）連接到大地（I）。相比負電極，正電極與大地連接可以減小電腐蝕的效應(yīng)。當接地故障發(fā)生時，會有較小的故障電流和電壓暫變現(xiàn)象。單故障發(fā)生時，可以保證負載的穩(wěn)定運行，但由于接地故障會改變極地電壓，進而會影響敏感負荷的運行。該方式由于故障電流小，故障檢測困難，并且負載的金屬外殼可能會帶電3。圖5 直流配電網(wǎng)接地方式在直流配電網(wǎng)

15、中，根據(jù)故障類型的不同可以分為極間故障和接地故障；根據(jù)故障位置的不同可以分為母線故障和支路故障。不同的故障具有不同的保護等級，進而處理方法也不同。因此，需研究新型的保護理論，以保證直流配電網(wǎng)正常并網(wǎng)運行時，內(nèi)部電氣設(shè)備發(fā)生故障和故障切除后直流配電系統(tǒng)仍能安全穩(wěn)定地運行；另外，配電系統(tǒng)上層發(fā)生故障時，應(yīng)在可靠定位與切除故障的前提下確保直流微電網(wǎng)與主網(wǎng)解列后仍能繼續(xù)可靠運行3。3.2 課題研究路線及方案從前文可知，雖然目前已對直流配電網(wǎng)做了許多研究，但無論從廣度還是深度上來看都是不夠的，許多理論和技術(shù)還不成熟，尤其是保護系統(tǒng)和保護方案的設(shè)計。本課題的研究總路線就是，在充分學(xué)習(xí)直流配電知識的基礎(chǔ)上，

16、在充分了解已有的直流配電保護方案的基礎(chǔ)上，借鑒高壓直流輸電系統(tǒng)和交流配電系統(tǒng)保護的做法，分析有哪些可能的直流配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及各結(jié)構(gòu)會有哪些典型故障，并提出一套具有一般性的直流配電保護方案。具體步驟為：提出模型找出故障設(shè)計保護。從國外直流配電網(wǎng)的發(fā)展來看，已在使用的直流配電網(wǎng)有如下特點：交直流混合、適應(yīng)分布式電源、用于特殊領(lǐng)域。從直流配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)來看，主要有輻射型、環(huán)型和網(wǎng)狀型3種。而根據(jù)直流系統(tǒng)中DC/AC變換器位置的不同，可分為類似于高壓直流輸電的直流配電系統(tǒng)和輻射型直流配電系統(tǒng)（如圖7所示），它們分別適用于電源和負荷均比較集中的情況和電源和負荷均比較分散的情況4。圖6 兩種典型直流配

17、電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)想要配置保護，設(shè)計保護方案，首先得了解直流配電網(wǎng)中可能發(fā)生哪些故障。直流微電網(wǎng)中可能的故障類型有極間故障和極對地故障。故障的位置可能出現(xiàn)在總線（母線）上也可能在饋線（支路）上。所以具體來說，有總線故障、饋線故障和接地故障。圖7是直流微電網(wǎng)（現(xiàn)代直流配電網(wǎng)的主要運行方式）的一種接線方式，已用F1-F4標出了可能的故障。F1是發(fā)生在總線上的正負極短路故障，F(xiàn)2是正極對地的短路故障。F3和F4是相似的故障，都是發(fā)生在靠近一個負荷的饋線上。通過對這些典型故障的分析來設(shè)計保護。當然，除了線路上會出現(xiàn)故障，換流器、電源和負荷等也會發(fā)生內(nèi)部故障。不過，因為換流器和電源內(nèi)部故障與F1或F2類似，負

18、荷內(nèi)部故障與F3或F4類似，我們就不再另行考慮了5。圖7 直流配電網(wǎng)的一種接線方式顯然，出現(xiàn)在總線上的故障F1和F2，對整個系統(tǒng)來說是很危險的，會影響所有接到總線上的換流器、電源和負荷。討論F1、F2的影響和對策，我們應(yīng)該從研究故障電流下手。以故障電流為依據(jù)，設(shè)置換流器保護和電源保護，以及它們的動作參數(shù)。饋線上的極間故障F3，會永久影響次饋線上的負荷。要解決F3，我們提出在饋線上裝設(shè)斷路器或熔斷器，具體參數(shù)設(shè)置還需要通過仿真計算討論。最后，故障F2和F4屬于極對地故障，只有故障極才受影響。對于這種故障，要結(jié)合具體的接地方式和故障阻抗大小分析5?？傊瑢τ诟鞣N可能的故障，熔斷器、斷路器和電力電子裝置