摘 要

本文提出了一种低压（LV）直流微电网保护系统设计。低压直流微电网用于互连分布式资源和敏感的电子负载。在设计低压直流微电网保护系统时，可以使用现有直流电源系统的知识。但是，在大多数情况下，这些系统在直流故障期间使用具有限流功能的并网整流器。相比之下，LV直流微电网必须通过具有双向功率流的转换器连接到AC电网， 因此，需要不同的保护系统设计。本文介绍了现有的和研究阶段的低压直流保护装置的工作原理和技术数据。此外，讨论了不同的故障检测和接地方法。通过仿真研究了所选保护装置和接地方法对低压直流微电网的影响。结果表明，可以使用可用的设备来保护这样的系统。高阻抗接地故障可能会引起问题，可能难以检测。

关键词：船舶电力系统，配电系统系统，配电故障，配电保护，电力电子设备。

Abstract

A low voltage (LV) DC microgrid protection system is proposed in the introduction. low voltage dc microgrids are used to interconnect distributed resources and sensitive electronic loads. knowledge of existing dc power supply systems can be used when designing low voltage dc microgrid protection systems. however, in most cases, these systems use grid-connected rectifiers with current limiting functions during dc failures. by contrast, LV dc microgrid must be connected to the AC grid via a converter with a bidirectional power flow. therefore, different protection system designs are required. This paper introduces the working principle of the existing and research stage low voltage DC protection device and technical data. in addition, different fault detection and grounding methods are discussed. The influence of the selected protection device and grounding method on the low voltage DC microgrid is studied by simulation. the results show that available devices can be used to protect such systems. high impedance grounding faults may cause problems and may be difficult to detect.

Key words：Ship power system；distribution system, distribution failure,；distribution protection,；power electronic equipment.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 未来研究方向 2

第2章 直流微电网简介 4

2.1 低压微电网 5

2.2 微电网类型 5

2.3 转换器 5

2.4 储能 5

2.5 负荷 6

第3章 保低压直流保护系统 7

3.1 接地线 7

第4章 保护装置 9

4.1 保险丝 9

4.2 断路器 9

4.3 电力电子保护设备 9

4.4 保护继电器和测量设备 10

第5章 保护系统设计 11

5.1 可能的故障类型 11

5.2 总线故障 11

5.3 馈线故障 11

5.4 接地故障 12

第6章 模拟分析 13

第7章 结论 19

第一章 绪论

1.1 目的及意义

随着全球经济的发展,伴随着人们日益增加的物质需求，人们对能源需求也快速增长,尤其是对电力的需求更加凸显,由此引发的环境问题也日益严重，所以新能源的开发和利用是当前时代的热门。在能源需求和环境保护的双重压力下,分布式发电就此产生。为了满足人类的需要，为了最大限度了发掘分布式发电的价值,微电网的概念已经逐渐变成了当下的一大热点。直流微电网具有许多优势，比如：变换环节少、控制简单和便于分布式电源接入等。随着电力电子技术的不断发展,直流微电网的发展也进入了高速发展时期。

变速柴油发电机易于集成，因此在降低燃油消耗方面有长足进步，这是发展直流舰载电力系统（SPS）的主要动机。但是在发展的过程中也有许多新的问题，直流SPS广泛采用其中的一个障碍就是短路故障期间缺乏全面的故障管理策略。这样的策略包括故障检测，故障隔离和直流SPS的重新配置。现阶段的研究表明，故障管理的这些方方面面都是独立处理的，并且大多是在理想条件下进行的。而且这些策略都是至关重要甚至不可或缺的，因此有必要在一个通用框架下对其进行研究，这是本文的目的。随后，本文介绍了短路故障的研究，故障特征和保护要求。最后，本文概述了为直流电源系统开发的故障检测，隔离和重新配置策略的工作原理，优点和局限性，并分析了它们对直流SPS的适用性。本文通过确定为关键海上任务开发DC SPS短路故障管理策略所需的未来研究趋势而得出结论。

1.2 研究现状

伴随着我国科技的高速发展，在大型可再生能源发电的领域已经取得很多优秀的研究成果，比如风力发电潮汐能发电等，甚至在核电方面也有了许多技术突破，但是在小型分布式电源组成方面的研究，例如微电网研究，特别是对直流微电网的研究还是刚刚起步，这主要原因是由于人们并没能突破传统的交流电规范，因此在对微电网中的研究中对交流微电网研究较多，对直流微电网研究较少。随着直流供电开发的深入研究科技的飞速发展，直流微电网必将得到广泛的应用。我国在这方面也投入了大量的人力和物力进行研究，在国家863和973计划中都分别支持大力发展直流微电网。合肥工业大学于2006年建成我国第一个微电网实验室，主要研究内容包括: 分布式发电系统电能质量问题; 分布式发电系统仿真的动态模型和稳态模型; 分布式发电系统安全经济运行分析与能量管理等。在其他方面，已有学者对直流微电网的建模、稳定性控制策略等相关内容进行了研究。2007年11月，意大利环境国土与海洋部与上海交大太阳能发电及制冷教育部工程研究中心联合启动了中意绿色能源建筑实验室建设工程，将实施太阳能、风能、分布式能源系统的微电网集成系统、楼宇冷热电联产技术、零排放节能住宅等先进建筑能源系统。2009年11月，国家能源智能电网(上海) 研发中心成立。该中心以上海交通大学为依托，在新能源并网、智能调度与控制、智能配用电系统、智能电网信息及通信技术、输变电装备智能化关键技术、大电网模拟仿真、第二代超导材料及其应用方向的研究处于国际先进水平。

1.3 未来研究方向

在现有文献中，直流短路故障管理策略主要适用于陆基直流微电网和HVDC输电系统。可以看出，故障

• 管理的不同方面（如故障检测，故障隔离和重新配置）具有同等重要的意义，而开发健壮而全面的保护系统则完全需要这些方面。DC SPS与陆基DC系统不同，保护系统的要求取决于各种舰载操作因素，例如系统配置，海上任务和负载条件。基于此，针对未来的研究需求得出以下结论：直流SPS的操作不同于基于地面的直流电源系统，例 如直流微电网和HVDC传输系统。因此，在设计所需的短路故障管理技术之前，直流SPS的详细建模对于研究其各种工作模式和要求很重要。代表代表性直流SPS的直流平台供应船的详细模型对于此类故障管理策略将很有用。在对直流SPS建模之后，下一步将是故障研究，以了解瞬态响应。由于短路期间直流链路电容器会快速放电，因此直流系统中的故障响应与交流系统的响应显着不同。在交流系统中，稳态故障电流用于保护继电器。但是，对于直流系统，瞬态放电电流用于故障检测。因此，在研究故障检测技术之前，进行故障研究很重要。
• 直流SPS接地的选择是主要关注的问题之一。可以实 施高电阻接地方案和隔离的接地条件以承受单个接地故障。尽管在短路故障期间会导致严重的故障电流， 但牢固接地的系统仍有其优势。
• 直流SPS还可设想由一次和二次保护算法组成，这些算法可通过交流电源系统中的选择性操作实现。尽管 由于故障电流响应不同，交流保护算法不能直接应用 于直流SPS，但是一些基于时域的基本交流保护系统， 例如定向保护，和差分可以在DC SPS中实现。这些算法需要带有时间戳的电流信号才能运行，因此需要高带宽的通信基础架构。取而代之的是，可以实施基于非通信的故障电流的频域分析，这具有不受电流/电压信号中存在的噪声影响的其他好处。但是，由于直流SPS的紧凑特性，频域方法的选择性操作能力有限。因此，需要直流SPS中用于故障管理的通信。由于没有可用于直 流保护的通信网络标准；未来的趋势可能会集中在这些协议的开发上。
  • 文献中的大多数故障检测技术都假定电流传感器和电压传感器处于理想状态。由于直流SPS中的高故障电流迅速上升，这些传感器可能会损坏或变得饱和。传感器还会引入时间延迟，或者可能无法准确复制故障电流波形。在这方面，Rogowski线圈可能是在DC SPS 中采用的一种可行选择。但是，它需要详细的建模和本文所讨论的其他集成器。
  • 故障隔离设备对在DC SPS中实施故障管理系统提出了另一个最大的挑战。带有附加谐振分支的改进型ACCB 需要更长的时间才能运行，而SSCB的传导损耗更大。结果，混合断路器可能是一个可行的选择。然而，这些DCCB被认为具有显着的冷却布置而尺寸更大。由于直流SPS具有空间和重量限制，因此首选无断路器拓扑。近年来，出现了由电池供电的直流渡轮。此类DC SPS可以与容错拓扑集成在一起以集成电池。在最近的文献中，有几种FT转换器可用。其中，具有降压升压和双极性功能的电压馈电和电流馈电DC / DC转换器可用于集成电池储能系统。能够限制故障电流的附加功能成为采用这种拓扑的另一个原因。
  • 直流SPS的重新配置取决于船舶的期望任务。在开发任何重新配置算法之前，有必要对舰载任务有深入的了解。必须完成重新配置算法的实时测试以及故 障检测和隔离技术的操作，以实现全面的故障管理系统。

第二章 直流微电网简介

在配电系统中，电力系统中分布式资源（DR）的SE开辟了新的可能性。配电系统的一部分及其来源和负荷可以形成一个隔离的电力系统-微电网[1]。在正常运行条件下，微电网在公共耦合点（PCC）连接到交流电网，并且负载由本地电源提供，如有必要，还可以从交流

电网提供。如果负载功率小于本地电源产生的功率，则多余的功率可以输出到交流电网。微电网中使用的能源通常很小（ 500 kW），并且基于可再生能源，例如PV阵列，燃料电池和微型涡轮机。这些电源产生的电压幅度和频率与微电网中 使用的电压和频率不同，因此需要通过电力电子转换器进行连接[2]。

微电网非常适合于保护敏感负载免受停电，在某些情况下还可以保护干扰，例如电压骤降[3]。通过使用uti-可以获得高可靠性实现灾难恢复的电源电子接口以及快速保护系统。为了使微电网以孤岛模式运行，必须有一个孤岛检测系统，当交流电网发生故障时，该系统可以安全地断开微电网的连接，以防止交流电网通电[4]。

低压（LV）直流微电网最适合用于大多数负载为敏感电子设备的地方。与LV交流微电网相比，LV直流微电网的优势在于可以通过更简单，更高效的电力电子接口来连接负载，源和能量存储[5]。迄今为止，低压直流微电网已用于电信电力系统以及电力系统控制和保护系统[6]。为了确保低压直流微电网的可靠运行，重要的是要有一个运行良好的保护系统。作为起点，可以使用来自大功率LV直流电源系统的现有保护系统的知识，例如在发电站和牵引电源系统中的知识[6]，[7]。但是，这些系统在直流故障期间使用具有限流功能的并网整流器。相反，必须通过具有双向功率流的转换器将LV dc微电网连接到ac电网， 因此需要不同的保护系统设计。低压直流系统的短路电流计算已在[8]中进行了处理，在[9]中进行了故障检测。但是，尚未考虑保护装置。到目前为止，仅在高压（HV）直流应用（例如电船和HV直流传输）的研究中考虑了保护设备对系统性能的影响。

在本文中，将提出用于低压直流微电网的保护系统设计。系统[10]–[12]将介绍目前处于研究阶段或可商购的各种LV直流保护设备。最后， 将通过使用软件包PSCAD / EMTDC来研究故障期间保护系统对低压直流微电网的影响[13]。

2.1低压微电网