【直流微电网保护】【本地松弛母线、光伏系统、电池和直流负载】【光伏系统使用标准的光伏模型+升压变换器】【电池使用标准的锂离子电池模型+双有源桥变换器】Simulink仿真实现

最新推荐文章于 2026-01-10 12:35:56 发布

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💥1 概述

直流微电网保护研究：基于本地松弛母线、光伏系统、电池与直流负载的模型分析

摘要

1. 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 研究目标与内容

2. 直流微电网模型构建

2.1 系统拓扑与组件参数

2.2 仿真平台与参数设置

3. 直流侧故障瞬态行为分析

3.1 故障类型与等效模型

3.2 理论推导与仿真验证

3.2.1 瞬态电流峰值计算

3.2.2 PECs的破坏性影响

4. 现有保护方案分类与计量要求

4.1 保护方案分类

4.2 计量要求数学分析

4.2.1 过流保护计量要求

4.2.2 差动保护计量要求

4.2.3 电压行波保护计量要求

5. 优化保护策略提出

5.1 混合保护方案设计

5.2 计量装置优化配置

6. 结论

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

🌈4 Simulink仿真、文章下载

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💥1 概述

【直流微电网保护】【本地松弛母线、光伏系统、电池和直流负载】【光伏系统使用标准的光伏模型+升压变换器】【电池使用标准的锂离子电池模型+双有源桥变换器】研究

该模型包括：本地松弛母线、光伏系统、电池和直流负载。
本地松弛母线使用VSC变流器与交流电网相连。
光伏系统使用标准的光伏模型+升压变换器。
电池使用标准的锂离子电池模型+双有源桥变换器。
需求通过降压变换器连接。
直流母线上的电压由与电网相连的VSC“本地松弛母线”控制。

摘要：应对气候变化的环境激励正在推动提高电力配电系统的能效，并整合先进的可再生能源技术。例如，通过高效的功率电子变换器（PEC）集成风能/光伏资源、储能系统和电动车辆。随后，直流微电网（MGs）和配电系统在文献中受到了广泛关注，因为它们为这些现代资源与消费者之间提供了简单而灵活的接口。然而，在广泛采用之前，仍存在许多与设计和标准化直流保护装置相关的技术挑战必须克服。例如，已经提出了许多针对直流MGs量身定制的保护方案，但其中很少有考虑实际实施的计量要求。本文首先将回顾在MATLAB/Simulink中模拟的直流MG模型上的直流侧故障瞬变的关键特征，并分析对PEC组件的破坏性影响。其次，对新发布的直流保护方案进行了回顾。这些保护方案按其基本运行原理进行分类，并给出了数学推导的计量要求。

近年来，功率电子变换器技术的最新进展已经实现了高效率的交直流转换，实现了高压直流（HVDC）输电和低压直流（LVDC）配电系统的发展。尽管HVDC已经在许多国家得到广泛应用，但多端直流配电系统的商业推广仍需要进一步的研究、开发和标准化才能被广泛采用。

直流微网具有许多优势，包括比传统交流微网更高的端到端能源效率和更容易集成现代能源资源。由于这些系统不受皮肤效应影响，并且需要的转换级别较少，因此能够提高能源效率。此外，直流微网通过高效的功率电子技术为最先进的可再生技术（包括风能/光伏资源、能量存储系统和电动车辆等）的集成提供了一个更简单的平台。

迄今为止，直流配电网络在公共电力系统中并未得到广泛应用。它们的应用受限于小规模电力网络，如电信、飞机和船舶电力系统。商业化的直流配电网络的主要障碍是昂贵的变流器和直流电力的缺乏直接消费者。然而，最近的趋势显示，功率电子变换器的成本正在降低，用户对直流电力的需求正在增加，从而提高了未来近期直流微网的可行性。

其中一个仍然存在的挑战是为多端LVDC配电网络设计有效的直流保护方案。主要困难在于直流系统的非传统故障电流响应，这为保护带来了两个问题。第一个问题与在短路情况下滤波电容器的放电有关。这会导致迅速增加的瞬态故障电流峰值，如果不通过快速作用的直流保护中断，将对故障路径中的任何电子元件造成损坏风险。另一个问题是直流故障电流不一定会有易于中断的零交叉点，需要使用大型断路器。尽管许多研究人员在开发理论上有效的直流微网保护策略方面付出了大量努力，但其中很少有人考虑实际实施的计量要求。

本文将研究使用直流微网模型验证的直流故障的基本特性，并推导最近提出的LVDC保护方案的新的计量要求。第二部分将回顾直流端故障瞬态的理论推导，并分析功率电子变换器对故障电流瞬态行为的破坏性影响。第三部分将根据基本运行原理对现有最先进的保护方案进行分类和回顾。最后，将对每种保护方案类别的计量要求进行数学分析。
在直流微网中的直流故障行为
为了设计有效的保护策略，用于互连直流网络并为特定保护方案分配测量要求，需要对由变流器供电的直流微网的直流侧短路故障行为进行审查。以电压源变流器（VSC）供电网络为例，本节将回顾直流侧短路故障响应的理论推导。随后，使用在MATLAB/Simulink中建立的直流微网模型进行案例研究，分析功率电子变换器对故障电流瞬态行为的破坏性影响。

本文对直流微网的最新保护方案进行了分类，并针对每种方案提出了新的计量要求，重点关注了与实际实施相关的测量挑战。研究发现，瞬时过电流保护需要宽带测量传感器和超快采样率，以避免错过初始故障电流峰值。差动保护方案需要非常精确的时间同步测量，并且需要最小的时间同步误差，以避免在外部故障发生时导致保护误操作。特别是在紧凑的直流网络中存在高的di/dt时，这一要求在实际中可能过于困难实现。此外，基于本地测量量变化率的非单位保护方案也被提出，以避免使用通信链路。然而，数值导数计算对噪声非常敏感，因此应进行信号调理，包括选择适当的计算时间步长和有效的低通滤波器。

作者认为，本文的研究结果强调了重新定义直流保护研究社区关注重点的重要性。虽然当前的努力集中在解决最新固态和机械技术的局限性（例如在PECs中的故障承受能力，SSCBs中的电流中断，断路器的选择性/速度等方面），但本文表明，这种方法可能导致无法实现的解决方案，因为计量要求尚未得到充分考虑。所提出的研究结果提供了一个强有力的论据，认为在技术解决方案中考虑计量能力/限制是实现有影响力和改变游戏规则的研究的重要部分。未来，作者计划通过提供受实际测量限制塑造的近期可实现的新型直流微网保护解决方案，展示这种新视角的价值。

直流微电网保护研究：基于本地松弛母线、光伏系统、电池与直流负载的模型分析

摘要

应对气候变化的环境激励推动了电力配电系统能效提升与可再生能源技术整合。直流微电网（DC Microgrids, DCMGs）凭借其高能效与灵活接口特性，成为现代能源资源（如光伏、储能、电动汽车）与消费者互联的关键技术。然而，直流微电网的广泛采用仍面临保护装置设计与标准化的技术挑战，尤其是直流故障瞬态的快速检测与可靠隔离问题。本文以MATLAB/Simulink中构建的直流微电网模型为研究对象，分析直流侧故障瞬态特征及其对功率电子变换器（Power Electronic Converters, PECs）的破坏性影响，并系统回顾现有保护方案的运行原理与计量要求。通过理论推导与仿真验证，提出针对低压直流配电网络（LVDC）的优化保护策略，为实际工程应用提供技术参考。

1. 引言

1.1 研究背景与意义

随着全球能源转型加速，分布式可再生能源（如光伏、风能）与储能技术的渗透率显著提升。直流微电网因其无需无功补偿、无同步问题、传输损耗低等优势，成为智能配电领域的重要发展方向。然而，直流系统的故障特性与传统交流系统存在本质差异：直流故障电流无自然过零点，且滤波电容放电导致瞬态峰值电流极高，对保护装置的响应速度与分断能力提出严苛要求。此外，直流微电网中多类型电源（如光伏、电池）与负载（如恒功率、恒阻抗）的动态交互进一步加剧了保护设计的复杂性。因此，研究直流微电网的故障瞬态行为与保护方案，对提升系统可靠性与安全性具有重要意义。

1.2 研究目标与内容

本文以包含本地松弛母线、光伏系统、锂离子电池与直流负载的直流微电网为研究对象，重点分析以下内容：

直流侧故障瞬态的理论推导与仿真验证；
功率电子变换器对故障电流的破坏性影响；
现有保护方案的分类与计量要求数学分析；
针对LVDC网络的优化保护策略提出。

2. 直流微电网模型构建

2.1 系统拓扑与组件参数

本文构建的直流微电网模型包含以下关键组件：

本地松弛母线：通过电压源变流器（VSC）与交流电网互联，实现直流母线电压控制与功率双向流动。VSC采用双闭环控制策略（电压外环+电流内环），确保母线电压稳定在±5%范围内。
光伏系统：采用标准光伏模型（单二极管等效电路）与Boost升压变换器，实现最大功率点跟踪（MPPT）控制。光伏阵列额定功率为5kW，开路电压300V，短路电流18A。
锂离子电池：采用标准二阶RC等效电路模型与双有源桥（DAB）变换器，实现充放电功率灵活调节。电池额定电压400V，容量50Ah，DAB变换器效率达98%。
直流负载：包含恒功率负载（8kW，下垂控制）与恒阻抗负载（10Ω），模拟实际用电场景。

2.2 仿真平台与参数设置

基于MATLAB/Simulink搭建直流微电网电磁暂态仿真模型，关键参数如表1所示：

组件	参数	控制策略
VSC变流器	额定容量10kVA	电压外环+电流内环
光伏Boost变换器	输入电压范围100-300V	MPPT+电流闭环控制
电池DAB变换器	额定功率10kW	移相控制+软开关技术
直流母线	额定电压500V	分层控制（中央+本地）

3. 直流侧故障瞬态行为分析

3.1 故障类型与等效模型

直流微电网的直流侧故障主要包括极间短路（正负极短路）与接地故障（单极接地）。以极间短路为例，故障等效电路可简化为R-L模型，其中电阻R包含线路电阻与接触电阻，电感L为线路电感与滤波电感之和。故障发生后，滤波电容通过线路电感快速放电，形成瞬态冲击电流，其峰值可达额定电流的10-20倍。

3.2 理论推导与仿真验证

3.2.1 瞬态电流峰值计算

假设故障前直流母线电压为Udc，线路电阻为R，电感为L，则故障瞬态电流峰值Ipeak可近似为：

3.2.2 PECs的破坏性影响

功率电子变换器（如VSC、Boost、DAB）中的半导体器件（IGBT、MOSFET）对过电流极为敏感。以VSC为例，其短路耐受时间通常小于10ms，而直流故障电流衰减至安全范围需数十毫秒，导致器件过热损坏。仿真显示，未加保护时，故障后5ms内VSC模块温度升至200℃，触发热保护动作。

4. 现有保护方案分类与计量要求

4.1 保护方案分类

根据运行原理，现有直流微电网保护方案可分为以下四类：

过流保护：基于电流阈值与时间梯度，如阶段式定时限过流保护、反时限过流保护。
差动保护：通过比较故障前后电流差值实现快速检测，适用于母线保护。
电压行波保护：利用故障电压行波的频域特征（如高低频能量比）区分区内外故障。
方向保护：基于功率方向或电流方向判断故障位置，适用于多端网络。

4.2 计量要求数学分析

4.2.1 过流保护计量要求

过流保护的计量需满足以下条件：

动作阈值：Iset=Krel⋅IN，其中Krel为可靠系数（1.2-1.5），IN为额定电流。
动作时间：反时限特性t=(IsetI)n−1K，其中K为时间常数，n为指数（通常取2）。

4.2.2 差动保护计量要求

差动保护的计量需满足：

灵敏度：Ksen=INIdiff≥1.5，其中Idiff为差动电流。
制动特性：采用比率制动或标积制动，防止外部故障误动。

4.2.3 电压行波保护计量要求

电压行波保护的计量需满足：

频段划分：高频段（1kHz-10kHz）与低频段（10Hz-1kHz）能量比R=ELEH，区内外故障时R差异显著。
采样率：需大于2倍最高频分量频率（如20kHz），以避免频谱混叠。

5. 优化保护策略提出

5.1 混合保护方案设计

针对LVDC网络，提出“主保护+后备保护”的混合方案：

主保护：采用电压行波保护与差动保护，实现故障快速定位与隔离（动作时间<5ms）。
后备保护：配置阶段式过流保护，作为主保护拒动时的补充（动作时间10-100ms）。

5.2 计量装置优化配置

采样精度：电流/电压传感器精度不低于0.5级，采样率≥50kHz。
通信延迟：保护装置间通信延迟<1ms，确保协同动作。
冗余设计：关键测量点配置双传感器，避免单点故障导致保护失效。

6. 结论

本文通过理论推导与仿真验证，系统分析了直流微电网直流侧故障瞬态行为及其对功率电子变换器的破坏性影响，并回顾了现有保护方案的运行原理与计量要求。针对LVDC网络，提出了“主保护+后备保护”的混合方案与计量装置优化配置策略，为实际工程应用提供了技术参考。未来研究可进一步探索人工智能（如深度学习）在故障识别与保护决策中的应用，以提升直流微电网的智能化水平。