動態(tài)電壓恢復器對微機保護影響的仿真研究

張艷肖，高立剛，劉偉，魏燕

（1.西安交通大學城市學院，陜西西安710018；2.中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西西安710065；3.廣東天聯(lián)集團有限公司，廣東廣州510600）

動態(tài)電壓恢復器對微機保護影響的仿真研究

張艷肖1，高立剛2，劉偉3，魏燕2

（1.西安交通大學城市學院，陜西西安710018；2.中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西西安710065；3.廣東天聯(lián)集團有限公司，廣東廣州510600）

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，各類敏感負荷的廣泛使用，人們對電能質量的要求越來越高，高質量的電力供應己成為現(xiàn)代社會生產、生活正常進行的基本條件。在輸、配電系統(tǒng)中，特別是配電系統(tǒng)中，由于大量非線性、沖擊性負荷的增加，電網發(fā)生故障造成的電壓驟升、驟降、不對稱、閃變、波動、諧波以及瞬時供電中斷等電能質量問題越來越多，由此造成產品質量下降，甚至導致生產過程中斷，造成巨大的經濟損失。作為FACTS家族的重要成員，動態(tài)電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer）的作用越來越受到人們的關注。

DVR是一種串聯(lián)型電能質量控制器，當電網電壓發(fā)生暫降時，DVR向線路注入一個幅值、相位可控的串聯(lián)補償電壓，以保證負荷側電壓的恒定。它可以補償電壓的驟降、驟升、不對稱、閃變、波動、諧波等，良好的動態(tài)性能和容量上的相對優(yōu)勢使其成為治理動態(tài)電壓問題最經濟、有效的手段之一[1]。

DVR的典型結構如圖1所示，主要由電壓型逆變器（VSC）、控制單元、輸出濾波器、儲能單元、串聯(lián)變壓器和旁路保護系統(tǒng)組成[2-3]。DVR進行補償時，控制單元控制VSC產生串聯(lián)補償電壓，經串聯(lián)變壓器注人線路中。其中，輸出濾波器用于濾除高次諧波；儲能單元提供補償所需的有功功率；旁路系統(tǒng)通常由機械斷路器和雙向可控硅等組成[4]，用于系統(tǒng)發(fā)生短路和電壓浪涌故障時的VSC保護[5]。

圖1 D V R裝置結構Fig.1 Structure of DVR

普通DVR采用雙向變流器，其直流側電壓通過儲能裝置經升壓電路提供，對電能質量問題的補償能力取決于儲能單元的容量。受儲能單元成本、體積等因素限制，儲能單元容量有限。如果電源電壓驟降時間較長，則無法進行完全補償。

為了適應電力系統(tǒng)用戶電力技術和電能質量的需要，許多專家學者對此進行了大量的研究工作，但是很多研究都是基于DVR的控制策略和控制方法[6-8]，對于DVR在微機保護及保護的靈敏度影響研究卻不多。本文從微機保護的靈敏度定義出發(fā)，分析了負荷中DVR的控制對微機保護動作和性能的影響。

1 典型配電系統(tǒng)故障分析

對于如圖2所示的配電系統(tǒng)，當線路末端d1點發(fā)生故障時，由保護1的三段式電流保護來負責切除，如果系統(tǒng)中串聯(lián)DVR，保護1、2的可能誤動或拒動，從而使保護失去選擇性。

圖2 簡單配電系統(tǒng)的結構圖Fig.2 Structure of the distribution system

因此，配電系統(tǒng)中串聯(lián)了DVR之后，需要對保護的定值做一定的修正，以保證電流保護的選擇性。修正之后的定值滿足串入DVR之后電流保護選擇性的要求，但還應考慮當DVR因故障退出運行時，保護的靈敏性和選擇性又受到一定的影響，保護可能誤動或拒動。針對這一問題，本文提出了解決方案，仿真結果驗證了方案的可行性。

1.1 DVR模型

本文采用可連續(xù)運行動態(tài)電壓恢復器（Uninterrupted Dynamic Voltage Restorer，UDVR），UDVR的直流電壓是通過與電網相連的PWM整流器提供的，可以持續(xù)對電壓進行補償。因此，UDVR不但可以解決電壓的驟降、不對稱、閃變、波動、諧波等動態(tài)電壓質量問題，還可以解決過電壓和欠電壓等穩(wěn)態(tài)電壓質量問題。UDVR的結構如圖3所示[9]。

圖3 UDVR的結構連接圖Fig.3 Topology and connection of UDVR

1.2 配電系統(tǒng)故障仿真

圖4給出了一個配電系統(tǒng)簡化原理圖。交流系統(tǒng)額定電壓7.5kV，額定容量1MV·A，加裝三相對稱負載。當系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障時，電容電壓經0.1s的延時衰減到0。圖5是故障時刻電容電壓的變化曲線。圖6是三相故障時A相系統(tǒng)側和負荷側電壓。由圖6可知，A相系統(tǒng)側電壓瞬時衰減為0，由于電容的儲能作用，負荷側電壓經過0.1s的延時衰減為0。

圖4 加入UDVR配電系統(tǒng)簡化原理圖Fig.4 Schematic diagram of distribution system

圖5 三相故障時的電容電壓Fig.5 Capacitance voltage in three-phase circuit fault

圖6 三相故障時A相系統(tǒng)側和負荷側電壓Fig.6 Load voltage and system voltage of A phase in the three-phase circuit fault

三段式電流保護中Ⅰ段的固有動作時間一般為10～60ms[10]，Ⅱ，Ⅲ段的動作時間是在此基礎之上有一定的延時，一般分別延時0.5s和1s。所以三相接地故障時，DVR僅對繼電保護的Ⅰ段有影響，對保護的Ⅱ，Ⅲ段的影響可以忽略。

當線路發(fā)生單相故障或者兩相故障，由于電容的儲能作用，電容電壓不會衰減為0，圖7所示單相故障時的直流側電壓波形，故障期間電容電壓穩(wěn)定值為1.2kV。

分別對不加UDVR和加裝UDVR的配電系統(tǒng)進單相故障仿真。A相發(fā)生故障時，電流保護動作。如果不加UDVR，其短路電流峰值為1.05kA，有效值為0.615kA，因其小于Ⅰ段的保護整定值0.65kA，所以Ⅰ段不啟動，Ⅱ段延時0.5s后跳閘。故障時刻負荷電流變?yōu)?，系統(tǒng)側、負荷側電壓失壓。

圖7 單相故障時的電容電壓Fig.7 Capacitance voltage in single-phase fault

如果在負荷側串聯(lián)可連續(xù)運行動態(tài)電壓恢復器，其短路電流如圖8所示，0.5s發(fā)生故障，故障電流峰值為2.05kA，有效值為0.726kA，電流保護I段瞬時跳閘。

圖8 加裝UDVR之后A相故障時的短路電流及有效值Fig.8 Root-mean-square and short circuit current with the UDVR in A phase fault

由于UDVR中儲能元件的作用，其負荷電流不是立刻變?yōu)?，而是經過0.12s的衰減，逐漸變?yōu)?。

仿真分析可知：串聯(lián)了DVR之后，當發(fā)生單相故障時，保護1的靈敏度明顯提高。同理，可以仿真兩相短路的情況。

為了檢驗保護的選擇性是否受影響，設置d2點發(fā)生A相接地故障，進行仿真分析。由于DVR的作用，保護1和保護2的I段均瞬時動作，分析可知，保護1、2的I段分別動作于跳閘，從而使保護失去選擇性。

2 UDVR對保護靈敏度的影響及其新型保護的控制方案

由于儲能電容通過逆變器為故障再提供一個短路電流附加值，對保護的動作有了一定的影響，不僅使各段的動作情況發(fā)生了變化，而且使保護失去了選擇性，所以須對保護三段的定值進行修正。

為了提高保護的靈敏度，而又不失去選擇性，簡單的處理方法是：當接入DVR之后，給微機保護裝置一個信號，重新整定保護1、2的三段定值。考慮到DVR因故障等原因而退出運行，可以再給微機保護一個信號，切換到原來的定值。但是這種方法受運行方式影響較大，所以實用性不高。

本文提出五段式電流保護的新方法來整定各段定值。把電流保護分為：不靈敏I段保護；靈敏I段保護；不靈敏II段保護；靈敏II段保護；III段保護[10]。不靈敏I段用于提高I段保護的動作速度，靈敏I段用于提高靈敏度；不靈敏II段用于提高動作速度，靈敏II段用于提高II段保護的靈敏度和提高作為下一線路遠后備的動作速度；III段保護作為本線路I段、II段保護的近后備保護，并作為下一線路的遠后備。

靈敏1段保護的整定值按式（1）整定，但可靠系數取1.5～1.6

傳統(tǒng)的II段保護的整定公式為：

五段式中流保護云親下的電流有新位見圖9。利用靈敏度的定義進行飽和靈敏度的計算，I、II各段定值分別為：0.937kA，0.729kA，0.680kA，0.625kA。串入UDVR后，當最小運行方式下d1發(fā)生兩相短路故障時，靈敏II段延時0.5s跳閘，其有效值為0.645kA，II段的定值與下一段I段配合，不超過下一段I段速斷的范圍，此方法保證了電流保護的選擇性。

圖9 五段式電流保護方案下的電流有效值Fig.9 Root-mean-square of the load current in phase-to-phase short circuit fault with the fivestep protection scheme

3 結論

作為一種有效的電能質量調節(jié)裝置，動態(tài)電壓恢復器的接入給整個配電系統(tǒng)帶來了一定的影響，一方面穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，另一方面影響了保護的選擇性。文中提出了一種方案，可以有效保證選擇性，同時兼顧靈敏度的要求，仿真結果驗證了方法的正確性。該方法具有實現(xiàn)簡潔，動態(tài)性能好的優(yōu)點。

[1]CHAN K，KARA A.Voltage Sags Mitigation with an Integrated Gate Commutated Thrusters Based Dynamic Voltage Restorer[J].IEEE 8th International Conference on Harmonics and Quality of Power，1998，1：561-565.

[2]WOODLEY N H,MORUGAN A.Experience with an Inverter-Based Dynamic Voltage Restorer[J].IEEE Trans.on Power Dwlivery,1999,14(3):1181-1186.

[3]唐志，楊潮，馬維新.串聯(lián)刑電能質策補償器主電路設計力案[J].電力系統(tǒng)自動化，2002,26(19):32-35.

TANG Zhi,YANG Chao,MA Wei-xin.Analysis and Design of the Main Circuit of Series Power Quality Compensator[J].Autotnation of Electric Power Systetns,2002,26(19):32-35.

[4]WOODLEY N H.Field Experience with Dynamic Voltage Restorer System[C].Proceedings of 2000IEEE Power EngineeringSocietyWinter Meeting,2000,4,Jan23-27，2000：2864-2871.

[5]SILVA S M,ELEUTERIO F A，DESOUZA R A,et al.Protection Schemes for a Dynamic Voltage Restorer[C].Proceedings of 39th Industry Applications Conference Annual Meeting:Oct 3-7,2004,Seattle,USA，Piscataway,NJ，USA IEEE,4,2004:2239-2243.

[6]謝旭，胡明亮，梁旭,等.動態(tài)電壓恢復器的補償特性與控制目標[J].電力系統(tǒng)自動化,2002,25(4):41-44.

XIE Xu,HU Ming-liang,LIANG Xu,et al.Compensation Range and Control Objective Dynamic Voltage Restorer[J].Automation of Electric Power Systems,2002,25(4):41-44.

[7]周暉，齊智平.動態(tài)電壓恢復器檢測方法和補償策略綜述[J].電網技術，2006，30(6):23-29.

ZHOU Hui，QI Zhi-ping.A Survey on Detection Algorithm and Restoring Strategy of Dynamic Voltage Restorer[J].Power System Technology,2006，30(6):23-29.

[8]馮小明，楊仁剛.動態(tài)電壓恢復器的形態(tài)學—dq變換綜合檢測算法[J].中國電機工程學報，2004，24(11)：193-198.

FENG Xiao-ming,YANG Ren-gang.A Novel Integrated Morphology-Dqtransformation Detection Algorithm for DynamicVoltageRestorer[J].Proceedingsof the CSEE，2004，24(11)：193-198.

[9]王凱斐，李彥棟，卓放，等.一種可持續(xù)補償三相動態(tài)電壓恢復器的研究[J].電力電子技術，2004，38(1)：1-3.

WANG Kai-wen,LI Yan-dong,ZHUO Fang,et al.An Unremitting Dynamic Voltage Restorer[J].Power Electronics,2004,38(1)：1-3.

[10]李小明，劉耀輝，曹艷.五段式線路保護方案[J].電力系統(tǒng)及其自動化，2007，31(11)：74-78.

LI Xiao-ming，LIU Yao-hui，CAO Yan.The Research on Five-Step Protection Scheme for Transmission Line[J].Autotnation of Electric Power Systems,2007，31(11)：74-78.

Simulation Analysis of Influence of DVR on Microprocessor-Based Protection

ZHANG Yan-xiao1，GAO Li-gang2，LIU Wei3，WEI Yan2
（1.City College,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710018,Shaanxi Province,China;2.Hydrochina Xibei Engineering Corporation,Xi’an 710065,Shaanxi Province,China;3.Guangdong Tianlian Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510600,Guangdong Province,China）

In this paper,the principle and topology of dynamic voltage restorer(DVR)is introduced first,and the function of the DRV in the distribution system is discussed,and then simulation of the microprocessor-based current protection with DVR is built.The simulation results show that with introduction of DVR,the sensitivity of microprocessor-based current protection is improved in distribution systems,but the current protection is deprived of selection.To address this problem,a new scheme is proposed in this paper.The result of the simulation testifies validity of the scheme.

distribution system;dynamic voltage restorer(DVR);sensitivity;microprocessor-based current protection

為了分析DVR對配電系統(tǒng)的影響，介紹了DVR的原理、結構，論述了DVR在配電系統(tǒng)的作用，接著針對DVR對微機電流保護中的影響做了仿真。仿真分析表明：DVR的接入使得配電系統(tǒng)電流保護的靈敏度提高，但使電流保護失去了選擇性。針對這一問題，提出了解決方案，仿真結果驗證了方案的正確性。

配電系統(tǒng)；動態(tài)電壓恢復器；靈敏度；微機電流保護

1674-3814（2011）12-0019-07

TM 744

A

2010-11-13。

張艷肖（1982—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制及繼電保護；

高立剛（1981—），男，碩士，研究方向為電氣一次設計，電力系統(tǒng)的運行與控制；

魏 燕（1981—），女，本科，研究方向為電氣二次設計，電力系統(tǒng)的運行與控制；

劉 偉（1983—），男，碩士，研究方向為電氣一次設計，電力系統(tǒng)的運行與控制。

（編輯 馮露）