P/Q 控制策略下的分布式電源自適應(yīng)距離整定新方法

肖蕙蕙，申丹偉，蔣東榮，顏瑞凡，葉陽(yáng)建

（重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054）

P/Q 控制策略下的分布式電源自適應(yīng)距離整定新方法

肖蕙蕙，申丹偉，蔣東榮，顏瑞凡，葉陽(yáng)建

（重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054）

采用P/Q控制策略的分布式電源（DG）的故障電流特性與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不一致，將會(huì)導(dǎo)致原有配電網(wǎng)距離保護(hù)不能有效滿足繼電保護(hù)的要求。針對(duì)該問(wèn)題，分析了分布式電源接入時(shí)配網(wǎng)故障電流與距離保護(hù)測(cè)量阻抗的相關(guān)特性，并結(jié)合P/Q控制策略下DG的故障電流特性研究了配電網(wǎng)單相接地自適應(yīng)距離保護(hù)整定方法，解決了原有配電網(wǎng)距離保護(hù)不能有效動(dòng)作的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)單相接地故障進(jìn)行模擬仿真，證明了該整定方法的有效性，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

分布式電源；故障電流；分布式電源接入；自適應(yīng)距離保護(hù)；P/Q控制策略

近年來(lái)，配電網(wǎng)系統(tǒng)中越來(lái)越多地采用分布式電源，為系統(tǒng)運(yùn)行和保護(hù)帶來(lái)很大困難。原有配電網(wǎng)階段式的電流保護(hù)將不能有效按照規(guī)程要求進(jìn)行整定，達(dá)不到預(yù)期的保護(hù)效果［1-4］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在含DG配電網(wǎng)的故障特性及保護(hù)方案方開(kāi)展了大量的研究工作。文獻(xiàn)［5］對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)類型DG的電磁暫態(tài)特性進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)［6］對(duì)三相對(duì)稱系統(tǒng)中的逆變型分布式電源故障電流特征進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)［7］對(duì)DG的輸出功率變化量與保護(hù)流過(guò)的故障電流變化量進(jìn)行分析，得到正比例關(guān)系，并根據(jù)DG的投入和退出運(yùn)行來(lái)自適應(yīng)整定保護(hù)定值。文獻(xiàn)［8］將DG模型等值為采用恒定電壓源和恒定阻抗串聯(lián)的模型，通過(guò)電網(wǎng)電壓和等值阻抗壓降求取DG等值電勢(shì)。文獻(xiàn)［9］在研究逆變器接口DG的故障特性時(shí)，將DG視為小容量的電壓源或電流源，或考慮DG出力的變化，將DG等值為內(nèi)阻大小發(fā)生變化的電壓源，但有關(guān)DG的并網(wǎng)規(guī)定并未考慮DG的低電壓故障穿越控制策略及其對(duì)故障電流的影響。文獻(xiàn)［10］對(duì)IIDG故障電流的特征進(jìn)行分析，但分析結(jié)果不適用于直接入網(wǎng)的IIDG。文獻(xiàn)［11］對(duì)距離保護(hù)中如何消除過(guò)渡電阻對(duì)距離保護(hù)的影響進(jìn)行了分析，但沒(méi)有考慮不同控制策略下的DG故障電流特性。

對(duì)于采用逆變型接口的DG（inverter interfaced distributed generation，IIDG），因其短路特性主要由逆變器控制策略決定，具有很強(qiáng)的非線性特性，不能將其等效為電壓源和阻抗串聯(lián)模型，因此，研究IIDG配電網(wǎng)保護(hù)時(shí)必須考慮有關(guān)控制策略的影響，精確分析有關(guān)故障電流特性［12-14］。由于IIDG主要采用P/Q控制策略，因此本文基于P/Q控制策略下IIDG的故障電流特性，對(duì)配電網(wǎng)的單相接地故障進(jìn)行序網(wǎng)圖分析，由此推導(dǎo)出自適應(yīng)距離保護(hù)整定方法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。

1　DG對(duì)距離保護(hù)的影響

一般情況下，逆變器器件對(duì)工作電流限制作用較大，使得IIDG的短路電流水平極有可能高達(dá)正常運(yùn)行情況的1.5～2倍，導(dǎo)致其出現(xiàn)與普通旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)截然不同的故障特性。

圖1為單個(gè)DG的“T”型接線情況。設(shè)系統(tǒng)電勢(shì)為Es、系統(tǒng)阻抗為Zs，線路AM段阻抗為Zam，線路MB段阻抗值為Zmb。DG提供的故障電流為Idg，過(guò)渡電阻為Rf。

1.1故障位置f1處對(duì)距離的影響

傳統(tǒng)距離保護(hù)模式下，CB1的距離保護(hù)I段將保護(hù)AB線路的80%～85%，當(dāng)DG未接入到配電網(wǎng)時(shí)，CB1處測(cè)量的阻抗為A到故障點(diǎn)f1的阻抗值，保護(hù)CB1將可靠動(dòng)作。單個(gè)DG接入配電網(wǎng)時(shí)，在AB段發(fā)生三相短路故障。CB1的I段測(cè)量阻抗等值電路見(jiàn)圖2。

圖2　CB1的I段測(cè)量阻抗等值電路

根據(jù)等值電路圖2可得

將式（1）變形可得

求得測(cè)量阻抗值為

式（3）中的前兩項(xiàng)在DG接入前后不發(fā)生變化。對(duì)于金屬性故障，其測(cè)量阻抗值不發(fā)生變化，保護(hù)CB1將可靠動(dòng)作。對(duì)于非金屬故障，DG接入后會(huì)造成測(cè)量阻抗值發(fā)生變化相位超前時(shí)將具有正阻抗角，表現(xiàn)為感性阻抗，導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量阻抗值增大。反之當(dāng)相位滯后時(shí)，將具有負(fù)阻抗角，表現(xiàn)為容性阻抗，導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量阻抗值減小。在系統(tǒng)振蕩和故障條件下，相位差可能在0～π變化。

1.2故障位置f2處對(duì)距離保護(hù)的影響

在線路保護(hù)中，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性會(huì)導(dǎo)致CB1的I段不能完全保護(hù)AB的全長(zhǎng)，需要加入CB1的II段保護(hù)。將CB1的I段和II段保護(hù)進(jìn)行組合構(gòu)成本線路AB的主保護(hù)。CB1的II段保護(hù)測(cè)量阻抗等值電路見(jiàn)圖3。

圖3　CB1的II段保護(hù)測(cè)量阻抗等值電路

由等值電路圖3可得

將式（4）變形可得

則其測(cè)量阻抗為

同理，前3項(xiàng)的測(cè)量阻抗在分布式電源接入前后不變，當(dāng)故障發(fā)生在DG下游時(shí)，測(cè)量阻抗仍然受相位關(guān)系的影響。

顯然，距離保護(hù)的測(cè)量阻抗值會(huì)受到DG故障電流與流過(guò)測(cè)量保護(hù)裝置電流相位關(guān)系的影響。采用不同控制策略的DG，故障電流相位關(guān)系表現(xiàn)出不規(guī)則性。接入配網(wǎng)中的DG大多采用P/Q控制策略，所以有必要研究其故障電流特性，以便進(jìn)行自適應(yīng)距離保護(hù)整定。

2　P/Q控制策略下單相接地故障的自適應(yīng)距離保護(hù)整定

2.1IIDG的故障電流特性

IIDG下游線路發(fā)生故障時(shí)，其測(cè)量阻抗值將受故障電流影響，造成原有保護(hù)拒動(dòng)。P/Q控制策略下IIDG的控制方式是采用矢量控制思想通過(guò)補(bǔ)償方式消除電壓電流之間的耦合，轉(zhuǎn)換為通過(guò)控制d軸和q軸分量來(lái)實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。具有低電壓穿越控制策略的IIDG故障電流可表示為［15-16］：

其中：IDG.qf和IDG.df分別表示IIDG在故障發(fā)生時(shí)電流的有功和無(wú)功分量；UP為故障前PCC的額定電壓；Up+f為故障發(fā)生時(shí)PCC電壓的正序分量；Imax為IIDG逆變器允許的最大短路電流；K為無(wú)功支撐比例系數(shù)；Pref為有功給定輸出。

式（7）表明故障電流由PCC故障電壓決定。發(fā)生故障時(shí)，一般采用PCC電壓控制型電流源模型。對(duì)于非對(duì)稱故障，通常只考慮將正序電壓分量作為控制電壓，此時(shí)IIDG等效模型采用PCC正序電壓控制電流源模型。在配電網(wǎng)中性點(diǎn)直接接地的系統(tǒng)中，當(dāng)零序電流保護(hù)不能滿足要求時(shí)，一般采用接地距離保護(hù)。配電網(wǎng)線路故障中常發(fā)生單相接地故障，故對(duì)單相接地故障的距離保護(hù)自適應(yīng)整定進(jìn)行推導(dǎo)。

2.2單相接地故障序網(wǎng)圖分析

故障位置f2處發(fā)生B相接地短路故障的序網(wǎng)圖如圖4所示。

此時(shí)保護(hù)安裝處CB1的序電壓為：

式（8）中的Zam+Zmf和Zam（0）+Zmf（0）分別表示線路正序和負(fù)序阻抗。A相電壓和電流可以用對(duì)稱分量表示，故障點(diǎn)A相電壓為0，可得到：

將式（9）變形有：

圖4　f2處發(fā)生單相接地故障時(shí)的序網(wǎng)圖

實(shí)際配電線路一般采用相電壓和帶零序電流補(bǔ)償?shù)南嚯娏?。補(bǔ)償系數(shù)為K，補(bǔ)償故障相與其他兩相相互耦合而感應(yīng)的電流，則式（2）～（6）簡(jiǎn)化可得：

則保護(hù)CB1的II段測(cè)量阻抗為

通過(guò)序網(wǎng)圖得

在故障發(fā)生前有

其中：UP表示故障前PCC的額定電壓；Va表示此時(shí)A點(diǎn)母線電壓；Is表示系統(tǒng)提供的負(fù)荷電流。

在分布式配電網(wǎng)中，輸電距離較短且電壓等級(jí)不高，其輸電線路電抗值遠(yuǎn)大于線路的電阻值，此時(shí)分布式電源的無(wú)功分量大小將起決定作用。采用近似代替式（14）中的通過(guò)式（7）、（15）、（16）計(jì)算，最后通過(guò)式（14）可得到距離保護(hù)的自適應(yīng)整定值。

3　仿真分析

為驗(yàn)證建立的自適應(yīng)整定方法的有效性，采用PSCAD對(duì)單相接地故障進(jìn)行仿真分析［17］，其配電網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)f2處發(fā)生故障時(shí)，配電網(wǎng)等值容量為40 MVA，基準(zhǔn)電壓為10.5 kV，B處接入采用P/Q控制策略的IIDG，額定功率為4 MVA。變壓器容量為10 MVA，0.69 kV/10.5 kV。線路AM和MB長(zhǎng)度分別為9 km和6 km。單相接地故障f2發(fā)生處距離母線B為3 km，線路的單位阻抗z=0.127+j0.29 Ω/km。

仿真模型中，采用四邊形阻抗繼電器。按照CB1保護(hù)AB線路全長(zhǎng)85%的要求，整定點(diǎn)到I段保護(hù)末端處阻抗為1.6+3.7i。假設(shè)0.3 s時(shí)，在f2處發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s。其單相接地故障仿真波形如圖5所示。

圖5中，f2=1表示故障f2處發(fā)生單相接地故障。從圖5可知：CB1處的測(cè)量電流和IIDG的輸出電流波形發(fā)生明顯變化。在故障發(fā)生0.05 s內(nèi)，CB1從0跳變到1，實(shí)現(xiàn)了快速動(dòng)作。表明該自適應(yīng)距離保護(hù)在發(fā)生單相接地故障時(shí)能可靠地動(dòng)作并切除故障段。

圖5　單相接地故障波形

4　結(jié)束語(yǔ)

仿真結(jié)果表明，本文方法在DG發(fā)生單相接地故障時(shí)可使斷路器快速動(dòng)作，能有效滿足含分布式電源的配電網(wǎng)對(duì)線路保護(hù)的要求，為今后進(jìn)一步研究不同控制策略下DG群的故障電流特性和自適應(yīng)距離保護(hù)整定方法提供了理論參考。

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（責(zé)任編輯楊黎麗）

New Method of Distributed Power Adaptive Distance Protection Based on P/Q Control Strategy

XIAO Hui-hui，SHEN Dan-wei，JIANG Dong-rong，YAN Rui-fan，YE Yang-jian
（College of Electronic Information and Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

The fault current characteristics of distributed power with P/Q control strategies are different from the traditional synchronous generator.It would be resulted in that the distance protection of traditional distribution network could not satisfy the requirements of the DG effectively.This paper analyzed the distributing network including DG access correlation characteristics for the fault current between the measured impedance of distance protection.Then，the paper proposed a method of adaptive single-phase grounding distance protection criterion with the fault current characteristics of the DG under the P/Q control strategies.It was a good solution for setting calculation of DG distance protection. Finally，the single-phase grounding fault was simulated using the Pscad 4.2.The simulation results show the feasibility and validity of the method.It has important practical application value.

distributed power；fault current；DG access；adaptive distance protection；P/Q control strategy

TM77

A

1674-8425（2015）04-0086-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.017

2015-02-17

重慶市教委科研項(xiàng)目（KJ120803）

肖蕙蕙（1964—），女，湖南衡陽(yáng)人，教授，主要從事自動(dòng)控制理論及應(yīng)用研究。

肖蕙蕙，申丹偉，蔣東榮，等.P/Q控制策略下的分布式電源自適應(yīng)距離整定新方法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015（4）：86-90.

format：XIAO Hui-hui，SHEN Dan-wei，JIANG Dong-rong，et al.New Method of Distributed Power Adaptive Distance Protection Based on P/Q Control Strategy［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：86-90.