含分布式電源的微電網(wǎng)過電流保護(hù)方法

楊鳳惠，　張向鋒，　王致杰，　陳舒婷

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

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含分布式電源的微電網(wǎng)過電流保護(hù)方法

楊鳳惠，張向鋒，王致杰，陳舒婷

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 200240)

摘要:分析了分布式電源的位置、容量對(duì)微電網(wǎng)過電流保護(hù)的影響，闡述了傳統(tǒng)三段式保護(hù)配置不能滿足分布式電源接入條件下微電網(wǎng)的過電流保護(hù)要求。針對(duì)美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)提出的包含分布式電源的微電網(wǎng)模型，給出3種具體的保護(hù)方案，以實(shí)現(xiàn)分布式電源接入條件下微電網(wǎng)繼電保護(hù)自動(dòng)、快速、有選擇地動(dòng)作，從而保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)； 過電流保護(hù)； 分布式電源； 繼電保護(hù)

隨著太陽能、風(fēng)能等可再生的新能源的接入，它們對(duì)大電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊已不容小覷。由此，美國(guó)電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions, CERTS)提出了一種與以前完全不同的分布式電源接入系統(tǒng)的新方法，即微電網(wǎng)[1]。微電網(wǎng)是一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一組由微電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)單元；它能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以孤立運(yùn)行[2]。但是，微電網(wǎng)出口處的電力電子接口限制了其故障電流在2倍額定電流內(nèi)[3]，導(dǎo)致傳統(tǒng)繼電保護(hù)配置的繼電器無法動(dòng)作，使微電網(wǎng)接入后的配電網(wǎng)過電流保護(hù)變得更加復(fù)雜。同時(shí)，微電網(wǎng)在并網(wǎng)及孤島運(yùn)行方式下采用統(tǒng)一的保護(hù)配置也是目前的一大研究難點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]中針對(duì)目前含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)縱聯(lián)保護(hù)方案的不足，設(shè)計(jì)了一種含微網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)改進(jìn)縱聯(lián)過電流保護(hù)方案，并在PSCAD/EMTDC中建立了含微網(wǎng)的閉環(huán)運(yùn)行配電網(wǎng)和保護(hù)方案的模型。文獻(xiàn)[5]中在微型電網(wǎng)配置傳統(tǒng)過電流保護(hù)的基礎(chǔ)上，引入無通道保護(hù)理論，當(dāng)線路發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，故障線路一端斷路器先跳閘，另一端斷路器根據(jù)對(duì)斷路器動(dòng)作后健全相電流的突變量來判斷故障區(qū)域，從而加速動(dòng)作，以滿足動(dòng)作快速性要求。文獻(xiàn)[6]中提出了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)隔離策略的最優(yōu)化、微電網(wǎng)信息采集的廣域化以及微電網(wǎng)保護(hù)功能的集成化是未來微電網(wǎng)保護(hù)的發(fā)展目標(biāo)。

由于微電網(wǎng)中分布式電源的接入使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、潮流方向和故障電流等發(fā)生了變化，使得微電網(wǎng)的過電流保護(hù)變得非常復(fù)雜。為使微電網(wǎng)在并網(wǎng)及孤島運(yùn)行方式下安全可靠地運(yùn)行，本文分析了分布式電源的容量、位置對(duì)微電網(wǎng)過電流保護(hù)的影響，給出了3種可行的微電網(wǎng)過電流保護(hù)方法，以保障微電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

1分布式電源對(duì)微電網(wǎng)過電流保護(hù)的影響

微電網(wǎng)通常含有多種不同的分布式電源，如太陽能光伏電池、風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能裝置及小型發(fā)電機(jī)等。在發(fā)生故障時(shí)，這些不同類型的分布式電源提供故障電流的能力是不同的，而且分布式電源距離故障點(diǎn)越遠(yuǎn)，線路中的阻抗就會(huì)增加，其提供的故障電流就越小，從而引起過電流保護(hù)拒動(dòng)、保護(hù)靈敏度降低等問題。

1.1　接入位置的影響

當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源供電變成多電源供電。微電網(wǎng)分布式電源接入位置的不同必然會(huì)對(duì)配電網(wǎng)原有的保護(hù)配置產(chǎn)生影響，可能引起電流保護(hù)誤動(dòng)、保護(hù)拒動(dòng)、故障無法切除等狀況。

(1) 過電流保護(hù)誤動(dòng)。以圖1的微電網(wǎng)故障為例，微電網(wǎng)通過公共耦合點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)與大電網(wǎng)相連，兩條饋線上分別連接有分布式電源DG1、DG2、DG3、DG4，它們分別位于配電線路首端、中端和末端。

圖1　微電網(wǎng)故障圖例Fig.1　Illustration of micro-grid failures

如圖1所示，DG1位于饋線2始端，連接在母線A上，相當(dāng)于配電網(wǎng)電源的容量增加。在線路阻抗不變的情況下，若發(fā)生故障F1、F2、F3、F4和F5，由于配電網(wǎng)電源容量的增加導(dǎo)致故障電流增大，即起到了助增作用[7]，故其各級(jí)保護(hù)的靈敏度在一定程度上得到提高。然而，隨著微電源容量的增大，故障電流不斷增大，可能引起下一段保護(hù)的誤動(dòng)作，從而使保護(hù)失去選擇性。

(2) 過電流保護(hù)拒動(dòng)。如圖1所示，當(dāng)饋線2上DG2的下游F4處發(fā)生三相短路故障時(shí)，若DG2距離母線A越遠(yuǎn)，則安裝在AD段的繼電保護(hù)裝置檢測(cè)到的故障電流就越小，導(dǎo)致其無法動(dòng)作，電流保護(hù)的靈敏度降低。當(dāng)饋線1上的F2處發(fā)生三相短路故障時(shí)，若本段保護(hù)拒動(dòng)，應(yīng)由其上游AB段的保護(hù)裝置作為后備保護(hù)來切除故障，而由于DG4的影響，AB段保護(hù)裝置檢測(cè)到的故障電流變小，不足以發(fā)生保護(hù)動(dòng)作，因此保護(hù)拒動(dòng)。

(3) 故障無法切除。如圖1所示，當(dāng)饋線2上的F3處發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)電源與DG1、DG2、DG3、DG4同時(shí)向故障點(diǎn)提供短路電流，由于AC段的保護(hù)裝置只能檢測(cè)系統(tǒng)和DG1提供的故障電流，當(dāng)其可靠動(dòng)作后，除DG1外的其余分布式電源繼續(xù)向故障點(diǎn)提供短路電流，導(dǎo)致故障無法切除。

1.2　分布式電源容量的影響

以圖2為例，B1、B2、B3處分別裝有無時(shí)限電流速段保護(hù)(I段保護(hù))及過電流保護(hù)(III段保護(hù))，按照無時(shí)限電流速斷保護(hù)(I段保護(hù))的原則進(jìn)行整定。

圖2　分布式電源的容量對(duì)微電網(wǎng)過電流保護(hù)影響示例Fig.2　 Effects of capacity of distributed generators on overcurrent protection of a micro-grid

式中，IKB.max、IKC.max、IKD.max分別為最大運(yùn)行方式下線路AB、BC、AD段相鄰線路出口短路的最大故障電流；ES為系統(tǒng)電源電動(dòng)勢(shì)，ZS.min為電網(wǎng)等效阻抗最小值。

過電流保護(hù)整定值Iset?.B1按躲過線路上的最大負(fù)荷電流來整定:

B1、B2處實(shí)際檢測(cè)到的電流值

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，繪制了分布式電源容量與B1、B2處電流的關(guān)系圖。如圖3所示。

圖3　Sdg與IB2的關(guān)系Fig.3　Relation between Sdg and IB2

由圖3(a)可見，IB1隨著分布式電源容量的增大而減?。籌set.B1與IB1相交于(1，0.173)處，即當(dāng)分布式電源容量大于1MW時(shí)，B1處檢測(cè)到的電流開始小于過電流保護(hù)的整定值，此時(shí)保護(hù)裝置不啟動(dòng)，降低了靈敏度。

節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目區(qū)多分布于流域缺水地區(qū)，降水量較小，地表水資源較匱乏，且現(xiàn)狀供水工程的供水能力難以支撐大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉取水，因此，節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目供水水源仍將以鑿井抽取地下水為主。為進(jìn)一步加大對(duì)項(xiàng)目區(qū)地下水資源的管理和保護(hù)力度，必須加強(qiáng)水資源論證工作，指導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施過程中合理開發(fā)地下水，嚴(yán)禁取用深層承壓水，最大限度保障地下水采補(bǔ)平衡，避免出現(xiàn)地下水超采漏斗，在項(xiàng)目實(shí)施過程中逐步削減地下水超采區(qū)超采量，改善地下水超采狀況和水環(huán)境。

由圖3(b)可見，IB2隨Sdg的增大而增大，Iset.B2與IB2相交于(4，0.218)處，即當(dāng)Sdg>4MW時(shí),由于IB2大于無時(shí)限電流速斷保護(hù)的整定值，而使保護(hù)誤動(dòng)作。

2分布式電源對(duì)自動(dòng)重合閘的影響

電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，架空線路絕大多數(shù)的故障都是“瞬時(shí)性”的，永久性的故障一般不到10%[8]。對(duì)于臨時(shí)性短路故障，為了確保不間斷供電，在供電系統(tǒng)中通常采用一種保護(hù)裝置，即自動(dòng)重合閘裝置(Auto-Reclo sing Device, ARD)[9]。在由繼電保護(hù)動(dòng)作切除短路故障后，電弧將自動(dòng)熄滅，絕大多數(shù)情況下短路處的絕緣可以自動(dòng)恢復(fù)，自動(dòng)將斷路器重合，這樣不僅能提高供電的安全性和可靠性，減少停電損失，而且還能提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)水平，增大高壓線路的送電容量，也可糾正由于斷路器或繼電保護(hù)裝置造成的誤跳閘[10]。

當(dāng)微電網(wǎng)的線路發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，微電網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作，使其處于孤島運(yùn)行模式，而不是切除分布式電源。失去大電網(wǎng)的支持后，微電網(wǎng)很難與大電網(wǎng)保持完全同步，且大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間產(chǎn)生一個(gè)0～2π的相角差。而此時(shí)進(jìn)行非同期重合閘會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電流，導(dǎo)致繼電器發(fā)生誤動(dòng)作，失去恢復(fù)瞬時(shí)性故障的能力。如果微電網(wǎng)中分布式電源的上游發(fā)生瞬時(shí)故障，繼電保護(hù)雖然可瞬時(shí)動(dòng)作，但由于分布式電源仍持續(xù)向故障點(diǎn)提供短路電流，導(dǎo)致故障不能完全隔離，從而使瞬時(shí)性故障變?yōu)橛谰眯怨收铣蔀榭赡堋?/p>

33種成本較低的微電網(wǎng)保護(hù)方案

為解決大規(guī)模分布式電源接入條件下微電網(wǎng)過電流保護(hù)中存在的諸多問題，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的繼電保護(hù)研究方向和思路。文獻(xiàn)[11]中開發(fā)了一種實(shí)時(shí)故障定位裝置。該裝置比傳統(tǒng)繼電器更能精確地反映故障位置，但需要對(duì)現(xiàn)有的配電網(wǎng)進(jìn)行改造，成本太高，因此尚不能應(yīng)用于實(shí)際。文獻(xiàn)[12]中提出當(dāng)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)(Point of Common Coupling, PCC)處檢測(cè)到有較大電流或電壓下降時(shí)，利用阻抗前饋和負(fù)荷模型反饋算法來保護(hù)微電網(wǎng)。通過控制系統(tǒng)和微電網(wǎng)之間的變流器，實(shí)現(xiàn)限制PCC處較大故障電流、抑制暫態(tài)振蕩的目的。該方法嵌入的大阻抗直接改變了電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)會(huì)造成PCC處重合閘和保護(hù)配置困難?；诖?，本文給出3種成本較低的微電網(wǎng)保護(hù)方案，在一定程度上能滿足微型電網(wǎng)保護(hù)的需要。

3.1　基于分布式電源出口電壓的保護(hù)方法

文獻(xiàn)[11]中提出了一種通過檢測(cè)分布式電源的輸出電壓來判斷故障情況的方法。該方法將A、B、C三相電壓通過

(1)

轉(zhuǎn)換為d-q坐標(biāo)系下的電壓。式中，Uds、Uqs分別為d-q坐標(biāo)系下的電壓。

再將式(1)得到的定子側(cè)d-q坐標(biāo)系下的電壓Uds、Ugs通過

(2)

轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子側(cè)d-q坐標(biāo)系下的電壓。式中，Udr、Uqr為轉(zhuǎn)子側(cè)d-q坐標(biāo)系下的電壓。

(3)

式中，Udref、Uqref為無故障時(shí)的基準(zhǔn)電壓；Uerror-d、Uerror-q分別為故障時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)d-q參考系下的電壓。

若微電網(wǎng)內(nèi)部無故障，則UDIST=0，保護(hù)裝置不動(dòng)作。

當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，UDIST為振蕩的直流信號(hào)；當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生三相短路時(shí)，UDIST為純直流信號(hào)；若微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生兩相短路，則UDIST為帶有交流紋波的直流信號(hào)。因此，通過觀察UDIST的波形，就可以判斷微電網(wǎng)內(nèi)部的故障類型。若要可靠切除故障，則需要設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)UDIST大于該閾值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作將故障切除。

3.2　基于電流序分量的保護(hù)方法

對(duì)稱分量法是分析電力系統(tǒng)三相不平衡的有效方法[13]，其基本思想是把三相不平衡電流、電壓分解成三組對(duì)稱的正序、負(fù)序和零序分量，故可將電力系統(tǒng)的不平衡問題轉(zhuǎn)化成平衡問題進(jìn)行處理。在三相電路中，對(duì)任意一組不對(duì)稱的三相分量(電壓或電流)，都可以分解為3組三相對(duì)稱的分量，即

(4)

計(jì)算可得三相對(duì)稱分量如下：

(5)

電力系統(tǒng)的正序、負(fù)序、零序分量是根據(jù)電力系統(tǒng)A、B、C三相的順序來定的。對(duì)于正序分量，A相領(lǐng)先B相120°，B相領(lǐng)先C相120°，C相領(lǐng)先A相120°；對(duì)于負(fù)序分量，A相落后B相120°，B相落后C相120°，C相落后A相120°；對(duì)于零序分量，A、B、C三相相位相同[14]。對(duì)于理想的電力系統(tǒng)，在正常情況下運(yùn)行，由于三相對(duì)稱，系統(tǒng)中只有正序電流分量，而當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，三相變得不對(duì)稱了，這時(shí)可以分解出負(fù)序和零序分量(有時(shí)只有其中一種)，故障類型對(duì)應(yīng)的電流序分量如表1所示。

表1　故障類型對(duì)應(yīng)的電流序分量Tab.1　 Current sequence components corresponding to different fault types

通常，微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生的故障主要有單相接地故障及相間短路故障，由上述分析可知，零序和負(fù)序分量可以用來檢測(cè)相、地和相、間故障。因此，筆者提出在微電網(wǎng)中每一相均配置電流互感器，提取三相電流，然后利用式(4)分解成3組三相對(duì)稱分量，再送入繼電器，并通過設(shè)定繼電器閾值使繼電器可靠動(dòng)作。

3.3　基于諧波畸變率的保護(hù)方法

諧波畸變率(The Harmonic Distortion, THD)是表征電壓、電流波形相對(duì)正弦波畸變程度的性能參數(shù)，為全部諧波含量均方根值與基波均方根值之比，用百分?jǐn)?shù)表示[15]。

基于THD的微電網(wǎng)保護(hù)方法是通過檢測(cè)THD來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓幅值近似相等，當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障相電壓發(fā)生變化，低于正常運(yùn)行時(shí)的相電壓。因此，通過檢測(cè)相電壓的THD可判斷微電網(wǎng)的故障類型。

圖4所示為CERTS給出的微電網(wǎng)模型，當(dāng)檢測(cè)到微電網(wǎng)發(fā)生故障后，此時(shí)要進(jìn)行故障定位，正常運(yùn)行時(shí)的配電網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)低阻抗的電壓源，使得微電網(wǎng)的THD較?。欢?dāng)故障發(fā)生時(shí)，如圖4中的靜態(tài)開關(guān)SS便會(huì)迅速啟動(dòng)，使微電網(wǎng)進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，此時(shí)THD將明顯增大。此時(shí)將采集到的各相繼電器的諧波總和作比較，故障落在THD最大的區(qū)域內(nèi)，這樣便有效地實(shí)現(xiàn)了故障定位。

圖4　CERTS給出的微電網(wǎng)模型圖Fig.4　Micro-grid model given by CERTS

4結(jié)語

本文針對(duì)CERTS提出的微電網(wǎng)模型，分析了不同容量的分布式電源和接入位置的不同對(duì)微電網(wǎng)的過電流保護(hù)以及自動(dòng)重合閘產(chǎn)生的影響，闡明了分布式電源的接入改變了電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、潮流分布、故障電流大小等，給出了3種針對(duì)含分布式電源的微電網(wǎng)的過電流保護(hù)措施。繼電保護(hù)配置在電力系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，針對(duì)含分布式電源的微電網(wǎng)的繼電保護(hù)研究正處于起步階段，研究含分布式電源的微電網(wǎng)的過電流保護(hù)措施對(duì)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

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Over-Current Protection of Micro-Grid with Distributed Generators

YANGFenghui,ZHANGXiangfeng,WANGZhijie,CHENShuting

(College of Electrical Engineering, University of Shanghai Dianji, Shanghai 200240, China)

Abstract:This paper analyzes negative effects of the location and capacity of distributed generators on a micro-grid. Traditional three-step protection devices cannot meet the requirements of a micro-grid with a large amount of distributed generators. The American Association of Electric Reliability Technology Solutions (CERTS) has proposed a micro-grid model containing distributed generators. Based on the model, this paper presents three specific relay protection devices to ensure that micro-grid relay protection acts automatically, quickly and selectively.

Key words:micro-grid; over-current protection; distributed generator; relay protection

中圖分類號(hào):TM 773

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A