基于LIBSVM識別并網(wǎng)PV系統(tǒng)阻抗的輸電線電流保護自適應(yīng)策略研究

孟 龍，劉清貴，晁 勤，王一波，李育強

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基于LIBSVM識別并網(wǎng)PV系統(tǒng)阻抗的輸電線電流保護自適應(yīng)策略研究

孟 龍1，劉清貴2，晁 勤1，王一波1，李育強1

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國網(wǎng)自貢供電公司，四川 自貢 643000)

為解決并入配電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)功率波動性導(dǎo)致輸電線電流保護拒/誤動問題，提出一種基于LIBSVM 的PV并網(wǎng)系統(tǒng)輸電線電流保護自適應(yīng)策略?；贛atlab/Simulink仿真平臺搭建了結(jié)合低電壓穿越控制策略模型的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)動態(tài)仿真模型。在不同故障位置與故障類型情況下，針對正常運行時光伏功率的波動輸出，仿真分析了光伏系統(tǒng)與低電壓穿越控制策略協(xié)調(diào)下的故障特性及對配電網(wǎng)輸電線電流保護產(chǎn)生的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于支持向量機(SVM)識別PV并網(wǎng)系統(tǒng)不同輸出功率時等效阻抗的方法，制定了輸電線電流自適應(yīng)保護判據(jù)，依據(jù)光伏系統(tǒng)輸出功率和運行方式變化動態(tài)調(diào)整整定值。仿真驗證表明：所提出的自適應(yīng)保護策略避免了保護拒/誤動，提高了保護裝置性能。

并網(wǎng)光伏；低電壓穿越控制策略模型；故障特性；電流保護影響；自適應(yīng)保護判據(jù)

0 引言

光伏發(fā)電(Photovoltaic，PV)在利好政策的引導(dǎo)下發(fā)展迅猛。但光伏出力具有間歇、隨機、波動的特性，光伏電源的接入還會導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，潮流和故障特性變化，進而改變故障電流的方向、大小和持續(xù)時間，降低原有保護裝置的各項性能，甚至引發(fā)保護誤動、拒動，給電網(wǎng)帶來極大隱患。所以針對PV系統(tǒng)接入對配電網(wǎng)原有保護裝置造成的影響及解決措施的研究具有重要意義。

文獻[1-5]在不同仿真平臺上搭建了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的模型；文獻[6-8]對比分析了多種MPPT實現(xiàn)方法的優(yōu)劣，對光伏MPPT啟動過程中的采樣誤差問題提出了改進方案；文獻[9]基于實時數(shù)字仿真器研究了光伏并網(wǎng)逆變器在三相電壓對稱跌落下的低電壓穿越(LVRT)控制策略；文獻[10]提出一種基于超級電容的PV并網(wǎng)LVRT控制策略。但是針對PV系統(tǒng)故障特性，搭建結(jié)合LVRT控制策略的詳細并網(wǎng)PV系統(tǒng)暫態(tài)模型的文獻較少。文獻[11-13] 研究分析了PV系統(tǒng)的故障特性及對線路電流保護、重合閘裝置帶來的不利影響，提出了解決方案；文獻[14]提出在分布式電源的接入線路上安裝故障限流器來保證原有保護的靈敏性與選擇性。但是針對PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，綜合考慮PV輸出功率、運行方式、故障類型、逆變器控制策略、LVRT控制策略，對比研究PV系統(tǒng)故障特性并提出解決方案的文獻較少，值得深入探討。

本文在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建了基于卸荷電路和無功電流優(yōu)先控制的并網(wǎng)PV系統(tǒng)LVRT控制策略模型，結(jié)合多晶硅組光伏陣列模型、采用變步長擾動觀測法的MPPT控制策略模型、基于分解法解耦控制的逆變器模型，對并網(wǎng)PV系統(tǒng)故障特性及其對配電網(wǎng)輸電線電流保護的影響進行仿真分析，提出了一種基于支持向量機(Support Vector Machines，SVM)智能算法的輸電線電流保護自適應(yīng)策略。

1 并網(wǎng)PV系統(tǒng)低電壓穿越控制策略模型構(gòu)建方法

并網(wǎng)PV系統(tǒng)主要包括光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、濾波器，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。并網(wǎng)逆變器主功率回路主體是三相逆變橋和濾波器，本文在逆變器控制回路中兼顧MPPT控制策略，采用直流電壓控制與電流環(huán)控制方法，考慮故障時低電壓穿越性能，基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建了包含低電壓穿越控制策略的并網(wǎng)PV系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型。鑒于MPPT控制策略和直流電壓及電流環(huán)控制策略已經(jīng)很成熟，其模型搭建方法本文略。

圖1 并網(wǎng)PV系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

本文按照國際標(biāo)準(zhǔn)(德國)在逆變器直流側(cè)加裝由卸荷電阻和功率元件組成的卸荷保護電路，采用無功優(yōu)先控制法，構(gòu)建了低電壓穿越控制策略。

1.1 直流側(cè)卸荷保護電路控制模型

在逆變器直流側(cè)加裝由卸荷電阻和功率元件組成的卸荷保護電路，抑制直流側(cè)電壓升高，維持其穩(wěn)定，控制框圖如圖2所示。

圖2 直流側(cè)卸荷保護電路控制框圖

1.2 無功電流優(yōu)先控制模型

德國光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求：并網(wǎng)點電壓跌至0.9 p.u.以下時，電壓每跌落1%，PV系統(tǒng)無功電流至少增加2%。為保證電網(wǎng)故障時PV系統(tǒng)能夠在并網(wǎng)點電壓跌落時向電網(wǎng)提供無功支持，故障時采用無功優(yōu)先控制法對逆變器電流內(nèi)環(huán)直接控制。即在逆變器電流內(nèi)環(huán)中增加無功電流控制環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 故障時無功電流優(yōu)先控制模型

1.3 故障穿越時光伏逆變器暫態(tài)控制整體模型

基于直流側(cè)卸荷保護電路和無功電流優(yōu)先控制的并網(wǎng)PV系統(tǒng)LVRT控制策略流程如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)PV系統(tǒng)LVRT控制策略流程圖

綜合低電壓穿越控制策略、MPPT控制策略、直流電壓及電流環(huán)控制策略的光伏逆變器暫態(tài)控制整體模型如圖5所示。

圖5 故障穿越時光伏逆變器暫態(tài)控制模型結(jié)構(gòu)圖

2 PV系統(tǒng)故障特性與輸電線電流保護影響機理分析

在Matlab/Simulink仿真平臺上搭建含PV系統(tǒng)的配電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 含PV系統(tǒng)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 PV系統(tǒng)不同類型故障特性分析

2.1.1 對稱故障

圖8 三相短路時PV系統(tǒng)A相電流

圖9 三相短路時PV系統(tǒng)輸出功率

由圖7、圖8知，電網(wǎng)側(cè)故障時，PV系統(tǒng)輸出電流明顯增大，其幅值從0.1 p.u.增大至0.935 p.u.，但并未超過最大允許值1.2 p.u.。由圖9知，故障期間PV系統(tǒng)持續(xù)輸出無功電流，提供無功支持。

2.1.2 不對稱故障

圖11 兩相短路時PV系統(tǒng)A相電流

圖12 兩相短路時PV系統(tǒng)輸出功率

由圖10知，電網(wǎng)側(cè)故障時鎖相環(huán)能鎖定電網(wǎng)電壓相位，經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)后，光伏系統(tǒng)仍輸出對稱電流，其余特性與發(fā)生對稱故障時一致。

仿真表明，PV系統(tǒng)故障特性與常規(guī)電源不同：逆變器輸出的故障電流總小于1.2 p.u.，遠小于同等情況下火電的故障電流；對稱故障和不對稱故障情況下，故障均是三相對稱的，由此證明無功優(yōu)先控制策略的正確性，其短路電流持續(xù)時間大于0.5 s以上，滿足低電壓穿越要求。

2.2 PV輸出功率變化及故障位置不同對配電網(wǎng)輸電線保護影響分析

PV系統(tǒng)不接入配電網(wǎng)時，圖6中輸電線保護裝置采用三段式電流保護，主保護電流速斷可靠系數(shù)，后備保護限時速斷可靠系數(shù)，整定值如表1。

表1 無PV接入時電流保護整定值

2.2.1 故障位于PV接入點相鄰饋線

2.2.2 故障位于PV接入點上游饋線

此時QF1限時速斷電流保護(Ⅱ段)不啟動(拒動)，故障可能無法消除。

表2 不同PV輸出功率點兩相短路流過QF1故障電流

Table 2 Short current of QF1 on different output of PV system during two-phase short circuit at kA

表2 不同PV輸出功率點兩相短路流過QF1故障電流

PV輸出功率/MW故障相電流非故障相電流 01.8230.166 11.7840.238 31.7170.494 51.6490.623

2.2.3 故障位于PV接入點下游饋線

表3 不同PV輸出功率點三相短路故障電流

Table 3 Short current on different output of PV system during three-phase short circuit at kA

表3 不同PV輸出功率點三相短路故障電流

PV輸出功率/MW短路電流 QF1QF2QF3 01.2531.2531.253 11.1971.3161.316 31.0761.4291.429 50.9441.5271.527

隨PV輸出功率增大，流過保護QF1的故障電流減小，后備保護靈敏度降低；流過保護QF2的故障電流增大，靈敏度上升，但當(dāng)PV容量達到5 MW時，流過QF2的故障電流為

此時QF2速斷電流保護(Ⅰ段)失去選擇性，誤動跳閘。

3 基于LIBSVM的輸電線電流保護自適應(yīng)策略

3.1 LIBSVM簡介

支持向量機(SVM)是一種從線性可分情況下的最優(yōu)分類面發(fā)展而來的機器學(xué)習(xí)算法。非線性情況下，在最優(yōu)分類面上采用適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)，就可實現(xiàn)線性不可分的分類問題，其相應(yīng)的分類函數(shù)即為支持向量機[15]。

本文選用的LIBSVM工具箱是臺灣大學(xué)林智仁教授開發(fā)的SVM算法平臺，提供了S形、徑向基、多項式和線性4種核函數(shù)，能夠在小樣本情況下進行非線性學(xué)習(xí)，有效解決多類識別問題。

3.2 基于LIBSVM的輸電線電流保護自適應(yīng)策略

3.2.1 應(yīng)用LIBSVM識別PV系統(tǒng)等效阻抗的方法

針對PV接入可能導(dǎo)致上游保護裝置反向誤動的問題，只需在各線路末端加裝電流保護裝置并匹配方向元件就能解決。但PV接入可能導(dǎo)致的上游限時電流速斷保護裝置拒動和下游電流速斷保護誤動問題均與PV輸出功率相關(guān)，單純通過加裝方向元件無法解決。

本文提出一種電流保護整定值自適應(yīng)新方法：通過采集保護PV側(cè)信息構(gòu)造狀態(tài)信息向量，用LIBSVM網(wǎng)絡(luò)對PV不同輸出功率運行時的狀態(tài)信息向量進行非線性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，識別出PV側(cè)不同運行方式下的等值阻抗，進而修正整定值。

由于系統(tǒng)側(cè)按無窮大電源考慮，因此認為系統(tǒng)阻抗恒定，僅考慮PV輸出功率、PV電源電動勢、流經(jīng)保護裝置的電流、PV系統(tǒng)等效阻抗，構(gòu)造狀態(tài)信息向量，其中各元素定義如表4。

表4 狀態(tài)信息向量元素定義

綜合PV系統(tǒng)不同輸出功率下正常運行時的各種狀態(tài)信息向量，構(gòu)造出網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本矩陣。

3.2.2 輸電線電流保護自適應(yīng)判據(jù)制定

根據(jù)前文仿真結(jié)果可知，故障發(fā)生在PV系統(tǒng)接入母線與系統(tǒng)電源出口母線之間線路(線路AB)時，PV系統(tǒng)導(dǎo)致故障點殘壓升高，短路電流減??；故障發(fā)生在其他線路時，PV系統(tǒng)提供助增電流，短路電流增大。為了能夠充分響應(yīng)PV輸出功率及運行方式變化，本文提出一個時變的輸電線電流保護自適應(yīng)判據(jù)為

本判據(jù)適用于Ⅰ段和Ⅱ段整定值計算。以QF2為例，整定Ⅰ段時，，=2，，；整定Ⅱ段時，，，，=2。

保護工作時，將流經(jīng)保護裝置的電流和PV系統(tǒng)輸出功率及兩側(cè)電源電動勢輸入LIBSVM網(wǎng)絡(luò)，識別出當(dāng)前保護裝置PV側(cè)等效阻抗，進而通過式(2)計算出當(dāng)前整定值；再與流經(jīng)保護裝置的電流進行比較，判斷是否區(qū)內(nèi)故障，進而發(fā)出閉鎖或跳閘信號。

3.3 驗證

依據(jù)圖6的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將不同輸出功率下的狀態(tài)信息輸入Matlab下的LIBSVM工具包，獲得不同運行方式下的等效阻抗，其結(jié)果代入式(2)的自適應(yīng)保護判據(jù)，與第2節(jié)各種故障時的短路電流仿真數(shù)據(jù)對比。鑒于篇幅所限，本文選取2.2節(jié)中的兩個特例進行分析驗證，自適應(yīng)整定結(jié)果如表5、表6所示。

表5 點兩相短路故障時自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護QF1限時電流速斷保護(II段)

Table 5 Adaptive protection criterion using on limit current protection of QF1 during two-phase short circuit at kA

表5 點兩相短路故障時自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護QF1限時電流速斷保護(II段)

PV輸出功率/MW短路電流無PV時整定值自適應(yīng)整定值 01.8231.6531.653 11.7841.6531.617 31.7171.6531.586 51.6491.6531.545

表6 點三相短路故障時自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護QF2電流速斷保護(I段)

Table 6 Adaptive protection criterion using on current protection of QF2 during three-phase short circuit at kA

表6 點三相短路故障時自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護QF2電流速斷保護(I段)

PV輸出功率/MW短路電流無PV時整定值自適應(yīng)整定值 01.2531.5031.503 11.3161.5031.539 31.4291.5031.602 51.5271.5031.684

結(jié)果顯示，自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于線路AB上保護QF1保護Ⅱ段時，隨著PV輸出功率增大，整定值由1.653 kA減小到1.545 kA，總小于線路末端發(fā)生兩相短路時的故障電流，但靈敏度增大，有效防止了Ⅱ段保護拒動；并且總小于CD線路首端發(fā)生三相短路時的故障電流，說明Ⅱ段整定值沒有越線，符合Ⅱ段的保護范圍要求。

自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于線路BC上QF2保護Ⅰ段時，隨著PV輸出功率增大，整定值由1.503 kA增大到1.684 kA，并一直大于線路CD首端發(fā)生三相短路時的故障電流，有效防止了QF2保護Ⅰ段誤動。

4 結(jié)論

(1) PV系統(tǒng)輸出的故障電流總小于1.2 p.u.且三相對稱，短路電流持續(xù)時間大于0.5 s以上。

(2) 配電網(wǎng)輸電線電流保護所受影響與PV輸出功率相關(guān)，輸出功率很大時，原有保護裝置不再正常工作，整定計算時必須考慮PV系統(tǒng)特有的故障特性。

(3) 本文提出的基于LIBSVM的輸電線電流保護自適應(yīng)策略能夠充分響應(yīng)PV輸出功率和運行方式變化，動態(tài)調(diào)整電流保護整定值，提高保護性能，是一種可以嘗試的保護方案。

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(編輯 周金梅)

Research on adaptive strategy for overcurrent protection based on identifying the equivalent impedance of grid-connected PV system by LIBSVM

MENG Long1, LIU Qinggui2, CHAO Qin1, WANG Yibo1, LI Yuqiang1

(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China;2. State Grid Zigong Power Supply Company, Zigong 643000, China)

To solve the problem refusal/incorrect tripping of overcurrent protection caused by power fluctuations of the distribution grid-connected photovoltaic (PV) system, this paper proposes an adaptive strategy based on the LIBSVM for overcurrent protection. The PV system dynamic model which combines with low voltage ride through (LVRT) control strategy is built on the platform of Matlab/Simulink. It also simulates and analyses the characteristics of the short-circuit and the influence on overcurrent protection with the different fault at different locations during the normal operation of PV power output fluctuations. A method is proposed to identify equivalent impedance of the grid-connected PV system during different output based on support vector machines (SVM), a line current adaptive protection criterion is developed, which dynamically adjusts the setting value under the PV system output power and operating modes. The simulation shows that the adaptive strategy can avoid the problem refusal/incorrect tripping of overcurrent protection and improve protection’s performance. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51367017) and International S&T Cooperation Program of China (ISTCP) (No. 2013DFG61520).

grid-connected PV; LVRT control strategy; characteristics of the short-circuit; influence on overcurrent protection; adaptive protection criterion

10.7667/PSPC152217

國家自然科學(xué)基金資助項目(51367017)；科技部國家國際科技合作專項資助(2013DFG61520)

2015-12-23；

2016-03-20

孟 龍(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為潔凈能源發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: 360819451@qq.com