分布式微電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)接地故障自愈算法?

孫為兵 吳志堅(jiān) 張豐豐 李培培 賀 琰

（國(guó)網(wǎng)揚(yáng)州供電公司 揚(yáng)州 225009）

1 引言

微電網(wǎng)（MG）設(shè)計(jì)具有連接分布式發(fā)電（DG）的功能，如光伏，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，燃料電池和水電站等［1～3］。其中，電池和超級(jí)電容器也可用作能量存儲(chǔ)［4～5］。這些類型的電源和儲(chǔ)能裝置可以產(chǎn)生具有不同幅度和頻率的直流電壓或交流電壓，并且通過(guò)轉(zhuǎn)換器連接到智能電網(wǎng)應(yīng)用接口［6］。近年來(lái)，對(duì)于MG 的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注［7～9］，并將電能分銷系統(tǒng)帶入了一個(gè)全新的時(shí)代。功率潮流對(duì)于故障分析來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常重要的技術(shù)工具［10］，它可用于分布式微電網(wǎng)管理（MGDN）的運(yùn)營(yíng)和規(guī)劃。在MG 中，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活且連接具有動(dòng)態(tài)性［11］，因此，接地故障電流（GFC）可能會(huì)不斷發(fā)生改變。此外，故障自愈是智能電網(wǎng)研究的主要方向，分布式微電網(wǎng)（MGD）的繼電器在識(shí)別和定位故障后自動(dòng)進(jìn)行配電網(wǎng)重構(gòu)時(shí)，也應(yīng)具備自動(dòng)協(xié)調(diào)和設(shè)置能力。

面向操作領(lǐng)域的實(shí)時(shí)故障分析應(yīng)用程序可使得MGDN 系統(tǒng)具有混合補(bǔ)償和自主驅(qū)動(dòng)。這些研究的結(jié)果可用于執(zhí)行MGD 在故障自愈時(shí)的分布式微電網(wǎng)管理自適應(yīng)中繼調(diào)整和設(shè)置，這將是未來(lái)智能電網(wǎng)應(yīng)用的趨勢(shì)。另外，可靠和快速的故障分類技術(shù)也需要有效的GFC 分析方法。正確地判斷故障信息不僅需要利用故障定位算法，還需要繼電器的合適操作和正確識(shí)別故障類型。對(duì)于分布式微電網(wǎng)傳輸線路進(jìn)行有限的故障電路分析而言，Z-矩陣判斷［12］是最有效的解決方法，其中故障電路分析可通過(guò)使用具有零序，正序和負(fù)序列的網(wǎng)絡(luò)來(lái)執(zhí)行。與被監(jiān)控的序列線路相關(guān)的Z-矩陣元素通常與預(yù)應(yīng)急負(fù)載潮流結(jié)合使用，以控制切換操作后MG的電流變化。

本研究基于實(shí)際MGD 和故障邊界條件，設(shè)計(jì)了一種新的自調(diào)節(jié)接地故障分析自愈算法。利用電網(wǎng)拓?fù)涮匦詷?gòu)建了三種接地故障電流（GFC）分析模式，通過(guò)等效驅(qū)動(dòng)點(diǎn)（EDP）分析分布式微電網(wǎng)的阻抗和電壓，從而可以有效地進(jìn)行故障電流分析及自愈調(diào)節(jié)。

2 EDP矩陣建立

通過(guò)等效驅(qū)動(dòng)點(diǎn)（EDP）方法［13］建立具有分支電流注入總線的MG 模型，如圖1 所示。其中，VEDP，i和ZEDP，i是連接總線i 的等效驅(qū)動(dòng)點(diǎn)電壓和阻抗。

圖1 利用EDP的MGD總線模型

在MG 中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，DG 的連接具有動(dòng)態(tài)性。因此，所提出的方法可以被整合到MG中：

其中，V 是MGD 的電壓矩陣，I 是總線注入電流矩陣，ZMGD是阻抗矩陣。MGD 潮流的解決方案可以通過(guò)直接使用帶電阻的ZEDP矩陣迭代求解來(lái)獲得：

其中，V0是空載電壓或所參考總線的電壓。

MG 由大量分布式發(fā)電機(jī)（DG）組成，其可包括微型渦輪發(fā)電機(jī)（MTG）、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）、光伏發(fā)電、柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和燃料電池等［14-15］。本研究開發(fā)了的分布式微電網(wǎng)利用靜態(tài)開關(guān)（SS）控制DG 之間連接到智能電網(wǎng)的500KVA 變壓器中。電網(wǎng)連接和獨(dú)立運(yùn)行配置由SS 控制。在獨(dú)立運(yùn)行的情況下，獨(dú)立DG 電源組成的MG用作電壓頻率控制。

對(duì)于帶有DG 接入總線的MG 由動(dòng)態(tài)阻抗YD-G1的內(nèi)部可變電流源iDG建模，如圖2所示。

圖2 DG連接到MG中的總線的模型

3 自調(diào)節(jié)接地故障電流分析

針對(duì)MGD 的接地故障電流（GFC）分析，可以基于邊界條件和迭代過(guò)程采用混合補(bǔ)償方法來(lái)解決。對(duì)于各種故障，需要獲得適當(dāng)?shù)墓收线吔鐥l件［16］，并且使用ZEDP矩陣計(jì)算它們對(duì)分支電流和總線電壓的影響。

3.1 單線接地故障

當(dāng)帶有阻抗Zf的單線接地（SLG）故障發(fā)生在總線i 的單相上時(shí)，SLG的故障電流可以描述為

其中，故障前的潮流解決方案Vi，a(（k）i，f。用迭代初始條件?Va(k)i,f。YaEDPf，i用1×1 矩陣[ZEDP]-1表示故障發(fā)生瞬間的位置。

3.2 雙線接地故障

類似地，對(duì)于帶有阻抗Zf的雙線接地（DLG）故障發(fā)生在總線i 的a 和b 雙相上時(shí)，DLG 的故障電流可以表示為

故障前的負(fù)載電流和電壓用于解決上述電壓不匹配的初始條件，并且YEaDbPf，i用2×2 矩陣[ZEDP]-1表示故障發(fā)生瞬間的位置。

3.3 三線接地故障

類似于前面敘述，對(duì)于帶有阻抗Zf的三線接地（TLG）故障發(fā)生在總線i 的所有相上時(shí)，故障點(diǎn)處TLGF的邊界條件和迭代過(guò)程使得故障電流必須滿足：

其中，YEaDbcPf，i用3×3矩陣[ZEDP]-1表示故障發(fā)生瞬間的位置。

多數(shù)配電系統(tǒng)具有放射狀結(jié)構(gòu)，由于分布式發(fā)電機(jī)的集成性和微電網(wǎng)連接的可利用性，未來(lái)的電力分配系統(tǒng)將變成弱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)MGD 電力系統(tǒng)處于弱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，所提出的方法可用于獲得接地故障分析的解決方案。

4 仿真分析

圖3 給出了IEEE-7 的分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)，它由智能電網(wǎng)、靜態(tài)開關(guān)（SS）、渦輪發(fā)電機(jī)（MTG）、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）、高濃度光伏電池（HCPV）、負(fù)載（L1和L2）、部分三相線路和總線組成。

圖3 IEEE-7的MGD系統(tǒng)

如圖3 所示，對(duì)總線系統(tǒng)的三個(gè)階段線段接地故障進(jìn)行大量的試驗(yàn)。對(duì)于總線4和總線6給出了各種DG建模方案。GFC仿真在并網(wǎng)模式下進(jìn)行測(cè)試，其中每個(gè)繼電器的GFC通過(guò)所提出的迭代過(guò)程和邊界條件來(lái)計(jì)算，如圖4 所示。獲得ZEDP和Zf后可計(jì)算出GFC。測(cè)試結(jié)果表明，該方法系統(tǒng)、高效、準(zhǔn)確。

圖4 每個(gè)繼電器的GFC故障自愈

當(dāng)圖3所示的MGD系統(tǒng)接入IEEE-30系統(tǒng)時(shí)，總線2 上發(fā)生接地故障分析收斂性測(cè)試如圖5 所示?？梢钥闯?，所提出的算法僅在前幾次迭代中快速收斂，這是由于雅可比矩陣的病態(tài)問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致潮流程序發(fā)散，這種現(xiàn)象通常發(fā)生在系統(tǒng)包含一些非常短的線路或接地故障時(shí)。

圖5 接地故障分析的收斂性試驗(yàn)

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)分布式微電網(wǎng)自調(diào)節(jié)接地故障問(wèn)題，提出了基于三階段模型的混合補(bǔ)償自愈平衡算法。該算法的輸入數(shù)據(jù)可利用智能儀表的簡(jiǎn)單總線EDP數(shù)據(jù)。結(jié)合微電網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決接地故障自愈保護(hù)。