含逆變型分布式電源的配電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護(hù)

祁言嘉，王寶華

(南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094)

隨著許多新能源通過(guò)逆變型分布式電源的形式接入電網(wǎng)[1]，配電網(wǎng)將由原來(lái)的單電源輻射狀簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫吹膹?fù)雜網(wǎng)絡(luò)；并且由于含逆變型分布式電源(inverter interface distribution generator，IIDG)普遍采用逆變器控制，其短路電流區(qū)別于普通的同步發(fā)電機(jī)，具有很強(qiáng)的非線性[2]。同時(shí)并網(wǎng)規(guī)定要求IIDG在故障時(shí)優(yōu)先輸出無(wú)功功率以支撐系統(tǒng)電壓，這使得含IIDG配電網(wǎng)的故障特性進(jìn)一步復(fù)雜化[3-4]。傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般采用電流保護(hù)作為主保護(hù)，然而受IIDG接入的影響，傳統(tǒng)整定值可能無(wú)法滿足靈敏性與選擇性的要求；同時(shí)固定的保護(hù)定值也難以滿足IIDG多變的工況[5-6]。

針對(duì)IIDG接入配電網(wǎng)引發(fā)的電流保護(hù)整定問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]分析了配電網(wǎng)不同位置短路電流受IIDG接入影響的變化規(guī)律，計(jì)算IIDG的接入容量與接入位置，并依此對(duì)配電網(wǎng)電流保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，但其仍采用固定整定值，僅適用于IIDG容量恒定不變的情況；文獻(xiàn)[8]提出了一種改進(jìn)矩陣算法，原理簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)含分布式電源的復(fù)雜配電網(wǎng)準(zhǔn)確故障定位，但并未探討繼電保護(hù)定值的整定；文獻(xiàn)[9]通過(guò)分析IIDG的控制策略及故障電流輸出特性，基于IEC 61850通信協(xié)議提出了實(shí)時(shí)計(jì)算的自適應(yīng)保護(hù)新原理，能夠在不同的IIDG出力條件下具有固定的保護(hù)范圍，但該方案需要加裝額外的通信設(shè)備，其保護(hù)性能受到通信技術(shù)的制約；文獻(xiàn)[10]提出在IIDG 側(cè)配置延時(shí)距離保護(hù)與電流保護(hù)相結(jié)合作為配電網(wǎng)的保護(hù)配置，解決了IIDG側(cè)因弱饋?zhàn)饔枚軇?dòng)的問(wèn)題，但并未驗(yàn)證IIDG不同輸出功率時(shí)方案的通用性。

考慮到IIDG輸出的非線性與間歇性，且中國(guó)中低壓配電網(wǎng)線路的電流保護(hù)依然大量使用三段式電流保護(hù)的方式，上述文獻(xiàn)均具有局限性，并未提出針對(duì)含IIDG配電網(wǎng)的自適應(yīng)電流保護(hù)方案。

現(xiàn)通過(guò)研究IIDG接入對(duì)配電網(wǎng)短路電流的影響機(jī)理，對(duì)短路電流受IIDG故障前輸出功率影響的變化規(guī)律進(jìn)行分析，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合的自適應(yīng)電流保護(hù)整定方案，并在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 IIDG控制策略

IIDG通過(guò)逆變器并網(wǎng)，通常在解耦控制后采用雙閉環(huán)控制策略[11]，外環(huán)為功率環(huán)，用于控制輸出功率，同時(shí)生成內(nèi)環(huán)參考電流；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，用于給定有功、無(wú)功電流參考值，控制實(shí)際輸出電流。與普通的旋轉(zhuǎn)式電源不同，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，由于IIDG采用雙解耦對(duì)正負(fù)序分量分別進(jìn)行控制，其僅輸出正序電流[12]。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[13-14]，IIDG在配電網(wǎng)故障時(shí)應(yīng)采取低電壓穿越的控制策略，以在一定時(shí)間內(nèi)支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，防止電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)一步惡化，其無(wú)功電流輸出滿足式(1)，即

(1)

式(1)中：UPCC為IIDG并網(wǎng)點(diǎn)處電壓的標(biāo)幺值；IN為IIDG當(dāng)前的額定電流。可以得到IIDG輸出有功、無(wú)功電流的相量圖如圖1所示。

θ為并網(wǎng)點(diǎn)電壓相位；φ為并網(wǎng)點(diǎn)電壓與IIDG輸出電流的夾角；Id為有功電流；為IIDG輸出故障電流

由此可以得到IIDG在低電壓穿越控制策略下的短路電流特性[14]可表示為

(2)

在并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值不低于0.59 pu時(shí)，IIDG輸出的有功電流額定不變，無(wú)功電流隨著并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低而增加；當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值低于0.59 pu時(shí)，IIDG輸出電流達(dá)到限額，隨著并網(wǎng)點(diǎn)電壓繼續(xù)降低，有功電流減小以保證無(wú)功電流輸出，直到并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值低于0.2 pu，無(wú)功電流輸出達(dá)到最大[15]。

2 IIDG接入配電網(wǎng)的短路電流特性

依據(jù)第1節(jié)所述IIDG的控制策略，以圖2所示含IIDG的典型配電網(wǎng)的為例，分析IIDG并網(wǎng)點(diǎn)上游f1點(diǎn)、并網(wǎng)點(diǎn)下游f2點(diǎn)及相鄰饋線f3分別發(fā)生短路故障時(shí)流過(guò)各保護(hù)的短路電流特征。

ZAB、ZBC、ZCD、ZAE為線路AB、BC、CD、AE阻抗；ZS為系統(tǒng)等值阻抗；為IIDG輸出的短路電流；為系統(tǒng)等效電源；為系統(tǒng)提供的短路電流

以f1點(diǎn)故障為例，其故障復(fù)合序網(wǎng)如圖3所示。

ZL1、ZL2為線路末端負(fù)荷等值阻抗；Zf為負(fù)序網(wǎng)絡(luò)等值阻抗;為并網(wǎng)點(diǎn)電壓

通過(guò)戴維南定理，可對(duì)該復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖4所示。

Z1、Z2為在不同的故障條件下對(duì)應(yīng)的阻抗參數(shù)；

同理可對(duì)其他故障情況下的復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如表1所示。

表1 不同故障條件下對(duì)應(yīng)阻抗參數(shù)

該復(fù)合序網(wǎng)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為圖5所示。其中：

圖5 復(fù)合序網(wǎng)進(jìn)一步簡(jiǎn)化圖

Zeq=(Z2+ZAB)//Z1

(3)

(4)

式中：//表示并聯(lián)。

δ為與的夾角；φeq為等效阻抗Zeq的阻抗角；δU為電壓變化橫分量，δU=IdXeq+IqReq；Id、Iq滿足低電壓穿越控制策略

由相量圖可得

(5)

由正弦定理可得

(6)

(7)

考慮到輸電線中電抗一般比電阻大得多，δ可近似表示為

(8)

圖7 并網(wǎng)點(diǎn)電壓與IIDG功率關(guān)系示意圖

并網(wǎng)點(diǎn)電壓隨著IIDG輸出功率的增大先增大再減小，當(dāng)超過(guò)Pk點(diǎn)時(shí)，IIDG無(wú)法通過(guò)輸出無(wú)功電流支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，還會(huì)使并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低。

配電網(wǎng)不同位置發(fā)生不同類型的故障時(shí)，流過(guò)對(duì)應(yīng)保護(hù)的短路電流如表2、表3所示，其中AB段(f1)發(fā)生三相短路時(shí)，流過(guò)保護(hù)1的電流由系統(tǒng)提供，不受IIDG的輸出功率影響。

表2 不同位置三相短路電流

表3 不同位置兩相短路電流

在IIDG輸出功率P不超過(guò)Pk時(shí)，UPCC隨著P的增大而增大，因此故障電流隨著并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的趨勢(shì)與其隨著IIDG輸出功率變化的趨勢(shì)是一致的。即在系統(tǒng)側(cè)電壓及線路阻抗參數(shù)固定時(shí)，發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)流過(guò)保護(hù)1的短路電流隨著IIDG輸出功率P的增大而減小，流過(guò)保護(hù)2、3的故障電流隨著P的增大而增大；發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，各點(diǎn)的故障相電流中至少有一相電流隨P的增大而增大，該相電流為三相電流幅值最大的一相。

3 IIDG接入配電網(wǎng)的電流保護(hù)方案

由第2節(jié)分析可見(jiàn)，IIDG接入的配電網(wǎng)中發(fā)生不同類型的短路，短路電流隨著IIDG輸出功率的變化而發(fā)生不同的變化，為保證配電網(wǎng)電流保護(hù)的選擇性與靈敏性，改進(jìn)的自適應(yīng)保護(hù)也應(yīng)能夠隨著IIDG輸出功率的變化而調(diào)整定值。對(duì)于瞬時(shí)速斷電流保護(hù)，按照實(shí)時(shí)躲過(guò)本線路最大短路電流整定；對(duì)于限時(shí)速斷電流保護(hù)，按與下級(jí)瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的實(shí)時(shí)定值配合整定。提出IIDG接入配電網(wǎng)的自適應(yīng)電流保護(hù)改進(jìn)方案如下。

(2)IIDG上游保護(hù)(如圖2保護(hù)1)，不改變其原有三相短路瞬時(shí)電流速斷保護(hù)整定值，對(duì)兩相短路瞬時(shí)電流速斷保護(hù)及限時(shí)電流速斷重新整定。

(3)IIDG下游保護(hù)(如圖2保護(hù)2)，對(duì)其瞬時(shí)電流速斷保護(hù)及限時(shí)電流速斷保護(hù)重新整定。

(4)IIDG相鄰饋線保護(hù)(如圖2保護(hù)3)，對(duì)其瞬時(shí)電流速斷保護(hù)重新整定，在電網(wǎng)倒數(shù)第二級(jí)上一般不考慮配置限時(shí)電流速斷保護(hù)。

(5)IIDG接入的配電網(wǎng)中，定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)仍按照躲開(kāi)最大負(fù)荷電流的原則整定，不受配電網(wǎng)短路電流水平影響，不進(jìn)行討論。

4 故障仿真算例

在MATLAB/Simulink中搭建圖2所示配電網(wǎng)模型，其中系統(tǒng)電源電壓ES=10.5 kV，內(nèi)阻ZS=5.21 Ω；IIDG采用第一節(jié)所述低電壓穿越控制策略，最大功率為20 MW；架空線路阻抗參數(shù)為zl=(0.17+j0.41)Ω/km，線路AB、CD長(zhǎng)2 km，BC、AE長(zhǎng)5 km；配電網(wǎng)末端負(fù)荷1為(5+j0.5)MVA，負(fù)荷2為(1+j0.5)MVA。在對(duì)稱故障與不對(duì)稱故障兩種情況下，對(duì)第3節(jié)所提出的IIDG接入配電網(wǎng)電流保護(hù)整定方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.1 三相短路

以BC段末端f2點(diǎn)三相短路為例，IIDG的容量以0.5 MW為間隔由0變化至20 MW，共計(jì)41種工況，得到并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化趨勢(shì)與流過(guò)保護(hù)1、2的短路電流如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9中可以看出，f2點(diǎn)發(fā)生三相短路時(shí)，BC支路流過(guò)的短路電流隨著輸出功率P的增大而增大；而AB支路流過(guò)的短路電流隨著輸出功率P的增大而減小。短路電流與IIDG輸出功率的關(guān)系和第2節(jié)所得結(jié)論一致。

圖8 f2點(diǎn)三相短路時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓

圖9 f2點(diǎn)三相短路時(shí)流過(guò)保護(hù)1、2的短路電流

為獲得IIDG輸出功率與支路故障電流的關(guān)系，對(duì)得到的41種工況下的故障數(shù)據(jù)采用不同方法進(jìn)行曲線擬合。分別選擇傅里葉函數(shù)、冪函數(shù)、二階高斯方程及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)樣本的函數(shù)關(guān)系擬合。

得到擬合結(jié)果如表4所示。

表4 f2點(diǎn)三相短路時(shí)各支路短路電流擬合結(jié)果

可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合結(jié)果最精確，誤差最小。同理可擬合其余故障點(diǎn)三相故障時(shí)IIDG輸出功率與短路電流的關(guān)系，并依此實(shí)現(xiàn)保護(hù)1、2、3的自適應(yīng)電流保護(hù)整定。

IIDG功率分別在0、2、4、8 MW時(shí)，得到的保護(hù)1、2的電流Ⅰ段和Ⅱ段保護(hù)及保護(hù)3的電流Ⅰ段保護(hù)的自適應(yīng)整定值如表5所示。IIDG并網(wǎng)點(diǎn)下游BC段不同位置發(fā)生三相短路時(shí)，流過(guò)AB與BC支路的故障電流大小及相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作如表6所示。

表5 三相短路自適應(yīng)電流保護(hù)整定值

表6 BC段三相短路仿真驗(yàn)證

可以看出，BC段發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)2的自適應(yīng)瞬時(shí)電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護(hù)范圍為線路全長(zhǎng)的60%～80%；自適應(yīng)限時(shí)電流速斷定值能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)；上下級(jí)保護(hù)之間能夠互相配合，不會(huì)失去選擇性。

IIDG并網(wǎng)點(diǎn)相鄰饋線AE段不同位置發(fā)生三相短路時(shí)，流過(guò)AE支路的故障電流大小及相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作如表7所示。

表7 AE段三相短路仿真驗(yàn)證

AE段發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3的自適應(yīng)瞬時(shí)電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護(hù)范圍為線路全長(zhǎng)的60%～80%；在電網(wǎng)倒數(shù)第二級(jí)上一般不配置限時(shí)電流速斷保護(hù)，依靠定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)線路全長(zhǎng)。

4.2 兩相短路

以BC段末端f2點(diǎn)發(fā)生bc兩相短路為例，IIDG的容量以0.5 MW為間隔由0變化至20 MW，共計(jì)41種工況，得到并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化趨勢(shì)與流經(jīng)保護(hù)1、2的短路電流如圖10、圖11所示。

圖10 f2點(diǎn)兩相短路時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓

圖11 f2點(diǎn)兩相短路時(shí)流過(guò)保護(hù)1、2的短路電流

可以看出f2點(diǎn)發(fā)生bc兩相短路時(shí)，BC支路B、C相故障電流均隨著輸出功率P的增大而增大；AB支路B相故障電流隨著輸出功率P的增大而減小，C相故障電流隨著輸出功率P的增大而增大，體現(xiàn)的短路電流與IIDG輸出功率的關(guān)系和第2節(jié)所得結(jié)論一致。

同樣采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)曲線擬合實(shí)現(xiàn)各處自適應(yīng)電流保護(hù)整定。IIDG功率分別在0、2、4、8 MW時(shí)，得到的保護(hù)1、2、3自適應(yīng)整定值如表8所示。IIDG并網(wǎng)點(diǎn)下游BC段不同位置發(fā)生兩相短路時(shí)，流過(guò)AB與BC支路的故障電流大小及相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作如表9所示,各支路最大短路電流幅值的一相加粗表示。

表8 兩相短路自適應(yīng)電流保護(hù)整定值

表9 BC段兩相短路仿真驗(yàn)證

可以看出，BC段發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)2的自適應(yīng)瞬時(shí)電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護(hù)范圍約為線路全長(zhǎng)的80%；自適應(yīng)限時(shí)電流速斷定值能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)；上下級(jí)保護(hù)之間能夠互相配合，不會(huì)失去選擇性。

IIDG并網(wǎng)點(diǎn)上游AB段不同位置發(fā)生兩相短路時(shí)，流過(guò)AB支路的故障電流大小及相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作如表10所示。

表10 AB段兩相短路仿真驗(yàn)證

AB段發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)1的自適應(yīng)瞬時(shí)電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護(hù)范圍約為線路全長(zhǎng)的40%；自適應(yīng)限時(shí)電流速斷定值能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)。

IIDG并網(wǎng)點(diǎn)相鄰饋線AE段不同位置發(fā)生兩相短路時(shí)，流過(guò)AE支路的故障電流大小及相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作如表11所示。

表11 AE段兩相短路仿真驗(yàn)證

AE段發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)3的自適應(yīng)瞬時(shí)電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護(hù)范圍為線路全長(zhǎng)的60%～80%；在電網(wǎng)倒數(shù)第二級(jí)上一般不配置限時(shí)電流速斷保護(hù)，依靠定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)線路全長(zhǎng)。

4.3 靈敏度校核

當(dāng)按照傳統(tǒng)電流保護(hù)整定原則進(jìn)行整定時(shí)，保護(hù)1、2、3的整定值如表12所示。

表12 各處保護(hù)傳統(tǒng)整定值

采用傳統(tǒng)整定方式時(shí)，對(duì)于各保護(hù)所在支路，其首端最小短路電流在IIDG功率P=0時(shí)取得：IAB.min=2 145 A，IBC.min=1 829 A，IAE.min=1 979 A，各保護(hù)過(guò)流Ⅰ段整定值均大于首端最小短路電流。顯然，由于IIDG接入的影響，過(guò)流Ⅰ段采用傳統(tǒng)整定值時(shí)將失去保護(hù)范圍；而根據(jù)上文的分析，采用自適應(yīng)保護(hù)后過(guò)流Ⅰ段在IIDG不同出力的情況下。均能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)的60%～80%。

過(guò)流Ⅱ段按本線路末端最小短路電流進(jìn)行靈敏度校核，采用傳統(tǒng)整定方式時(shí)，AB線路末端最小短路電流在P=10 MW時(shí)取得：IAB.min=1 623 A；BC線路末端的最小短路電流則在P=0時(shí)取得：IBC.min=1 335 A。

傳統(tǒng)整定值與自適應(yīng)保護(hù)定值的靈敏度校核Ksen對(duì)比如表13所示?？梢钥闯?，由于IIDG接入的影響，過(guò)流Ⅱ段采用傳統(tǒng)整定值時(shí)將無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng)；而采用自適應(yīng)保護(hù)后過(guò)流Ⅱ段能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)，且具有較高的靈敏度。

表13 過(guò)流Ⅱ段靈敏度校核對(duì)比

5 結(jié)論

分析了低電壓穿越控制策略下，IIDG接入后配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障線路短路電流隨IIDG輸出功率的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)對(duì)稱故障時(shí)流過(guò)上游保護(hù)的短路電流隨著IIDG輸出功率的增大而減小，流過(guò)下游及相鄰饋線保護(hù)的故障電流隨著功率的增大而增大。

(2)不對(duì)稱故障時(shí)，各點(diǎn)的故障相電流中至少有一相電流隨IIDG輸出功率的增大而增大，該相電流為三相電流幅值最大的一相。

基于上述結(jié)論，指出了傳統(tǒng)電流保護(hù)可能發(fā)生誤動(dòng)作的原因，提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)曲線擬合的自適應(yīng)電流保護(hù)方案。該方案基于三段式電流保護(hù)，不需要增加額外的保護(hù)或通信設(shè)備，經(jīng)仿真驗(yàn)證，在配電網(wǎng)不同故障情況下均能正確動(dòng)作，尤其是能夠適應(yīng)IIDG多變的工況，靈敏性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電流保護(hù)，改善了含IIDG配電網(wǎng)的保護(hù)性能。