含分布式電源的電網(wǎng)故障分析方法與保護(hù)原理研究.pdf

1、近年來，在滿足不斷增長的電力需求的同時(shí)，為了應(yīng)對(duì)化石能源逐漸衰竭和環(huán)境保護(hù)等多重壓力，以風(fēng)力發(fā)電和光伏太陽能發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)在我國得到了大力發(fā)展，并已成為我國能源領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略之一。
　　分布式電源的發(fā)電模式及并網(wǎng)方式多樣，其饋入電網(wǎng)的故障電流的暫態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性都與傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機(jī)相比均存在較大差異。此外，分布式電源的出力受自然環(huán)境和氣候等因素的影響較大，具有明顯的隨機(jī)性、間歇性的特征。分布式電源復(fù)雜的故障電流特

2、性和多變的運(yùn)行方式導(dǎo)致傳統(tǒng)繼電保護(hù)性能劣化，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，這也使得傳統(tǒng)的以交流同步電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的短路電流分析理論和方法難以滿足分布式電源接入后電網(wǎng)故障分析的要求，給以故障特征為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)原理研究帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這已成為制約分布式發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的重要技術(shù)瓶頸，存在大量的理論和技術(shù)問題亟待解決。本文在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“應(yīng)對(duì)分布式電源規(guī)?；尤氲闹悄芘潆娋W(wǎng)保護(hù)構(gòu)建模式與原理研究”（511770

3、58）資助下，圍繞不同類型分布式電源的故障電流特性、含分布式電源的電網(wǎng)故障分析方法以及適應(yīng)分布式電源接入的電網(wǎng)保護(hù)原理改進(jìn)方案等開展了深入的研究工作。
　　繼電保護(hù)的基本任務(wù)是根據(jù)電網(wǎng)故障后電氣量（或非電氣量）的變化特征，鑒別和隔離故障設(shè)備或元件，因此，電網(wǎng)故障特性分析是繼電保護(hù)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)內(nèi)容。根據(jù)各類分布式電源在電網(wǎng)故障時(shí)呈現(xiàn)出的外部故障特性，本文將分布式電源劃分為異步型電源（交流直接接口的異步交流電源，如雙饋風(fēng)機(jī)電源）和逆

4、變型電源（采用逆變器接口的電源，如太陽能光伏電源）等兩種基本形式，并對(duì)這兩種類型分布式電源的故障電流特性開展了系統(tǒng)的理論研究和仿真分析工作。
　　對(duì)于雙饋風(fēng)電機(jī)組（異步型電源），在近區(qū)嚴(yán)重故障（雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓跌落較為嚴(yán)重）的情況下，為了保證風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全，撬棒保護(hù)將會(huì)動(dòng)作，并通過電阻短接轉(zhuǎn)子繞組以旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。在遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障（雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓跌落相對(duì)較小）情況下，撬棒保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組仍由變頻

5、器進(jìn)行勵(lì)磁。這兩種情況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性和饋出的短路電流特性大不相同，因此，論文分別針對(duì)近區(qū)嚴(yán)重故障和遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障開展了雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障特性研究。
　　對(duì)于近區(qū)嚴(yán)重故障（撬棒保護(hù)動(dòng)作），論文提出了一種基于定子繞組磁鏈簡化計(jì)算模型的故障電流特性分析方法。該方法建立了兩相靜止坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，以適應(yīng)對(duì)稱及不對(duì)稱電網(wǎng)故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性研究的要求。根據(jù)所建立的分析模型，對(duì)撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下定子繞組

6、磁鏈動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究，提出了一種兼顧精確性和簡易性的定子繞組磁鏈的簡化計(jì)算模型。以此為基礎(chǔ)，通過理論分析和數(shù)字仿真研究了對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性，得到了其解析表達(dá)式，并建立了故障電流的等效計(jì)算模型。
　　對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障（撬棒保護(hù)不動(dòng)作），鑒于故障期間變頻器的勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性將對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性造成很大的影響，本文提出了一種計(jì)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性影響的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性分析方法。在研究雙饋風(fēng)電機(jī)組

7、的穩(wěn)態(tài)控制策略和常用的低電壓穿越運(yùn)行控制策略的基礎(chǔ)上，分別對(duì)典型Ⅰ型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)非嚴(yán)重故障期間雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子和定子故障電流特性進(jìn)行了理論和仿真研究，得到了相應(yīng)的解析表達(dá)式。
　　在各類分布式電源中，大多數(shù)類型的分布式電源需通過逆變器接入電網(wǎng)，這類逆變型分布式電源的故障電流特性與其在電網(wǎng)故障期間所采用的低電壓穿越運(yùn)行控制策略密切相關(guān)。針對(duì)此，論文提出了一種能夠滿足并網(wǎng)規(guī)

8、程要求的低電壓穿越運(yùn)行控制策略，建立了逆變型分布式電源故障電流特性分析模型，給出了短路電流的解析表達(dá)式。在上述理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)電網(wǎng)對(duì)稱和不對(duì)稱故障期間逆變器控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及短路電流特性進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了理論分析的正確性。
　　分布式電源的特殊故障電流特性導(dǎo)致傳統(tǒng)電網(wǎng)故障分析方法不能適用于含分布式電源的電網(wǎng)。為了滿足含分布式電源的電網(wǎng)故障分析的要求，為電網(wǎng)故障特性、繼電保護(hù)配置模式和實(shí)現(xiàn)原理等研究奠定理論基礎(chǔ)，亟需提

9、出一種含分布式電源的電網(wǎng)故障分析方法。針對(duì)此，本文首先對(duì)傳統(tǒng)的以交流同步電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的電網(wǎng)故障分析方法進(jìn)行了研究；然后，以含逆變型分布式電源的電網(wǎng)為例，分析了傳統(tǒng)電網(wǎng)故障分析方法存在的主要問題。在此基礎(chǔ)上，提出了一種含逆變型分布式電源的電網(wǎng)故障分析新方法。仿真研究證明了所提出的故障分析新方法的有效性和正確性。
　　雙饋風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜的故障電流特性和不斷波動(dòng)的功率輸出使得應(yīng)用在雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上的傳統(tǒng)繼電保護(hù)原理的性能嚴(yán)重劣化，

10、難以滿足實(shí)際電網(wǎng)安全運(yùn)行要求。針對(duì)這個(gè)問題，論文提出了一種新型距離保護(hù)方案。該保護(hù)方案以輸電線路微分方程為基礎(chǔ)，其性能不受雙饋風(fēng)電機(jī)組撬棒保護(hù)動(dòng)作行為和故障電流中衰減交流分量的影響。同時(shí)，采用二階巴特沃斯低通濾波器對(duì)測量電壓和電流進(jìn)行處理，可有效降低高頻暫態(tài)分量對(duì)距離保護(hù)性能的影響；并通過故障點(diǎn)電壓重構(gòu)和故障距離迭代計(jì)算，提高了故障距離計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。仿真研究表明，新型距離保護(hù)方案整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護(hù)方案：能正確識(shí)別區(qū)