（电力系统及其自动化专业论文）微型电网的过电流保护问题及其对策.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 随着电力系统规模的不断扩大，负荷的不断增长和用户多样化需求的提高，当 前电力系统的弊端日益凸显，在全球能源短缺和环境污染日益加剧的形势下，微型 电网作为未来一种高效、环保、可靠性高的供电方式，对电能质量和供电安全的提 高、电网稳定经济运行以及节能环保起到促进的作用，受到全世界电力和能源专家 的高度关注。本文在掌握微型电网的研究背景上开展了对微型电网过电流保护的问 题及对策研究。 首先介绍了微型电网的定义以及美国电力可靠性技术解决方案协会（the consortium for electric reliability technology solutions, certs）提出的微型电网结 构，对微型电网中的分布式电源（distributed generation, dg）的种类和特点以及微 型电网的继电保护研究现状进行了详细的阐述。 其次分析和总结了 dg 对微型电网保护的影响因素，重点分析了 dg 的容量和 位置对微型电网短路电流大小、过电流保护协调和自动重合闸的影响。 最后针对微型电网含有多 dg，保护整定计算复杂，通过电流保护整定值之间的 配合难以实现故障隔离，而过电流保护时限的配合较长的特点，提出了一种快速动 作的保护方案。在微型电网配置传统的过电流保护基础上，引入无通道保护理论， 当线路发生不对故障时，故障线路一端断路器先跳闸，另一端断路器根据对端断路 器动作后健全相电流的突变量来判断故障区域，从而加速动作，以此实现动作快速 性要求。基于 pscad/emtdc 软件平台，根据 certs 提出的微型电网基本结构搭 建了微型电网模型，为该微型电网进行了过电流保护和无通道保护配置，并对所提 保护配置的有效性进行了仿真验证。 关键词：关键词： 微型电网 分布式电源 过电流保护 保护协调 无通道保护 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract with the development of the power system, both the load and the diverse demands of users are increasing, the present power system increasingly shows its disadvantages. in the case of the global energy shortage and the growing environment pollution, the microgrid, as one of the efficient, environmental protective, more reliable power supplies, can improves the power quality, safety of the power supply, power system stability, as well as energy saving and environmental protection. on the basis of the research background of the microgrid at home and abroad, the protection technology of the microgrid is studied in this dissertation. first of all, the concept and the characteristics of the microgrid are introduced as well as the microgrid structure proposed by the consortium for electric reliability technology solutions(certs). and then, the types and characteristics of the distributed generation (dg) and the research background of the protection of the microgrid are described in detail. secondly, the influences of the capacity and place of the dg on the short current, protection coordination and re-closure are analyzed. as the microgrid includes many dgs and is very vulnerable, the relay coordination computation is relatively complicated and the time interval of protection coordination is long. the non-communication protection can be utilized to estimate the fault zone according to the superimposed phase current of the sound phase after the tripping of the breaker of the other end of the faulty line. in this case, the tripping speed of the breaker of the local end of the faulty line is advanced. therefore, the non-communication protection is introduced into the protection configuration of the microgid based on the traditional over-current protection in this dissertation. the certs based microgrid is modeled based on the pscad/emtdc software and the effectiveness of the proposed protection method is validated by means of simulation tests. keywords: microgrid, distributed generation, over-current protection, protection coordination, non-communication protection 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统供电方式是目前电能生产、输 送和分配的主要方式。但是这种大规模电力系统存在一些弊端，主要表现在：不能 灵活跟踪负荷的变化，局部事故极易扩散，导致大面积停电，运行难度大，难以适 应越来越高的安全和可靠性要求以及用户多样化的需求1。近年来，世界范围内发生 几次大规模停电事故，如 2003 年“8.14”美加停电事故、2005 年 “9.12” 美国洛杉矶 大面积停电事故等，2008 年初我国南方大面积地区由于冰冻灾害而导致供电长时间 中断。这些大停电事故给人们生活带来了极大地影响，给国民经济造成了巨大地损 失，也充分暴露了大规模电力系统的的脆弱性及其弊端。目前，大电网与分布式发 电相结合被公认为是能够节省能源、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主 要方式2。分布式发电的电源是一些新型能源，主要包括太阳能、风能、生物质能、 燃料电池等，统称为分布式电源（distributed generation，dg） 。 分布式发电技术主要是指以新能源和可再生能源等清洁能源为主的小型的发电 装置，为满足重要负荷的供电，建立在负荷附近的发电方式。与传统发电技术相比， 分布式发电具有以下优势3：分布式发电的电源主要是清洁可再生能源，可大量减少 碳化物的排放，更加环保；分布式发电一般安装在负荷用户，通过将电能和热能的 利用相结合来提高能量的利用率；分布式电源安装地点灵活分散，适应了分散电力 的需求和资源分布；分布式发电有效改善大电网的供电可靠性且提高供电质量。但 是分布式发电本身也存在诸多问题，例如，分布式电源单机接入成本高，某些分布 式电源（如风力发电等）的功率输出具有随机性等。为了协调大电网与分布式发电 之间的矛盾，充分发掘分布式能源为电网和用户所带来的价值和效益，进一步提高 电力系统运行的灵活性、 可靠性和经济性以及更好地满足电力用户对电能质量和供 电可靠性的要求，国内外很多专家学者提出了微型电网（microgrid）的概念4-8，并 且迅速得到广泛关注。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 微型电网微型电网概述概述 1.2.1 微型电网的定义及其结构微型电网的定义及其结构 美国可靠性技术解决方案协会(the consortium for electric reliability technology solutions，certs)给出了较为完整的微型电网定义9：微型电网是由微电源和负荷 共同组成的独立系统，可同时提供电能和热能；大多数的微电源都是由电力电子变 换器进行能量的转换，为系统提供必要的灵活性来保证微型电网作为一个整体运行； 其控制的灵活性允许该微型电网相对于大电网而言为独立的受控单元，并可同时满 足本地用户对电能质量和供电安全等方面的要求。 cert 提出的微型电网基本结构如图 1-1 所示，该系统为一辐射状结构，有三条 馈线 a、b 和 c 以及一系列负荷，配备了能量管理器，包括电压控制器和潮流控制 器，实现对整个微型电网的综合控制和优化。当出现功率缺额时，潮流控制器通过 控制来增加或者减少本地 dg 的输出功率来达到功率平衡。微型电网与大电网之间 通过一个公共耦合点（point of common coupling, pcc）进行能量交换，可实现并网 和孤岛运行模式下的平滑切换。馈线 a、b 连接有重要负荷或可调节负荷，通过隔 离开关（separate device，sd）与大电网相连，由 dg 和大电网同时供电，这里的 dg 主要为光伏电池、燃料电池和微型燃气轮机10-11等，连接非重要负荷的馈线 c 直接与大电网相连，直接由大电网供电。当大电网的供电质量出现诸如电压跌落等 问题时，隔离开关（sd）将跳开，线路 a 和线路 b 形成独立运行的系统，直到大 电网恢复到正常状态。dg（微型燃汽轮机、光伏发电、风力发电等）通过电力电子 接口与电网相连，此时，微型电网相对于大电网来说，可被视为电网中的一个可控 单元，它可以在很短的时间内（数秒内）动作以满足外部输配电网络的需求；对用 户来说，微型电网可以满足他们特定的需求，如增加本地供电可靠性、降低馈线损 耗、 保持本地电压稳定、 利用余热提高能量利用的效率及提供不间断电源等。 certs 微型电网是一个分散的即插即用系统(plug-and-play system)， 整个系统的灵活性很好， 发电机组可以安置在能够使能量得到充分利用的地方，进而提高了能量的利用率。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 微型电网有并网运行和独立运行两种运行方式。微型电网可通过同步发电机、 异步发电机或者电力电子器件接入电网并网运行，形成一个大型电网与微型电网并 联运行联合供电的统一系统。微型电网与大电网相结合带来了很多优点：dg 的多样 性，大力提高了供电可靠性；利用现代电力技术可充分发挥各种 dg 的能力，使各 dg 得到充分利用，在负荷高峰时期，为大电网承担峰荷，起到削峰填谷的作用，缓 解大电网在峰荷时的压力；微型电网中的 dg 多为清洁能源，可减少环境污染；微 型电网内的用户既可以由大型电网获取大量廉价电能，同时也可以在自己的发电能 力有富余时，向大型电网回馈电能12-13。 馈线c 馈线b 馈线a 能量管理 pcc sd 断路器 断路器 断路器 断路器 负荷 负荷负荷负荷 负荷负荷 负荷 负荷 负荷 热负荷 热负荷热负荷 热负荷 电网电网 图 1-1 微型电网基本结构 微型电网技术作为未来的一种实现现代电力系统可靠、高效、经济运行并能实 现环保目标的可行途径，其核心技术综合了新型动力机械和新型发电技术、可再生 能源发电技术和储能技术。这种新型电网技术的实现不仅对电力行业的发展具有十 分重要的意义，也向电工制造行业提出了新的挑战。可以预见，微型电网将在未来 电力系统中发挥越来越重要的作用，具有巨大的发展空间。 1.2.2 dg 的种类及其特点的种类及其特点 微型电网中的 dg 按所使用的技术可分为光伏电池、风力发电、燃料电池、微 型燃气轮机等。下面对这几种 dg 进行简单的介绍。 （1） 光伏发电10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 太阳能光伏发电技术利用半导体材料的光电效应直接将太阳能转化为电能，不 需要热力发动机。太阳能光伏电池的输出功率有一个最大值，由于不同太阳照度下， 最大功率运行点的电压基本上相同，可通过电子控制器实时的调节其运行电压等于 最大功率点的电压来跟踪其最大功率点，使其运行在这一最大功率点，从而实现不 论外界环境如何变化，太阳能输出功率达到最大。光伏发电系统的优点是不消耗燃 料、不受地域限制、规模灵活、无污染、安全可靠、维护简单；既可以并网运行也 可以单独运行。光伏电池的输出功率受日照温度、电池结温、太阳入射角等影响， 不能调度，而且系统的电压和频率对其基本上没影响。 （2） 风力发电10 风力发电的运行方式主要有两类：一类是独立运行供电系统，即在电网未达到 的偏远地区，用小型风电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换成交流电向终端电 器供电，单机容量一般为 100w10kw，可解决规模小的社区用电问题。另一类是作 为常规电网的电源，与电网并联运行，联网风力发电是大规模利用风能的最经济方 式，机组单机容量范围在 2002500kw 之间，既可以单独并网，也可以有多台组成 风力发电场。风电场的主设备是风力发电机组，发电机经变压器升压与电力系统相 连。 风电技术在新能源领域发展很快，其突出优点是环保可再生，全球可行、成本 较低。不足之处在于：能量较分散，地域性强，受气候影响大；安装、维护有一定 难度；风速随时变化，风电的不稳定性会给电网带来一定的影响。 （3） 燃料电池10 燃料电池是一种不经燃烧直接将燃料的化学能转成电能和热能的电化学装置。 燃料电池不需要充电，只要对其不断地提供燃料和氧化剂就能连续地发出电能。与 传统分布式发电相比有以下优点：副产品是水，氧化氮的排量非常低，基本上有害 废物为零排放，燃料电池能量转换效率非常高，可达 50%60%，输出功率平稳可靠， 适应负荷变化的能力强。 （4） 储能系统10 光伏发电和风力发电的输出功率随着环境和气象条件的变化而间歇性变化，光 伏发电系统和燃料电池系没有旋转动能，独立运行时不能保证系统频率的动态稳定， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 为保证对负荷的连续性供电和保持系统频率的动态稳定，电能储存系统是微型电网 中不可缺少的一部分。储能装置的主要作用有：负荷调节与跟踪；其有功无功的迅 速变化可有效对系统的功率和频率振荡起到阻尼作用，保持系统稳定；增加系统的 总容量，提高发电设备的有效利用率；可为孤岛运行的微型电网提供黑启动所需要 的能量。适合于微型电网中的储能系统有蓄电池、超导储能、超级电容器储能和飞 轮储能等。蓄电池是一种将化学能转化为电能的装置；超导储能技术的原理是将电 能储存在线圈的磁场中。飞轮储能系统依靠旋转的转子惯性存储动能，再进行动能 和电能的转换。 1.2.3 微型电网微型电网的研究和发展现状的研究和发展现状 微型电网的出现将从根本上改变传统的应对负荷增长的方式，其在降低能耗、 减少污染、提高供电可靠性和灵活性等方面具有巨大潜力。近年来，世界上很多国 家都参与到微型电网的研究和开发中，建立了很多微型电网示范工程和测试平台， 目前，关于微型电网的理论和实验研究已经取得了一定成果，主要包括对微型电网 概念的阐述14-19、微型电网和 dg 的建模20-23、规划24-25、dg 接入微型电网、微型 电网的规划及可靠性评估26、微型电网运行对内外电网电能质量的影响27-28等。 微型电网的发展在我国尚处在起始阶段，国内对微型电网的研究起步较晚。 文献29主要介绍了微型电网和大电网结合带来的突出优点， 微型电网在发展可 再生能源中的必要性及其发展前景；阐述了小型燃气轮机和高速发电机的组合带来 的优点，这种动力发电机组可能成为微型电网中主要发电设备，并着重介绍了高速 发电机的构造及其特点。 文献30比较了分布式发电和微型电网与传统电网的不同之处， 介绍了微型电网 的构成和独特功能，并从市场、环境、运行和投资方面说明了分布式发电和微型电 网在技术上和经济上具有的优势，讨论了应用变流技术来解决微型电网投入运行遇 到的问题。 目前，世界上一些主要发达国家和地区，如美国、欧盟、日本和加拿大等，都 开展了对微型电网的研究和开发，建立了一些微型电网示范工程和测试平台。表 1-1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 列出了国外的几种微型电网实验平台。 表 1-1 国外微型电网实验平台 研究机构 建立时间 系统容量 电压等级 能源类型 威斯康辛大学麦 迪逊分校 2001 200kw 208v/480v 微燃机、燃料电池 芬兰 fampere 工 业大学 2005 96kw 400v 太阳能电池、蓄电池 希腊雅典工业大 学 2002 80kw 400v 微燃机、太阳能电池、燃料 电池、风机、飞轮储能 欧盟微型电网实 验室 2002 210kw 400v 燃料电池、微燃机、飞轮储 能、蓄电池 加拿大多伦多大 学 2005 7.5mw 13.8kv/480v 柴油机、汽轮机 美国 certs 于 1999 年最早提出了微型电网的概念，初步研究微型电网在提高 供电可靠性、 经济运行以及改善环境等方面的作用和影响。 随着研究的深入， certs 在原基础上完善了微型电网的定义，提出了基本结构，其特点是不采用快速电气控 制、单点并网不上网、电能质量和供电可靠性多样化、dg 可随时接入。2001 年， 威斯康星大学麦迪逊分校建立了微型电网实验平台，初步验证了微型电网的可行性。 近年来，美国发生了几次大停电事故，给国民经济带来了巨大的损失，故美国的微 型电网研究重点是提高供电可靠性和电能质量。 欧洲的微型电网研究分为两个阶段，第一阶段由欧盟第五框架计划资助，该项 目在 dg 的建模、 微型电网的静态和动态仿真、 孤岛和互联两种运行方式、 基于 agent 的控制策略、本地黑启动策略、接地和保护的方案、可靠性的定量分析、实验室微 型电网平台的理论验证等方面取得了一些成果。第二阶段由欧盟第六框架计划资助， 其研究目标包括研发 dg 控制器、基于新型通信技术的控制策略、微型电网对大电 网运行的影响以及提高供电可靠性、降低网络损耗，改善环境等方面的影响。欧洲 主要侧重于微型电网在可靠性、可接入性和灵活性方面的研究。 日本在微型电网方面的研究和微型电网示范工程的建设均处于世界领先水平。 日本本土能源匮乏，主要研究利用可再生能源作为微型电网的主要发电设备，希望 通过增加可再生能源占能源结构的比重来解决能源危机。但是由于可再生能源输出 功率的间歇性波动对电能质量和供电可靠性均有很大的影响，风力发电等新能源的 输出功率的随机性和功率穿透极限给新能源的充分利用带来了很大的限制。一种可 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 行的策略是将储能装置与微型电网相结合。故日本强调研究微型电网的控制策略与 储能技术。日本的科研机构在青森、爱知和京都 3 个地方建立了微型电网实验平台， 这 3 个地方的 dg 均采用可再生能源，着重用来研究可再生能源和本地配电网的互 联。 1.2.4 微型电网微型电网的运行的运行控制控制 微型电网可以联网运行和脱离主电网呈孤岛运行。 联网运行时，微型电网和传统配电网类似，服从系统调度，同时可利用微型电 网内 dg 发电和从大电网吸取电能，并能在自身电力充足时向大电网输送多余电能。 文献21通过微型电网实验系统运行证明： 合理的控制下微型电网系统可以并网运行 和孤岛运行，并可以实现两种运行模式的无缝转换。 孤岛效应产生的必要条件为当线路故障或维修而导致电网侧的开关跳开时 dg 提供的有功、无功功率与周围的负荷相匹配，所以系统与 dg 间公共耦合点电压、 频率变化并不大，dg 能够继续向负荷供电。 微型电网由于可以通过孤岛运行的能力提供更高的供电可靠性14，因此对微型 电网孤岛运行进行了更多的研究。 文献31介绍了含传统的同步发电机接口和电力电子变换器接口的dg的微型电 网，并用 pscad/emtdc 软件进行了微型电网的孤岛运行过程，结果表明基于电力 电子接口的 dg 的控制策略可以确保微型电网孤岛运行下的稳定性，甚至在孤岛暂 态过程中维持电压稳定,保证电能质量。 文献32介绍了在摩洛哥建成使用的基于光伏发电系统的微型电网。 通过两个独 立村庄的微型电网的实际运行，证明孤岛运行的微型电网是解决偏远农村用电问题 的一个行之有效的办法。 文献33 介绍了由于维修或者是发生故障而导致微型电网孤岛运行下的两种控 制策略：逆变器控制模式、原动机控制模式。并通过仿真说明了可能引起微型电网 孤岛产生的条件以及储能装置对微型电网成功实现孤岛运行的重要性。 文献34研究了孤岛运行时微型电网电压和频率控制问题,提出利用基于快速逆 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 变器的储能装置负责孤岛运行的微型电网中的电压和频率控制。 文献35主要研究微型电网中不同类型 dg 之间的相互作用， 微型电网从并网运 行模式转为孤岛运行时,可能引起预料之外的相互振荡问题。并在 matlab/simulink 平 台中对微型电网和 dg 进行了建模仿真，结果表明采取一定的控制策略可有效抑制 这种现象。 1.3 微型电网微型电网继电保护研究现状继电保护研究现状 传统低压配电网一般是单电源辐射状，其保护一般采用过电流保护。微型电网 由于具有多 dg， 不同类型的 dg 提供的短路电流的能力与其控制策略有关， dg 对 短路电流的不同贡献使得保护整定计算更为复杂36-38；潮流为双向流通；运行在联 网模式和孤岛模式下短路电流大小不同。微型电网的独有特点决定了其保护技术与 传统配电网保护有着极大不同，微型电网的保护系统应该能够识别两种运行模式下 的所有故障。因此，对微型电网在联网和孤岛两种运行模式下故障情况做出响应以 及在联网情况下快速感知大电网故障，同时保证保护的选择性、快速性、灵敏性与 可靠性，是微型电网保护的关键，也是微型电网保护的难点。 基于电力电子变换器接口的 dg 给微型电网保护带来了新的问题，因为变换器 的输出电流有限制，一般情况下短路电流为额定电流的 2 倍，不足以使传统的过流 保护动作，故使用电流进行故障定位很困难。因此需要探索其它保护技术。一种方 法是使用储能系统为孤岛运行模式下的微型电网提供故障电流；另一种行之有效的 方法是对 dg 的输出电压进行检测和转换，以此来判别故障的类型，并隔离故障。 传统的电流保护无法满足微型电网保护的特殊要求。目前，针对单相接地故障 与相间故障，文献39提出了基于对称电流分量检测的保护策略。该方法以超过一定 阑值的零序电流分量和负序电流分量作为主保护的启动值，将传统的过电流保护与 之结合可取得良好的效果。 虽然国际上已有学者研制出微型电网保护的硬件装置40，但人们仍在对更加完 善的保护策略进行积极探索。发电机和负荷容量对保护的影响、不同类型发电机(如 基于变流器和不基于变流器)对保护的影响及微型电网不同运行方式和不同设计结构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 对保护的影响等问题都是微型电网保护策略研究中所关注的重点。 文献41提出了一种公用电网电压骤降时微型电网保护的方法。 通过将一个虚拟 的大 rl 或 l 电抗与配电线路相串联， 利用 rl 前馈和流量控制反馈这两种电流限制 算法，控制电压骤降期间连接微型电网和公用电网的一系列反相器，达到限制线路 电流流通，从而保护微型电网。 文献42提出了一种基于电力电子接口的微型电网快速检测故障的方法。检测 dg 的输出电压，并将 a、b、c 三相电压转化成 d-q 参考系下的直流量，并以此为基 础定义一个 d-q 坐标系下的扰动量， 同时设定一个门槛值， 通过扰动量与门槛值的大 小来确定故障区域。该方法可以判断故障类型和切除故障的时间，且对于三相对称 故障也能识别，不足之处在于不同类型故障下，扰动量区别不是很明显。 文献43提出了一种基于分布式电源的逆变器控制策略来控制微型电网在孤岛 运行时的电压和频率和一种保护方案来保护孤岛运行时的线路和分布式电源，然后 通过协调控制方案和保护方案来避免分布式电源和非重要负荷的有害切除。 文献44针对基于电力电子变换器接口的微型电网故障电流不够大而不能用传 统的过电流保护技术的问题，提出了一种新的保护方案，保证微型电网在孤岛运行 和联网运行时具有相同的保护策略。用 a、b 和 c 三相电流和中性线电流之和作为 故障判断依据，以此来判断故障区域。 1.4 论文的主要工作论文的主要工作 本文选择以微型电网的保护作为研究内容，着重针对电力电子接口的微型电网 由于故障电流不够大而不能只采用传统的电流保护， 由于微型电网含多 dg，保护配 合之间需要延时较长，故考虑引入其它方法来加速保护动作。论文章节安排及主要 工作如下： 第二章主要从微型电网的结构出发，分析了 dg 的位置和容量对电流保护的影 响：可能造成下游保护误动，上游保护灵敏度降低；并分析了 dg 对保护配合和重 合闸的影响。 第三章针对微型电网与传统配电网保护的不同之处，首先分析基于电压变换的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 微型电网保护原理；然后分析基于差动电流的微型电网保护原理；最后总结微型电 网保护要注意的主要问题，重点针对微型电网保护之间配合时限长的特点，提出将 无通道保护应用到微型电网保护中，用来实现微型电网内部故障的快速隔离，在此 基础上详细介绍无通道保护原理及其保护判据。 第四章主要是根据 certs 微型电网结构，在 pscad 平台上建立一个含多 dg 的微型电网模型，给该微型电网的进行保护配置，并对其进行动作分析。并应用无 通道保护原理对模型进行了仿真分析。 第五章对主要工作进行总结和展望。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 2 dg 对对微型微型电网电网过电流保护过电流保护的影响的影响 2.1 引言引言 微型电网主要是为了满足用户的需要而安装在用户侧的低压配电网电网，电压 等级比较低，一般为 380v 或者 400v。根据实用性和经济性，传统的低电压等级的 配电网一般采用过电流保护。微型电网并入大电网联网运行时，与传统配电网类似， 但由于其含有多 dg，微型电网的结构并不是像传统配电网一样呈辐射状，而是一种 遍布电源和用户相连的网络，其潮流是双向的，故障电流的大小和方向受 dg 的影 响，故障时 dg 可能向故障点提供反向电流。dg 对微型电网中的短路电流分布和过 电流保护之间的配合都会产生影响，这些与 dg 的类型、容量和 dg 接入微型电网 的方式有关。 dg 对微型电网过电流保护的影响由下列因素决定： （1）dg 的类型：不同类型的 dg 提供的故障电流的能力不同； （2）dg 与故障点之间的距离：线路阻抗的增加会减少故障电流； （3）dg 和故障点之间是否有变压器（变压器用来调整电压） ：变压器短路阻抗 会限制故障电流； （4）dg 的并网方式：dg 通过同步发电机并网，增加系统的短路电流；通过异 步发电机并网，仅在故障瞬间提供短路电流；通过电力电子变换器并网，电力电子 变换器接口的微型电网的故障电流受电力电子变换器的限制，一般不大于 2 倍的额 定电流。故通过异步发电机并网的微型电网中的 dg 提供的故障电流比通过电力电 子变换器并网的微型电网中的 dg 提供的故障电流大。 2.2 dg 对对微型电网微型电网过电流保护过电流保护的影响的影响 2.2.1 dg 的位置的位置对对微型电网过电流保护微型电网过电流保护的影响的影响 以图 2-1 所示的微型电网为例，虚线框里的微型电网通过公共耦合点（pcc）与 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 大电网相连，一条馈线通过静态开关（static switch，ss）与大电网相连，另一条馈 线直接与大电网相连。在线路上发生三相短路故障时，分析 dg 提供的故障电流以 及系统提供的故障电流的大小情况45-48。 大电网 pcc a bc b1b2b3 b1 i d f2f1 f3 2b i b4 dg 1 dg 2 ss 1 i k i g i 微型电网 图 2-1 dg 对短路电流大小的影响 其中， s z大电网与 pcc 开关的总阻抗； dg zdg 的阻抗， dgs zaz 47； l z故障点到母线 a 的阻抗， ls zbz 47； 为了简单化，假设微型电网中的 ss 断开，只考虑支路 ad 的情况。连接 dg1 的馈线上距离母线 a 阻抗为 l z处 f3 发生三相短路故障时，总的故障电流为 k i，其 中 dg1 提供的故障电流为 g i，系统提供的故障电流为 1 i。假设 dg1 位于馈线上的 位置距离母线 a 的线路阻抗为 l z（01，=0 即表示 dg1 位于母线 a 上） ， 则故障点与 dg1 之间的阻抗为(1) l z。有 1 1 1 dg kldg z ia izzzab （2-1） 1 1 1 1 g l kld g i zzb izzzab （2-2） 由以上的分析可知，系统提供的故障电流和 dg1 提供的故障电流与系数 a、b 和有关，在系数 a、b 为定值时，当 dg1 距离故障点越近，即越大时，系统提供 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 的故障电流减小，dg1 提供的故障电流增大。 （1） 引起保护误动作 引起保护误动作的情况有以下两种： 如图 2-1 所示的微型电网，在线路 ab、bc、ad 上只安装过电流保护 b1、b2、 b4。在线路 bc 的末端 f2 处发生三相短路故障时，由上面的分析知由于 dg2 会向 故障点 f2 提供短路电流，dg1 也向故障点提供故障电流，dg1 距离母线 a 越近， 提供的故障电流越大，故保护 b2 检测到的故障电流越大，有可能大于其电流速断保 护整定值，从而引起保护误动作。 在相邻线路 ad 上的 f3 处发生故障时，dg2 向故障点提供电流，相邻分支线路 保护 b1 检测到一个反向电流，故障点 f3 越靠近线路 ad 的出口，此反向电流越大， 有可能引起保护 b1 误动作，引起 dg2 的无故障跳闸。此种情况可通过增加方向保 护来避免。 （2） 引起本线路保护灵敏度降低 如图 2-1 所示， 当在线路 ad 上 dg1 的下游 f3 处发生三相短路故障时， 当 dg1 距离母线 a 越远时，保护 b4 检测到故障电流越小，导致保护 b4 的灵敏度降低。 还有一种情况， 如图 2-1 所示， 在线路 bc 上的 f2 处发生三相短路故障时， dg2 上游的保护 b1 检测到的故障电流受 dg2 的影响，灵敏度降低。当保护 b2 拒动时， 应由其后备保护 b1 动作来切除故障，但由于 dg2 的存在，使得保护 b1 检测到故障 电流减小，其过电流保护灵敏度降低，有可能小于其过电流整定值，而导致保护 b1 拒动。 （3） 导致故障无法切除 如图 2-1 所示，当在线路 ab 上的 f1 处发生故障时。系统电源和 dg1、dg2 均 向故障点 f1 提供短路电流，但是保护 b1 只检测到系统和 dg1 提供的故障电流，其 大小与 dg2 无关。保护 b1 动作后，dg2 继续向故障点提供短路电流，故障无法切 除。 以上分析针对 dg 位于微型电网内的不同位置对微型电网过电流保护的影响。 含单 dg 的微型电网，dg 对其过电流保护的影响可概括为：故障点离 dg 越近，dg 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 对其短路电流的影响越大；dg 可能导致其上游保护灵敏度降低；dg 可能使其下游 保护误动；dg 所在线路的上游分支线路故障时，dg 向其上游保护提供的反向电流 使保护灵敏度降低，可能导致其误动。 2.2.2 dg 的容量对微型电的容量对微型电网过电流保护的影响网过电流保护的影响 以图 2-1 所示的微型电网为例， 线路 ab、 bc、 ad 分别安装了断路器 qf1、 qf2、 qf3，断路器 qf1、qf2、qf3 处分别装有电流速断保护和过电流保护。保护 b1、 b2、b3 按照电流速断保护的原则进行整定。图中参数如下： s z电网的等效阻抗 (p.u)； 1 z线路 ab 的阻抗（p.u） ； 2 z线路 bc 阻抗(p.u)； 4 z线路 ad 的阻抗(p.u)（所有线路的阻抗均匀分布） ； dg z为 dg 和其接入电网的接口器件的阻 抗 (p.u)。 保护 b1、b2 和 b4 的无时限电流速断保护整定值： （取 b s=100mva， s z=0.5， i rel k=1.2， 1 z= 2 z= 4 z=2.5， b dgdg dg s zx s ，一般发电机次暂态电抗 dg x=0.25） 。 .b1.max 1 0.4 iii s setrelkbrel s e ik ik zz （2-3） .b2c.max 12 0.218 iii s setrelkrel s e ik ik zzz （2-4） .b4.max .min4 1 1.20.4 0.52.5 iii s setrelkdrel s e ik ik zz （2-5） 过电流保护整定值为末端两相短路电流值的 1/245： .b1 1 13 0.173 22 i iii rels set s ke i zz （2-6） 当在母线 b 处接入 dg，在 bc 线路的末端 f2 处发生三相短路故障时，保护 b2 检测到得故障电流 2b i和 dg 的容量 dg s的关系见图 2-2，当 dg 的容量大于某值 时，保护 b2 检测到的故障电流大于其电流速断整定值，可能引起保护误动；保护 b1 检测到故障电流 1b i和 dg 的容量 dg s的关系见图 2-3，当 dg 的容量大于某值时， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 保护 b1 检测到的故障电流小于定时限电流保护整定值，当保护 b2 拒动时，保护 1 的灵敏度降低，可能拒动。 2 1 2 1 325 7.5137.5 dg s b sdg dg sdg s e i= z +zz s +z z +z +z （） （2-7） 1 1 1 2 1 25 7.5137.5 dg s b sdg sdgdg sdg z e i= z +zz z +z +zs +z z +z +z （） （2-8） b2 i set i 2b i 1 2 1 2 图 2-2 dg 容量 dg s与其下游短路电流 2b i的关系 1 2 b1 iii set i 1 2 1b i 图 2-3 dg 的容量 dg s与其上游短路电流 1b i的关系 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 2.2.3 dg 对对过电流过电流保护保护协调协调的影响的影响 微型电网中含有多 dg，其网络结构为一个遍布电源和用户相连的网络。由上节 分析知， 当故障点越接近 dg 时，dg 对故障电流的影响越大， 可能使故障电流增大， 故障电流增大将给工作人员和保护设备带来损害，造成巨大的经济损失和供电中断， 仅依靠过电流保护整定值之间的配合比较难以实现故障隔离，必须根据网络结构来 重新进行整定计算或者是通过保护时限之间的配合来使保护协调。 图 2-4 中线路 l1、l2、l3 上分别装设过电流保护 b1、b2 和 b3。过电流保护 的动作值只考虑在最大负荷电流情况下保护不动作和保护能可靠返回的情况，其动 作电流值比电流保护第 i 段和第 ii 段的动作值小的多。在一般情况下，它不仅能够 保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，起到后备保护的作用49。当线 路 l3 上 k1 点发生短路时，短路电流 k i将流过保护 bl、b2、b3，一般 k i均大于保 护装置 b1、b2、b3 的动作电流。所以，保护 b1、b2、b3 均将同时启动。但根据 选择性的要求，应该由距离故障点最近的保护 b3 动作，使断路器 qf3 跳闸，切除 故障，而保护 b1、b2 则在故障切除后立即返回。显然要满足故障切除后，保护 b1、 b2 立即返回的要求，必须依靠各保护装置具有不同的动作时限来保证。用 1 t、 2 t、 3 t 分别表示保护装置 bl、b2、b3 的过电流保护动作时限，越靠近电源端，其动作时限 越长。则有 12 23 ttt ttt （2-9） b1b2 k1 abc l1l2l3 b3 l t 1 t 2 t 3 t t t qf3qf2qf1 图 2-4 过电流保护动作原理图 根据微型电网中 dg 位于馈线的位置不同和数量不同，将会对保护协调产生不 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 同的影响，具体分析过程如下： 1、 含单含单 dg的微型电网的微型电网过电流过电流保护保护协调协调 微型电网中线路 l1、l2、l3 上分别装设保护 r1、r2 和 r3。当微型电网只含 有一个 dg 时，分两种情况来考虑。当区域 3 发生故障时，保护 r2 和 r3 将检测到 相同的下游故障电流（见图 2-5(a)） ；当区域 1 发生故障时，保护 r2 和 r3 将检测到 相同的上游故障电流（见图 2-5(b)） 。显而易见，这两种情况下，保护检测到的故障 电流相同，给保护协调带来冲突。因为在区域 3 发生故障时，为了满足选择性要求， 要求保护 r3 先于保护 r2 动作来切除故障；而在区域 1 故障时，要求 r2 先于 r3 动 作来切除故障。因为这两种情况下保护 r2 和 r3 检测到的故障电流相同，因此在现 有配置下无法保证保护的协调性。这要求系统装设其他的保护装置来保证在最小范 围内正确隔离故障。 bus 4bus 1bus 2bus 3 loadloadloadload s dg 3r if 2r if r2r1r3 section 3section 1section 2 图 2-5（a） dg 位于区域 3 时，下游区域 3 发生故障 bus 4bus 1bus 2bus 3 loadloadloadload section 3 s dg 3r if 2r if r2r1r3