動態(tài)電壓恢復(fù)器對微機(jī)保護(hù)影響的仿真研究

張艷肖，高立剛，劉偉，魏燕

（1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安710018；2.中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院，陜西西安710065；3.廣東天聯(lián)集團(tuán)有限公司，廣東廣州510600）

動態(tài)電壓恢復(fù)器對微機(jī)保護(hù)影響的仿真研究

張艷肖1，高立剛2，劉偉3，魏燕2

（1.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西西安710018；2.中國水電顧問集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院，陜西西安710065；3.廣東天聯(lián)集團(tuán)有限公司，廣東廣州510600）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各類敏感負(fù)荷的廣泛使用，人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，高質(zhì)量的電力供應(yīng)己成為現(xiàn)代社會生產(chǎn)、生活正常進(jìn)行的基本條件。在輸、配電系統(tǒng)中，特別是配電系統(tǒng)中，由于大量非線性、沖擊性負(fù)荷的增加，電網(wǎng)發(fā)生故障造成的電壓驟升、驟降、不對稱、閃變、波動、諧波以及瞬時供電中斷等電能質(zhì)量問題越來越多，由此造成產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。作為FACTS家族的重要成員，動態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer）的作用越來越受到人們的關(guān)注。

DVR是一種串聯(lián)型電能質(zhì)量控制器，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時，DVR向線路注入一個幅值、相位可控的串聯(lián)補(bǔ)償電壓，以保證負(fù)荷側(cè)電壓的恒定。它可以補(bǔ)償電壓的驟降、驟升、不對稱、閃變、波動、諧波等，良好的動態(tài)性能和容量上的相對優(yōu)勢使其成為治理動態(tài)電壓問題最經(jīng)濟(jì)、有效的手段之一[1]。

DVR的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電壓型逆變器（VSC）、控制單元、輸出濾波器、儲能單元、串聯(lián)變壓器和旁路保護(hù)系統(tǒng)組成[2-3]。DVR進(jìn)行補(bǔ)償時，控制單元控制VSC產(chǎn)生串聯(lián)補(bǔ)償電壓，經(jīng)串聯(lián)變壓器注人線路中。其中，輸出濾波器用于濾除高次諧波；儲能單元提供補(bǔ)償所需的有功功率；旁路系統(tǒng)通常由機(jī)械斷路器和雙向可控硅等組成[4]，用于系統(tǒng)發(fā)生短路和電壓浪涌故障時的VSC保護(hù)[5]。

圖1 D V R裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of DVR

普通DVR采用雙向變流器，其直流側(cè)電壓通過儲能裝置經(jīng)升壓電路提供，對電能質(zhì)量問題的補(bǔ)償能力取決于儲能單元的容量。受儲能單元成本、體積等因素限制，儲能單元容量有限。如果電源電壓驟降時間較長，則無法進(jìn)行完全補(bǔ)償。

為了適應(yīng)電力系統(tǒng)用戶電力技術(shù)和電能質(zhì)量的需要，許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究工作，但是很多研究都是基于DVR的控制策略和控制方法[6-8]，對于DVR在微機(jī)保護(hù)及保護(hù)的靈敏度影響研究卻不多。本文從微機(jī)保護(hù)的靈敏度定義出發(fā)，分析了負(fù)荷中DVR的控制對微機(jī)保護(hù)動作和性能的影響。

1 典型配電系統(tǒng)故障分析

對于如圖2所示的配電系統(tǒng)，當(dāng)線路末端d1點(diǎn)發(fā)生故障時，由保護(hù)1的三段式電流保護(hù)來負(fù)責(zé)切除，如果系統(tǒng)中串聯(lián)DVR，保護(hù)1、2的可能誤動或拒動，從而使保護(hù)失去選擇性。

圖2 簡單配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the distribution system

因此，配電系統(tǒng)中串聯(lián)了DVR之后，需要對保護(hù)的定值做一定的修正，以保證電流保護(hù)的選擇性。修正之后的定值滿足串入DVR之后電流保護(hù)選擇性的要求，但還應(yīng)考慮當(dāng)DVR因故障退出運(yùn)行時，保護(hù)的靈敏性和選擇性又受到一定的影響，保護(hù)可能誤動或拒動。針對這一問題，本文提出了解決方案，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。

1.1 DVR模型

本文采用可連續(xù)運(yùn)行動態(tài)電壓恢復(fù)器（Uninterrupted Dynamic Voltage Restorer，UDVR），UDVR的直流電壓是通過與電網(wǎng)相連的PWM整流器提供的，可以持續(xù)對電壓進(jìn)行補(bǔ)償。因此，UDVR不但可以解決電壓的驟降、不對稱、閃變、波動、諧波等動態(tài)電壓質(zhì)量問題，還可以解決過電壓和欠電壓等穩(wěn)態(tài)電壓質(zhì)量問題。UDVR的結(jié)構(gòu)如圖3所示[9]。

圖3 UDVR的結(jié)構(gòu)連接圖Fig.3 Topology and connection of UDVR

1.2 配電系統(tǒng)故障仿真

圖4給出了一個配電系統(tǒng)簡化原理圖。交流系統(tǒng)額定電壓7.5kV，額定容量1MV·A，加裝三相對稱負(fù)載。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相接地故障時，電容電壓經(jīng)0.1s的延時衰減到0。圖5是故障時刻電容電壓的變化曲線。圖6是三相故障時A相系統(tǒng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)電壓。由圖6可知，A相系統(tǒng)側(cè)電壓瞬時衰減為0，由于電容的儲能作用，負(fù)荷側(cè)電壓經(jīng)過0.1s的延時衰減為0。

圖4 加入UDVR配電系統(tǒng)簡化原理圖Fig.4 Schematic diagram of distribution system

圖5 三相故障時的電容電壓Fig.5 Capacitance voltage in three-phase circuit fault

圖6 三相故障時A相系統(tǒng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)電壓Fig.6 Load voltage and system voltage of A phase in the three-phase circuit fault

三段式電流保護(hù)中Ⅰ段的固有動作時間一般為10～60ms[10]，Ⅱ，Ⅲ段的動作時間是在此基礎(chǔ)之上有一定的延時，一般分別延時0.5s和1s。所以三相接地故障時，DVR僅對繼電保護(hù)的Ⅰ段有影響，對保護(hù)的Ⅱ，Ⅲ段的影響可以忽略。

當(dāng)線路發(fā)生單相故障或者兩相故障，由于電容的儲能作用，電容電壓不會衰減為0，圖7所示單相故障時的直流側(cè)電壓波形，故障期間電容電壓穩(wěn)定值為1.2kV。

分別對不加UDVR和加裝UDVR的配電系統(tǒng)進(jìn)單相故障仿真。A相發(fā)生故障時，電流保護(hù)動作。如果不加UDVR，其短路電流峰值為1.05kA，有效值為0.615kA，因其小于Ⅰ段的保護(hù)整定值0.65kA，所以Ⅰ段不啟動，Ⅱ段延時0.5s后跳閘。故障時刻負(fù)荷電流變?yōu)?，系統(tǒng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)電壓失壓。

圖7 單相故障時的電容電壓Fig.7 Capacitance voltage in single-phase fault

如果在負(fù)荷側(cè)串聯(lián)可連續(xù)運(yùn)行動態(tài)電壓恢復(fù)器，其短路電流如圖8所示，0.5s發(fā)生故障，故障電流峰值為2.05kA，有效值為0.726kA，電流保護(hù)I段瞬時跳閘。

圖8 加裝UDVR之后A相故障時的短路電流及有效值Fig.8 Root-mean-square and short circuit current with the UDVR in A phase fault

由于UDVR中儲能元件的作用，其負(fù)荷電流不是立刻變?yōu)?，而是經(jīng)過0.12s的衰減，逐漸變?yōu)?。

仿真分析可知：串聯(lián)了DVR之后，當(dāng)發(fā)生單相故障時，保護(hù)1的靈敏度明顯提高。同理，可以仿真兩相短路的情況。

為了檢驗(yàn)保護(hù)的選擇性是否受影響，設(shè)置d2點(diǎn)發(fā)生A相接地故障，進(jìn)行仿真分析。由于DVR的作用，保護(hù)1和保護(hù)2的I段均瞬時動作，分析可知，保護(hù)1、2的I段分別動作于跳閘，從而使保護(hù)失去選擇性。

2 UDVR對保護(hù)靈敏度的影響及其新型保護(hù)的控制方案

由于儲能電容通過逆變器為故障再提供一個短路電流附加值，對保護(hù)的動作有了一定的影響，不僅使各段的動作情況發(fā)生了變化，而且使保護(hù)失去了選擇性，所以須對保護(hù)三段的定值進(jìn)行修正。

為了提高保護(hù)的靈敏度，而又不失去選擇性，簡單的處理方法是：當(dāng)接入DVR之后，給微機(jī)保護(hù)裝置一個信號，重新整定保護(hù)1、2的三段定值。考慮到DVR因故障等原因而退出運(yùn)行，可以再給微機(jī)保護(hù)一個信號，切換到原來的定值。但是這種方法受運(yùn)行方式影響較大，所以實(shí)用性不高。

本文提出五段式電流保護(hù)的新方法來整定各段定值。把電流保護(hù)分為：不靈敏I段保護(hù)；靈敏I段保護(hù)；不靈敏II段保護(hù)；靈敏II段保護(hù)；III段保護(hù)[10]。不靈敏I段用于提高I段保護(hù)的動作速度，靈敏I段用于提高靈敏度；不靈敏II段用于提高動作速度，靈敏II段用于提高II段保護(hù)的靈敏度和提高作為下一線路遠(yuǎn)后備的動作速度；III段保護(hù)作為本線路I段、II段保護(hù)的近后備保護(hù)，并作為下一線路的遠(yuǎn)后備。

靈敏1段保護(hù)的整定值按式（1）整定，但可靠系數(shù)取1.5～1.6

傳統(tǒng)的II段保護(hù)的整定公式為：

五段式中流保護(hù)云親下的電流有新位見圖9。利用靈敏度的定義進(jìn)行飽和靈敏度的計算，I、II各段定值分別為：0.937kA，0.729kA，0.680kA，0.625kA。串入UDVR后，當(dāng)最小運(yùn)行方式下d1發(fā)生兩相短路故障時，靈敏II段延時0.5s跳閘，其有效值為0.645kA，II段的定值與下一段I段配合，不超過下一段I段速斷的范圍，此方法保證了電流保護(hù)的選擇性。

圖9 五段式電流保護(hù)方案下的電流有效值Fig.9 Root-mean-square of the load current in phase-to-phase short circuit fault with the fivestep protection scheme

3 結(jié)論

作為一種有效的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，動態(tài)電壓恢復(fù)器的接入給整個配電系統(tǒng)帶來了一定的影響，一方面穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，另一方面影響了保護(hù)的選擇性。文中提出了一種方案，可以有效保證選擇性，同時兼顧靈敏度的要求，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的正確性。該方法具有實(shí)現(xiàn)簡潔，動態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

[1]CHAN K，KARA A.Voltage Sags Mitigation with an Integrated Gate Commutated Thrusters Based Dynamic Voltage Restorer[J].IEEE 8th International Conference on Harmonics and Quality of Power，1998，1：561-565.

[2]WOODLEY N H,MORUGAN A.Experience with an Inverter-Based Dynamic Voltage Restorer[J].IEEE Trans.on Power Dwlivery,1999,14(3):1181-1186.

[3]唐志，楊潮，馬維新.串聯(lián)刑電能質(zhì)策補(bǔ)償器主電路設(shè)計力案[J].電力系統(tǒng)自動化，2002,26(19):32-35.

TANG Zhi,YANG Chao,MA Wei-xin.Analysis and Design of the Main Circuit of Series Power Quality Compensator[J].Autotnation of Electric Power Systetns,2002,26(19):32-35.

[4]WOODLEY N H.Field Experience with Dynamic Voltage Restorer System[C].Proceedings of 2000IEEE Power EngineeringSocietyWinter Meeting,2000,4,Jan23-27，2000：2864-2871.

[5]SILVA S M,ELEUTERIO F A，DESOUZA R A,et al.Protection Schemes for a Dynamic Voltage Restorer[C].Proceedings of 39th Industry Applications Conference Annual Meeting:Oct 3-7,2004,Seattle,USA，Piscataway,NJ，USA IEEE,4,2004:2239-2243.

[6]謝旭，胡明亮，梁旭,等.動態(tài)電壓恢復(fù)器的補(bǔ)償特性與控制目標(biāo)[J].電力系統(tǒng)自動化,2002,25(4):41-44.

XIE Xu,HU Ming-liang,LIANG Xu,et al.Compensation Range and Control Objective Dynamic Voltage Restorer[J].Automation of Electric Power Systems,2002,25(4):41-44.

[7]周暉，齊智平.動態(tài)電壓恢復(fù)器檢測方法和補(bǔ)償策略綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(6):23-29.

ZHOU Hui，QI Zhi-ping.A Survey on Detection Algorithm and Restoring Strategy of Dynamic Voltage Restorer[J].Power System Technology,2006，30(6):23-29.

[8]馮小明，楊仁剛.動態(tài)電壓恢復(fù)器的形態(tài)學(xué)—dq變換綜合檢測算法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24(11)：193-198.

FENG Xiao-ming,YANG Ren-gang.A Novel Integrated Morphology-Dqtransformation Detection Algorithm for DynamicVoltageRestorer[J].Proceedingsof the CSEE，2004，24(11)：193-198.

[9]王凱斐，李彥棟，卓放，等.一種可持續(xù)補(bǔ)償三相動態(tài)電壓恢復(fù)器的研究[J].電力電子技術(shù)，2004，38(1)：1-3.

WANG Kai-wen,LI Yan-dong,ZHUO Fang,et al.An Unremitting Dynamic Voltage Restorer[J].Power Electronics,2004,38(1)：1-3.

[10]李小明，劉耀輝，曹艷.五段式線路保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)及其自動化，2007，31(11)：74-78.

LI Xiao-ming，LIU Yao-hui，CAO Yan.The Research on Five-Step Protection Scheme for Transmission Line[J].Autotnation of Electric Power Systems,2007，31(11)：74-78.

Simulation Analysis of Influence of DVR on Microprocessor-Based Protection

ZHANG Yan-xiao1，GAO Li-gang2，LIU Wei3，WEI Yan2
（1.City College,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710018,Shaanxi Province,China;2.Hydrochina Xibei Engineering Corporation,Xi’an 710065,Shaanxi Province,China;3.Guangdong Tianlian Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510600,Guangdong Province,China）

In this paper,the principle and topology of dynamic voltage restorer(DVR)is introduced first,and the function of the DRV in the distribution system is discussed,and then simulation of the microprocessor-based current protection with DVR is built.The simulation results show that with introduction of DVR,the sensitivity of microprocessor-based current protection is improved in distribution systems,but the current protection is deprived of selection.To address this problem,a new scheme is proposed in this paper.The result of the simulation testifies validity of the scheme.

distribution system;dynamic voltage restorer(DVR);sensitivity;microprocessor-based current protection

為了分析DVR對配電系統(tǒng)的影響，介紹了DVR的原理、結(jié)構(gòu)，論述了DVR在配電系統(tǒng)的作用，接著針對DVR對微機(jī)電流保護(hù)中的影響做了仿真。仿真分析表明：DVR的接入使得配電系統(tǒng)電流保護(hù)的靈敏度提高，但使電流保護(hù)失去了選擇性。針對這一問題，提出了解決方案，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的正確性。

配電系統(tǒng)；動態(tài)電壓恢復(fù)器；靈敏度；微機(jī)電流保護(hù)

1674-3814（2011）12-0019-07

TM 744

A

2010-11-13。

張艷肖（1982—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制及繼電保護(hù)；

高立剛（1981—），男，碩士，研究方向?yàn)殡姎庖淮卧O(shè)計，電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制；

魏 燕（1981—），女，本科，研究方向?yàn)殡姎舛卧O(shè)計，電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制；

劉 偉（1983—），男，碩士，研究方向?yàn)殡姎庖淮卧O(shè)計，電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制。

（編輯 馮露）