P/Q 控制策略下的分布式電源自適應距離整定新方法

肖蕙蕙，申丹偉，蔣東榮，顏瑞凡，葉陽建

（重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054）

P/Q 控制策略下的分布式電源自適應距離整定新方法

肖蕙蕙，申丹偉，蔣東榮，顏瑞凡，葉陽建

（重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶400054）

采用P/Q控制策略的分布式電源（DG）的故障電流特性與傳統發電機不一致，將會導致原有配電網距離保護不能有效滿足繼電保護的要求。針對該問題，分析了分布式電源接入時配網故障電流與距離保護測量阻抗的相關特性，并結合P/Q控制策略下DG的故障電流特性研究了配電網單相接地自適應距離保護整定方法，解決了原有配電網距離保護不能有效動作的問題。通過對單相接地故障進行模擬仿真，證明了該整定方法的有效性，對實際應用具有一定參考價值。

分布式電源；故障電流；分布式電源接入；自適應距離保護；P/Q控制策略

近年來，配電網系統中越來越多地采用分布式電源，為系統運行和保護帶來很大困難。原有配電網階段式的電流保護將不能有效按照規程要求進行整定，達不到預期的保護效果［1-4］。目前，國內外學者在含DG配電網的故障特性及保護方案方開展了大量的研究工作。文獻［5］對傳統旋轉類型DG的電磁暫態特性進行了廣泛的研究。文獻［6］對三相對稱系統中的逆變型分布式電源故障電流特征進行了分析。文獻［7］對DG的輸出功率變化量與保護流過的故障電流變化量進行分析，得到正比例關系，并根據DG的投入和退出運行來自適應整定保護定值。文獻［8］將DG模型等值為采用恒定電壓源和恒定阻抗串聯的模型，通過電網電壓和等值阻抗壓降求取DG等值電勢。文獻［9］在研究逆變器接口DG的故障特性時，將DG視為小容量的電壓源或電流源，或考慮DG出力的變化，將DG等值為內阻大小發生變化的電壓源，但有關DG的并網規定并未考慮DG的低電壓故障穿越控制策略及其對故障電流的影響。文獻［10］對IIDG故障電流的特征進行分析，但分析結果不適用于直接入網的IIDG。文獻［11］對距離保護中如何消除過渡電阻對距離保護的影響進行了分析，但沒有考慮不同控制策略下的DG故障電流特性。

對于采用逆變型接口的DG（inverter interfaced distributed generation，IIDG），因其短路特性主要由逆變器控制策略決定，具有很強的非線性特性，不能將其等效為電壓源和阻抗串聯模型，因此，研究IIDG配電網保護時必須考慮有關控制策略的影響，精確分析有關故障電流特性［12-14］。由于IIDG主要采用P/Q控制策略，因此本文基于P/Q控制策略下IIDG的故障電流特性，對配電網的單相接地故障進行序網圖分析，由此推導出自適應距離保護整定方法，并通過仿真實驗驗證其有效性。

1　DG對距離保護的影響

一般情況下，逆變器器件對工作電流限制作用較大，使得IIDG的短路電流水平極有可能高達正常運行情況的1.5～2倍，導致其出現與普通旋轉式發電機截然不同的故障特性。

圖1為單個DG的“T”型接線情況。設系統電勢為Es、系統阻抗為Zs，線路AM段阻抗為Zam，線路MB段阻抗值為Zmb。DG提供的故障電流為Idg，過渡電阻為Rf。

1.1故障位置f1處對距離的影響

傳統距離保護模式下，CB1的距離保護I段將保護AB線路的80%～85%，當DG未接入到配電網時，CB1處測量的阻抗為A到故障點f1的阻抗值，保護CB1將可靠動作。單個DG接入配電網時，在AB段發生三相短路故障。CB1的I段測量阻抗等值電路見圖2。

圖2　CB1的I段測量阻抗等值電路

根據等值電路圖2可得

將式（1）變形可得

求得測量阻抗值為

式（3）中的前兩項在DG接入前后不發生變化。對于金屬性故障，其測量阻抗值不發生變化，保護CB1將可靠動作。對于非金屬故障，DG接入后會造成測量阻抗值發生變化相位超前時將具有正阻抗角，表現為感性阻抗，導致系統測量阻抗值增大。反之當相位滯后時，將具有負阻抗角，表現為容性阻抗，導致系統測量阻抗值減小。在系統振蕩和故障條件下，相位差可能在0～π變化。

1.2故障位置f2處對距離保護的影響

在線路保護中，實現保護的選擇性會導致CB1的I段不能完全保護AB的全長，需要加入CB1的II段保護。將CB1的I段和II段保護進行組合構成本線路AB的主保護。CB1的II段保護測量阻抗等值電路見圖3。

圖3　CB1的II段保護測量阻抗等值電路

由等值電路圖3可得

將式（4）變形可得

則其測量阻抗為

同理，前3項的測量阻抗在分布式電源接入前后不變，當故障發生在DG下游時，測量阻抗仍然受相位關系的影響。

顯然，距離保護的測量阻抗值會受到DG故障電流與流過測量保護裝置電流相位關系的影響。采用不同控制策略的DG，故障電流相位關系表現出不規則性。接入配網中的DG大多采用P/Q控制策略，所以有必要研究其故障電流特性，以便進行自適應距離保護整定。

2　P/Q控制策略下單相接地故障的自適應距離保護整定

2.1IIDG的故障電流特性

IIDG下游線路發生故障時，其測量阻抗值將受故障電流影響，造成原有保護拒動。P/Q控制策略下IIDG的控制方式是采用矢量控制思想通過補償方式消除電壓電流之間的耦合，轉換為通過控制d軸和q軸分量來實現有功功率和無功功率的解耦控制。具有低電壓穿越控制策略的IIDG故障電流可表示為［15-16］：

其中：IDG.qf和IDG.df分別表示IIDG在故障發生時電流的有功和無功分量；UP為故障前PCC的額定電壓；Up+f為故障發生時PCC電壓的正序分量；Imax為IIDG逆變器允許的最大短路電流；K為無功支撐比例系數；Pref為有功給定輸出。

式（7）表明故障電流由PCC故障電壓決定。發生故障時，一般采用PCC電壓控制型電流源模型。對于非對稱故障，通常只考慮將正序電壓分量作為控制電壓，此時IIDG等效模型采用PCC正序電壓控制電流源模型。在配電網中性點直接接地的系統中，當零序電流保護不能滿足要求時，一般采用接地距離保護。配電網線路故障中常發生單相接地故障，故對單相接地故障的距離保護自適應整定進行推導。

2.2單相接地故障序網圖分析

故障位置f2處發生B相接地短路故障的序網圖如圖4所示。

此時保護安裝處CB1的序電壓為：

式（8）中的Zam+Zmf和Zam（0）+Zmf（0）分別表示線路正序和負序阻抗。A相電壓和電流可以用對稱分量表示，故障點A相電壓為0，可得到：

將式（9）變形有：

圖4　f2處發生單相接地故障時的序網圖

實際配電線路一般采用相電壓和帶零序電流補償的相電流。補償系數為K，補償故障相與其他兩相相互耦合而感應的電流，則式（2）～（6）簡化可得：

則保護CB1的II段測量阻抗為

通過序網圖得

在故障發生前有

其中：UP表示故障前PCC的額定電壓；Va表示此時A點母線電壓；Is表示系統提供的負荷電流。

在分布式配電網中，輸電距離較短且電壓等級不高，其輸電線路電抗值遠大于線路的電阻值，此時分布式電源的無功分量大小將起決定作用。采用近似代替式（14）中的通過式（7）、（15）、（16）計算，最后通過式（14）可得到距離保護的自適應整定值。

3　仿真分析

為驗證建立的自適應整定方法的有效性，采用PSCAD對單相接地故障進行仿真分析［17］，其配電網仿真結構如圖1所示。當f2處發生故障時，配電網等值容量為40 MVA，基準電壓為10.5 kV，B處接入采用P/Q控制策略的IIDG，額定功率為4 MVA。變壓器容量為10 MVA，0.69 kV/10.5 kV。線路AM和MB長度分別為9 km和6 km。單相接地故障f2發生處距離母線B為3 km，線路的單位阻抗z=0.127+j0.29 Ω/km。

仿真模型中，采用四邊形阻抗繼電器。按照CB1保護AB線路全長85%的要求，整定點到I段保護末端處阻抗為1.6+3.7i。假設0.3 s時，在f2處發生單相接地故障，故障持續時間為0.05 s。其單相接地故障仿真波形如圖5所示。

圖5中，f2=1表示故障f2處發生單相接地故障。從圖5可知：CB1處的測量電流和IIDG的輸出電流波形發生明顯變化。在故障發生0.05 s內，CB1從0跳變到1，實現了快速動作。表明該自適應距離保護在發生單相接地故障時能可靠地動作并切除故障段。

圖5　單相接地故障波形

4　結束語

仿真結果表明，本文方法在DG發生單相接地故障時可使斷路器快速動作，能有效滿足含分布式電源的配電網對線路保護的要求，為今后進一步研究不同控制策略下DG群的故障電流特性和自適應距離保護整定方法提供了理論參考。

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（責任編輯楊黎麗）

New Method of Distributed Power Adaptive Distance Protection Based on P/Q Control Strategy

XIAO Hui-hui，SHEN Dan-wei，JIANG Dong-rong，YAN Rui-fan，YE Yang-jian
（College of Electronic Information and Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

The fault current characteristics of distributed power with P/Q control strategies are different from the traditional synchronous generator.It would be resulted in that the distance protection of traditional distribution network could not satisfy the requirements of the DG effectively.This paper analyzed the distributing network including DG access correlation characteristics for the fault current between the measured impedance of distance protection.Then，the paper proposed a method of adaptive single-phase grounding distance protection criterion with the fault current characteristics of the DG under the P/Q control strategies.It was a good solution for setting calculation of DG distance protection. Finally，the single-phase grounding fault was simulated using the Pscad 4.2.The simulation results show the feasibility and validity of the method.It has important practical application value.

distributed power；fault current；DG access；adaptive distance protection；P/Q control strategy

TM77

A

1674-8425（2015）04-0086-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.017

2015-02-17

重慶市教委科研項目（KJ120803）

肖蕙蕙（1964—），女，湖南衡陽人，教授，主要從事自動控制理論及應用研究。

肖蕙蕙，申丹偉，蔣東榮，等.P/Q控制策略下的分布式電源自適應距離整定新方法［J］.重慶理工大學學報：自然科學版，2015（4）：86-90.

format：XIAO Hui-hui，SHEN Dan-wei，JIANG Dong-rong，et al.New Method of Distributed Power Adaptive Distance Protection Based on P/Q Control Strategy［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：86-90.