含分布式電源的微電網(wǎng)過電流保護方法

楊鳳惠，　張向鋒，　王致杰，　陳舒婷

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

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含分布式電源的微電網(wǎng)過電流保護方法

楊鳳惠，張向鋒，王致杰，陳舒婷

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

摘要:分析了分布式電源的位置、容量對微電網(wǎng)過電流保護的影響，闡述了傳統(tǒng)三段式保護配置不能滿足分布式電源接入條件下微電網(wǎng)的過電流保護要求。針對美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會提出的包含分布式電源的微電網(wǎng)模型，給出3種具體的保護方案，以實現(xiàn)分布式電源接入條件下微電網(wǎng)繼電保護自動、快速、有選擇地動作，從而保證電網(wǎng)安全可靠運行。

關鍵詞：微電網(wǎng)； 過電流保護； 分布式電源； 繼電保護

隨著太陽能、風能等可再生的新能源的接入，它們對大電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊已不容小覷。由此，美國電力可靠性技術解決方案協(xié)會(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions, CERTS)提出了一種與以前完全不同的分布式電源接入系統(tǒng)的新方法，即微電網(wǎng)[1]。微電網(wǎng)是一種新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，是一組由微電源、負荷、儲能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成的系統(tǒng)單元；它能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行[2]。但是，微電網(wǎng)出口處的電力電子接口限制了其故障電流在2倍額定電流內(nèi)[3]，導致傳統(tǒng)繼電保護配置的繼電器無法動作，使微電網(wǎng)接入后的配電網(wǎng)過電流保護變得更加復雜。同時，微電網(wǎng)在并網(wǎng)及孤島運行方式下采用統(tǒng)一的保護配置也是目前的一大研究難點。文獻[4]中針對目前含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)縱聯(lián)保護方案的不足，設計了一種含微網(wǎng)的閉環(huán)運行配電網(wǎng)改進縱聯(lián)過電流保護方案，并在PSCAD/EMTDC中建立了含微網(wǎng)的閉環(huán)運行配電網(wǎng)和保護方案的模型。文獻[5]中在微型電網(wǎng)配置傳統(tǒng)過電流保護的基礎上，引入無通道保護理論，當線路發(fā)生不對稱故障時，故障線路一端斷路器先跳閘，另一端斷路器根據(jù)對斷路器動作后健全相電流的突變量來判斷故障區(qū)域，從而加速動作，以滿足動作快速性要求。文獻[6]中提出了實現(xiàn)微電網(wǎng)隔離策略的最優(yōu)化、微電網(wǎng)信息采集的廣域化以及微電網(wǎng)保護功能的集成化是未來微電網(wǎng)保護的發(fā)展目標。

由于微電網(wǎng)中分布式電源的接入使其拓撲結(jié)構(gòu)、潮流方向和故障電流等發(fā)生了變化，使得微電網(wǎng)的過電流保護變得非常復雜。為使微電網(wǎng)在并網(wǎng)及孤島運行方式下安全可靠地運行，本文分析了分布式電源的容量、位置對微電網(wǎng)過電流保護的影響，給出了3種可行的微電網(wǎng)過電流保護方法，以保障微電網(wǎng)安全可靠運行。

1分布式電源對微電網(wǎng)過電流保護的影響

微電網(wǎng)通常含有多種不同的分布式電源，如太陽能光伏電池、風力發(fā)電、儲能裝置及小型發(fā)電機等。在發(fā)生故障時，這些不同類型的分布式電源提供故障電流的能力是不同的，而且分布式電源距離故障點越遠，線路中的阻抗就會增加，其提供的故障電流就越小，從而引起過電流保護拒動、保護靈敏度降低等問題。

1.1　接入位置的影響

當微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，配電網(wǎng)由傳統(tǒng)的單電源供電變成多電源供電。微電網(wǎng)分布式電源接入位置的不同必然會對配電網(wǎng)原有的保護配置產(chǎn)生影響，可能引起電流保護誤動、保護拒動、故障無法切除等狀況。

(1) 過電流保護誤動。以圖1的微電網(wǎng)故障為例，微電網(wǎng)通過公共耦合點(Point of Common Coupling, PCC)與大電網(wǎng)相連，兩條饋線上分別連接有分布式電源DG1、DG2、DG3、DG4，它們分別位于配電線路首端、中端和末端。

圖1　微電網(wǎng)故障圖例Fig.1　Illustration of micro-grid failures

如圖1所示，DG1位于饋線2始端，連接在母線A上，相當于配電網(wǎng)電源的容量增加。在線路阻抗不變的情況下，若發(fā)生故障F1、F2、F3、F4和F5，由于配電網(wǎng)電源容量的增加導致故障電流增大，即起到了助增作用[7]，故其各級保護的靈敏度在一定程度上得到提高。然而，隨著微電源容量的增大，故障電流不斷增大，可能引起下一段保護的誤動作，從而使保護失去選擇性。

(2) 過電流保護拒動。如圖1所示，當饋線2上DG2的下游F4處發(fā)生三相短路故障時，若DG2距離母線A越遠，則安裝在AD段的繼電保護裝置檢測到的故障電流就越小，導致其無法動作，電流保護的靈敏度降低。當饋線1上的F2處發(fā)生三相短路故障時，若本段保護拒動，應由其上游AB段的保護裝置作為后備保護來切除故障，而由于DG4的影響，AB段保護裝置檢測到的故障電流變小，不足以發(fā)生保護動作，因此保護拒動。

(3) 故障無法切除。如圖1所示，當饋線2上的F3處發(fā)生故障時，系統(tǒng)電源與DG1、DG2、DG3、DG4同時向故障點提供短路電流，由于AC段的保護裝置只能檢測系統(tǒng)和DG1提供的故障電流，當其可靠動作后，除DG1外的其余分布式電源繼續(xù)向故障點提供短路電流，導致故障無法切除。

1.2　分布式電源容量的影響

以圖2為例，B1、B2、B3處分別裝有無時限電流速段保護(I段保護)及過電流保護(III段保護)，按照無時限電流速斷保護(I段保護)的原則進行整定。

圖2　分布式電源的容量對微電網(wǎng)過電流保護影響示例Fig.2　 Effects of capacity of distributed generators on overcurrent protection of a micro-grid

式中，IKB.max、IKC.max、IKD.max分別為最大運行方式下線路AB、BC、AD段相鄰線路出口短路的最大故障電流；ES為系統(tǒng)電源電動勢，ZS.min為電網(wǎng)等效阻抗最小值。

過電流保護整定值Iset?.B1按躲過線路上的最大負荷電流來整定:

B1、B2處實際檢測到的電流值

根據(jù)上述計算結(jié)果，繪制了分布式電源容量與B1、B2處電流的關系圖。如圖3所示。

圖3　Sdg與IB2的關系Fig.3　Relation between Sdg and IB2

由圖3(a)可見，IB1隨著分布式電源容量的增大而減小；Iset.B1與IB1相交于(1，0.173)處，即當分布式電源容量大于1MW時，B1處檢測到的電流開始小于過電流保護的整定值，此時保護裝置不啟動，降低了靈敏度。

節(jié)水增糧行動項目區(qū)多分布于流域缺水地區(qū)，降水量較小，地表水資源較匱乏，且現(xiàn)狀供水工程的供水能力難以支撐大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉取水，因此，節(jié)水增糧行動項目供水水源仍將以鑿井抽取地下水為主。為進一步加大對項目區(qū)地下水資源的管理和保護力度，必須加強水資源論證工作，指導項目實施過程中合理開發(fā)地下水，嚴禁取用深層承壓水，最大限度保障地下水采補平衡，避免出現(xiàn)地下水超采漏斗，在項目實施過程中逐步削減地下水超采區(qū)超采量，改善地下水超采狀況和水環(huán)境。

由圖3(b)可見，IB2隨Sdg的增大而增大，Iset.B2與IB2相交于(4，0.218)處，即當Sdg>4MW時,由于IB2大于無時限電流速斷保護的整定值，而使保護誤動作。

2分布式電源對自動重合閘的影響

電力系統(tǒng)運行經(jīng)驗表明，架空線路絕大多數(shù)的故障都是“瞬時性”的，永久性的故障一般不到10%[8]。對于臨時性短路故障，為了確保不間斷供電，在供電系統(tǒng)中通常采用一種保護裝置，即自動重合閘裝置(Auto-Reclo sing Device, ARD)[9]。在由繼電保護動作切除短路故障后，電弧將自動熄滅，絕大多數(shù)情況下短路處的絕緣可以自動恢復，自動將斷路器重合，這樣不僅能提高供電的安全性和可靠性，減少停電損失，而且還能提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)水平，增大高壓線路的送電容量，也可糾正由于斷路器或繼電保護裝置造成的誤跳閘[10]。

當微電網(wǎng)的線路發(fā)生瞬時性故障時，微電網(wǎng)保護動作，使其處于孤島運行模式，而不是切除分布式電源。失去大電網(wǎng)的支持后，微電網(wǎng)很難與大電網(wǎng)保持完全同步，且大電網(wǎng)與微電網(wǎng)之間產(chǎn)生一個0～2π的相角差。而此時進行非同期重合閘會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流，導致繼電器發(fā)生誤動作，失去恢復瞬時性故障的能力。如果微電網(wǎng)中分布式電源的上游發(fā)生瞬時故障，繼電保護雖然可瞬時動作，但由于分布式電源仍持續(xù)向故障點提供短路電流，導致故障不能完全隔離，從而使瞬時性故障變?yōu)橛谰眯怨收铣蔀榭赡堋?/p>

33種成本較低的微電網(wǎng)保護方案

為解決大規(guī)模分布式電源接入條件下微電網(wǎng)過電流保護中存在的諸多問題，目前國內(nèi)外學者提出了不同的繼電保護研究方向和思路。文獻[11]中開發(fā)了一種實時故障定位裝置。該裝置比傳統(tǒng)繼電器更能精確地反映故障位置，但需要對現(xiàn)有的配電網(wǎng)進行改造，成本太高，因此尚不能應用于實際。文獻[12]中提出當微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的公共連接點(Point of Common Coupling, PCC)處檢測到有較大電流或電壓下降時，利用阻抗前饋和負荷模型反饋算法來保護微電網(wǎng)。通過控制系統(tǒng)和微電網(wǎng)之間的變流器，實現(xiàn)限制PCC處較大故障電流、抑制暫態(tài)振蕩的目的。該方法嵌入的大阻抗直接改變了電網(wǎng)的運行參數(shù)，同時會造成PCC處重合閘和保護配置困難。基于此，本文給出3種成本較低的微電網(wǎng)保護方案，在一定程度上能滿足微型電網(wǎng)保護的需要。

3.1　基于分布式電源出口電壓的保護方法

文獻[11]中提出了一種通過檢測分布式電源的輸出電壓來判斷故障情況的方法。該方法將A、B、C三相電壓通過

(1)

轉(zhuǎn)換為d-q坐標系下的電壓。式中，Uds、Uqs分別為d-q坐標系下的電壓。

再將式(1)得到的定子側(cè)d-q坐標系下的電壓Uds、Ugs通過

(2)

轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子側(cè)d-q坐標系下的電壓。式中，Udr、Uqr為轉(zhuǎn)子側(cè)d-q坐標系下的電壓。

(3)

式中，Udref、Uqref為無故障時的基準電壓；Uerror-d、Uerror-q分別為故障時轉(zhuǎn)子側(cè)d-q參考系下的電壓。

若微電網(wǎng)內(nèi)部無故障，則UDIST=0，保護裝置不動作。

當微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時，UDIST為振蕩的直流信號；當微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生三相短路時，UDIST為純直流信號；若微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生兩相短路，則UDIST為帶有交流紋波的直流信號。因此，通過觀察UDIST的波形，就可以判斷微電網(wǎng)內(nèi)部的故障類型。若要可靠切除故障，則需要設定一個閾值，當UDIST大于該閾值時，保護動作將故障切除。

3.2　基于電流序分量的保護方法

對稱分量法是分析電力系統(tǒng)三相不平衡的有效方法[13]，其基本思想是把三相不平衡電流、電壓分解成三組對稱的正序、負序和零序分量，故可將電力系統(tǒng)的不平衡問題轉(zhuǎn)化成平衡問題進行處理。在三相電路中，對任意一組不對稱的三相分量(電壓或電流)，都可以分解為3組三相對稱的分量，即

(4)

計算可得三相對稱分量如下：

(5)

電力系統(tǒng)的正序、負序、零序分量是根據(jù)電力系統(tǒng)A、B、C三相的順序來定的。對于正序分量，A相領先B相120°，B相領先C相120°，C相領先A相120°；對于負序分量，A相落后B相120°，B相落后C相120°，C相落后A相120°；對于零序分量，A、B、C三相相位相同[14]。對于理想的電力系統(tǒng)，在正常情況下運行，由于三相對稱，系統(tǒng)中只有正序電流分量，而當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，三相變得不對稱了，這時可以分解出負序和零序分量(有時只有其中一種)，故障類型對應的電流序分量如表1所示。

表1　故障類型對應的電流序分量Tab.1　 Current sequence components corresponding to different fault types

通常，微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生的故障主要有單相接地故障及相間短路故障，由上述分析可知，零序和負序分量可以用來檢測相、地和相、間故障。因此，筆者提出在微電網(wǎng)中每一相均配置電流互感器，提取三相電流，然后利用式(4)分解成3組三相對稱分量，再送入繼電器，并通過設定繼電器閾值使繼電器可靠動作。

3.3　基于諧波畸變率的保護方法

諧波畸變率(The Harmonic Distortion, THD)是表征電壓、電流波形相對正弦波畸變程度的性能參數(shù)，為全部諧波含量均方根值與基波均方根值之比，用百分數(shù)表示[15]。

基于THD的微電網(wǎng)保護方法是通過檢測THD來實現(xiàn)的。當微電網(wǎng)正常運行時，三相電壓幅值近似相等，當微電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障相電壓發(fā)生變化，低于正常運行時的相電壓。因此，通過檢測相電壓的THD可判斷微電網(wǎng)的故障類型。

圖4所示為CERTS給出的微電網(wǎng)模型，當檢測到微電網(wǎng)發(fā)生故障后，此時要進行故障定位，正常運行時的配電網(wǎng)相當于一個低阻抗的電壓源，使得微電網(wǎng)的THD較小；而當故障發(fā)生時，如圖4中的靜態(tài)開關SS便會迅速啟動，使微電網(wǎng)進入孤島運行模式，此時THD將明顯增大。此時將采集到的各相繼電器的諧波總和作比較，故障落在THD最大的區(qū)域內(nèi)，這樣便有效地實現(xiàn)了故障定位。

圖4　CERTS給出的微電網(wǎng)模型圖Fig.4　Micro-grid model given by CERTS

4結(jié)語

本文針對CERTS提出的微電網(wǎng)模型，分析了不同容量的分布式電源和接入位置的不同對微電網(wǎng)的過電流保護以及自動重合閘產(chǎn)生的影響，闡明了分布式電源的接入改變了電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、潮流分布、故障電流大小等，給出了3種針對含分布式電源的微電網(wǎng)的過電流保護措施。繼電保護配置在電力系統(tǒng)中具有舉足輕重的地位，針對含分布式電源的微電網(wǎng)的繼電保護研究正處于起步階段，研究含分布式電源的微電網(wǎng)的過電流保護措施對電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行具有重要意義。

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Over-Current Protection of Micro-Grid with Distributed Generators

YANGFenghui,ZHANGXiangfeng,WANGZhijie,CHENShuting

(College of Electrical Engineering, University of Shanghai Dianji, Shanghai 200240, China)

Abstract:This paper analyzes negative effects of the location and capacity of distributed generators on a micro-grid. Traditional three-step protection devices cannot meet the requirements of a micro-grid with a large amount of distributed generators. The American Association of Electric Reliability Technology Solutions (CERTS) has proposed a micro-grid model containing distributed generators. Based on the model, this paper presents three specific relay protection devices to ensure that micro-grid relay protection acts automatically, quickly and selectively.

Key words:micro-grid; over-current protection; distributed generator; relay protection

中圖分類號:TM 773

文獻標志碼:A