胡洛鋮，楊仁增，李鑫海

(1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽550025；2.貴州理工學(xué)院大數(shù)據(jù)學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

逆變型分布式電源(inverter-based distributed generator,IBDG)大多數(shù)為光伏電源，其并網(wǎng)的情況在當(dāng)下隨處可見,但是并網(wǎng)改變了系統(tǒng)潮流分布和結(jié)構(gòu)，這會影響系統(tǒng)的運行。為防止故障發(fā)生時,并網(wǎng)點的電壓降低導(dǎo)致IBDG脫網(wǎng)運行對配電網(wǎng)的正常運行和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響,IBDG需具備低電壓穿越特性[1-3]。配電網(wǎng)的傳統(tǒng)保護(hù)整定方法由于故障狀態(tài)以及IBDG接入情況等因素的影響，無法再根據(jù)實時故障量計算出合理的保護(hù)動作整定值[4],保護(hù)可能誤動或拒動。為使配電網(wǎng)的保護(hù)在IBDG接入時也能可靠動作,基于通信的保護(hù)方案能夠?qū)崟r獲取每個保護(hù)位置的電氣量信息,判斷故障發(fā)生的位置和類型。但是這種保護(hù)方案對通信的要求很高,如果傳遞信息失敗、傳遞信號缺失,保護(hù)將會失去可靠性,無法及時隔離故障,瞬時故障可能會演變成永久故障。因此,基于實時測量的本地電氣信息研究適用于IBDG接入的自適應(yīng)正序電流保護(hù)[5]。它能夠讓保護(hù)裝置根據(jù)系統(tǒng)運行方式、故障類型和位置、分布式電源接入情況實時調(diào)整保護(hù)整定值,使得保護(hù)能夠可靠動作，但是，已存在的傳統(tǒng)電流保護(hù)則無法準(zhǔn)確判斷并動作，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時,傳統(tǒng)保護(hù)無法算出正確的系統(tǒng)側(cè)等值阻抗和等值相電勢,得不到理想中的保護(hù)動作整定值。

短路故障發(fā)生時,IBDG只存在正序網(wǎng)絡(luò)中,它輸出的電流量是三相對稱量,一般把IBDG視作壓控電流源。本文結(jié)合IBDG的故障特性,提出并研究適應(yīng)于IBDG并網(wǎng)的自適應(yīng)正序電流保護(hù)方案。

1 傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)

對于傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)而言，當(dāng)含有IBDG的配電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時，由于傳統(tǒng)的電流保護(hù)定值無法跟隨故障情況、IBDG接入容量和位置以及系統(tǒng)的運行方式實時的調(diào)整保護(hù)定值,因此保護(hù)可能誤動或者拒動。

以圖1含IBDG的配電網(wǎng)為例，該配電網(wǎng)的IBDG側(cè)均配有保護(hù)裝置，用來隔離故障區(qū)域和避免反向故障的產(chǎn)生，但是本文中只考慮正向故障情況。兩端的保護(hù)裝置均需配置方向元件以防止反向潮流破壞系統(tǒng)運行。

圖1 含IBDG的配電網(wǎng)

對于圖1中的保護(hù)P1，不含IBDG時，其傳統(tǒng)電流速斷保護(hù)、限時電流速斷保護(hù)、定時限過電流保護(hù)的保護(hù)整定值分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

Im為故障相電流；IZDZ為各段保護(hù)定值。

當(dāng)IBDG并網(wǎng)后，系統(tǒng)潮流發(fā)生改變，傳統(tǒng)保護(hù)無法準(zhǔn)確判斷故障狀態(tài)并實時給出準(zhǔn)確的保護(hù)動作定值，使得故障不能及時切除，靈敏度降低，進(jìn)而有轉(zhuǎn)變成永久故障的風(fēng)險，在后文仿真中可證明。所以需要應(yīng)用本文中提到的自適應(yīng)正序電流保護(hù)。

2 適用于IBDG接入的自適應(yīng)正序電流保護(hù)

2.1 IBDG并網(wǎng)時的低電壓穿越控制策略

當(dāng)IBDG的并網(wǎng)點電壓降低時，一般希望它能不脫離電網(wǎng)繼續(xù)運行一段時間，因此，保護(hù)動作時IBDG不會離網(wǎng)運行，這會減少其并網(wǎng)次數(shù)，避免對電網(wǎng)的沖擊。電網(wǎng)的運行可以靠其輸出的無功功率來維持，輸出的無功量大小取決于電網(wǎng)的故障狀況和并網(wǎng)點電壓的降落程度，一段時間后，故障排除，IBDG不再輸出無功分量，電網(wǎng)恢復(fù)正常運行。IBDG輸出的無功電流Isq和并網(wǎng)點電壓之間的關(guān)系[6]滿足

(5)

Us為并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值；IN為IBDG輸出的額定電流；比例系數(shù)K1和K2分別取為2和1.2[7]。

IBDG并網(wǎng)采用雙閉環(huán)控制策略[8]。當(dāng)Us大于0.9時，根據(jù)IBDG出力情況，輸出相應(yīng)的有功電流，此時IBDG可視為恒功率源[9-10]，即Id=IN；當(dāng)Us小于0.9時，在IBDG輸出電流不超過1.2IN的前提下，輸出電流中既含有有功也含有無功分量，它們之間滿足

(6)

而且當(dāng)已知無功電流Isq的情況下也可根據(jù)式(6)求出有功電流的值，即

(7)

如果并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值小于0.2，此時IBDG只輸出無功電流,即Iq=1.2IN。

本文中IBDG采用恒功率PQ控制策略，q軸電壓分量Uq為0，無功功率參考值Qref也為0。

2.2 自適應(yīng)正序電流速斷保護(hù)(I段保護(hù))

當(dāng)配電網(wǎng)的饋線上f1、f2處發(fā)生兩相和三相故障時，通過分析保護(hù)處電壓和電流的正序分量，得出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而驗證自適應(yīng)正序電流保護(hù)在IBDG并網(wǎng)或離網(wǎng)狀態(tài)下的可行性。

2.2.1 兩相相間短路故障時的情況

故障發(fā)生時,將產(chǎn)生不對稱的電氣分量,鑒于IBDG只存在于正序網(wǎng)絡(luò)中，所以采用正序分量進(jìn)行整定值的計算[11]。

a.當(dāng)IBDG上游線路f1處發(fā)生兩相相間短路故障時，復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示[12]。

圖2 f1點兩相相間短路故障時的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)

圖2中，Es為系統(tǒng)等值電勢，Zs為保護(hù)P1背側(cè)等值阻抗；αZAB為保護(hù)P1處到故障點之間的阻抗；ZDG為IBDG的阻抗，阻抗分量比較大，流過該條支路的電流很小，所以忽略該阻抗所在的支路。

對于系統(tǒng)側(cè)保護(hù)P1而言，流過它的正序電流I11與正序電壓U11之間的關(guān)系為

(8)

α為比列系數(shù)，它表示故障點到保護(hù)位置之間的距離與故障點所在線路的比值，取值為[0,1][13]；ZAB為被保護(hù)線路AB的阻抗;Zs通過電壓、電流故障附加分量求得。

在利用本地信息的基礎(chǔ)上，為保證選擇性，保護(hù)P1的自適應(yīng)正序電流保護(hù)的整定值I11ZDZ為

(9)

根據(jù)式(9)可知，系統(tǒng)側(cè)保護(hù)P1可以根據(jù)當(dāng)前故障情況對整定值進(jìn)行實時計算，以保證保護(hù)范圍在可接受的波動范圍內(nèi)穩(wěn)定。因為IBDG輸出的電流相比于系統(tǒng)輸出的短路電流來說很小，所以可以忽略IBDG對于保護(hù)的影響。

對于保護(hù)P4而言，保護(hù)位置的正序電壓U14正序電流I14和之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 f1點故障時系統(tǒng)的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)

則保護(hù)P4處正序電壓與正序電流之間的關(guān)系滿足

(10)

由式(10)可以得到保護(hù)P4的整定值I14ZDZ，為了保證選擇性，取值為

(11)

Kk為可靠系數(shù)，這里取值為1.2?？梢钥闯霰Ｗo(hù)P4可以實時采樣分布式電源的出力和保護(hù)處正序電壓值，改變其保護(hù)整定值，實現(xiàn)自適應(yīng)。

b.當(dāng)IBDG下游線路f2處發(fā)生兩相相間短路，復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 f2點發(fā)生兩相相間短路故障時的復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)

可以求得保護(hù)P2的正序電壓U12與正序電流I12之間的關(guān)系為

(12)

為了保證BC線路保護(hù)與AB線路保護(hù)之間的配合性以及選擇性，取保護(hù)P2的整定值為

(13)

由式(13)可以看出保護(hù)P2的保護(hù)范圍因為IBDG的接入而變大，保護(hù)P2能夠根據(jù)系統(tǒng)的運行方式，故障的位置和類型以及IBDG的接入情況實時調(diào)整整定值大小，進(jìn)而調(diào)整保護(hù)范圍，達(dá)到自適應(yīng)。

2.2.2 三相短路故障時的情況

當(dāng)發(fā)生三相短路故障時，保護(hù)上正序電壓與正序電流之間滿足關(guān)系為

(14)

Zd為故障點到保護(hù)位置之間的阻抗。

為了保證保護(hù)的選擇性，正序電流整定公式為

(15)

ZL為被保護(hù)線路的阻抗。保護(hù)的保護(hù)范圍會隨著系統(tǒng)的運行方式、IBDG的出力情況等因素而變化，實現(xiàn)自適應(yīng)電流保護(hù)。

2.3 自適應(yīng)正序電流限時速斷保護(hù)(Ⅱ段保護(hù))

當(dāng)自適應(yīng)正序電流I段保護(hù)無法動作時，這時需要自適應(yīng)正序電流Ⅱ段保護(hù)作為其后備保護(hù)來及時切除故障，一般自適應(yīng)正序Ⅱ段保護(hù)的保護(hù)范圍不會超過下一級線路I段保護(hù)的保護(hù)范圍，而且它能根據(jù)系統(tǒng)運行方式和IBDG接入情況實時調(diào)整整定值。但它與下一級線路的I段保護(hù)的動作時間之間存在著一個時間階梯Δt，一般取為[0.3,0.6]，以保證保護(hù)間的配合性和選擇性。本文只在饋線1的線路AB上討論自適應(yīng)正序電流Ⅱ段保護(hù)且其作為線路BC的I段保護(hù)的后備保護(hù)。

2.3.1 兩相相間短路故障時的情況

根據(jù)圖4，令式(12)和式(13)相等，即可求得當(dāng)f2處發(fā)生兩相相間短路故障時I段保護(hù)的保護(hù)范圍β為

(16)

由于保護(hù)P1的Ⅱ段保護(hù)需要用到保護(hù)自身實測的正序電壓值來確定其保護(hù)定值，所以需要把式(12)中的U12進(jìn)行替換，此時流過保護(hù)P2的電流值為

(17)

將式(16)代入式(17)中，可得P1的Ⅱ段保護(hù)整定值為

(18)

根據(jù)此式(18)可以在f2處發(fā)生短路故障時，根據(jù)正序電壓值和IBDG出力情況實時調(diào)整保護(hù)P1的Ⅱ段保護(hù)整定值，保證自適應(yīng)的特性。在本級線路或下級線路的I段保護(hù)拒動時可靠動作，保證配合性。

2.3.2 三相短路故障時的情況

同理，根據(jù)下一級線路BC的f2處發(fā)生三相短路時的情況來確定保護(hù)P1的Ⅱ段保護(hù)范圍，可得整定值為

(19)

該自適應(yīng)正序電流Ⅱ段保護(hù)能彌補(bǔ)I段保護(hù)的不足，與I段保護(hù)一起組成了線路AB的主保護(hù)。保證了保護(hù)動作的可靠性和選擇性，能有效應(yīng)對兩相和三相短路故障。

2.4 自適應(yīng)正序電流定時限過電流保護(hù)(Ⅲ段保護(hù))

相對于I段、Ⅱ段保護(hù)，它能充當(dāng)線路主保護(hù)也能作為相鄰線路后備保護(hù)，但是它的整定值小于I段和Ⅱ段保護(hù)，一般傳統(tǒng)保護(hù)的三段保護(hù)定值為恒定的，但是本文中考慮到IBDG的接入情況，實時計算其保護(hù)定值，以實現(xiàn)自適應(yīng)，保證保護(hù)動作可靠性。本文也只討論線路AB的Ⅲ段保護(hù)。Ⅲ段保護(hù)的動作時限在Ⅱ段保護(hù)的動作時限上增加了一個時間階梯Δt,這就保護(hù)了三段自適應(yīng)正序電流保護(hù)之間的選擇性。

2.4.1 兩相相間短路故障時的情況

因為Ⅲ段保護(hù)可以保護(hù)相鄰線路全長，當(dāng)線路BC末端發(fā)生兩相相間短路時，可由此保護(hù)范圍實時整定Ⅲ段保護(hù)的保護(hù)定值，所以由圖4和式(17)可得此時流過保護(hù)P2的電流為

(20)

由式(25)可得保護(hù)P1的Ⅲ段保護(hù)整定值為

(21)

在系統(tǒng)不同的運行狀態(tài)和不同的故障狀態(tài)時，其和Ⅱ段保護(hù)一樣，測量實時正序電壓值和IBDG的出力及時調(diào)整保護(hù)定值，保證其動作的可靠性和與I、Ⅱ段保護(hù)的配合性，體現(xiàn)了自適應(yīng)的優(yōu)越性。

2.4.2 三相短路故障時的情況

同理，當(dāng)線路BC末端發(fā)生三相短路故障時，根據(jù)式(18)和式(19)可得整定值為

(22)

可見Ⅲ段保護(hù)能有效應(yīng)對三相短路故障，根據(jù)故障位置和IBDG的實時出力情況調(diào)整定值保證保護(hù)間的選擇性和配合性，實現(xiàn)自適應(yīng)。

3 仿真驗證

本文利用PSCAD/EMTDC仿真軟件，搭建如圖1所示的具有雙IBDG的配電網(wǎng)模型，來證明自適應(yīng)正序電流保護(hù)的優(yōu)越性。取系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量為100 MVA，基準(zhǔn)電壓為10.5 kV;線路單位長度阻抗為(0.27+j0.346) Ω/km。線路AB、BC、AE的長度分別為5 km、4 km、5 km;饋線末端的2個負(fù)載額定功率各為1 MW，功率因數(shù)均為0.85。在不同的故障位置和故障類型、不同的IBDG出力以及IBDG并網(wǎng)或者未并網(wǎng)的情況下，分析保護(hù)安裝處已存在的自適應(yīng)保護(hù)和本文中所介紹的自適應(yīng)正序電流保護(hù)的整定值和測量值之間的關(guān)系。

表1 線路AB、BC末端BC兩相相間短路故障時仿真結(jié)果

當(dāng)在f1和f2這2點處出現(xiàn)兩相相間短路故障時，α分別取為0.3、0.6、0.9，取IBDG的并入容量為8 MW、4 MW和未接入情況。對以上情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表2和表3所示。

表2 IBDG離網(wǎng)故障時的仿真結(jié)果

表3 BC兩相短路故障時的仿真結(jié)果

可以得到，當(dāng)IBDG的容量分別為0、4 MW、8 MW時，保護(hù)P1正序電流保護(hù)的保護(hù)范圍分別為83%、65.5%和61.6%，而且IBDG離網(wǎng)時的保護(hù)范圍不會因為故障的位置而發(fā)生改變。由此可見，當(dāng)IBDG并網(wǎng)后，由于分流作用，上游線路系統(tǒng)側(cè)保護(hù)的保護(hù)范圍會減小，減小的幅度會隨著IBDG出力不斷增大[15-16]而逐漸增大。對于保護(hù)P4而言，當(dāng)IBDG容量分別取為4 MW和8 MW時，其保護(hù)范圍分別為63.2%和66.2%，IBDG出力增大，P4的保護(hù)范圍會略微增加，其受IBDG的影響大于保護(hù)P1。對于下游線路保護(hù)P2，可靠系數(shù)Kk取1.2，它的保護(hù)范圍近似為80.1%。當(dāng)IBDG離網(wǎng)時，其保護(hù)范圍為73.1%。可以看出由于IBDG并網(wǎng)后對下游線路的助增作用，保護(hù)P2的保護(hù)范圍略微增加?？梢钥吹奖Ｗo(hù)P1的Ⅱ段保護(hù)可以覆蓋到下一級線路，當(dāng)IBDG 取為8 MW時，其保護(hù)范圍為62.5%，隨著IBDG容量的增大，保護(hù)范圍會逐漸減??；線路AB的Ⅱ段保護(hù)能與AB段I段保護(hù)配合運行，而且未超過BC段I段保護(hù)的保護(hù)范圍；AB的Ⅲ段保護(hù)在本級線路或相鄰線路的任何位置發(fā)生故障時均能準(zhǔn)確動作，它能根據(jù)故障時保護(hù)處的正序電壓和IBDG出力情況實時調(diào)整其保護(hù)定值。由此可見I、Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)能可靠動作。

取IBDG容量為4 MW，當(dāng)線路AB末端出現(xiàn)三相短路故障后，流過保護(hù)P1的電流為1 698 A，保護(hù)P1的傳統(tǒng)保護(hù)定值為I1DZ=KkId=1.2×1 698=2 038 A。當(dāng)發(fā)生BC兩相相間短路故障時，由表3可以看出故障位置α為0.6時，此時的傳統(tǒng)保護(hù)定值遠(yuǎn)大于計算得到的短路電流有效值I11，保護(hù)范圍難以達(dá)到要求的70%～80%，所以傳統(tǒng)電流保護(hù)不適用。對于正序電流保護(hù)來說，如果使用傳統(tǒng)電流保護(hù)定值，當(dāng)α=0.24時，I11=1 419 A<2 038 A，此時正序電流保護(hù)不能動作，達(dá)不到保護(hù)的動作和保護(hù)范圍要求。而且，由表3可知，保護(hù)P4的定值在α=0.9時很小，線路AB末端出現(xiàn)兩相相間短路故障時,通過快速傅里葉算法[17]采樣計算，可得P4的定值為551 A，故障相電流為IB=577 A,IC=422 A,由此，本級線路出口處故障時保護(hù)P4也能動作，這會導(dǎo)致保護(hù)失去選擇性，這是不被允許的。由此看來，在兩相相間短路和IBDG并網(wǎng)的情況下時，本文提到的自適應(yīng)正序電流保護(hù)擁有更好的性能。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)表4可以知道，當(dāng)按照式(15)進(jìn)行整定運算時， 所有保護(hù)的保護(hù)范圍都是82.1%，保護(hù)P1的Ⅱ段保護(hù)在線路BC段的保護(hù)范圍為70.5%，未超過下一級I段保護(hù)的保護(hù)范圍，Ⅲ段保護(hù)的保護(hù)范圍則能覆蓋相鄰線路的全長。由此可見I段和Ⅱ段、Ⅲ保護(hù)均不受IBDG接入容量以及故障位置等因素的影響，保護(hù)均可根據(jù)IBDG接入情況、系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障發(fā)生的位置自適應(yīng)的調(diào)整定值，保證保護(hù)動作的可靠性。自適應(yīng)正序電流保護(hù)能夠適應(yīng)IBDG接入時的情況，這能彌補(bǔ)傳統(tǒng)電流保護(hù)的不足。

由表2可知，當(dāng)IBDG未并網(wǎng)時，將公式中IDG置為0,可見自適應(yīng)正序電流保護(hù)在短路故障發(fā)生時也能可靠切除故障。從表2中數(shù)據(jù)可以看出各保護(hù)在短路故障時均可可靠動作，而且保護(hù)范圍也在要求的范圍內(nèi)，保護(hù)P1的I、Ⅱ、Ⅲ段保護(hù)之間能夠完成配合，且Ⅱ段保護(hù)未超過下一級線路I段保護(hù)的范圍，Ⅲ段保護(hù)也能作為相鄰線路及本級線路的后備保護(hù)。所以三段保護(hù)均能自適應(yīng)調(diào)整保護(hù)定值，靈敏度也滿足要求。

4 結(jié)束語

分布式電源接入配電網(wǎng)的現(xiàn)象已經(jīng)非常普遍，但隨著IBDG數(shù)量規(guī)模和出力的逐步擴(kuò)大，配電網(wǎng)潮流計算也變得越來越復(fù)雜，控制難度也逐步擴(kuò)大，在IBDG并網(wǎng)后，現(xiàn)有的傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)將難以實時調(diào)整保護(hù)定值，及時有效隔離故障，失去了靈敏性和可靠性。本文中，整定公式通過故障時保護(hù)位置上電壓和電流的正序分量之間的關(guān)系來定義，又根據(jù)IBDG的實時出力情況，進(jìn)而確定每個保護(hù)的定值和保護(hù)范圍，實現(xiàn)自適應(yīng)。經(jīng)過仿真驗證，IBDG接入時保護(hù)在兩相相間和三相短路故障的情況下均能可靠動作，也能應(yīng)對IBDG并網(wǎng)點電壓降低的情況，在IBDG離網(wǎng)時，保護(hù)也能可靠動作，保證了系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運行?？梢钥紤]將已有的自適應(yīng)電流保護(hù)和本文中的正序電流保護(hù)配合運行，以獲得更好的性能。

表4 三相短路故障時的仿真結(jié)果