含分布式電源的電網故障分析方法與保護原理研究.pdf

1、近年來，在滿足不斷增長的電力需求的同時，為了應對化石能源逐漸衰竭和環(huán)境保護等多重壓力，以風力發(fā)電和光伏太陽能發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術在我國得到了大力發(fā)展，并已成為我國能源領域的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一。
　　分布式電源的發(fā)電模式及并網方式多樣，其饋入電網的故障電流的暫態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性都與傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機相比均存在較大差異。此外，分布式電源的出力受自然環(huán)境和氣候等因素的影響較大，具有明顯的隨機性、間歇性的特征。分布式電源復雜的故障電流特

2、性和多變的運行方式導致傳統(tǒng)繼電保護性能劣化，嚴重影響電網的安全穩(wěn)定運行。同時，這也使得傳統(tǒng)的以交流同步電機供電電源為基礎的短路電流分析理論和方法難以滿足分布式電源接入后電網故障分析的要求，給以故障特征為基礎的繼電保護原理研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。這已成為制約分布式發(fā)電技術進一步發(fā)展和應用的重要技術瓶頸，存在大量的理論和技術問題亟待解決。本文在國家自然科學基金面上項目“應對分布式電源規(guī)?；尤氲闹悄芘潆娋W保護構建模式與原理研究”（511770

3、58）資助下，圍繞不同類型分布式電源的故障電流特性、含分布式電源的電網故障分析方法以及適應分布式電源接入的電網保護原理改進方案等開展了深入的研究工作。
　　繼電保護的基本任務是根據電網故障后電氣量（或非電氣量）的變化特征，鑒別和隔離故障設備或元件，因此，電網故障特性分析是繼電保護研究領域的基礎內容。根據各類分布式電源在電網故障時呈現(xiàn)出的外部故障特性，本文將分布式電源劃分為異步型電源（交流直接接口的異步交流電源，如雙饋風機電源）和逆

4、變型電源（采用逆變器接口的電源，如太陽能光伏電源）等兩種基本形式，并對這兩種類型分布式電源的故障電流特性開展了系統(tǒng)的理論研究和仿真分析工作。
　　對于雙饋風電機組（異步型電源），在近區(qū)嚴重故障（雙饋風電機組機端電壓跌落較為嚴重）的情況下，為了保證風電機組的運行安全，撬棒保護將會動作，并通過電阻短接轉子繞組以旁路轉子側變流器。在遠區(qū)非嚴重故障（雙饋風電機組機端電壓跌落相對較?。┣闆r下，撬棒保護不會動作，雙饋風電機組的轉子繞組仍由變頻

5、器進行勵磁。這兩種情況下，雙饋風電機組的運行特性和饋出的短路電流特性大不相同，因此，論文分別針對近區(qū)嚴重故障和遠區(qū)非嚴重故障開展了雙饋風電機組的故障特性研究。
　　對于近區(qū)嚴重故障（撬棒保護動作），論文提出了一種基于定子繞組磁鏈簡化計算模型的故障電流特性分析方法。該方法建立了兩相靜止坐標系下雙饋風電機組的動態(tài)模型，以適應對稱及不對稱電網故障情況下雙饋風電機組故障電流特性研究的要求。根據所建立的分析模型，對撬棒保護動作情況下定子繞組

6、磁鏈動態(tài)過程進行了研究，提出了一種兼顧精確性和簡易性的定子繞組磁鏈的簡化計算模型。以此為基礎，通過理論分析和數字仿真研究了對稱故障和不對稱故障情況下雙饋風電機組的故障電流特性，得到了其解析表達式，并建立了故障電流的等效計算模型。
　　對于遠區(qū)非嚴重故障（撬棒保護不動作），鑒于故障期間變頻器的勵磁調節(jié)特性將對風電機組的故障電流特性造成很大的影響，本文提出了一種計及勵磁調節(jié)特性影響的雙饋風電機組故障電流特性分析方法。在研究雙饋風電機組

7、的穩(wěn)態(tài)控制策略和常用的低電壓穿越運行控制策略的基礎上，分別對典型Ⅰ型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)的轉子電流內環(huán)的動態(tài)響應特性進行了分析。在此基礎上，對非嚴重故障期間雙饋風電機組的轉子和定子故障電流特性進行了理論和仿真研究，得到了相應的解析表達式。
　　在各類分布式電源中，大多數類型的分布式電源需通過逆變器接入電網，這類逆變型分布式電源的故障電流特性與其在電網故障期間所采用的低電壓穿越運行控制策略密切相關。針對此，論文提出了一種能夠滿足并網規(guī)

8、程要求的低電壓穿越運行控制策略，建立了逆變型分布式電源故障電流特性分析模型，給出了短路電流的解析表達式。在上述理論研究的基礎上，對電網對稱和不對稱故障期間逆變器控制器的動態(tài)響應特性以及短路電流特性進行了仿真分析，驗證了理論分析的正確性。
　　分布式電源的特殊故障電流特性導致傳統(tǒng)電網故障分析方法不能適用于含分布式電源的電網。為了滿足含分布式電源的電網故障分析的要求，為電網故障特性、繼電保護配置模式和實現(xiàn)原理等研究奠定理論基礎，亟需提

9、出一種含分布式電源的電網故障分析方法。針對此，本文首先對傳統(tǒng)的以交流同步電機供電電源為基礎的電網故障分析方法進行了研究；然后，以含逆變型分布式電源的電網為例，分析了傳統(tǒng)電網故障分析方法存在的主要問題。在此基礎上，提出了一種含逆變型分布式電源的電網故障分析新方法。仿真研究證明了所提出的故障分析新方法的有效性和正確性。
　　雙饋風電機組復雜的故障電流特性和不斷波動的功率輸出使得應用在雙饋風電場聯(lián)絡線上的傳統(tǒng)繼電保護原理的性能嚴重劣化，

10、難以滿足實際電網安全運行要求。針對這個問題，論文提出了一種新型距離保護方案。該保護方案以輸電線路微分方程為基礎，其性能不受雙饋風電機組撬棒保護動作行為和故障電流中衰減交流分量的影響。同時，采用二階巴特沃斯低通濾波器對測量電壓和電流進行處理，可有效降低高頻暫態(tài)分量對距離保護性能的影響；并通過故障點電壓重構和故障距離迭代計算，提高了故障距離計算結果的穩(wěn)定性和準確性。仿真研究表明，新型距離保護方案整體性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)距離保護方案：能正確識別區(qū)