微网保护分析.pdf

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第4O卷第l1期2012年6月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV_01.40No.11Jun.1,2012微网保护分析张玉海,王新超,许志成,王俊成(1.山东大学电气工程学院,山东济南250061;2.江苏电力公司检修分公司,江苏苏州215004)摘要:对微网特性以及影响保护的因素进行了分析,提出了微网的保护机制并进行了仿真。微网系统内部的保护须考虑逆变式电源的限流作用和微网双向潮流特性,还须综合考虑通信的应用,保护在不同运行方式下的适应性,与控制方式的协调性以及动作时间的合理设置等问题。在对这些因素进行分析的基础上,提出了微网的保护机制:对于线路故障,采用纵联保护:对于负荷故障,采用各相电流矢量和作为故障判据。研究中利用下垂控制原理在PSCAD中搭建了微网的模型,并对微网孤岛运行模式下各种负荷故障情况进行了仿真,仿真结果表明了所提负荷故障保护方法在孤岛运行方式下的有效性。关键词:DG;微网;微网保护;纵联保护;各相电流矢量和Analysisofmicrogridprotection—ZHANGYu-hai,WANGXinchao,XUZhi.cheng,WANGJun.cheng2(1.SchoolofElectricalEngineering,ShangdongUniversity,Jinan250061,China;2.MaintenanceBranch,JiangsuElectricPowerCompany,Suzhou215004,China)Abstract:Basedontheanalysisofmicrogridcharacteristicsandfactorsthataffectprotection,aprotectionschemeisproposedandsimulated.Microgridprotectionshouldtakeintoaccountthecurrentlimitationofinverter-basedDGsandthebidirectionalpowerflowinthegrid.Utilizationofcommunication,adaptionofprotectionindifferentoperatingmodes,coordinationwiththecontrolsystemandfaultclearingtimeshouldalsobeconsidered.Basedontheanalysisoftheabovefactors,aprotectionschemeisproposed.Asforthelinefault,pilotprotectionisusedintheprotection;asfortheloadfault,thevectorslamofeachphasecurrentisadoptedasthefaultcriterion.AmicrogridmodeliSestablishedusingdroopcontrolwithaPSCADsoftware.anddifferentloadfaultsintheislandedmicrogridaresimulated,andtheresultshowsthattheproposedload-faultprotectionisvalidinanislandedoperatingmode.Keywords:DG;microgrid;microgridprotection;pilotprotection;vectorsumofeachphasecurrent中图分类号:TM71文献标识码:A文章编号:1674-3415(2012)11-0055・060引言分布式发电技术因其本身所具有的优势从最初产生就受到人们的重视【l1,近年来随着对可再生能源的需求,越来越多的分布式电源(DG)开始并入电网运行。这些DG在提供电能的同时也给电网带来了不利影响。DG的并入改变了原电网辐射型单电源的用户配电方式,破坏了原有的保护条件,甚至还会造成重合闸的失败L2J。解决DG接入诸问题的方法是采用微网技术(如图1)。其特点是微网不对外输出功率,整体呈现负荷特性,因此对于微网外部原有保护不会产生不利影响。外部故障时,微网通过断开与电网接点PCC,实现孤岛运行,最大限度地利用DG来提高局部用户供电的可靠性。但内部故障时,微网保护还面临许多问题,尤其是当微网含有基于逆变器的分布式电源时。MMSMicrogridmanagementsystem微网能量管理系统…能量管理,负荷控制等数据传输路径图l微网结构图Fig.1Schematicofthemicrogrid电力系统保护与控制配电网的保护都是基于短路过电流的,而微网中带逆变器DG都会装设快速响应限流模块,因此故障情况下无法提供足够大的短路电流,使传统过流保护元件无法正常启动L3J。文献[4]通过将微网分成几部分来对其进行保护,故障时只需将相应部分切除即可,但是保护方法比较复杂,需要综合考虑Id(Id--Z:l,1),零序电流,负序电流以及需要同欠压保护和动作时间等配合,而且将微网分为几部分的方法也不利于最大限度利用DG,降低了部分用户的供电可靠性。文献[5]设计了导纳继电器应用于微网,导纳继电器不具有方向性,可以对上级和下级线路进行保护,但是文中并未进行精确的仿真,该保护方法和继电器的实用性值得商榷。文献f6.7]采用了数字继电器,该类型继电器可以检测过电流,过/欠压且可编程可实现相互之间的通信,该保护方法对设备要求较高。文献[8]将所测电压转换到dq坐标,然后将转变后的电压同参考电压相比较,差值大于动作值则跳闸,区内区外故障的区分通过不同继电器之间的通信实现,属于针对性的保护,没有考虑DG控制方式不同时频率的影响。本文主要是针对上述问题,从微网保护分析的基础上提出了微网保护的一些措施原则,其方法简单、响应迅速。1微网特性及保护需考虑问题与大电网不同,微网的保护与运行具有自己的特殊性。1.1微网潮流内部的结构决定了微网的双向潮流特性,传统保护中的选择性原则在微网保护中较难满足【9]。微网中一般根据不同电源的特点采取不同的控制方式,对于风力发电和光伏发电这些输出功率受天气影响比较大的电源,若通过配备储能装置的方法使这类电源根据负荷需求调整发电量,则需要配备较大容量的储能装置,这会降低系统的经济性,因此这类可再生能源的目标是保持最大的利用率,分布式电源能输出多少功率就输出多少功率I1川,微“”网设计时一般会满足此类电源即插即用的特点。这就加剧了微网中潮流流动的不确定性,设计保护方法时应尽可能做到不受潮流的影响。1.2通信在同等电压等级配电网中一般较少采用基于通信的保护。微网中,故障的判断较为复杂,有时需要利用多点的信息;为了维持微网的稳定,也需要确保故障能够及时地切除。基于通信的保护可以很好地完成这些功能。微网线路不会太长,为几百米左右,方便信息信道的铺设。如将微网作为具有孤岛运行功能的智能配电网一部分的角度来考虑,应装设MMS(智能微网管理系统],如图1所示。MMS为确保微网最经济有效地运行需同微网的各个部分保持联系,在合理设置MMS功能的情况下,可考虑将保护装置同其相结合或者直接利用其通信信道减少系统的投资。1.3保护在不同运行方式下的适应性微网既可以并网运行又可以独立运行的特点给保护的设计带来了新的挑战,孤岛运行条件下,短路电流由DG提供,基于逆变器的DG无法提供足够大的短路电流。并网条件下,短路电流可通过迭加定理来分析,电网能提供很大的短路电流,逆变器DG提供的短路电流只占短路电流很小的一部分l1。在这两种运行方式下短路电流差别很大,在一种运行方式下可行的保护方法在另一种运行方式下可能变得不再可行。f_-下图2迭加原理分析故障电流Fig.2Analysisofthefaultcurrentbymeal'lSofsuperpositiontheorem对于短路电流的这些特点一般有两种应对方法J:一是设置限制条件使保护可以针对不同的运行方式;二是设计可以适用于两种运行方式的保护策略。其中前者可通过不同运行方式下故障电流的计算来整定,相对较容易实现,但是因限制条件的加入使得保护变得复杂。后者可以通过一套保护作用于不同的运行方式,但是对保护适应性的要求比较高。1.4故障切除时间微网中的分布式电源多采用电力电子接口,这使得微网具有缺少惯性、响应速度快等特点。若采用配电网相同电压等级下的故障切除时间,容易使微网系统失去稳定。故障切除时间还应该考虑到负荷的敏感程度,保证故障切除后系统还能保持稳定。例如,电动机负荷所占的比例越大,临界故障切除时间越短;三相短路故障点离感应电动机负荷点越近,临界故障清除时间越短【10J。1.5DG不同控制方式与保护的对应DG的控制是微网控制的基础,目前关于DG张玉海,等微网保护分析.57.的控制方法的研究比较多【1引,常见的有恒压恒频控—制、PQ控制、P.f,QV下垂控制、f-p,V-Q下垂控制等。不同方法的控制模块输入量及其所控制DG的输出量不同,当控制方式中没有加入任何针对故障的模块时,故障情况下,控制方式也会使所控制DG的输出量向参考值靠近,从而引起可以用以保护的电气量例如电压、电流等发生失常变化。在对分布式电源控制方法进行设计时,应该考虑到故障情况并采取必要措施,例如数值限幅,跳闸时问配合等;同时保护方式也应该充分地考虑到DG控制方式的影响,设计与对应控制方式相协调的保护或是可适用于任何控制方式的保护。2保护设计同大电网一样,微网内部发生故障时,通常不希望直接切掉电源,而是通过保护装置的选择性将故障部分切除,保证微网系统的稳定及正常部分的供电。微网系统内,某些电源除提供电力负荷外,还接有其他形式的负荷比如热负荷,因此更不能轻易切除这些电源。按故障位置来对影响微网的故障进行分类,可分为如下三种情况(图1):(1)配电网故障FI;(2)微网内部线路故障F2;(3)微网内部负荷故障F3。其中F1属于微网区域外故障本文未予研究。对于F2故障可采用纵联保护。纵联保护通过比较被保护元件两端的电气量等信息来实现,不存在与相邻元件的配合问题,不会受到逆变器控制方式及限流作用的影响。且纵联保护响应迅速能及时将故障线路切除,不至于因为故障时间太长而使微网失稳。F3类型故障,借鉴零序电流保护的原理,取各相电流矢量和作为故障判据。以星形中性点不接地和接地两种负荷接线方式为例,对于前者,可取各相电流矢量和fd22.作为故障判据(图3(a))。后者,通过合理调整线路(图3(b)),亦可以取得各∑相电流矢量和fd=。未发生故障情况下=≠0,当保护区域内发生不对称接地故障时,0,设定动作值即可实现故障下的正确动作。该保护方法只反应保护区域内部的不对称接地故障,不会受到逆变器控制方式及限流的影响且动作迅速。由于微网规模不会太大,内部负荷线路的调整也不会造成太大的额外投资,同时也节省了保护设备之间的联络线路。考虑到设备及实现方法尽量简化时,该保护同样可以只选择电流方向进行比较。~l~、・¨a17.,,一l_一卜一------_J11‘‘■\、r++、1//~IlL0a咄(b)接地情况图3负荷故障保护Fig.3Protectionofloadfaults(a.ungroundedb.grounded)在所有故障中,单相接地故障所占比例较高,以上方法可以实现这些多数情况故障的保护。若某些负荷对于保护有较高要求,可调整线路对每相单独进行保护,原理如图4所示,该方法同样适用于单相负荷的保护。I.’,。\tt’a‘’、+r]口口Load『II图4对每相进行保护Fig.4Protectionofeachphase当线路保护或者负荷保护失灵时,须及时跳开相关DG。以DG装设欠压保护为例,该欠压保护应该装设时间延迟模块以留出其他保护动作的时间。3仿真与分析本文选取图1微网中的一条馈线进行仿真研究(图5)。微网为380V电压等级,馈线接有两个负荷两个DG,DG控制方式如图6所示,其中Vat=800V,逆变器出口LC滤波器Lf=0.6mH,Cr=I500DG容量P=50kW,微网线路一般较短故采用阻抗模型,仿真中以串联电阻电感模拟Rl=0.0641Q,厶=0.032mH。微网孤岛方式运行时,DG只给重要负荷Loadl供电,负荷采用星形接线电阻电感串联模型,R=1.25Q,L=ImH。一58一电力系统保护与控嘲UoDG1@DG2【l(:查)保护安装处L蚪・——…L——一图5本研究所用微网结构Fig.5Schematicofthemicrogridinthispaper3.1DG控制方式DG控制方式总体结构如图6所示。图6DG控制方式总体结构Fig.6SchematicofaDGcontrolsystemDG采用P.f,O.V下垂控制方式。适当选择控制器的参数刚,可以使得分布式电源等效阻抗为感性,根据感性阻抗情况下输出有功功率主要与频率有关,无功功率主要与电压幅值有关的原理设计功率控制器如图7所示。为了进一步保证分布式电源输出电压电流的质量,仿真中加入了内环电压电流控制器【J制,如图8、图9所示。豳角频率功率拐相角计算幅值图7功率下垂控制器Fig.7Powerdroopcontroller3.2仿真图形及分析对于线路故障,采用方向比较式纵联保护或纵联电流差动保护方式。发生故障情况下,线路两侧电流方向发生相应的变化,该方向的变化受控制方式的影响较小,与大电网保护情况基本相同,本文不予研究。图8内环电压控制器Fig.8Inner-loopvoltagecontroller图9内环电流控制器Fig.9Inner-loopcurrentcontroller对于负荷保护,采用本文所述保护方式,研究微网孤岛运行方式下不同故障判据波形。f1)星形接线中性点不接地负荷微网孤岛方式运行,0.2s时保护出口处发生故障,故障持续时间0.2s,id波形如图10所示。在发生单相接地和两相短路接地两类故障的情况下,id波形有明显的变化,可通过合理地设置动作值使保护装置动作。0.05001O00.150O.2000.2500-3O00_3500.400(b)两相短路接地图10不接地类型负荷故障下id波形Fig.10Waveformsofidunderfaultsofanunearthing-load(a.single-phaseground;b.two-phaseground)张玉海,等微网保护分析.59.该保护方法动作情况会受到故障位置的影响。当三相负荷中性点附近发生故障时存在死区,判据数值较小。若采用减小整定值的方法,容易造成保护的误动。但是该情况对于系统及负荷稳定性的影响比较小,在某些时候甚至允许一定时间内的带故障运行,因此可发出警告信号然后结合其他方法来确定该类型故障的发生。(2)星形接线中性点接地负荷故障位置时间设置同(1),该类型负荷判据中加入了中性线的电流,波形如图11所示。相比于正常情况,故障下判据数值较大。同样可合理设置动作值使保护装置动作。Main:Graphs一100—150n0000.05001O00l50n2000.25003O003500400(b)两相短路接地图11接地类型负荷故障下fd波形Fig.11Waveformsoffdunderfaultsofanearthing-load(a.—singlephaseground;b.two-phaseground)f3)不对称运行故障判据包括了各相电流,在负荷中性点接地情况下将地线也包括在内,因此不会受到负荷不对称的影响。需要注意的是负荷不对称时,负荷中性点会发生偏移,死区位置会发生变化。以星形接线中性点接地负荷为例,a相负荷改为R=0.8Q,L=0.5mH,其他两相负荷不变,保护出口处发生单相接地,判据波形如图12所示。其他故障情况与对称运行时有类似的波形。f4)单相负荷以上保护方法无法检测三相接地故障以及相间故障,若某些负荷对于保护要求较高需对每相单独进行保护(图4)。取星形接线三相对称中性点接地负荷进行仿真,以A相为例,观察各种故障情况下判据波形,时间设置同(1)。相对于正常情况,故障时判据同样会有较大的变化(图13)。Main:Graphsn0500.1000.1500.200O.2500.3000.3500.400图12不对称负荷单相接地故障下波形Fig.12Waveformof/du—nderasinglephasegroundfaultwithasymmetricalloadsMain:Graphs01000.1500.2000.2500.3000.3500.400(a)a相接地Main:GraphsMain:GraphsO00.1O00.1500,2000.25003000.3500.400(c)ab相短路接地Main:Graphs0.0500.1000.150n2000.2500.3O00.350U400(由三相接地短路图13单相负荷保护判据波形Fig.13Faultcriterionwaveformoftheprotectionofasinglephasera:a-phaseground;b:ab・phaseshort;c:ab。phaseground;d:there-phaseground)一6O一电力系统保护与控制微网并网运行的情况下,判据电流可通过叠加原理得到,仍旧可以在保护中加以应用。4结论该文在分析微网特性及其对保护影响的基础上,按位置不同对故障进行了分类并提出了相应的保护措施。各相电流矢量和作为故障判据对微网中负荷进行保护不会受到微网双向潮流特性的影响,受微网运行方式以及DG控制方式的影响较小,且该方法响应迅速,能最大限度地保证微网系统的稳定。在利用仿真对系统进行研究过程中,本文并没有对微网并网运行的故障情况进行仿真,也未考虑到保护方法的硬件实现情况,这都需要做进一步的研究。参考文献[1]肖宏飞,刘实荣,郑凌蔚,等.微型电网技术研究初探—fJ1.电力系统保护与控制,2009,37(8):114119.———XIAOHongfei,LIUShirong,ZHENGLingwei,eta1.Apreliminaryresearchonmicrogridtechnology[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(8):114.1l9.[2]周卫,张尧,夏成军,等.分布式发电对配电网继电保护的影nNJ].电力系统保护与控制,2010,38(3):—15,10.ZHOUWei,ZHANGYao,XIACheng ̄un,eta1.Effectofdistributedgenerationonrelayprotectionofdistributedsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(3):1-5,10.E33LasseterRH.Microgrids[C】//IEEEPowerEngineeringSocietyWinterMeeting,2002:305-308.[41NikkhajoeiH,LasseterRH.Microgridprotection[C】//2007,IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,PES.E5jManjulaDewadasa,RitwikMajumder,ArindamGhosh,eta1.Controlandprotectionofamicrogridwithconvegerinterfacedmicrosources[C]//2009ThirdInternationalConferenceonPowerSystems.[6jSo ̄ommeE,MapesGJ,FosterBA,eta1.Faultanalysisandprotectionofamicrogrid[C】//40thNoahAmericanPowerSymposium,NAPS2008.[7]EricSortomme,VenkataSS,JoydeepMitra.Microgridprotectionusingcommunication-assisteddigitalrelays[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,2010,25(4):2789.2790.—[8]AINasseriH,RedfemMA,LiFAvoltagebasedprotectionformicro-gridscontainingpowerelectronicconverters[C】//2006IEEEPowerEngineeringSocietyGeneralMeeting,PES.[9]赵上林,吴在军,胡敏强,等.关于分布式发电保护与微网保护的思考[J].电力系统自动化,2010,34(1):—7377.—ZHAOShanglin,WUZai-jun,HUMin-qiang,eta1.Thoughtaboutprotectionofdistributedgenerationandmicrogrid[J].AutomationofElectricPowerSystems,20l0,34(11:73-77.[10]肖朝霞.微网控制与运行特性分析[D】.天津:天津大学2008.XIAOZhao-xia.Controlandoperationcharacteristicanalysisofamicrogrid[D].Tianjin:TianjinUniversity,2008.[11]HannuJaakkoLaaksonen.Protectionprinciplesfor ̄turemicrogrids[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2010,25(12):2910-2918.[12]JayawamaN,JenkinsN,BarnesM,eta1.Safetyanalysisofamicrogrid[C】//theFuturePowerSyst.2005con£—(FPS),Amsterdam,Netherlands,Nov1618,2005.[13]苏玲,张建华,王利,等.微电网相关问题及技术研究[JJ.电力系统保护与控制,2010,38(19):235.239.SULing,ZHANGJian-hua,WANGLi,eta1.Studyonsomekeyproblemsandtechniquerelatedtomicrogrid[J].PowerSystemProtectionandControl,2010,38(19):235.239.[14]PogakuN,ProdanovicM,GreenTC.Modeling,analysisandtestingofautonomousoperationofaninverter-basedmicrogrid[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2007,22(2):613-625.收稿日期:2011-07-04;修回日期:2011-12-03作者简介:张玉海(1982一),男,研究生,主要研究方向为继电保—护、微网控制与保护;Email:yuhai9798@sina.com王新超(1962-),男,博士,副教授,主要研究方向为电力设备状态监测与安全运行。
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