基于电压扰动的微电网加速保护策略研究

时间:2022-07-14 08:49:39

基于电压扰动的微电网加速保护策略研究

【摘 要】针对传统配电网保护以及目前常用的几种微电网保护在微电网应用中的局限性,提出一种基于电压扰动的反时限加速保护策略。该保护是根据分布式电源输出电压发生扰动的情况来判断微电网内部是否发生故障,以及发生故障的类型和位置,同时利用MATLAB对该保护进行仿真分析,其仿真结果验证了它不仅能够保证故障时保护的可靠性,选择性和速动性,而且适用于微电网并网运行和孤岛运行2种状态,具有一定的参考和实用价值。

【关键词】扰动电压;微电网;并网运行;孤岛运行;MATLAB

【Abstract】View to limitations on the applications in micro-grid of tradition distribution network protection and currently used several micro-grid protections,it proposed an accelerated protection strategy based on voltage disturbance acceleration.The protection is based on the voltage disturbance of distributed power to determine whether the internal micro-grid faults, as well as the type and location of failure,and uses MATLAB to simulate and analyses,the results verify that it is not only able to guarantee the reliability,selectivity and speed of protection,but also for micro-grid in net-con

0 前言

随着电力电子技术的发展和新能源的普及,微电网已在整个电网中起到了至关重要的作用。由于目前的微电网一般都是直接接入低压配电网的,且低压配电网又主要采用电流速断保护和过电流保护,同时新型微电源使用大量的逆变器,使得微电网系统发生故障时,微型电源输出的故障电流不超过正常运行电流的两倍,以致过电流保护不能动作,同时还不能满足微电网的保护范围及保护配合要求,从而给电力系统的保护带来了新的问题和挑战。针对此种情况,目前对于微电网的保护,也提出了几种比较有效的保护措施,但它们在实际的工程应用中也存在一定的问题。如三相四线低电压保护,该保护虽可以反映微电网中的各种故障,但由于涉及序量的计算,使保护的实现更加复杂[1];由工控机实现的实验室微电网保护系统,其硬件平台比较复杂,投资费用较大[2];而将Agent技术应用于继电保护的这种保护方法虽然能够自适应电力系统的各种变化,但Agent在继电保护中的应用刚刚起步,尚不成熟[3-5]。

鉴于以上各种保护的特点,本文提出了一种基于电压扰动的反时限加速保护策略,此保护不仅可以准确的判断故障的类型和位置,而且能够保证系统在发生故障时具有优良的动作性能,满足继电保护选择性和快速性的要求。

1 基于电压扰动的反时限加速策略保护原理

基于电压扰动的反时限加速保护策略实际上是一种根据分布式电源输出电压发生扰动的情况来判断微电网内部是否发生故障,以及发生了何种类型的故障的一种保护,同时此保护还可以根据扰动电压的强弱来控制保护的动作速度。它是一种适用于微电网自身保护的快速检测方法,具体如下所示[6]。

首先,利用标准的电压互感器检测微电源出口的三相端电压,然后将其进行派克变换,具体见式(1)。

UUU=cos?兹cos(?兹-?仔)cos(?兹+?仔)-sin?兹-sin(?兹-?仔)-sin(?兹+?仔) UUU(1)

然后,设定一个周期更新的参考信号Udref、,Uqref与Ud、Uq进行比较,得到扰动电压UDIR1、UDIR2,具w见式(2)所示。其中,扰动电压的上下限决定了故障检测的灵敏度[5]。

U=U-U

U=U-U(2)

同时,为了确保扰动电压不是由测量系统的噪声所引起,将扰动电压U和U通过低通滤波器进行过滤,然后送入两重迟滞比较器与其相应运行方式下的门槛电压进行比较,如果扰动电压大于相应的门槛电压,则判断系统发生了故障,反之,则处于正常运行状态。

由于在不同的故障状态下,扰动电压的大小与类型均有较大的变化,故通过扰动电压的变化情况就可以实现各种故障类型的判别,同时,扰动电压的大小与故障发生的位置和严重程度有关。即扰动电压与门槛值的差值越大,故障离微电源保护安装处的距离就越近,反之,就越远。故扰动电压与门槛电压的比值也可以敏感的反应故障的位置和严重程度,即比值越大,故障离保护安装处距离越近,则相应的保护就应该动作越快,因此基于以上理论提出电压扰动的反时限加速保护策略,其保护的动作时间,可按式(3)整定[7]:

t=(3)

其中,tp为保护的动作时限,具体按阶梯原则整定,而u扰动和u门槛分别为微电网的扰动电压和门槛电压值,且称为扰动电压加速因子。

由式(3)可知:保护的动作时间只与扰动电压加速因子的大小有关,与短路电流无关,因此,当系统发生故障时,利用电压扰动的加速保护策略,可以迅速判断发生了何种故障,然后根据扰动电压加速因子的大小来确定故障的位置以此来设置保护的动作速度,保证在不同故障类型下,本保护都能够准确快速的判断故障并起到最优的加速效果。即使在微电网孤岛运行短路电流比并网时小的多的情况下,本保护也能客服电流保护不能有选择性的快速动作的这个问题,保证了保护的可靠性、选择性和速动性。

2 实例仿真分析

图1为一个含分布式电源的400V低压配电系统。主配网容量为100MVA,分布式电源DGl为V/F控制,最大输出功率为65kW;DG2为P/Q控制,最大输出功率为10kW;线路长度如图1所示,具体参数为x=0.073Ω/km,R=0.325Ω/km。当开关K1闭合时,微电网处于并网运行状态,反之则为孤岛运行状态。

为了保证微电网发生故障时,故障元件能够从两端隔离,对接有微电源的线路需在微电源接入侧装设断路器并配置具有方向原件的扰动电压加速保护[8]。

2.1 微电网并网运行仿真结果

2.1.1 并网运行故障时,各扰动电压仿真结果

在MATLB/Simulink中建立如图1所示模型,在微电网并网运行下,选择最严重的故障类型作为仿真条件,即当三相短路发生在微电网内部K点以及配电网侧F点时,通过仿真模型分别测量DG1出口处扰动电压的变化情况,假设故障发生在0.01s时刻,则其仿真结果分别如下图2和图3所示[9]。同时,将切除恒功率负荷load3时,系统的扰动电压作为并网运行时的门槛电压,如图4所示。

通过以上仿真结果可知,无论是微电网内部故障还是外部故障,只要是微电网发生故障,DG1出口处的扰动电压都将超过其对应的门槛电压,使保护装置启动,故本保护可以准确的判断系统故障,具有很高的可靠性。

2.1.2 并网运行故障时,保护的动作情况

为了检验本文所提出保护的选择性和速动性,现将本保护和反时限过电流保护分别应用于本线路,并对其相同故障下,各保护的动作情况进行仿真,具体如下所示。

当三相短路发生在K点时,保护K3、K7和K8的动作情况如表1所示。其中t1为反时限过电流保护的动作时间,t2为为本保护的动作时间。

由表1可知,在基于电压扰动的反时限加速保护下,当K点发生三相短路时,保护K3、K7和K8均判定为正方向故障并启动,其中K7能做到无延时迅速动作,K3和K8也可以在扰动电压加速因子的加速作用下,根据短路点位置和整定原则快速动作;而保护K6则判定为反方向故障,不动作。因此,该保护可以从两端将故障线路快速切除。相反,利用反时限过电流保护时,保护K7和K8的动作时间较长,以致DG1被迫退出运行。

2.2 微电网孤岛运行仿真结果

2.2.1 孤岛运行故障时,各扰动电压仿真结果

在微电网孤岛运行下,分别以三相短路,两相短路及单相短路发生在K点为例,对系统进行仿真,仍以0.01S为故障发生时间,则各种故障下DG1出口处扰动电压的变化情况分别如图5、图6和图7所示。于此同时,仍以切除load3r系统的扰动电压作为门槛电压值,具体见图8。

由以上仿真结果可知,在微电网孤岛运行方式下,无论发生何种故障,微电源的扰动电压均超过门槛电压,保护都能可靠动作。于此同时,通过图5、图6和图7可知,随着发生故障类型的不同,扰动电压的曲线变化也随之不同。当发生三相短路时,扰动电压为一个稳定的直流信号;二相短路时,扰动电压变成了一个由直流电压和摆动组成的信号;单相接地时,又变为一个从0到最大值变换的摆动信号。故通过以上仿真,可以验证本保护不仅能够准确判断系统是否发生故障,而且还可以精确判定故障的类型[10]。

2.2.2 孤岛运行故障时,保护的动作情况

由于在孤岛运行方式下,微电源的故障电流较小,以致传统的电流保护存在不能可靠动作或不能满足选择性和速动性的要求,故为了验证本文所提保护的可靠性、选择性和速动性,选择相对最轻的故障―单相接地故障作为故障类型设置在本线路的最末端M点,同样分别采用本文所提的保护方法和反时限过电流保护来对其进行仿真,具体动作情况见表2。

表2 孤岛运行M点单相接地时,各保护的动作情况

由表2的仿真结果可知,在反时限过电流保护下,当M点发生单相接地时,DG1对故障点提供的故障电流虽能使保护K7和K9启动,但由于故障电流较小以致保护的动作时间较长,最后导致DG1长时间运行在低电压状态下而被迫退出运行,不利于负荷的连续供电。当采用基于电压扰动的反时限加速保护后,K9能够做到无延时快速动作,而K8由于判定为反方向故障,则不动作。

仿真结果显示:反时限过电流保护的动作性能较(下转第8页)(上接第6页)差,动作时间较长。而基于电压扰动的反时限加速保护则能够在扰动电压加速因子的作用下保证较好的动作特性。尤其是该保护还能在反映故障的类型和位置的同时保证线路出口故障时瞬时跳闸。

由上述分析可知,基于电压扰动的反时限加速保护策略在微电网应用中,具有明显优势,具体表现如下:

1)能够根据扰动电压与对应门槛电压的比较准确判断系统是否发生故障,比反时限过电流保护更加可靠。

2)能够根据扰动电压的不同特征准确判断系统故障的类型以及故障位置。

3)能够根据故障情况,加速保护的动作时间,做到更加快速的有选择的切除故障,比反时限过电流保护具有更加优化的性能。

3 结论

本文提出一种基于电压扰动的反时限加速保护策略,该保护不仅可以根据扰动电压的不同特征来准确判断系统是否发生故障以及系统故障的类型和位置,还能够利用扰动电压加速因子来提高保护的动作性能,进而实现故障的快速切除。同时,为了验证本保护的优良性能,分别在并网运行和孤岛运行状态下,对其设置相应的故障进行仿真,仿真结果证明了该保护能够在满足可靠性的前提下,保证保护的选择性和速动性,对微电网的保护具有一定的参考和实用价值。

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nected and islanded operation,with some reference and practical value.

【Key words】Voltage disturbance;Micro-grid;Net-connected operation;Islanded operation;MATLAB

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