含逆變型分布式電源的配電網自適應電流保護

祁言嘉，王寶華

(南京理工大學自動化學院，南京 210094)

隨著許多新能源通過逆變型分布式電源的形式接入電網[1]，配電網將由原來的單電源輻射狀簡單網絡轉變為多電源的復雜網絡；并且由于含逆變型分布式電源(inverter interface distribution generator，IIDG)普遍采用逆變器控制，其短路電流區別于普通的同步發電機，具有很強的非線性[2]。同時并網規定要求IIDG在故障時優先輸出無功功率以支撐系統電壓，這使得含IIDG配電網的故障特性進一步復雜化[3-4]。傳統配電網一般采用電流保護作為主保護，然而受IIDG接入的影響，傳統整定值可能無法滿足靈敏性與選擇性的要求；同時固定的保護定值也難以滿足IIDG多變的工況[5-6]。

針對IIDG接入配電網引發的電流保護整定問題，文獻[7]分析了配電網不同位置短路電流受IIDG接入影響的變化規律，計算IIDG的接入容量與接入位置，并依此對配電網電流保護進行改進，但其仍采用固定整定值，僅適用于IIDG容量恒定不變的情況；文獻[8]提出了一種改進矩陣算法，原理簡單，能夠實現對含分布式電源的復雜配電網準確故障定位，但并未探討繼電保護定值的整定；文獻[9]通過分析IIDG的控制策略及故障電流輸出特性，基于IEC 61850通信協議提出了實時計算的自適應保護新原理，能夠在不同的IIDG出力條件下具有固定的保護范圍，但該方案需要加裝額外的通信設備，其保護性能受到通信技術的制約；文獻[10]提出在IIDG 側配置延時距離保護與電流保護相結合作為配電網的保護配置，解決了IIDG側因弱饋作用而拒動的問題，但并未驗證IIDG不同輸出功率時方案的通用性。

考慮到IIDG輸出的非線性與間歇性，且中國中低壓配電網線路的電流保護依然大量使用三段式電流保護的方式，上述文獻均具有局限性，并未提出針對含IIDG配電網的自適應電流保護方案。

現通過研究IIDG接入對配電網短路電流的影響機理，對短路電流受IIDG故障前輸出功率影響的變化規律進行分析，提出基于神經網絡擬合的自適應電流保護整定方案，并在MATLAB/Simulink仿真平臺上對該方案進行驗證。

1 IIDG控制策略

IIDG通過逆變器并網，通常在解耦控制后采用雙閉環控制策略[11]，外環為功率環，用于控制輸出功率，同時生成內環參考電流；內環為電流環，用于給定有功、無功電流參考值，控制實際輸出電流。與普通的旋轉式電源不同，當配電網發生不對稱故障時，由于IIDG采用雙解耦對正負序分量分別進行控制，其僅輸出正序電流[12]。同時，根據國家相關標準要求[13-14]，IIDG在配電網故障時應采取低電壓穿越的控制策略，以在一定時間內支撐并網點電壓，防止電網運行情況進一步惡化，其無功電流輸出滿足式(1)，即

(1)

式(1)中：UPCC為IIDG并網點處電壓的標幺值；IN為IIDG當前的額定電流。可以得到IIDG輸出有功、無功電流的相量圖如圖1所示。

θ為并網點電壓相位；φ為并網點電壓與IIDG輸出電流的夾角；Id為有功電流；為IIDG輸出故障電流

由此可以得到IIDG在低電壓穿越控制策略下的短路電流特性[14]可表示為

(2)

在并網點電壓標幺值不低于0.59 pu時，IIDG輸出的有功電流額定不變，無功電流隨著并網點電壓降低而增加；當并網點電壓標幺值低于0.59 pu時，IIDG輸出電流達到限額，隨著并網點電壓繼續降低，有功電流減小以保證無功電流輸出，直到并網點電壓標幺值低于0.2 pu，無功電流輸出達到最大[15]。

2 IIDG接入配電網的短路電流特性

依據第1節所述IIDG的控制策略，以圖2所示含IIDG的典型配電網的為例，分析IIDG并網點上游f1點、并網點下游f2點及相鄰饋線f3分別發生短路故障時流過各保護的短路電流特征。

ZAB、ZBC、ZCD、ZAE為線路AB、BC、CD、AE阻抗；ZS為系統等值阻抗；為IIDG輸出的短路電流；為系統等效電源；為系統提供的短路電流

以f1點故障為例，其故障復合序網如圖3所示。

ZL1、ZL2為線路末端負荷等值阻抗；Zf為負序網絡等值阻抗;為并網點電壓

通過戴維南定理，可對該復合序網進行簡化，如圖4所示。

Z1、Z2為在不同的故障條件下對應的阻抗參數；

同理可對其他故障情況下的復合序網進行簡化，如表1所示。

表1 不同故障條件下對應阻抗參數

該復合序網可以進一步簡化為圖5所示。其中：

圖5 復合序網進一步簡化圖

Zeq=(Z2+ZAB)//Z1

(3)

(4)

式中：//表示并聯。

δ為與的夾角；φeq為等效阻抗Zeq的阻抗角；δU為電壓變化橫分量，δU=IdXeq+IqReq；Id、Iq滿足低電壓穿越控制策略

由相量圖可得

(5)

由正弦定理可得

(6)

(7)

考慮到輸電線中電抗一般比電阻大得多，δ可近似表示為

(8)

圖7 并網點電壓與IIDG功率關系示意圖

并網點電壓隨著IIDG輸出功率的增大先增大再減小，當超過Pk點時，IIDG無法通過輸出無功電流支撐并網點電壓，還會使并網點電壓降低。

配電網不同位置發生不同類型的故障時，流過對應保護的短路電流如表2、表3所示，其中AB段(f1)發生三相短路時，流過保護1的電流由系統提供，不受IIDG的輸出功率影響。

表2 不同位置三相短路電流

表3 不同位置兩相短路電流

在IIDG輸出功率P不超過Pk時，UPCC隨著P的增大而增大，因此故障電流隨著并網點電壓變化的趨勢與其隨著IIDG輸出功率變化的趨勢是一致的。即在系統側電壓及線路阻抗參數固定時，發生對稱故障時流過保護1的短路電流隨著IIDG輸出功率P的增大而減小，流過保護2、3的故障電流隨著P的增大而增大；發生不對稱故障時，各點的故障相電流中至少有一相電流隨P的增大而增大，該相電流為三相電流幅值最大的一相。

3 IIDG接入配電網的電流保護方案

由第2節分析可見，IIDG接入的配電網中發生不同類型的短路，短路電流隨著IIDG輸出功率的變化而發生不同的變化，為保證配電網電流保護的選擇性與靈敏性，改進的自適應保護也應能夠隨著IIDG輸出功率的變化而調整定值。對于瞬時速斷電流保護，按照實時躲過本線路最大短路電流整定；對于限時速斷電流保護，按與下級瞬時電流速斷保護的實時定值配合整定。提出IIDG接入配電網的自適應電流保護改進方案如下。

(2)IIDG上游保護(如圖2保護1)，不改變其原有三相短路瞬時電流速斷保護整定值，對兩相短路瞬時電流速斷保護及限時電流速斷重新整定。

(3)IIDG下游保護(如圖2保護2)，對其瞬時電流速斷保護及限時電流速斷保護重新整定。

(4)IIDG相鄰饋線保護(如圖2保護3)，對其瞬時電流速斷保護重新整定，在電網倒數第二級上一般不考慮配置限時電流速斷保護。

(5)IIDG接入的配電網中，定時限過電流保護仍按照躲開最大負荷電流的原則整定，不受配電網短路電流水平影響，不進行討論。

4 故障仿真算例

在MATLAB/Simulink中搭建圖2所示配電網模型，其中系統電源電壓ES=10.5 kV，內阻ZS=5.21 Ω；IIDG采用第一節所述低電壓穿越控制策略，最大功率為20 MW；架空線路阻抗參數為zl=(0.17+j0.41)Ω/km，線路AB、CD長2 km，BC、AE長5 km；配電網末端負荷1為(5+j0.5)MVA，負荷2為(1+j0.5)MVA。在對稱故障與不對稱故障兩種情況下，對第3節所提出的IIDG接入配電網電流保護整定方案進行仿真驗證。

4.1 三相短路

以BC段末端f2點三相短路為例，IIDG的容量以0.5 MW為間隔由0變化至20 MW，共計41種工況，得到并網點電壓的變化趨勢與流過保護1、2的短路電流如圖8、圖9所示。

從圖8、圖9中可以看出，f2點發生三相短路時，BC支路流過的短路電流隨著輸出功率P的增大而增大；而AB支路流過的短路電流隨著輸出功率P的增大而減小。短路電流與IIDG輸出功率的關系和第2節所得結論一致。

圖8 f2點三相短路時并網點電壓

圖9 f2點三相短路時流過保護1、2的短路電流

為獲得IIDG輸出功率與支路故障電流的關系，對得到的41種工況下的故障數據采用不同方法進行曲線擬合。分別選擇傅里葉函數、冪函數、二階高斯方程及BP神經網絡對數據樣本的函數關系擬合。

得到擬合結果如表4所示。

表4 f2點三相短路時各支路短路電流擬合結果

可以看出神經網絡的擬合結果最精確，誤差最小。同理可擬合其余故障點三相故障時IIDG輸出功率與短路電流的關系，并依此實現保護1、2、3的自適應電流保護整定。

IIDG功率分別在0、2、4、8 MW時，得到的保護1、2的電流Ⅰ段和Ⅱ段保護及保護3的電流Ⅰ段保護的自適應整定值如表5所示。IIDG并網點下游BC段不同位置發生三相短路時，流過AB與BC支路的故障電流大小及相應保護動作如表6所示。

表5 三相短路自適應電流保護整定值

表6 BC段三相短路仿真驗證

可以看出，BC段發生故障時，保護2的自適應瞬時電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護范圍為線路全長的60%～80%；自適應限時電流速斷定值能夠保護線路全長；上下級保護之間能夠互相配合，不會失去選擇性。

IIDG并網點相鄰饋線AE段不同位置發生三相短路時，流過AE支路的故障電流大小及相應保護動作如表7所示。

表7 AE段三相短路仿真驗證

AE段發生故障時，保護3的自適應瞬時電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護范圍為線路全長的60%～80%；在電網倒數第二級上一般不配置限時電流速斷保護，依靠定時限過電流保護線路全長。

4.2 兩相短路

以BC段末端f2點發生bc兩相短路為例，IIDG的容量以0.5 MW為間隔由0變化至20 MW，共計41種工況，得到并網點電壓的變化趨勢與流經保護1、2的短路電流如圖10、圖11所示。

圖10 f2點兩相短路時并網點電壓

圖11 f2點兩相短路時流過保護1、2的短路電流

可以看出f2點發生bc兩相短路時，BC支路B、C相故障電流均隨著輸出功率P的增大而增大；AB支路B相故障電流隨著輸出功率P的增大而減小，C相故障電流隨著輸出功率P的增大而增大，體現的短路電流與IIDG輸出功率的關系和第2節所得結論一致。

同樣采用神經網絡曲線擬合實現各處自適應電流保護整定。IIDG功率分別在0、2、4、8 MW時，得到的保護1、2、3自適應整定值如表8所示。IIDG并網點下游BC段不同位置發生兩相短路時，流過AB與BC支路的故障電流大小及相應保護動作如表9所示,各支路最大短路電流幅值的一相加粗表示。

表8 兩相短路自適應電流保護整定值

表9 BC段兩相短路仿真驗證

可以看出，BC段發生故障時，保護2的自適應瞬時電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護范圍約為線路全長的80%；自適應限時電流速斷定值能夠保護線路全長；上下級保護之間能夠互相配合，不會失去選擇性。

IIDG并網點上游AB段不同位置發生兩相短路時，流過AB支路的故障電流大小及相應保護動作如表10所示。

表10 AB段兩相短路仿真驗證

AB段發生故障時，保護1的自適應瞬時電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護范圍約為線路全長的40%；自適應限時電流速斷定值能夠保護線路全長。

IIDG并網點相鄰饋線AE段不同位置發生兩相短路時，流過AE支路的故障電流大小及相應保護動作如表11所示。

表11 AE段兩相短路仿真驗證

AE段發生故障時，保護3的自適應瞬時電流速斷定值能夠隨著IIDG輸出功率的變化而變化，保護范圍為線路全長的60%～80%；在電網倒數第二級上一般不配置限時電流速斷保護，依靠定時限過電流保護線路全長。

4.3 靈敏度校核

當按照傳統電流保護整定原則進行整定時，保護1、2、3的整定值如表12所示。

表12 各處保護傳統整定值

采用傳統整定方式時，對于各保護所在支路，其首端最小短路電流在IIDG功率P=0時取得：IAB.min=2 145 A，IBC.min=1 829 A，IAE.min=1 979 A，各保護過流Ⅰ段整定值均大于首端最小短路電流。顯然，由于IIDG接入的影響，過流Ⅰ段采用傳統整定值時將失去保護范圍；而根據上文的分析，采用自適應保護后過流Ⅰ段在IIDG不同出力的情況下。均能夠保護線路全長的60%～80%。

過流Ⅱ段按本線路末端最小短路電流進行靈敏度校核，采用傳統整定方式時，AB線路末端最小短路電流在P=10 MW時取得：IAB.min=1 623 A；BC線路末端的最小短路電流則在P=0時取得：IBC.min=1 335 A。

傳統整定值與自適應保護定值的靈敏度校核Ksen對比如表13所示。可以看出，由于IIDG接入的影響，過流Ⅱ段采用傳統整定值時將無法保護線路全長；而采用自適應保護后過流Ⅱ段能夠保護線路全長，且具有較高的靈敏度。

表13 過流Ⅱ段靈敏度校核對比

5 結論

分析了低電壓穿越控制策略下，IIDG接入后配電網發生故障時，故障線路短路電流隨IIDG輸出功率的變化規律，得到以下結論。

(1)對稱故障時流過上游保護的短路電流隨著IIDG輸出功率的增大而減小，流過下游及相鄰饋線保護的故障電流隨著功率的增大而增大。

(2)不對稱故障時，各點的故障相電流中至少有一相電流隨IIDG輸出功率的增大而增大，該相電流為三相電流幅值最大的一相。

基于上述結論，指出了傳統電流保護可能發生誤動作的原因，提出利用神經網絡曲線擬合的自適應電流保護方案。該方案基于三段式電流保護，不需要增加額外的保護或通信設備，經仿真驗證，在配電網不同故障情況下均能正確動作，尤其是能夠適應IIDG多變的工況，靈敏性明顯優于傳統電流保護，改善了含IIDG配電網的保護性能。