动态电压恢复器对微机保护影响的仿真研究

张艳肖，高立刚，刘伟，魏燕

（1.西安交通大学城市学院，陕西西安710018；2.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安710065；3.广东天联集团有限公司，广东广州510600）

动态电压恢复器对微机保护影响的仿真研究

张艳肖1，高立刚2，刘伟3，魏燕2

（1.西安交通大学城市学院，陕西西安710018；2.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安710065；3.广东天联集团有限公司，广东广州510600）

随着现代科学技术的发展，各类敏感负荷的广泛使用，人们对电能质量的要求越来越高，高质量的电力供应己成为现代社会生产、生活正常进行的基本条件。在输、配电系统中，特别是配电系统中，由于大量非线性、冲击性负荷的增加，电网发生故障造成的电压骤升、骤降、不对称、闪变、波动、谐波以及瞬时供电中断等电能质量问题越来越多，由此造成产品质量下降，甚至导致生产过程中断，造成巨大的经济损失。作为FACTS家族的重要成员，动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer）的作用越来越受到人们的关注。

DVR是一种串联型电能质量控制器，当电网电压发生暂降时，DVR向线路注入一个幅值、相位可控的串联补偿电压，以保证负荷侧电压的恒定。它可以补偿电压的骤降、骤升、不对称、闪变、波动、谐波等，良好的动态性能和容量上的相对优势使其成为治理动态电压问题最经济、有效的手段之一[1]。

DVR的典型结构如图1所示，主要由电压型逆变器（VSC）、控制单元、输出滤波器、储能单元、串联变压器和旁路保护系统组成[2-3]。DVR进行补偿时，控制单元控制VSC产生串联补偿电压，经串联变压器注人线路中。其中，输出滤波器用于滤除高次谐波；储能单元提供补偿所需的有功功率；旁路系统通常由机械断路器和双向可控硅等组成[4]，用于系统发生短路和电压浪涌故障时的VSC保护[5]。

图1 D V R装置结构Fig.1 Structure of DVR

普通DVR采用双向变流器，其直流侧电压通过储能装置经升压电路提供，对电能质量问题的补偿能力取决于储能单元的容量。受储能单元成本、体积等因素限制，储能单元容量有限。如果电源电压骤降时间较长，则无法进行完全补偿。

为了适应电力系统用户电力技术和电能质量的需要，许多专家学者对此进行了大量的研究工作，但是很多研究都是基于DVR的控制策略和控制方法[6-8]，对于DVR在微机保护及保护的灵敏度影响研究却不多。本文从微机保护的灵敏度定义出发，分析了负荷中DVR的控制对微机保护动作和性能的影响。

1 典型配电系统故障分析

对于如图2所示的配电系统，当线路末端d1点发生故障时，由保护1的三段式电流保护来负责切除，如果系统中串联DVR，保护1、2的可能误动或拒动，从而使保护失去选择性。

图2 简单配电系统的结构图Fig.2 Structure of the distribution system

因此，配电系统中串联了DVR之后，需要对保护的定值做一定的修正，以保证电流保护的选择性。修正之后的定值满足串入DVR之后电流保护选择性的要求，但还应考虑当DVR因故障退出运行时，保护的灵敏性和选择性又受到一定的影响，保护可能误动或拒动。针对这一问题，本文提出了解决方案，仿真结果验证了方案的可行性。

1.1 DVR模型

本文采用可连续运行动态电压恢复器（Uninterrupted Dynamic Voltage Restorer，UDVR），UDVR的直流电压是通过与电网相连的PWM整流器提供的，可以持续对电压进行补偿。因此，UDVR不但可以解决电压的骤降、不对称、闪变、波动、谐波等动态电压质量问题，还可以解决过电压和欠电压等稳态电压质量问题。UDVR的结构如图3所示[9]。

图3 UDVR的结构连接图Fig.3 Topology and connection of UDVR

1.2 配电系统故障仿真

图4给出了一个配电系统简化原理图。交流系统额定电压7.5kV，额定容量1MV·A，加装三相对称负载。当系统发生三相接地故障时，电容电压经0.1s的延时衰减到0。图5是故障时刻电容电压的变化曲线。图6是三相故障时A相系统侧和负荷侧电压。由图6可知，A相系统侧电压瞬时衰减为0，由于电容的储能作用，负荷侧电压经过0.1s的延时衰减为0。

图4 加入UDVR配电系统简化原理图Fig.4 Schematic diagram of distribution system

图5 三相故障时的电容电压Fig.5 Capacitance voltage in three-phase circuit fault

图6 三相故障时A相系统侧和负荷侧电压Fig.6 Load voltage and system voltage of A phase in the three-phase circuit fault

三段式电流保护中Ⅰ段的固有动作时间一般为10～60ms[10]，Ⅱ，Ⅲ段的动作时间是在此基础之上有一定的延时，一般分别延时0.5s和1s。所以三相接地故障时，DVR仅对继电保护的Ⅰ段有影响，对保护的Ⅱ，Ⅲ段的影响可以忽略。

当线路发生单相故障或者两相故障，由于电容的储能作用，电容电压不会衰减为0，图7所示单相故障时的直流侧电压波形，故障期间电容电压稳定值为1.2kV。

分别对不加UDVR和加装UDVR的配电系统进单相故障仿真。A相发生故障时，电流保护动作。如果不加UDVR，其短路电流峰值为1.05kA，有效值为0.615kA，因其小于Ⅰ段的保护整定值0.65kA，所以Ⅰ段不启动，Ⅱ段延时0.5s后跳闸。故障时刻负荷电流变为0，系统侧、负荷侧电压失压。

图7 单相故障时的电容电压Fig.7 Capacitance voltage in single-phase fault

如果在负荷侧串联可连续运行动态电压恢复器，其短路电流如图8所示，0.5s发生故障，故障电流峰值为2.05kA，有效值为0.726kA，电流保护I段瞬时跳闸。

图8 加装UDVR之后A相故障时的短路电流及有效值Fig.8 Root-mean-square and short circuit current with the UDVR in A phase fault

由于UDVR中储能元件的作用，其负荷电流不是立刻变为0，而是经过0.12s的衰减，逐渐变为0。

仿真分析可知：串联了DVR之后，当发生单相故障时，保护1的灵敏度明显提高。同理，可以仿真两相短路的情况。

为了检验保护的选择性是否受影响，设置d2点发生A相接地故障，进行仿真分析。由于DVR的作用，保护1和保护2的I段均瞬时动作，分析可知，保护1、2的I段分别动作于跳闸，从而使保护失去选择性。

2 UDVR对保护灵敏度的影响及其新型保护的控制方案

由于储能电容通过逆变器为故障再提供一个短路电流附加值，对保护的动作有了一定的影响，不仅使各段的动作情况发生了变化，而且使保护失去了选择性，所以须对保护三段的定值进行修正。

为了提高保护的灵敏度，而又不失去选择性，简单的处理方法是：当接入DVR之后，给微机保护装置一个信号，重新整定保护1、2的三段定值。考虑到DVR因故障等原因而退出运行，可以再给微机保护一个信号，切换到原来的定值。但是这种方法受运行方式影响较大，所以实用性不高。

本文提出五段式电流保护的新方法来整定各段定值。把电流保护分为：不灵敏I段保护；灵敏I段保护；不灵敏II段保护；灵敏II段保护；III段保护[10]。不灵敏I段用于提高I段保护的动作速度，灵敏I段用于提高灵敏度；不灵敏II段用于提高动作速度，灵敏II段用于提高II段保护的灵敏度和提高作为下一线路远后备的动作速度；III段保护作为本线路I段、II段保护的近后备保护，并作为下一线路的远后备。

灵敏1段保护的整定值按式（1）整定，但可靠系数取1.5～1.6

传统的II段保护的整定公式为：

五段式中流保护云亲下的电流有新位见图9。利用灵敏度的定义进行饱和灵敏度的计算，I、II各段定值分别为：0.937kA，0.729kA，0.680kA，0.625kA。串入UDVR后，当最小运行方式下d1发生两相短路故障时，灵敏II段延时0.5s跳闸，其有效值为0.645kA，II段的定值与下一段I段配合，不超过下一段I段速断的范围，此方法保证了电流保护的选择性。

图9 五段式电流保护方案下的电流有效值Fig.9 Root-mean-square of the load current in phase-to-phase short circuit fault with the fivestep protection scheme

3 结论

作为一种有效的电能质量调节装置，动态电压恢复器的接入给整个配电系统带来了一定的影响，一方面稳定系统电压，提高系统稳定性，另一方面影响了保护的选择性。文中提出了一种方案，可以有效保证选择性，同时兼顾灵敏度的要求，仿真结果验证了方法的正确性。该方法具有实现简洁，动态性能好的优点。

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Simulation Analysis of Influence of DVR on Microprocessor-Based Protection

ZHANG Yan-xiao1，GAO Li-gang2，LIU Wei3，WEI Yan2
（1.City College,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710018,Shaanxi Province,China;2.Hydrochina Xibei Engineering Corporation,Xi’an 710065,Shaanxi Province,China;3.Guangdong Tianlian Group Co.,Ltd.,Guangzhou 510600,Guangdong Province,China）

In this paper,the principle and topology of dynamic voltage restorer(DVR)is introduced first,and the function of the DRV in the distribution system is discussed,and then simulation of the microprocessor-based current protection with DVR is built.The simulation results show that with introduction of DVR,the sensitivity of microprocessor-based current protection is improved in distribution systems,but the current protection is deprived of selection.To address this problem,a new scheme is proposed in this paper.The result of the simulation testifies validity of the scheme.

distribution system;dynamic voltage restorer(DVR);sensitivity;microprocessor-based current protection

为了分析DVR对配电系统的影响，介绍了DVR的原理、结构，论述了DVR在配电系统的作用，接着针对DVR对微机电流保护中的影响做了仿真。仿真分析表明：DVR的接入使得配电系统电流保护的灵敏度提高，但使电流保护失去了选择性。针对这一问题，提出了解决方案，仿真结果验证了方案的正确性。

配电系统；动态电压恢复器；灵敏度；微机电流保护

1674-3814（2011）12-0019-07

TM 744

A

2010-11-13。

张艳肖（1982—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制及继电保护；

高立刚（1981—），男，硕士，研究方向为电气一次设计，电力系统的运行与控制；

魏 燕（1981—），女，本科，研究方向为电气二次设计，电力系统的运行与控制；

刘 伟（1983—），男，硕士，研究方向为电气一次设计，电力系统的运行与控制。

（编辑 冯露）