含逆变型分布式电源的配电网自适应电流保护

祁言嘉，王宝华

(南京理工大学自动化学院，南京 210094)

随着许多新能源通过逆变型分布式电源的形式接入电网[1]，配电网将由原来的单电源辐射状简单网络转变为多电源的复杂网络；并且由于含逆变型分布式电源(inverter interface distribution generator，IIDG)普遍采用逆变器控制，其短路电流区别于普通的同步发电机，具有很强的非线性[2]。同时并网规定要求IIDG在故障时优先输出无功功率以支撑系统电压，这使得含IIDG配电网的故障特性进一步复杂化[3-4]。传统配电网一般采用电流保护作为主保护，然而受IIDG接入的影响，传统整定值可能无法满足灵敏性与选择性的要求；同时固定的保护定值也难以满足IIDG多变的工况[5-6]。

针对IIDG接入配电网引发的电流保护整定问题，文献[7]分析了配电网不同位置短路电流受IIDG接入影响的变化规律，计算IIDG的接入容量与接入位置，并依此对配电网电流保护进行改进，但其仍采用固定整定值，仅适用于IIDG容量恒定不变的情况；文献[8]提出了一种改进矩阵算法，原理简单，能够实现对含分布式电源的复杂配电网准确故障定位，但并未探讨继电保护定值的整定；文献[9]通过分析IIDG的控制策略及故障电流输出特性，基于IEC 61850通信协议提出了实时计算的自适应保护新原理，能够在不同的IIDG出力条件下具有固定的保护范围，但该方案需要加装额外的通信设备，其保护性能受到通信技术的制约；文献[10]提出在IIDG 侧配置延时距离保护与电流保护相结合作为配电网的保护配置，解决了IIDG侧因弱馈作用而拒动的问题，但并未验证IIDG不同输出功率时方案的通用性。

考虑到IIDG输出的非线性与间歇性，且中国中低压配电网线路的电流保护依然大量使用三段式电流保护的方式，上述文献均具有局限性，并未提出针对含IIDG配电网的自适应电流保护方案。

现通过研究IIDG接入对配电网短路电流的影响机理，对短路电流受IIDG故障前输出功率影响的变化规律进行分析，提出基于神经网络拟合的自适应电流保护整定方案，并在MATLAB/Simulink仿真平台上对该方案进行验证。

1 IIDG控制策略

IIDG通过逆变器并网，通常在解耦控制后采用双闭环控制策略[11]，外环为功率环，用于控制输出功率，同时生成内环参考电流；内环为电流环，用于给定有功、无功电流参考值，控制实际输出电流。与普通的旋转式电源不同，当配电网发生不对称故障时，由于IIDG采用双解耦对正负序分量分别进行控制，其仅输出正序电流[12]。同时，根据国家相关标准要求[13-14]，IIDG在配电网故障时应采取低电压穿越的控制策略，以在一定时间内支撑并网点电压，防止电网运行情况进一步恶化，其无功电流输出满足式(1)，即

(1)

式(1)中：UPCC为IIDG并网点处电压的标幺值；IN为IIDG当前的额定电流。可以得到IIDG输出有功、无功电流的相量图如图1所示。

θ为并网点电压相位；φ为并网点电压与IIDG输出电流的夹角；Id为有功电流；为IIDG输出故障电流

由此可以得到IIDG在低电压穿越控制策略下的短路电流特性[14]可表示为

(2)

在并网点电压标幺值不低于0.59 pu时，IIDG输出的有功电流额定不变，无功电流随着并网点电压降低而增加；当并网点电压标幺值低于0.59 pu时，IIDG输出电流达到限额，随着并网点电压继续降低，有功电流减小以保证无功电流输出，直到并网点电压标幺值低于0.2 pu，无功电流输出达到最大[15]。

2 IIDG接入配电网的短路电流特性

依据第1节所述IIDG的控制策略，以图2所示含IIDG的典型配电网的为例，分析IIDG并网点上游f1点、并网点下游f2点及相邻馈线f3分别发生短路故障时流过各保护的短路电流特征。

ZAB、ZBC、ZCD、ZAE为线路AB、BC、CD、AE阻抗；ZS为系统等值阻抗；为IIDG输出的短路电流；为系统等效电源；为系统提供的短路电流

以f1点故障为例，其故障复合序网如图3所示。

ZL1、ZL2为线路末端负荷等值阻抗；Zf为负序网络等值阻抗;为并网点电压

通过戴维南定理，可对该复合序网进行简化，如图4所示。

Z1、Z2为在不同的故障条件下对应的阻抗参数；

同理可对其他故障情况下的复合序网进行简化，如表1所示。

表1 不同故障条件下对应阻抗参数

该复合序网可以进一步简化为图5所示。其中：

图5 复合序网进一步简化图

Zeq=(Z2+ZAB)//Z1

(3)

(4)

式中：//表示并联。

δ为与的夹角；φeq为等效阻抗Zeq的阻抗角；δU为电压变化横分量，δU=IdXeq+IqReq；Id、Iq满足低电压穿越控制策略

由相量图可得

(5)

由正弦定理可得

(6)

(7)

考虑到输电线中电抗一般比电阻大得多，δ可近似表示为

(8)

图7 并网点电压与IIDG功率关系示意图

并网点电压随着IIDG输出功率的增大先增大再减小，当超过Pk点时，IIDG无法通过输出无功电流支撑并网点电压，还会使并网点电压降低。

配电网不同位置发生不同类型的故障时，流过对应保护的短路电流如表2、表3所示，其中AB段(f1)发生三相短路时，流过保护1的电流由系统提供，不受IIDG的输出功率影响。

表2 不同位置三相短路电流

表3 不同位置两相短路电流

在IIDG输出功率P不超过Pk时，UPCC随着P的增大而增大，因此故障电流随着并网点电压变化的趋势与其随着IIDG输出功率变化的趋势是一致的。即在系统侧电压及线路阻抗参数固定时，发生对称故障时流过保护1的短路电流随着IIDG输出功率P的增大而减小，流过保护2、3的故障电流随着P的增大而增大；发生不对称故障时，各点的故障相电流中至少有一相电流随P的增大而增大，该相电流为三相电流幅值最大的一相。

3 IIDG接入配电网的电流保护方案

由第2节分析可见，IIDG接入的配电网中发生不同类型的短路，短路电流随着IIDG输出功率的变化而发生不同的变化，为保证配电网电流保护的选择性与灵敏性，改进的自适应保护也应能够随着IIDG输出功率的变化而调整定值。对于瞬时速断电流保护，按照实时躲过本线路最大短路电流整定；对于限时速断电流保护，按与下级瞬时电流速断保护的实时定值配合整定。提出IIDG接入配电网的自适应电流保护改进方案如下。

(2)IIDG上游保护(如图2保护1)，不改变其原有三相短路瞬时电流速断保护整定值，对两相短路瞬时电流速断保护及限时电流速断重新整定。

(3)IIDG下游保护(如图2保护2)，对其瞬时电流速断保护及限时电流速断保护重新整定。

(4)IIDG相邻馈线保护(如图2保护3)，对其瞬时电流速断保护重新整定，在电网倒数第二级上一般不考虑配置限时电流速断保护。

(5)IIDG接入的配电网中，定时限过电流保护仍按照躲开最大负荷电流的原则整定，不受配电网短路电流水平影响，不进行讨论。

4 故障仿真算例

在MATLAB/Simulink中搭建图2所示配电网模型，其中系统电源电压ES=10.5 kV，内阻ZS=5.21 Ω；IIDG采用第一节所述低电压穿越控制策略，最大功率为20 MW；架空线路阻抗参数为zl=(0.17+j0.41)Ω/km，线路AB、CD长2 km，BC、AE长5 km；配电网末端负荷1为(5+j0.5)MVA，负荷2为(1+j0.5)MVA。在对称故障与不对称故障两种情况下，对第3节所提出的IIDG接入配电网电流保护整定方案进行仿真验证。

4.1 三相短路

以BC段末端f2点三相短路为例，IIDG的容量以0.5 MW为间隔由0变化至20 MW，共计41种工况，得到并网点电压的变化趋势与流过保护1、2的短路电流如图8、图9所示。

从图8、图9中可以看出，f2点发生三相短路时，BC支路流过的短路电流随着输出功率P的增大而增大；而AB支路流过的短路电流随着输出功率P的增大而减小。短路电流与IIDG输出功率的关系和第2节所得结论一致。

图8 f2点三相短路时并网点电压

图9 f2点三相短路时流过保护1、2的短路电流

为获得IIDG输出功率与支路故障电流的关系，对得到的41种工况下的故障数据采用不同方法进行曲线拟合。分别选择傅里叶函数、幂函数、二阶高斯方程及BP神经网络对数据样本的函数关系拟合。

得到拟合结果如表4所示。

表4 f2点三相短路时各支路短路电流拟合结果

可以看出神经网络的拟合结果最精确，误差最小。同理可拟合其余故障点三相故障时IIDG输出功率与短路电流的关系，并依此实现保护1、2、3的自适应电流保护整定。

IIDG功率分别在0、2、4、8 MW时，得到的保护1、2的电流Ⅰ段和Ⅱ段保护及保护3的电流Ⅰ段保护的自适应整定值如表5所示。IIDG并网点下游BC段不同位置发生三相短路时，流过AB与BC支路的故障电流大小及相应保护动作如表6所示。

表5 三相短路自适应电流保护整定值

表6 BC段三相短路仿真验证

可以看出，BC段发生故障时，保护2的自适应瞬时电流速断定值能够随着IIDG输出功率的变化而变化，保护范围为线路全长的60%～80%；自适应限时电流速断定值能够保护线路全长；上下级保护之间能够互相配合，不会失去选择性。

IIDG并网点相邻馈线AE段不同位置发生三相短路时，流过AE支路的故障电流大小及相应保护动作如表7所示。

表7 AE段三相短路仿真验证

AE段发生故障时，保护3的自适应瞬时电流速断定值能够随着IIDG输出功率的变化而变化，保护范围为线路全长的60%～80%；在电网倒数第二级上一般不配置限时电流速断保护，依靠定时限过电流保护线路全长。

4.2 两相短路

以BC段末端f2点发生bc两相短路为例，IIDG的容量以0.5 MW为间隔由0变化至20 MW，共计41种工况，得到并网点电压的变化趋势与流经保护1、2的短路电流如图10、图11所示。

图10 f2点两相短路时并网点电压

图11 f2点两相短路时流过保护1、2的短路电流

可以看出f2点发生bc两相短路时，BC支路B、C相故障电流均随着输出功率P的增大而增大；AB支路B相故障电流随着输出功率P的增大而减小，C相故障电流随着输出功率P的增大而增大，体现的短路电流与IIDG输出功率的关系和第2节所得结论一致。

同样采用神经网络曲线拟合实现各处自适应电流保护整定。IIDG功率分别在0、2、4、8 MW时，得到的保护1、2、3自适应整定值如表8所示。IIDG并网点下游BC段不同位置发生两相短路时，流过AB与BC支路的故障电流大小及相应保护动作如表9所示,各支路最大短路电流幅值的一相加粗表示。

表8 两相短路自适应电流保护整定值

表9 BC段两相短路仿真验证

可以看出，BC段发生故障时，保护2的自适应瞬时电流速断定值能够随着IIDG输出功率的变化而变化，保护范围约为线路全长的80%；自适应限时电流速断定值能够保护线路全长；上下级保护之间能够互相配合，不会失去选择性。

IIDG并网点上游AB段不同位置发生两相短路时，流过AB支路的故障电流大小及相应保护动作如表10所示。

表10 AB段两相短路仿真验证

AB段发生故障时，保护1的自适应瞬时电流速断定值能够随着IIDG输出功率的变化而变化，保护范围约为线路全长的40%；自适应限时电流速断定值能够保护线路全长。

IIDG并网点相邻馈线AE段不同位置发生两相短路时，流过AE支路的故障电流大小及相应保护动作如表11所示。

表11 AE段两相短路仿真验证

AE段发生故障时，保护3的自适应瞬时电流速断定值能够随着IIDG输出功率的变化而变化，保护范围为线路全长的60%～80%；在电网倒数第二级上一般不配置限时电流速断保护，依靠定时限过电流保护线路全长。

4.3 灵敏度校核

当按照传统电流保护整定原则进行整定时，保护1、2、3的整定值如表12所示。

表12 各处保护传统整定值

采用传统整定方式时，对于各保护所在支路，其首端最小短路电流在IIDG功率P=0时取得：IAB.min=2 145 A，IBC.min=1 829 A，IAE.min=1 979 A，各保护过流Ⅰ段整定值均大于首端最小短路电流。显然，由于IIDG接入的影响，过流Ⅰ段采用传统整定值时将失去保护范围；而根据上文的分析，采用自适应保护后过流Ⅰ段在IIDG不同出力的情况下。均能够保护线路全长的60%～80%。

过流Ⅱ段按本线路末端最小短路电流进行灵敏度校核，采用传统整定方式时，AB线路末端最小短路电流在P=10 MW时取得：IAB.min=1 623 A；BC线路末端的最小短路电流则在P=0时取得：IBC.min=1 335 A。

传统整定值与自适应保护定值的灵敏度校核Ksen对比如表13所示。可以看出，由于IIDG接入的影响，过流Ⅱ段采用传统整定值时将无法保护线路全长；而采用自适应保护后过流Ⅱ段能够保护线路全长，且具有较高的灵敏度。

表13 过流Ⅱ段灵敏度校核对比

5 结论

分析了低电压穿越控制策略下，IIDG接入后配电网发生故障时，故障线路短路电流随IIDG输出功率的变化规律，得到以下结论。

(1)对称故障时流过上游保护的短路电流随着IIDG输出功率的增大而减小，流过下游及相邻馈线保护的故障电流随着功率的增大而增大。

(2)不对称故障时，各点的故障相电流中至少有一相电流随IIDG输出功率的增大而增大，该相电流为三相电流幅值最大的一相。

基于上述结论，指出了传统电流保护可能发生误动作的原因，提出利用神经网络曲线拟合的自适应电流保护方案。该方案基于三段式电流保护，不需要增加额外的保护或通信设备，经仿真验证，在配电网不同故障情况下均能正确动作，尤其是能够适应IIDG多变的工况，灵敏性明显优于传统电流保护，改善了含IIDG配电网的保护性能。