含分布式电源的电网故障分析方法与保护原理研究

发布时间：2018-10-24 08:20

【摘要】：近年来,在满足不断增长的电力需求的同时,为了应对化石能源逐渐衰竭和环境保护等多重压力,以风力发电和光伏太阳能发电为代表的分布式发电技术在我国得到了大力发展,并已成为我国能源领域的重点发展战略之一。分布式电源的发电模式及并网方式多样,其馈入电网的故障电流的暂态特性和稳态特性都与传统交流同步发电机相比均存在较大差异。此外,分布式电源的出力受自然环境和气候等因素的影响较大,具有明显的随机性、间歇性的特征。分布式电源复杂的故障电流特性和多变的运行方式导致传统继电保护性能劣化,严重影响电网的安全稳定运行。同时,这也使得传统的以交流同步电机供电电源为基础的短路电流分析理论和方法难以满足分布式电源接入后电网故障分析的要求,给以故障特征为基础的继电保护原理研究带来了严峻的挑战。这已成为制约分布式发电技术进一步发展和应用的重要技术瓶颈,存在大量的理论和技术问题亟待解决。本文在国家自然科学基金面上项目“应对分布式电源规模化接入的智能配电网保护构建模式与原理研究”(51177058)资助下,围绕不同类型分布式电源的故障电流特性、含分布式电源的电网故障分析方法以及适应分布式电源接入的电网保护原理改进方案等开展了深入的研究工作。继电保护的基本任务是根据电网故障后电气量(或非电气量)的变化特征,鉴别和隔离故障设备或元件,因此,电网故障特性分析是继电保护研究领域的基础内容。根据各类分布式电源在电网故障时呈现出的外部故障特性,本文将分布式电源划分为异步型电源(交流直接接口的异步交流电源,如双馈风机电源)和逆变型电源(采用逆变器接口的电源,如太阳能光伏电源)等两种基本形式,并对这两种类型分布式电源的故障电流特性开展了系统的理论研究和仿真分析工作。对于双馈风电机组(异步型电源),在近区严重故障(双馈风电机组机端电压跌落较为严重)的情况下,为了保证风电机组的运行安全,撬棒保护将会动作,并通过电阻短接转子绕组以旁路转子侧变流器。在远区非严重故障(双馈风电机组机端电压跌落相对较小)情况下,撬棒保护不会动作,双馈风电机组的转子绕组仍由变频器进行励磁。这两种情况下,双馈风电机组的运行特性和馈出的短路电流特性大不相同,因此,论文分别针对近区严重故障和远区非严重故障开展了双馈风电机组的故障特性研究。对于近区严重故障(撬棒保护动作),论文提出了一种基于定子绕组磁链简化计算模型的故障电流特性分析方法。该方法建立了两相静止坐标系下双馈风电机组的动态模型,以适应对称及不对称电网故障情况下双馈风电机组故障电流特性研究的要求。根据所建立的分析模型,对撬棒保护动作情况下定子绕组磁链动态过程进行了研究,提出了一种兼顾精确性和简易性的定子绕组磁链的简化计算模型。以此为基础,通过理论分析和数字仿真研究了对称故障和不对称故障情况下双馈风电机组的故障电流特性,得到了其解析表达式,并建立了故障电流的等效计算模型。对于远区非严重故障(撬棒保护不动作),鉴于故障期间变频器的励磁调节特性将对风电机组的故障电流特性造成很大的影响,本文提出了一种计及励磁调节特性影响的双馈风电机组故障电流特性分析方法。在研究双馈风电机组的稳态控制策略和常用的低电压穿越运行控制策略的基础上,分别对典型Ⅰ型系统和典型Ⅱ型系统的转子电流内环的动态响应特性进行了分析。在此基础上,对非严重故障期间双馈风电机组的转子和定子故障电流特性进行了理论和仿真研究,得到了相应的解析表达式。在各类分布式电源中,大多数类型的分布式电源需通过逆变器接入电网,这类逆变型分布式电源的故障电流特性与其在电网故障期间所采用的低电压穿越运行控制策略密切相关。针对此,论文提出了一种能够满足并网规程要求的低电压穿越运行控制策略,建立了逆变型分布式电源故障电流特性分析模型,给出了短路电流的解析表达式。在上述理论研究的基础上,对电网对称和不对称故障期间逆变器控制器的动态响应特性以及短路电流特性进行了仿真分析,验证了理论分析的正确性。分布式电源的特殊故障电流特性导致传统电网故障分析方法不能适用于含分布式电源的电网。为了满足含分布式电源的电网故障分析的要求,为电网故障特性、继电保护配置模式和实现原理等研究奠定理论基础,亟需提出一种含分布式电源的电网故障分析方法。针对此,本文首先对传统的以交流同步电机供电电源为基础的电网故障分析方法进行了研究；然后,以含逆变型分布式电源的电网为例,分析了传统电网故障分析方法存在的主要问题。在此基础上,提出了一种含逆变型分布式电源的电网故障分析新方法。仿真研究证明了所提出的故障分析新方法的有效性和正确性。双馈风电机组复杂的故障电流特性和不断波动的功率输出使得应用在双馈风电场联络线上的传统继电保护原理的性能严重劣化,难以满足实际电网安全运行要求。针对这个问题,论文提出了一种新型距离保护方案。该保护方案以输电线路微分方程为基础,其性能不受双馈风电机组撬棒保护动作行为和故障电流中衰减交流分量的影响。同时,采用二阶巴特沃斯低通滤波器对测量电压和电流进行处理,可有效降低高频暂态分量对距离保护性能的影响；并通过故障点电压重构和故障距离迭代计算,提高了故障距离计算结果的稳定性和准确性。仿真研究表明,新型距离保护方案整体性能明显优于传统距离保护方案：能正确识别区内和区外故障；能快速、可靠地动作于保护区内任何类型的故障。最后,论文对所作的工作进行了总结,并对下一步的研究工作进行了展望。
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【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM711

【参考文献】