P/Q 控制策略下的分布式电源自适应距离整定新方法

肖蕙蕙，申丹伟，蒋东荣，颜瑞凡，叶阳建

（重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054）

P/Q 控制策略下的分布式电源自适应距离整定新方法

肖蕙蕙，申丹伟，蒋东荣，颜瑞凡，叶阳建

（重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054）

采用P/Q控制策略的分布式电源（DG）的故障电流特性与传统发电机不一致，将会导致原有配电网距离保护不能有效满足继电保护的要求。针对该问题，分析了分布式电源接入时配网故障电流与距离保护测量阻抗的相关特性，并结合P/Q控制策略下DG的故障电流特性研究了配电网单相接地自适应距离保护整定方法，解决了原有配电网距离保护不能有效动作的问题。通过对单相接地故障进行模拟仿真，证明了该整定方法的有效性，对实际应用具有一定参考价值。

分布式电源；故障电流；分布式电源接入；自适应距离保护；P/Q控制策略

近年来，配电网系统中越来越多地采用分布式电源，为系统运行和保护带来很大困难。原有配电网阶段式的电流保护将不能有效按照规程要求进行整定，达不到预期的保护效果［1-4］。目前，国内外学者在含DG配电网的故障特性及保护方案方开展了大量的研究工作。文献［5］对传统旋转类型DG的电磁暂态特性进行了广泛的研究。文献［6］对三相对称系统中的逆变型分布式电源故障电流特征进行了分析。文献［7］对DG的输出功率变化量与保护流过的故障电流变化量进行分析，得到正比例关系，并根据DG的投入和退出运行来自适应整定保护定值。文献［8］将DG模型等值为采用恒定电压源和恒定阻抗串联的模型，通过电网电压和等值阻抗压降求取DG等值电势。文献［9］在研究逆变器接口DG的故障特性时，将DG视为小容量的电压源或电流源，或考虑DG出力的变化，将DG等值为内阻大小发生变化的电压源，但有关DG的并网规定并未考虑DG的低电压故障穿越控制策略及其对故障电流的影响。文献［10］对IIDG故障电流的特征进行分析，但分析结果不适用于直接入网的IIDG。文献［11］对距离保护中如何消除过渡电阻对距离保护的影响进行了分析，但没有考虑不同控制策略下的DG故障电流特性。

对于采用逆变型接口的DG（inverter interfaced distributed generation，IIDG），因其短路特性主要由逆变器控制策略决定，具有很强的非线性特性，不能将其等效为电压源和阻抗串联模型，因此，研究IIDG配电网保护时必须考虑有关控制策略的影响，精确分析有关故障电流特性［12-14］。由于IIDG主要采用P/Q控制策略，因此本文基于P/Q控制策略下IIDG的故障电流特性，对配电网的单相接地故障进行序网图分析，由此推导出自适应距离保护整定方法，并通过仿真实验验证其有效性。

1　DG对距离保护的影响

一般情况下，逆变器器件对工作电流限制作用较大，使得IIDG的短路电流水平极有可能高达正常运行情况的1.5～2倍，导致其出现与普通旋转式发电机截然不同的故障特性。

图1为单个DG的“T”型接线情况。设系统电势为Es、系统阻抗为Zs，线路AM段阻抗为Zam，线路MB段阻抗值为Zmb。DG提供的故障电流为Idg，过渡电阻为Rf。

1.1故障位置f1处对距离的影响

传统距离保护模式下，CB1的距离保护I段将保护AB线路的80%～85%，当DG未接入到配电网时，CB1处测量的阻抗为A到故障点f1的阻抗值，保护CB1将可靠动作。单个DG接入配电网时，在AB段发生三相短路故障。CB1的I段测量阻抗等值电路见图2。

图2　CB1的I段测量阻抗等值电路

根据等值电路图2可得

将式（1）变形可得

求得测量阻抗值为

式（3）中的前两项在DG接入前后不发生变化。对于金属性故障，其测量阻抗值不发生变化，保护CB1将可靠动作。对于非金属故障，DG接入后会造成测量阻抗值发生变化相位超前时将具有正阻抗角，表现为感性阻抗，导致系统测量阻抗值增大。反之当相位滞后时，将具有负阻抗角，表现为容性阻抗，导致系统测量阻抗值减小。在系统振荡和故障条件下，相位差可能在0～π变化。

1.2故障位置f2处对距离保护的影响

在线路保护中，实现保护的选择性会导致CB1的I段不能完全保护AB的全长，需要加入CB1的II段保护。将CB1的I段和II段保护进行组合构成本线路AB的主保护。CB1的II段保护测量阻抗等值电路见图3。

图3　CB1的II段保护测量阻抗等值电路

由等值电路图3可得

将式（4）变形可得

则其测量阻抗为

同理，前3项的测量阻抗在分布式电源接入前后不变，当故障发生在DG下游时，测量阻抗仍然受相位关系的影响。

显然，距离保护的测量阻抗值会受到DG故障电流与流过测量保护装置电流相位关系的影响。采用不同控制策略的DG，故障电流相位关系表现出不规则性。接入配网中的DG大多采用P/Q控制策略，所以有必要研究其故障电流特性，以便进行自适应距离保护整定。

2　P/Q控制策略下单相接地故障的自适应距离保护整定

2.1IIDG的故障电流特性

IIDG下游线路发生故障时，其测量阻抗值将受故障电流影响，造成原有保护拒动。P/Q控制策略下IIDG的控制方式是采用矢量控制思想通过补偿方式消除电压电流之间的耦合，转换为通过控制d轴和q轴分量来实现有功功率和无功功率的解耦控制。具有低电压穿越控制策略的IIDG故障电流可表示为［15-16］：

其中：IDG.qf和IDG.df分别表示IIDG在故障发生时电流的有功和无功分量；UP为故障前PCC的额定电压；Up+f为故障发生时PCC电压的正序分量；Imax为IIDG逆变器允许的最大短路电流；K为无功支撑比例系数；Pref为有功给定输出。

式（7）表明故障电流由PCC故障电压决定。发生故障时，一般采用PCC电压控制型电流源模型。对于非对称故障，通常只考虑将正序电压分量作为控制电压，此时IIDG等效模型采用PCC正序电压控制电流源模型。在配电网中性点直接接地的系统中，当零序电流保护不能满足要求时，一般采用接地距离保护。配电网线路故障中常发生单相接地故障，故对单相接地故障的距离保护自适应整定进行推导。

2.2单相接地故障序网图分析

故障位置f2处发生B相接地短路故障的序网图如图4所示。

此时保护安装处CB1的序电压为：

式（8）中的Zam+Zmf和Zam（0）+Zmf（0）分别表示线路正序和负序阻抗。A相电压和电流可以用对称分量表示，故障点A相电压为0，可得到：

将式（9）变形有：

图4　f2处发生单相接地故障时的序网图

实际配电线路一般采用相电压和带零序电流补偿的相电流。补偿系数为K，补偿故障相与其他两相相互耦合而感应的电流，则式（2）～（6）简化可得：

则保护CB1的II段测量阻抗为

通过序网图得

在故障发生前有

其中：UP表示故障前PCC的额定电压；Va表示此时A点母线电压；Is表示系统提供的负荷电流。

在分布式配电网中，输电距离较短且电压等级不高，其输电线路电抗值远大于线路的电阻值，此时分布式电源的无功分量大小将起决定作用。采用近似代替式（14）中的通过式（7）、（15）、（16）计算，最后通过式（14）可得到距离保护的自适应整定值。

3　仿真分析

为验证建立的自适应整定方法的有效性，采用PSCAD对单相接地故障进行仿真分析［17］，其配电网仿真结构如图1所示。当f2处发生故障时，配电网等值容量为40 MVA，基准电压为10.5 kV，B处接入采用P/Q控制策略的IIDG，额定功率为4 MVA。变压器容量为10 MVA，0.69 kV/10.5 kV。线路AM和MB长度分别为9 km和6 km。单相接地故障f2发生处距离母线B为3 km，线路的单位阻抗z=0.127+j0.29 Ω/km。

仿真模型中，采用四边形阻抗继电器。按照CB1保护AB线路全长85%的要求，整定点到I段保护末端处阻抗为1.6+3.7i。假设0.3 s时，在f2处发生单相接地故障，故障持续时间为0.05 s。其单相接地故障仿真波形如图5所示。

图5中，f2=1表示故障f2处发生单相接地故障。从图5可知：CB1处的测量电流和IIDG的输出电流波形发生明显变化。在故障发生0.05 s内，CB1从0跳变到1，实现了快速动作。表明该自适应距离保护在发生单相接地故障时能可靠地动作并切除故障段。

图5　单相接地故障波形

4　结束语

仿真结果表明，本文方法在DG发生单相接地故障时可使断路器快速动作，能有效满足含分布式电源的配电网对线路保护的要求，为今后进一步研究不同控制策略下DG群的故障电流特性和自适应距离保护整定方法提供了理论参考。

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（责任编辑杨黎丽）

New Method of Distributed Power Adaptive Distance Protection Based on P/Q Control Strategy

XIAO Hui-hui，SHEN Dan-wei，JIANG Dong-rong，YAN Rui-fan，YE Yang-jian
（College of Electronic Information and Automation，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China）

The fault current characteristics of distributed power with P/Q control strategies are different from the traditional synchronous generator.It would be resulted in that the distance protection of traditional distribution network could not satisfy the requirements of the DG effectively.This paper analyzed the distributing network including DG access correlation characteristics for the fault current between the measured impedance of distance protection.Then，the paper proposed a method of adaptive single-phase grounding distance protection criterion with the fault current characteristics of the DG under the P/Q control strategies.It was a good solution for setting calculation of DG distance protection. Finally，the single-phase grounding fault was simulated using the Pscad 4.2.The simulation results show the feasibility and validity of the method.It has important practical application value.

distributed power；fault current；DG access；adaptive distance protection；P/Q control strategy

TM77

A

1674-8425（2015）04-0086-05

10.3969/j.issn.1674-8425（z）.2015.04.017

2015-02-17

重庆市教委科研项目（KJ120803）

肖蕙蕙（1964—），女，湖南衡阳人，教授，主要从事自动控制理论及应用研究。

肖蕙蕙，申丹伟，蒋东荣，等.P/Q控制策略下的分布式电源自适应距离整定新方法［J］.重庆理工大学学报：自然科学版，2015（4）：86-90.

format：XIAO Hui-hui，SHEN Dan-wei，JIANG Dong-rong，et al.New Method of Distributed Power Adaptive Distance Protection Based on P/Q Control Strategy［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2015（4）：86-90.