含逆变型分布式电源的配电网智能分布式保护

杜浩良，郑 燃，李跃辉，徐 峰

（国网浙江省电力有限公司金华供电公司，金华 321017）

为推动实现“碳达峰、碳中和”的新时代目标，发展清洁能源和可再生资源，发展安全、环保、可靠的新供电方式势在必行。分布式发电DG（distributed generation）技术因其经济性好、供电灵活、清洁环保等诸多优点，在世界范围内得到了迅速发展和广泛应用。但是，DG的接入改变了配电网的拓扑结构和潮流特性，使得配电网故障后的电压、电流特征均发生了变化，影响现有保护的选择性。因此，针对含DG的配电网保护方案的研究一直是研究热点。

针对含DG的配电网，国内外学者提出了许多对现有保护的改进方案和新的保护原理，主要分为以下4种方案。

（1）改进现有的配电网保护方案。文献[1]针对DG产生的助增电流会导致电流保护失去选择性的问题，提出引入故障电压来修正现有保护判据，但保护整定原则缺乏理论依据。文献[2]则是将低时延、高带宽的5G通信技术与电流差动保护相结合构成了快速综合保护，理论上对于传统配电网和含DG的配电网均适用，缺点是无法避免数据不同步带来的影响。

（2）故障后切除分布式电源[3-4]。故障后供电可靠性降低，一般希望DG具有低电压穿越能力对系统提供支撑。故障时切除DG不仅起不到这种作用，还会对暂态同步稳定性有一定的影响。因此，该方案弊端较多，只有在DG接入配电系统的数量较少、渗透率较低的情况下才具有应用价值。

（3）限制DG接入点的故障电流[5-6]。这种方案通过在DG支路串接限流电抗器或新增其他耗能支路来削弱DG助增电流对保护的不利影响，类似于故障后切除DG，两者都是通过削弱DG与配电网的电气联系来保证保护的选择性和灵敏性，所以也存在故障条件下对配电网支撑不足的问题。

（4）基于通信的配电网智能分布式保护方案。文献[7-9]分别在分布式馈线终端的通信系统基础上，基于终端上的通信设备搜集馈线上电气量大小和方向等信息，分别提出了利用电流方向、测量阻抗、差动电流构造配电网智能分布式保护判据的配电网保护方案。

综上，本文从对逆变型DG的控制策略及其输出特性的研究出发，分析了其在双闭环控制策略下抑制负序分量的控制方案。依据三相对称运行和不对称运行情况下控制原理的差别及其输出特性，提出了借助于通信通道和两段式负序电流及两段式正序方向电流实现的智能分布式保护方案。前者反应不对称故障，后者反应三相对称故障，不仅能保证全线路故障的0 s跳闸，而且能保证下一条线路出口故障不动作，且不需要随着DG的接入与否来改变整定值。最后，搭建的PSCAD/EMTDC仿真平台验证了本文所提保护方案的有效性。

1 逆变型DG的双闭环控制策略与输出特性

1.1 双闭环控制原理及系统对称运行情况下的输出特性

图1为逆变型DG的结构。图1中，与逆变器直流侧连接的直流电源Udc一般是光伏电池、燃料电池等，也可以是通过整流得到的直流电源，例如异步风机、微型燃气轮机等；Cdc为电压源型逆变器的稳压电容，用于保证逆变器直流侧电压稳定；S1～S6为绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）；D1～D6为反并联的二极管；ea、eb、ec为交流配电系统等效电势；ua、ub、uc和ia、ib、ic为逆变器交流侧出口的电压和电流；R为逆变器与换流电抗器的等效电阻；L为换流电抗器的等效电感。

图1 逆变型DG的结构Fig.1 Structure of inverter-based DG

根据图1，在三相静止坐标系下，电压源型逆变器交流侧的三相动态微分方程为

对式（1）进行派克变换可得到逆变器在两轴同步旋转坐标系下的动态微分方程[10]为

式中：ud、uq、ed、eq、id、iq分别为交流侧出口电气量对应的dq轴分量；ω为角频率。对式（2）进行拉普拉斯变换可得到逆变器在dq轴同步旋转坐标系下的数学模型为

根据瞬时功率理论[11]，逆变器输出的dq轴分量分别对应有功输出和无功输出，而式（3）表明d轴和q轴间存在耦合。为了实现有功输出和无功输出的独立控制，需要对dq轴进行解耦。通常采用前馈解耦方式，通过将前馈量+ωLId(s)和-ωLIq(s)分别引入到相应的逆变器输出电压分量中，并使其与式（3）中的耦合项-ωLId(s)和+ωLIq(s)对消以实现dq轴解耦，从而将系统控制模型转化为相互独立的双闭环控制器。电压源型逆变器前馈解耦的控制模型如图2所示。

图2 电压源型逆变器前馈解耦的控制模型Fig.2 Feedforward decoupling control model of voltage source based inverter

外环控制用于根据逆变器的控制目标（直流电压和交流输出有功功率为有功类控制目标，交流电压和交流输出无功功率为无功类控制目标）计算dq轴电流的参考值id_ref和iq_ref，其结构如图3（a）所示，其中P和Q分别为有功功率和无功功率的测量值，Pref和Qref分别为有功功率和无功功率的参考值；内环控制的目标是计算出逆变器交流侧出口dq轴电压的参考值ud_ref和uq_ref，其结构如图3（b）所示。

图3 双闭环控制器的结构Fig.3 Structure of double closed-loop controller

在系统正常运行三相电压对称时，采用以上控制方式的逆变型DG可无静差地控制其输出正序电流。

1.2 电网不对称情况下抑制负序分量的控制方案与输出特性

当系统发生不对称故障时，逆变器交流侧电压存在正序、负序和零序分量。对于正序分量，逆变器采用与正常对称运行时相同的控制策略。对于零序分量，由于换流变压器通常采用Δ/Y或Δ/ Yn接法阻止了网侧零序分量进入阀侧，故阀侧没有零序分量，逆变器无需对零序分量进行控制[12]。因此，电网发生不对称故障时应主要考虑对负序分量的控制策略。

国标GB/T 19964—2012和GB/T 19963—2011中对DG接入电网的低电压穿越能力有如下规定：当电力系统事故或扰动引起DG并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，DG能够保证不脱网连续运行。针对该目标，现有研究提出两种电网不对称故障情况下的负序分量控制方案：抑制负序电流[13]和主动注入负序电流[14]。抑制负序电流方案是通过降低故障后的逆变器输出负序电流来降低电网的故障电流，避免功率器件电流超限。主动注入负序电流方案通过控制逆变器主动向电网输出一定量的负序电流来避免故障后健全相的电压过高。但是，文献[15]指出并网逆变器主要功能是向电网注入正序功率，有限的剩余容量裕度往往不能完全补偿网络中的负序电流，因此主动注入负序电流方案在实际中的应用有待进一步研究。目前，抑制负序电流是实际工程中广泛应用的控制策略。

采用抑制负序分量控制策略的负序控制器直接将内环电流控制回路中的dq轴负序电流的参考值均设置为0，而不需要增设外环功率控制回路来计算内环电流的参考值。内环电流控制回路将测量的负序电流与参考值（这里取0）作差并实现无偏差控制。因此，采用以上控制方式的逆变型DG输出的负序电流为0。

1.3 含逆变式分布电源的配电网故障特征

根据以上分析可知，含抑制负序电流控制策略的逆变型DG的配电网具有以下故障特征。

（1）系统发生对称故障情况下，逆变器交流侧只输出三相对称分量，因此配电网故障后的电流仅包含正序分量。

（2）系统发生不对称故障的情况下，由于逆变器采用抑制负序电流的控制策略，使得输出电流中的负序分量为0，因此，配电网故障后的电流也仅包含正序分量，对原有配电网中的负序电流分布和大小均没有影响。

2 含逆变型DG的配电网智能分布式保护原理

基于采用抑制负序分量控制的这类电源在系统发生不对称故障时只输出正序电流及对原有配电网中的负序电流分布和大小没有影响的特征，本文提出了利用两段式负序电流保护和两段式正序方向电流保护分别反应不对称故障和三相对称故障的智能分布式保护方案。

2.1 基于通信的两段式负序电流保护反应不对称故障

图4为含逆变型DG的配电网。图4中，1～6表示保护编号，每条线路均配置基于通信的两段式负序电流保护来反应不对称故障。保护装设在线路的电源侧，对侧不设保护。每个负序电流保护的Ⅰ段均与下条线路的负序电流保护构成通信单元，并以下一条线路负序电流保护Ⅰ段动作信号作为闭锁信号。当本线路上发生不对称故障时，本线路的Ⅰ段动作且收不到闭锁信号，则判为区内故障，通过遥控信号同时跳开本线路双侧的断路器以隔离故障；当下一条线路上发生不对称故障时，由于电流增大本线路的Ⅰ段也会动作，但能收到闭锁信号，则表明是区外故障，不发送跳闸信号。负序电流保护Ⅱ段则作为后备保护，与传统的电流Ⅲ段同样依据阶梯型时限动作。两段式负序电流保护的动作原理框图如图5所示，其中为本线路负序电流Ⅱ段的动作时间。

图4 含逆变型DG的配电网Fig.4 Distribution system with inverter-based DG

图5 两段式负序电流保护动作原理框图Fig.5 Block diagram of principle for two-stage negativesequence current protection action

负序电流保护Ⅱ段按躲过本线路末端三相短路情况下出现的最大负序电流整定，动作时限采用阶梯型时限特性，由线路末端起逐级增加1个时延。具体整定公式为

两段式保护中，负序电流Ⅰ段作为线路的主保护，负序电流Ⅱ段作为线路的后备保护。由于Ⅰ段按照能保证本线路末端故障可靠动作的原则来整定，所以其配合通信通道后既能保证全线路故障的0 s跳闸，又能保证下一条线路出口故障不动作。该保护方案原理清晰，具有以下特点：①因为DG不提供负序电流，故不需要随着DG的接入与否改变整定值；②Ⅱ段按阶梯型时限动作以实现后备保护功能；③由于系统正常运行时不存在负序电流而具有很高的灵敏度。

2.2 基于通信的两段式正序方向电流保护反应对称故障

当系统发生三相对称故障时，电网中仅含有正序电流。但由于DG的存在，对传统三段式电流保护会造成如下影响。

（1）对DG接入母线下游保护的影响。以图4中保护3为例，下游故障时DG将对线路CD提供助增电流，流经保护3的电流会增大，其Ⅰ段保护范围也会增大，可能延伸至下一段线路。因此，当线路DE发生故障时保护3的Ⅰ段可能误动，造成停电范围扩大。

（2）对DG接入母线上游保护的影响。以图4中保护2为例，下游故障时DG将对线路CD提供助增电流，流经保护3处的电流会增大，但由于DG的存在母线C的电压会升高，从而使得流经保护2的电流减小。因此，保护2的Ⅱ段保护范围将减小，可能在内部故障时拒动。当母线B的上游发生故障时，DG将向故障点提供短路电流，该电流流经保护2可能引起其误动。

为此，本文配置基于通信的两段式正序方向电流保护来反应三相对称故障，其仍装设在电源侧，对侧不设保护。方向元件采用常规的功率方向继电器，保证正方向短路时开放正序电流保护，反方向短路时闭锁正序电流保护。每个正序电流保护的Ⅰ段均与下一条线路的正序电流保护构成通信单元，并以下一条线路正序电流保护Ⅰ段动作信号作为闭锁信号。若本线路Ⅰ段动作且未收到闭锁信号，则判为区内故障，通过遥控信号同时跳开双侧断路器以隔离故障；若本线路保护收到闭锁信号，则表明是保护区外发生三相短路，不发送跳闸信号。作为后备保护的正序电流保护Ⅱ段则依据阶梯型时限动作。图6为两段式正序方向电流保护的动作原理框图。

图6 两段式正序方向电流保护动作原理框图Fig.6 Block diagram of principle for two-stage positivesequence current protection action

正序电流保护Ⅱ段按躲过线路上流过的最大负荷电流整定，采用阶梯型动作时限。整定公式为

本线路上任何一点发生三相短路均可0 s跳闸。由于正序电流保护Ⅰ段根据末端三相短路的最小正序电流整定，故其整定值按照DG未接入的情况下计算，正序电流保护Ⅱ段定值同样按照DG未接入的情况整定。因此，两段式正序方向电流保护也不需要随着DG的接入与否而改变整定值。

2.3 智能分布式保护的逻辑框图

本文利用基于通信的两段式负序电流保护和两段式正序方向电流保护分别反应不对称故障和三相对称故障，其逻辑配合关系如图7所示。在配电网发生故障使启动元件动作后，若本线路的负序电流I-与正序电流I+的幅值之比H大于门槛值ε，则判定发生不对称故障，开放负序电流保护，闭锁正序方向电流保护；反之则判定发生三相对称故障，闭锁负序电流保护，开放正序方向电流保护。

图7 保护动作逻辑框图Fig.7 Block diagram of logic in protection action

当配电网发生两相短路时有

当配电网发生两相接地短路时有

式中，Z0Σ、Z2Σ分别为零序网络和负序网络的等值阻抗。为保证启动元件可靠启动，取门槛值ε为0.2～0.4。

3 仿真实验与结果分析

本文基于PSCAD/EMTDC仿真平台建立了图4所示的配电网仿真模型。逆变型DG在母线C处接入，采用双闭环控制策略下抑制电压不对称情况下负序分量的控制方案。等值系统基准电压为10.5kV，最大和最小运行方式下等效系统阻抗分别为1.836 Ω和1.378 Ω。馈线1中的两段线路AF、FG为电缆线路，长度分别为24 km、16 km；馈线2中的AB、BC和CD为架空线路，长度分别为20 km、20 km和17 km；DE为电缆线路，长度为14 km。架空线路和电缆线路的单位长度阻抗分别为(0.270+j0.347) Ω和(0.259+j0.093) Ω，故障发生时刻设在t=0.5 s。

基于以上参数，依据式（4）～（7）的整定原则计算得到的负序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段及正序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段的整定值列于表1。

表1 保护整定值Tab.1 Setting values of protection

图8（a）给出了系统最小运行方式下AB线路末端两相短路时流过保护1的负序电流幅值，其值为1 294 A；保护2测量的负序电流为0。根据表1中的整定值，保护1的负序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段动作、保护2的负序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段均不动作。由于保护2的Ⅰ段不动作，其不会发出闭锁信号，所以保护1收不到闭锁信号，其负序电流保护Ⅰ段将0 s跳开线路AB双侧断路器以隔离故障。

图8 保护安装处的电流幅值Fig.8 Amplitude of current at protection installation position

图8（b）为系统最小运行方式下CD线路中点发生两相短路时流过保护1、保护2和保护3的负序电流幅值，其值为586 A；而保护4测得的负序电流为0。根据表1中的整定值，保护1的负序电流保护Ⅰ段不动作，保护2的负序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段动作，保护3的负序电流保护Ⅰ段和Ⅱ段动作、保护4的负序电流保护Ⅰ段不动作。按照选择性的要求，该故障情况下应该由保护3的Ⅰ段以0 s跳开CD线路。仿真结果表明，保护1的负序电流保护Ⅰ段不动作，故不会跳开AB线路；保护2的负序电流保护Ⅰ段由于保护3的负序电流保护Ⅰ段动作而闭锁；由于保护4的负序电流保护Ⅰ段不动作，故不会向保护3发闭锁信号，因此保护3的负序电流保护Ⅰ段由于收不到闭锁信号将0 s跳开线路CD双侧断路器以隔离故障。

图8（c）为系统最大运行方式下AB线路中点三相故障时流过保护1的正序电流幅值，其值为1 192 A。因此，保护1的正序方向电流保护Ⅰ段和Ⅱ段动作，而保护2由于正序功率方向为负而闭锁，故不发闭锁信号，保护1的正序方向电流保护Ⅰ段由于收不到闭锁信号将0 s跳开线路AB双侧断路器以隔离故障。

4 结论

本文根据逆变型DG在配电网发生不对称故障时只输出正序电流及对原有配电网中的负序电流分布和大小没有影响的特征，提出一种利用两段式负序电流保护和两段式正序方向电流保护分别反应不对称故障和三相对称故障的智能分布式保护方案。该方案具有以下特点：

（1）不需要随着逆变型DG的接入与否切换整定值，适应性好；

（2）仅在每条线路的电源侧设置保护装置，借助于通信通道和保护装置整定值的相互配合，既能保证全线路故障的0 s跳闸，又能保证下一条线路出口故障不动作；

（3）原理清晰，易于实现。