低电压加速反时限过电流保护

论文总字数：19587字

目 录

摘要 I

Abstract II

1引言 1

2分布式电源简介 2

2.1分布式电源的定义与特征 2

2.2分布式电源电气模型 3

2.3分布式电源接入对配电网继电保护的影响 5

3电网的电流保护 7

3.1 电流保护原理 7

3.2三段式电流保护 8

3.3反时限过电流保护 9

3.3.1 保护整定 9

3.3.2 DG接入对保护影响 11

3.4低电压加速反时限过电流保护 12

4 算例分析 14

4.1算例模型 14

4.2 并网运行 15

4.3 孤岛运行 19

5总结与展望 22

参考文献 23

致谢 24

低电压加速反时限过电流保护

穆如传

，ChinaAbstract：with the applications of green energy continue to expand, so the distributed power technology develop rapid. In the common low-voltage distribution network, with the distributed power supply, the traditional structure of the grid changes, so that relay protection equipment can not meet the basic requirements. Therefore, with analyzing the basic characteristics of distributed power supply and the influence of traditional three-stage current protection and inverse time overcurrent protection, a inverse-time overcurrent protection factor is proposed. In the inverse-time overcurrent protection principle, the use of local current and voltage information to speed up the relay protection device action. The scheme ensures the quickness of the fault of the cut-off line, and also satisfies the selectivity of the relay protection requirements. At the same time, establishment of line model of grid ,and through matlab simulation software to verify it to ensure the correctness of the principle.Key words: inverse-time overcurrent protection; distributed generator; Distribution network; Matlab

1引言

随着社会的飞速发展，能源的供应及其安全显得愈发重要。现代社会使用的能源有石油、煤、天然气、核能等，这其中化石能源占绝大部分比例。当今社会，人们过度依赖并且无节制的使用化石能源, 能源枯竭已经出现。因此,使用包括可再生能源的多种形式的能源是保证平稳发展的有效途径。

我们必须转变单一依靠传统化石能源的发展方式，在保证社会能源供给的前提下，提高清洁能源的利用比例。因此，类似于风电与太阳能发电等新能源的发展带来了分布式发电技术的快速发展^[1-2]。经过技术的发展，我们生活中已经能看到多种分布式能源：

太阳能发电采用聚焦太阳能的途径实现其热效能转换^[3]。其可以通过加热空气或蒸汽驱动发电机，也可以通过光伏电池进行能量转换。光伏电池在各个行业扮演着重要角色，特别是空间卫星和空间站等航空航天设备，主要能源方式是太阳能电池板接收太阳辐射能量。光伏电池对于不同光强度和电池温度，其自身的效率会出现波动，一般使用最大功率跟踪调整其工作点，使其发挥最大效率。在配电网中光伏电池为直流电源，因此由太阳能获得的的电能必须经过逆变器变换得到适当的电能质量才能接入配电网。

电力技术革命后，风能被用于发电。风力发电的实质是把空气的动能先转变为机械能并最终转变为电力的发电技术。风力涡轮机通过机械装置（风力涡轮机）来获取风能并驱动发电机来转换机械能和电能。并网风力发电系统通常是大规模的，作为风力发电厂运行到驱动系统中为系统提供电力，在配电网中共享系统负荷。但是当系统发生短路等情况时，也需要配合相应的电力储能设备，来保证分布式供电微电网的供电体系在故障后的独立运行。孤立的风力发电系统一般是用于远程用户负载电源的小容量，为了降低风力发电的波动，需要与储能装置一起使用，以确保独立系统的电能质量。对于使用异步发电机的风力发电机，接入电网必须是要通过交-直-交变换来确保电网的稳定运行。

燃料电池，是将原电池产生的多种能量转变为单一电能进行储存或者输出。燃料电池种类繁杂，但实质都是通过电路控制实现电能与其他能的相互转化。燃料电池的类型不同而导致的输出特性不同，因此接入配电网前要对其电能质量进行控制管理。 燃料电池的缺点很明显，一方面发电站和配套设施建设成本套高，另外由于燃料电池单体的蓄电容量太小，需要复杂的串联和并联来提供电能支持。燃料电池输出电流为直流，为满足并入电网时AC频率的要求，要通过变流装置将其转换成符合要求的交流电。

目前对于DG (distributed generator)的最常见的利用形式是保证电能质量后接入配电网。对于以上的常用分布式能源的概述中可以发现：为满足将DG接入配电网供电的要求，其并网过程采用了大量的电力电子变流技术^[4]。通过分布式电源自身输出的反馈调节，实现对自身的控制，对能量控制和并网运行进行优化。

分布式电源不仅仅是依靠传统的发电供电技术, 它是具有灵活、可靠、便捷等性质的新型能源供电方式。目前为止, 全球对于太阳能、风能和其他可再生能源开发利用范围和深度不断拓展，接入配电网的分布式能源发电已经具有一定的规模。不同容量的DG通过采用不同的方式连入配电网，如风能，海洋能，太阳能接进电网的方式各不相同。对于DG接入配电网，如规模较大的风电厂和水电厂一般通过变压装置升压的方式接入等级较高的配电网，规模较小的如在小型水电厂一般直接接入末端配电网直接为用户供电。对于配电线路的保护，由于DG对于运行状态的不断变化，会造成供电系统的波动，给线路的继电保护带来一定的负面影响，尤其在较高电压的线路中，其对于配电网的影响更为明显^[5]。由于DG输出功率大小可以变化，这对于继电保护的要求更加苛刻，DG的接入会导致配电网按照以往电压电流整定的保护不符合相应的保护要求，对于保护装置会出现选择性缺失的现象^[6]。以上问题，重点分析由分布式电源自身波动与不确定性而导致的继电保护性能的劣化，讨论含DG的配电网的故障特性和采用相关有效的保护措施就十分重要。

本文对分布式电源的应用背景和前景作了简介，建立了含DG的线路模型，从传统三段式电流保护和反时限过电流保护方面分析了含DG电网运行和故障特征。对于传统反时限电流保护受电网运行状态变化影响而无法保证能够快速正确切除故障的问题，采用低压加速因子加速保护动作，在DG接入导致电网线路结构及运行状态发生变化时，采用该方法的过电流保护装置满足继电保护的基本要求。

2分布式电源简介

2.1分布式电源的定义与特征

分布式电源：简称DG，指通过综合利用生产中的余热余气、较为分散的可再生能源等资源进行发电的供电系统，对于DG的利用一方面符合了高效率利用分布式资源的要求，同时满足了当地对于发展的需求^[7]。

与其他国家一样，分布式电源在我国应用广泛，其具有电压等级较低、规模不大、可就近接入配电网等特点。我国地区配电网中的小水电装机发电量和容量均居世界第一，风电，太阳能等分布式资源发电占能源比例也在逐渐提高。

目前对于DG供电的最大容量以及接入配电网的方式方法，电压和电流质量的定义国际上没有形成统一的标准。由于各方在对分布式供电的定义和标准的理解方面存在分歧，因此分布式电源的供电标准仍未有定论。

对于分布式电源DG，其具有以下特征：

（1）接入位置为配电网线路末端，为当地用户提供电能，并且一般无升压转换，实现电能的就近使用和就地消纳。

（2）发电机装机容量一般在10MW及以下。国际中的国家或组织对于分布式电场中的发电机容量限制大部分为 10MW及以下。各个国家或组织对于分布式电源发电机接入容量的规定也不相同，在美国等国家中，DG供电的接入容量一般确定为10MW，其他少数国家具有自己接入标准。

（3）DG供电接入的通常是低压配电网。低压配电网一般为10（35）kV，但由于各国对于分布式电源电压等级的要求存在不同，接入配电网的电压具体要求也不同。典型国家或组织中，大部分为10kV及以下或者35kV及以下。在低电压配电网的电压界定上，上限一般为30kV。少数具有自己的定义标准，如英国DG供电能够接入较高电压等级的配电网。

（4）其发电方式通常有：资源综合利用发电、高能效多联供发电（高能效）、可再生能源发电。

在比较分析我国低电压配电网及典型的国家或组织的对界定分布式电源的要求定义后，分布式电源可简单定义为：以利用分布式分散资源，靠近用户，发电机装机规模小等为特点，如利用高能效天然气多联供、利用综合资源、可再生能源的供电设施。DG发电能够利用多种能源和能量循环(如电厂余热)，提高了发电效率和扩展了能源的广度。同时分布式电源要能够在不影响电网稳定，安全性的技术要求下按照各国家级组织的规定中低电压等级接入配电网。

2.2分布式电源电气模型

在输配电网的电力网络中DG一般处于对输出功率或电压的反馈控制下，可以通过对DG供电输出的控制保证配电网工作的鲁棒性，尽可能消除波动干扰^[8-9]。

分布式电源的电气模型分为PQ控制，VF控制和下垂控制3类：

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