微电网运行-继电保护

2016年4月1日星期五 37－13
§5-2 微电网保护方案分析
1.大电网中的故障 变压器两侧或馈线C发生的故障将产生两种响应。 (1)首先分段设备SD动作 馈线A和B与故障隔离，余下的区域1和区域7为没有分布式电 源的传统的电力系统结构，不需要特殊的保护。 根据系统的电压等级、开关的操作速度以及故障电流的大小， SD可能采用不同的结构，如采用具有并联跳闸装置的模块化 线路断路器，或者采用高速的静态开关。 保护方案必须根据线路的连接特征设计。 保护方案可能很简单，例如可监视电流的幅值和每一相线路 的潮流方向，如果它们超过设定的阈值，则发出 SD 的跳闸 信号； 保护方案也可能相当复杂，如可监视电压和电流信号的波形， 以取得经过详细分析的四分之一周期的跳闸时间。
2016年4月1日星期五 37－11
§5-2 微电网保护方案分析
电能管理 馈线A 区域3 区域4
区域2 馈线B 区域5 敏感负荷Βιβλιοθήκη SD 区域1 PCC 区域6
传统负荷 馈线C 区域7
热力 负荷
分布式电源
功率和电压控制
公共耦合点(PCC)
断路器
分段设备
2016年4月1日星期五
37－12
§5-2 微电网保护方案分析
U r I f 0 Z 23 I f 0 I dg Z3a
Z23为母线2和母线3之间的线路阻抗；Z3a为母线3到故障点a之间的阻抗。
因此继电器R测量得到的阻抗为
I dg Ur Zr Z 23 Z3a Z 3a If0 If0
继电器R测量得到的阻抗大于实际的故障点的阻抗，其后果是 继电器可能在另一距离区起动更高一级的时间响应。 增加的阻抗随Idg/If0的变化而变化。
2016年4月1日星期五 37－3
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
母线 2 和母线 3 之间的线 路始端安装了继电器R， 若在 a 点发生了短路故障， 则实际的短路电流为
I f I f 0 I dg
但继电器 R 只能测量到来自大电网中的电流 If0 ，因此可能使得 继电保护装置不能正常触发。 如果继电保护装置采用反时限过电流保护，若故障类型为高 阻抗故障，则可能没有足够的时间使得继电保护装置动作。 若故障发生在母线2，则流过继电器的电流将反向，若采用方 向继电保护装置，则继电保护装置也不能正常工作。
一、微电网正常运行时系统中发生故障的情况 微电网正常运行是指微电网与大电网并列运行，即分段器件 SD闭合时的情况。 在这种情况下的保护问题为单个分布式电源和整个微电网对 发生在大电网中和微电网中故障的响应。 对于大电网中发生故障的响应将随着微电网中负载的需要而 变化。 例如若微电网中的负载主要为零售商，则主要应考虑保证照 明，从而使得商店的营业能继续进行。 与计算机相关的收银机和存货控制等敏感负载应该有专用的 UPS系统，这样数秒钟短暂的停电不会影响零售商继续进行 商业交易的能力。 如果微电网中包含生产线这样的敏感负载，则短时停电的容 忍时间将比零售商所允许的时间短得多，特别是在厂商非常 相信微电网的供电可靠性而不装配UPS系统的情况下。
if
Zf为网络的等值阻抗。
1 Zf
配电网中，典型的相间或相 - 地间的故障电流的标幺值为 10~ 15 ，远远大于额定电流。因此当系统发生短路故障时，在继 电保护装置动作前，必须有足够的电源功率产生故障电流。
2016年4月1日星期五 37－2
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
微电网中的各类电源并不都能满足此要求，特别是采用电力 电子设备的微型电源，为了保护电力电子器件，这些微型电 源的控制器都装配有防止过电流的保护装置。 例如，如果在配电网的用户端安装了大容量的 PV系统，可能 会出现短路故障发生后，系统中的相电流并没有显著增大， 因此过电流保护系统可能探测不到故障的发生。 当微电网发生故障时，虽然故障电流可能较小，但可能产生 非常危险的接触电压。 若不将故障切除，永久性的故障可能蔓延开来，损坏更多的 电气设备。 微电网中有很多分布式电源并联运行，将使故障时的等值电 阻减小，在短路故障发生瞬间，产生比常规配电网发生短路 故障时更高的故障电流。 若配电网按常规的方法设置了继电保护装置后，当网络中新 增分布式电源后，还应考虑继电保护装置能否正确运行。
微电网中的继电保护
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别 §5-2 微电网保护方案分析 §5-3 微电网保护方案设计 §5-4 基于对称分量的保护
2016年4月1日星期五
37－1
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
常规的配电网为单电源辐射型结构，潮流的方向为单方向， 即从电压等级高的一侧流向电压等级低的一侧。 设计配电网的保护系统时，可认为配电网为无源网络，网络 中没有发电机。 在配电网中引入分布式电源形成微电网后，虽然网络结构没 有改变，但电网中除了中央发电系统对微电网送电外，还包 含多个分布式电源。 因此按常规的配电网设计的保护系统可能不适合于微电网。 一、短路功率和故障电流大小 电力系统中故障电流的标幺值可按下式计算
2016年4月1日星期五 37－15
§5-2 微电网保护方案分析
理想情况下，大电网应该尽快恢复对原断开的负荷供电，这 可能需要数秒到数分钟时间，取决于母线和负荷的特征。 通过测量 SD两侧的电压，微电网必须具有合适的控制方法， 使得微电网中所有分布式电源与大电网中的同步发电机同步 运行。 二、孤岛运行时微电网中发生故障的情况 若故障在孤岛运行的微电网中发生，馈线A和B具有继电保护 装置，通过线路上的断路器尽可能少地将分布式电源断开。 若区域 4发生故障，应该使得离故障点最近的断路器动作， 将故障点与其它部分隔离开，使故障对微电网中其它负荷的 影响最小。 若区域3发生故障，则应使馈线A上的所有负荷和电源断开。 若故障发生在区域5，则应将馈线B断开。 微电网中继电保护的动作原理将随着微电网的复杂程度而发 生较大的变化。
f
Pf s df dt 2 S N H
P Pdg PL
Pfs ti 2S N H
上式仅仅考虑了孤岛运行时负荷和电源之间的有功功率偏差， 没有考虑故障的影响。
2016年4月1日星期五
37－9
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
下图为微电网重新并联到大电网的自动重合闸过程。假设微电 网孤岛运行时，分布式电源提供的功率小于负荷功率，因此微 电网的频率下降。
UN UN为系统的额定电压； Rl+jXl 为线路的等值阻抗； Pdg+jQdg 为分布式电源的 输出功率。
2016年4月1日星期五 37－6
U
Pdg Rl Qdg X l
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
当配电网中有和没有分布式电源时，配电馈线上的电压曲线和 电压梯度如图所示。 潮流方向的改变将引 起电压梯度的符号改 变。 在负荷比较重的配电 网中，分布式电源对 电压曲线的影响是正 面的，能够改善系统 的电能质量。 馈线上电压曲线的变 化也将影响变压器分 接头的正常工作。 如果分布式电源位于配 电网的入口附近(例如DG处于母线2)，由于分布式电源的加入 导致变压器的负荷减小，从而影响变压器分接头的改变。
2016年4月1日星期五 37－16
§5-2 微电网保护方案分析
若微电网中仅仅只有一个分布式电源，则所采用的保护方案 基本上与传统的辐射型配电网的保护方案相同。 具有多个分布式电源的更复杂的微电网则需要非常复杂的保 护方法。保护方法的复杂程度和费用取决于微电网的需要。 当微电网中的用户具有适当容量的分布式电源，能够满足他 们自己所需电能的需要，则保护方案将比较简单。 当微电网中发生故障时，用户可将自己的负荷与微电网中其 它部分隔离。但是这样的保护措施不能利用微电网中负荷和 电源可能的多样性的特点。 若要充分利用微电网中的资源，则必须采用较复杂的保护措 施。 若区域3中发生故障，馈线A的断路器将跳闸，使得区域3中 所有负荷断电，而区域4仍可以正常运行。 但区域 3的故障并不是直接就能检测出来，因为微电网处于 孤岛运行状态时，其短路电流将显著减小。
2016年4月1日星期五 37－7
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
变压器分接头的调节特性将发生移位，配电网的入口电压将 得不到正确的调节。 四、孤岛和重合闸 一般情况下，并网运行的微电网发生孤岛时是由故障引起。 当微电网内部发生故障时，由于分布式电源给微电网继续提 供电能，将维持故障产生的电弧，故障可能得不到切除。 电力系统的故障可能在很短的时间内即可清除，因此配电网 中通常安装了自动重合闸装置。 当微电网处于孤岛状态运行时，短时间内将微电网自动重新 连接到大电网可能出现下述两个问题： 由于分布式电源继续对故障电弧提供电能，故障不能清除， 因此可能导致重合闸失败； 孤岛运行的微电网的频率将随着电源和负载间有功功率不平 衡而发生变化，自动重合闸可能导致大电网和微电网异步运 行。
2016年4月1日星期五 37－5
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
对于在规划设计阶段整定的继电器，若要继电器在原来设计 的距离区动作，则故障应该离继电器近一些，因此继电器的 动作区减小，也即其限距减小。 三、潮流方向和电压曲线的变化 辐射型配电网的潮流为单方向的，配电网中的方向过电流继 电器，均按此标准设计保护装置。 当配电网中加入分布式电源后，如果分布式电源的输出功率 超过本地负荷消耗的功率，则潮流方向将改变。 潮流方向的改变还将影响辐射型馈线的电压曲线。 潮流方向的改变除了将引起电能质量问题外，还可能干扰线 路上的电压限额，使电气设备增加额外的电压应力。 潮流方向的变化所引起的电压变化可近似用下式计算
2016年4月1日星期五 37－8
§5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别
孤岛运行的微电网其频率变化率可表示为微电网中电源和负 荷之间有功功率偏差的函数。 设微电网中电源和负荷之间的有功功率偏差为