基于派克变换的有源配电网新型电流差动保护研究

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清洁能源的大规模集中开发与分布式开发并举是助推“双碳”目标实现的重要举措,分布式电源就近接入配电网,使传统单电源径向配电网转变为多电源供电的有源配电网。以太阳能、风能为代表的分布式电源的出力具有波动性和间歇性,导致有源配电网的潮流方向与故障电流特征具有不确定性。此外,通过电力电子器件并网的逆变型分布式电源受到多种控制策略影响,故障特性更为特殊。随着配电网中分布式电源渗透率的进一步提高,传统配电网的过电流保护面临严峻挑战甚至无法适应。针对分布式电源接入对传统配电网保护带来的难以适应问题,本文所做主要工作如下:(1)基于派克变换分析了有源配电网的故障电流特征。利用派克变换分别对旋转型分布式电源与逆变型分布式电源的输出电流进行分析,推导了直轴电流、交轴电流与相电流、序电流的关系,总结了在正常运行与不同类型故障发生时分布式电源的直轴电流与交轴电流特征。对于故障特征较为特殊的逆变型分布式电源,充分考虑其不同的控制方式,推导了其在馈线发生故障后,并网点处于不同电压水平时直轴电流与交轴电流的表达式。(2)提出了基于直轴电流和交轴电流的两种差动保护方法。根据基尔霍夫电流定律,借鉴传统电流差动保护思想,提出了直轴电流差动保护方法和交轴电流正序变化量差动保护方法。利用搭建的含逆变型分布式电源的10kV配电网模型,对所提两种保护方法以及基于幅值比的纵联保护方法和基于相角的差动保护方法进行了仿真分析。结果表明,本文所提保护方法能够反映不同故障距离的所有类型故障,具有较高的灵敏度、可靠性以及较强的耐过渡电阻能力。并且,所提两种保护方法在分布式电源退出运行以及集中接入的特殊工况下仍然适用,因无需计算相角,解决了逆变型分布式电源相角随机的问题。(3)研制了有源配电网终端保护样机。基于SDL-9601硬件平台,利用直轴电流差动保护原理,开发了终端保护样机。在RTDS中搭建了含逆变型分布式电源的配电网闭环测试系统,通过设置不同故障情形测试了终端保护样机的性能。测试结果表明,样机能够快速、准确地识别区内外故障,多次测试未出现误动或者拒动现象,并且具有较强的抗过渡电阻能力。
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