小水電微網併網保護策略

小水電微網併網保護策略

小水電是一種較為常見的微電源，容量在25MW及以下，分布廣泛、靈活。但是，與其他微源相比，小水電一般與輸電線路直接相連而不通過電力電子設備。另外，小水電在大部分情況下與配電網並聯運行，少數情況下孤網運行以滿足當地的電力需求。當小水電併網運行時可能導致微網內潮流雙向流動，傳統配電網保護可能會出現保護選擇性紊亂和重合閘動作失敗2種結果。所以，傳統的保護已不再適合雙端電源下的故障判斷和啟動。

因此，為適應小水電的套用環境，工程技術上通常通過常規的縱差動保護和反時限過電流保護技術，構建小水電微網的保護塊，並利用PSCAD/EMTDC軟體進行小水電併網運行的穩態和暫態仿真，驗證該保護策略及相應模組的有效性。

基本介紹

  • 中文名：小水電微網併網保護策略
  • 外文名：Research on Grid - net Protection Strategy of Small Hydropower Network
  • 領域：電力
  • 常用方法：反時限過流保護、差動保護
  • 目的：構建小水電微網的保護快
  • 意義：小水電微網併網正常運行
研究意義,微網保護模組,微網反時限過流保護模組,微網縱差動保護模組,小型水電站的建模,同步發電機及其勵磁系統的仿真模型,水輪機調速系統模組,微網併網運行保護仿真,

研究意義

微網是一種由負荷和微電源組成的系統，可同時提供電能和熱量。微網內部的電源主要由電力電子器件負責能量轉換，並提供必要的控制方式。微網有併網和孤網兩種運行模式。併網運行時，圖1中公共連線點PCC閉合，將微網系統與外部大電網相連，此時微網的電壓和頻率由大電網控制；孤網運行時，公共連線點PCC斷開，整個系統孤立於外部大電網，只通過系統內的電源和負載維持系統的穩態運行。
小水電微網系統小水電微網系統
小水電是一種較為常見的微電源，容量在25MW及以下，分布廣泛、靈活。但是，與其他微源相比，小水電一般與輸電線路直接相連而不通過電力電子設備。另外，小水電在大部分情況下與配電網並聯運行，少數情況下孤網運行以滿足當地的電力需求。當小水電併網運行時可能導致微網內潮流雙向流動，傳統配電網保護可能會出現保護選擇性紊亂和重合閘動作失敗2種結果。所以，傳統的保護已不再適合雙端電源下的故障判斷和啟動。
為適應小水電的套用環境，工程技術上通常通過常規的縱差動保護和反時限過電流保護技術，構建小水電微網的保護塊，並利用PSCAD/EMTDC軟體進行小水電併網運行的穩態和暫態仿真，驗證該保護策略及相應模組的有效性。

微網保護模組

微網反時限過流保護模組

圖1中，由於1號饋線只載有非敏感負荷，不會出現潮流雙向流動，所以傳統的反時限過流保護能適用於該線路的套用環境。
反時限保護的數學模型為: t=
式中：t為動作延時；K為量綱為時間的常數；I為故障電流；Ip為保護啟動電流，一般取額定電流；n 是曲線形狀常數，一般取值為0～2，n越大保護動作時間隨電流增大而減小的越快。反時限保護的動作特點是動作時限隨故障電流的增大而減小。
在PSCAD/EMTDC中，可以利用RMS模組以及可發出跳閘信號的Inverse Time Over Current Element元件和單穩多諧振盪器，構建反時限保護模組。
反時限保護模組反時限保護模組

微網縱差動保護模組

縱差動保護是基於短路電流的大小在保護區內和區外相差較大的特點進行的保護（見圖3）。在理想情況下，當在保護區外K1點發生接地故障時兩側電流的向量和為零，即Σ
=
+
=0。但在工程套用中，由於TA 誤差、電力電纜的因素，|
+
|≥
，
為門檻值。當保護區內
處發生接地故障時，忽略分布電容和電感的影響，點的故障電流為：Σ
=
+
。
動差動保護原理動差動保護原理
由此可以得到差動電流繼電器制動特性曲線（見圖4）。其中包括4個參數：
為基礎差動電流參數；
為斜坡門檻電流參數；
為低斜率參數；
為高斜率參數。
雙斜率差動電流繼電器制動特性雙斜率差動電流繼電器制動特性
圖1中，在2號、3號饋線上，由於小水電站的併網，潮流會出現雙向流動。這時，可以採用縱差動保護，即以採集到的被保護元件兩端的電氣量進行邏輯判斷，以避免選擇性紊亂的問題。
另外，文獻指出由於縱差動保護兩端保護同時出口的特點，雙端斷路器動作的時差在ms內。所以，重合閘出口合閘時，理論上小水電的斷路器已將其切除，不會因為小水電的不及時切除導致瞬時性故障變為永久性故障，從而不會出現保護2或3的重合閘失敗。在PSCAD-EMTDC元件庫中以雙斜率差動電流繼電器為基礎，加上Delay元件和一個單穩多諧振盪器，就可實現縱差動保護功能（見圖5）。
微網差動保護模組微網差動保護模組
理論上，縱差動保護可以實現含小水電、敏感負荷的饋線保護；反時限過電流保護可以有效地對只含有非敏感負荷的饋線進行保護。

小型水電站的建模

同步發電機及其勵磁系統的仿真模型

同步發電機及其勵磁系統是小水電系統的核心。圖6為同步發電機及其勵磁模組，
是發電機的參考電壓，
和
分別為發電機終端輸出的實際電壓和電流，
和
分別為勵磁電壓和勵磁電流，
是勵磁系統的初始電壓。
該模組的工作過程是：勵磁系統通過對比發電機的端電壓和電流和設定值得到偏差，經過勵磁系統中的控制部分的調節，最終達到穩定發電機端電壓的效果。
同步發電機及其勵磁模組同步發電機及其勵磁模組

水輪機調速系統模組

水輪機的調速系統結構見圖7。圖7中，利用PSCAD/EMTDC中的水輪機的調速模組（Hydro Gov1）和水輪機模組（Hydro Tur1）搭建出水輪機及其調速系統仿真模型。其中，水輪機轉速w 為控制對象，Wref為給定轉速，對水輪機開度z的調節可實現對水輪機轉速的控制。
調速系統結構調速系統結構

微網併網運行保護仿真

在PSCAD/EMTDCP環境下，根據上文構建小水電系統的保護模組，驗證在小水電站在併網運行的情況下，檢驗保護策略和相應模組的有效性。
圖1中，仿真算例採用雙小水電並聯式結構，分別在只載有非敏感負荷的1號饋線和含有小水電的2號饋線上設定單相接地故障點
、
。進而在2號饋線和1號饋線上進行單相短路故障仿真，檢驗微網反時限過流保護的性能。

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