适用于新能源规模化接入的电网继电保护关键问题研究

摘要

随着我国能源紧缺、环境污染和气候变暖等问题的日益严峻，以风能、太阳能等新能源发电为代表的可再生能源的开发和应用步入了快速发展阶段，并已成为推动我国能源结构调整，支撑新型环境友好型城镇化建设的重要基础和发展方向。
　　随着新能源电源并网容量的大幅提高和广泛实施低压穿越运行，其复杂的故障特性和运行方式给传统电网的故障计算方法和继电保护带来了许多新的问题，对电网的安全稳定运行和供电可靠性有重要影响。本文在国家自然科学基金等项目的支持下，根据新能源电源集中接入和分散接入的技术特点，分别针对含新能源电源的高压电网和中低压配电网的故障分析方法、继电保护原理与实现技术开展了系统的理论研究和仿真分析。本项研究对实现新能源电源的安全接入和高效利用，保证电网的稳定可靠运行具有重要的理论和现实意义。
　　新能源电源故障电流特性研究是电网故障分析和保护原理研究的重要基础。根据新能源电源的并网方式和对外部电网的影响特点，主要可以分为双馈型电源和逆变型电源两种基本型式。逆变型电源由于结构和运行方式相对简单，其故障电流特性研究已较为成熟。而双馈型电源结构特殊且故障特性复杂，特别是在不对称故障条件下，需要考虑不同类型低电压穿越控制策略的影响，其故障特性的理论分析非常困难。针对这一难点问题，论文首先建立了双馈型电源在电网不对称故障条件下的数学模型，并考虑陷波器和转子变频器励磁调节控制的影响，构建了转子电流内环控制系统简化的等值模型。在此基础上，从基本磁链方程和电势方程出发，导出了适用于不同控制策略的双馈型电源短路电流统一解析表达式，通过数字仿真验证了理论分析的正确性。
　　电网短路电流计算是继电保护整定计算、电网运行控制和设备选型的重要基础。新能源电源复杂的故障电流特性使得以传统交流同步发电机为基础的电网短路计算方法难以满足含新能源接入的电网短路计算需求。本文根据不同类型新能源电源的低压穿越运行技术要求，建立了各类新能源电源的故障计算等值模型。在此基础上，分别基于对称分量法和相分量法，提出了适用于不同类型新能源电源集中接入高压电网和分散接入不平衡配电网的电网故障计算新方法。仿真研究验证了所提出的故障计算新方法的正确性。
　　随着新能源电场规模化集中接入高压电网，其复杂的故障电流特性和间歇性的运行方式将严重劣化传统电网继电保护性能，进而影响电网的安全稳定运行。论文结合工程实际，评估分析了新能源电源集中接入后对电网电流保护、距离保护、线路差动保护以及变压器保护等动作性能的影响。针对故障选相元件和电流保护等在实际应用中存在的问题，提出了基于相电压和线电压突变量幅值比较的选相元件新方案，以及适应新能源电源接入的集电线电流保护整定原则和计算方法，并通过仿真案例验证了所提方法的正确性。
　　新能源电源分散接入配电网是推动可再生能源规模化发展的重要方向。然而，新能源电源的规模化接入给配电网保护和自动重合闸技术带来了许多新的问题和挑战。论文首先对新能源电源接入对基于就地量的传统配电网传统保护和自动重合闸的影响进行了分析。针对所存在的技术缺陷，结合智能配电网的发展，开展了基于区域信息的网络化保护系统的研究，提出了网络化保护系统的构建模式、实现原理和自动重合闸方案。网络化保护通中央单元对区域内故障信息进行综合决策，实现主后备保护功能，同时也兼顾了新能源电源的孤岛运行需求。自动重合闸方案可在避免新能源电源频繁退出的同时，有效防止非同期重合闸，提高电网供电可靠性。
　　合理的通信网络组网方式和业务调度策略对网络化保护的性能具有重要影响，也是网络化保护工程应用中需要解决的关键实现技术问题。论文在对基于EPON技术的配电网通信系统组网方式进行分析研究的基础上，根据智能配电网不同通信业务的应用特点，提出了一种基于业务缓存速率的改进加权带宽动态分配算法。此外，根据网络验算理论，建立了EPON系统各业务的时延上界计算模型，可实现对EPON业务实时响应特性的评估分析。仿真结果表明，论文所提出的EPON系统改进加权带宽动态分配算法可较好满足智能配电网各通信业务，特别是网络化保护的高实时性通信业务的应用要求。
　　论文最后对所作的工作进行了总结，并对下一步的研究工作进行了展望。

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1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 含新能源电源的电网故障分析与继电保护研究现状

1.3 论文的主要研究工作及章节安排

2 双馈型电源短路电流的统一解析方法及特性分析研究

2.1 引言

2.2 电网不对称故障条件DFIG数学模型

2.3 转子电流的故障暂态特性研究

2.4 定子磁链的故障暂态特性

2.5 适用于不同控制策略的DFIG故障电流统一解析模型

2.6 仿真验证

2.7 本章小结

3 含不同类型新能源电源接入的电网故障计算方法研究

3.1引言

3.2不同类型新能源电源故障计算等值模型

3.3 适用于新能源电源接入的电网短路计算方法

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

4 含新能源电源集中接入的电网继电保护性能评估及应对策

4.1引言

4.2考虑新能源电源集中接入影响的传统保护性能评估

4.3基于线电压和相电压突变量幅值比较的联络线选相新方法

4.4适用于新能源电源集中接入的集电线电流保护整定计算原则和方法

4.5 本章小结

5 基于区域信息的配电网网络化保护原理与自动重合闸

5.1 引言

5.2 新能源电源接入对传统配电网保护的影响分析

5.3 新能源电源接入对自动重合闸技术的影响分析

5.4 基于区域信息的网络化保护构建模式与原理研究

5.5基于区域信息的自动重合闸技术研究

5.6 仿真验证

5.7 本章小结

6 基于EPON技术的配电网网络化保护通信系统构建模式

6.1 引言

6.2基于EPON技术的网络化保护通信系统构建模式

6.3考虑网络化保护通信需求的EPON系统带宽调度策略

6.4 基于网络演算理论的不同业务时延上界研究

6.5 仿真验证

6.6 本章小结

7 全文总结与展望

7.1 论文取得的研究成果

7.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

附录2 攻读博士学位期间申请发明专利情况

附录3 攻读博士学位期间参与的科研项目情况