面向中低压有源配网的继电保护与紧急控制优化策略研究

摘要

风能具有分布广泛、蕴含量大、永不枯竭及无污染性等优点，并且，在各类新能源开发中，风力发电是技术相对成熟、成本较低并具有大规模开发和商业利用条件的发电方式，围绕风电利用的相关研究已经成为世界电气工程领域研究的热点。无论是集中式并网的大型风电场还是以小型风电分布式接入构成的主动式配网，在我国都得到了高速发展，相关学术研究也走在世界前列。然而，风电在实现跨越式发展的同时，也面临着巨大的挑战。特别是近年来，由于风电场保护/重合闸的整定失配，以及风电机组低电压穿越能力不足，造成规模化风电机组连锁脱网事故频繁发生，严重影响了电网运行的安全性，引发了国内相关政府机构、工业界及学术界对如何提高风电场在故障期间及故障后的穿越能力的广泛关注及深刻思考。微网作为新能源利用的另外一种形式，因为允许分布式电源（DG）接入位置灵活、供电可靠性高、能源利用效率高等优势而广受关注。但是，受制于其在保护控制策略方面的研究滞后，这种新形态电网的发展仍存在技术瓶颈。
　　实际上，大型风电场可视为典型的电源型中压配网，而广泛接入小型DG的微网是典型有源中低压配网。近年来，在用户电压等级（低压）侧的微网也已经呈现了很好的发展势头。但是，当前的风电场/微网的保护控制研究仍相对滞后，对其安全稳定运行带来潜在威胁。为此，本文围绕风电场/微网的继电保护及紧急控制优化策略开展研究，完成的主要工作归纳如下：
　　在分析现有风电场保护在速动性与选择性方面存在不足的基础上，提出了能保证集电线路保护与熔断器、以及集电线路保护间完全选择性的反时限过电流保护判据以及相应的保护方案。分别针对仅采集本间隔电流的传统过电流保护、共享同一母线上各集电线路/进线电流信息的站域保护、以及集电升压站母线低压侧装设TV三种不同场景，提出并验证了能够同时保障保护选择性与速动性的反时限电流保护配置原则与整定方案。
　　通过研究风电场集电线路单相接地故障特性，提出了基于D-S证据理论的集电线路综合故障选线方案，该方案针对特定电网选取三种具有代表性的故障选线判据，以不同判据在特定系统下的选线成功率为依据，对不同选线判据的权重进行动态修正，凸显正判率高的判据在辨识中的主导作用，提升对故障集电线路的准确辨识能力。提出了风电场集电线路从系统侧开断单相故障后风电机组带分布参数线路的谐振模型，揭示了风机机端会在此场景下过电压的机理，提出了基于机侧安装断路器的风电场单相故障隔离策略以及基于风机平缓退出的风电场单相故障隔离策略，有效避免了在隔离故障过程中风机机端的过电压问题。
　　在考虑低压微网实际拓扑和运行特点的基础上，提出了与之相适应的有限选择性微网分区保护方案。该方案采用低电压保护作为启动判据，采用正序突变量作为方向保护判据，能够适应各种故障类型和特殊运行工况，满足保护灵敏性和可靠性的要求。
　　从保障系统暂态稳定的角度分析了风电场联络线重合闸的相关特性，作为适应风电场送出联络线重合闸要求的风电场紧急控制策略的设计依据。提出了孤岛风电场最小切机量求取方法，并基于风电场内各风机的频率暂态生存性研究提出了风电场非计划孤岛主动切机紧急控制策略。所提策略能够适应风电场非计划孤岛时的频率特性，在满足送出联络线重合闸动作时间要求的基础上，实现再并网风机数量的最大化。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1新能源接入的典型中低压有源配网概述

1.2 风电场/微网保护控制技术的国内外研究现状

1.3 现阶段风电场/微网保护控制技术面临的若干问题

1.4 论文的主要工作及章节安排

2风电场集电线路保护配置及其优化策略研究

2.1风电场保护典型配置

2.2风电场集电线路阶段式电流保护的速动性和选择性缺陷分析

2.3提升保护速动性与选择性的风电场集电线路保护判据

2. 4 小结

3风电场集电线路单相故障隔离策略研究

3.1 风电场集电线路单相故障危害分析及其辨识方法

3.2基于D-S证据理论的集电线路单相故障选线策略

3.3风电场单相故障隔离不当导致操作过电压的机理分析

3.4风电场单相故障柔性隔离策略

3.5 本章小结

4基于故障正序突变量的低压微网分区保护方案研究

4.1低压微网分区保护方案

4.2基于故障序分量的微网分区保护判据

4.3仿真验证

4.4小结

5保证风电场送出联络线重合闸可靠动作的紧急控制策略研究

5.1现有我国风电场送出联络线的常用重合闸方式

5.2 风机的虚拟惯量控制及风电机群多机等值

5.3基于极限重合时间的风电场紧急控制切机量计算

5.4保障风电场送出联络线可靠重合的紧急控制策略切机顺序

5.5算例分析

5.6小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表学术论文及专利目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目