微电网故障检测方法及保护原理研究

摘要

分布式电源并入配电系统所带来的许多新问题已经成为近年来电力工业界和学术界关注的热点。以光伏发电为例，由于光伏电源的出力受天气影响较大，可能造成配电系统中电压的波动和闪变，同时大量光伏逆变器的使用会造成严重的谐波污染。在大量分布式光伏发电并网后，整个配电系统将发展成有源网络，从而引起系统潮流以及电压分布的变化，尤其是电压上升甚至越限。随着分布式电源尤其是可再生能源发电装机容量在电力系统中的比例不断提高，微电网逐步受到高度关注，被认为是需求侧新能源集成和提高能源综合利用效率的有效手段。更具体地，微电网保护面临着由基于电力电子接口型分布式电源高度渗透带来的挑战。逆变型分布式电源的惯性小于同步电机型电源。如果线路故障未能快速清除，微电网中的小惯性电源将引发稳定性问题。典型地，受制于电力电子接口，逆变型分布式电源所能输出的最大电流，大约是额定电流的2倍。因此，由于其载流限制，独立运行的微电网比联网运行时故障电流要小的多。如果微电网保护采用传统大电流保护的方法可能会出现问题。当含有分布式电源时，微电网的潮流是动态双向的，并和公共大电网进行电能的交换。当微电网在环网状和辐射型拓扑结构之间切换时，保护将变得异常复杂。
　　针对上述问题，对微电网的故障检测和保护等技术进行了系统而深入的研究，主要工作如下:
　　1)研究微电网故障检测与保护的相关影响因素。首先梳理出微电网保护相关的现行技术标准和行业规范;再从微电网拓扑结构、微电网的中性点接地方式、分布式发电(Distributed Generator,DG)的控制策略等方面，分析这些主要因素对故障检测和微电网保护的影响及应对措施;然后研究了DG不同渗透率对配电系统电压的影响以及DG接入位置对潮流的影响，进而为微电网保护提供设计依据。提出一种基于有限区域的“单元式”微电网拓扑定义。对该拓扑下的微电网故障暂态特性进行了分析。在此基础上，分析传统保护在微电网中的适用性。
　　2)挖掘微电网在并网和孤岛运行时均适用的故障特征，为设计微电网保护策略提供客观的依据。借助机器学习这一工具，利用支持向量机法以及k近邻法相结合，针对微电网的典型故障特征进行选择，得到最优的最小特征子集，从而降低特征维数、减小系统复杂程度、缩小存储空间，同时具有较好的选择精度和泛化能力。以400V欧洲标准微电网模型为仿真对象，经实验验证，该方法有效。为微电网的故障检测和保护设计提供客观有力的依据。
　　3)应用希尔伯特-黄变换的微电网内部故障检测新方法。构建了一个可以平滑切换孤岛和并网运行模式的微电网，并在微电网和主网的联络线上设置监测点。在微电网内部设置若干故障点和几种典型故障类型，测量对应情况下监测点的电压数据后，用MATLAB作希尔伯特-黄变换处理分析。最后得到该监测点相应的电压信号波形及本征模态函数、瞬时振幅、瞬时频率、时频幅值谱及边际谱等。将故障情况与正常无故障情况作对比，分析它们的差异。最后得出基于电压信号时频幅值谱及边际谱综合判定故障的检测方法。测试验证了设计方法的可靠性。对同一个实验模型，经过与基于小波变换的故障检测方法的检测准确度比较，表明希尔伯特-黄变换更适合微电网系统的故障检测。
　　4)提出基于负序故障电压分量和负序故障阻抗角判据的微电网保护原理。由于负序分量有以下优点:不受微电源、隔离变压器等微电网电气设备接线方式的影响;不受负荷阻抗的影响;在互感器断线时采用负序分量的保护可以有效闭锁。因此，采用负序分量的电气量构成微电网保护，灵敏性和可靠性都较好。结合故障序网图，用解析法推导出各种典型故障下负序故障分量阻抗角的变化规律，能有效识别微电网外部故障，在当前隔离政策下，可有效断开公用耦合点，形成微电网独立运行模式。仿真实验验证了该方法的有效性。
　　最后对论文所做的研究进行简要总结，并指出了有待进一步深入研究的方向。

目录

声明

论文说明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 可再生能源发电概述

1．3 微电网概述

1．4 研究现状

1．4．1 微电网保护相关标准与要求

1．4．2 微电网保护原理研究现状及存在的问题

1．4．3 微电网故障检测研究现状及存在的问题

1．5 本文主要的研究内容和工作

2 微电网结构及故障检测和保护影响因素分析

2．1．1 微电网拓扑结构

2．1．2 微电网接地方式

2．1．3 微电网中分布式电源的控制策略研究

2．2 微电网故障检测与保护需要考虑的其它影响因素

2．2．1 微电网中分布式电源渗透率对配电系统的影响

2．2．2 微电网中分布式电源接入位置对潮流的影响

3 微电网故障特性分析及传统保护适用性分析

3．1 微电网典型故障特性分析

3．1．1 微电网仿真模型的建立

3．1．2 正常与各种典型故障下的各种电气量波形

3．1．3 故障特性统计分析与结论

3．2 传统保护适用性分析

3．5 本章小结

4 基于SVM和k-NN的微电网故障特征选择

4．1 引言

4．2 特征选择方法

4．2．1 特征选择

4．2．2 支持向量机

4．2．3 k-NN和距离度量

4．3 基于SVM-kNN的微电网故障特征选择方法

4．4 算例与结果分析

4．5 本章小结

5 应用希尔伯特-黄变换的微电网故障检测新方法

5．1 引言

5．2 希尔伯特-黄交换

5．2．1 本征模态函数

5．2．2 经验模态分解

5．2．3 希尔伯特变换

5．3 仿真实验与数据分析

5．3．1 仿真模型

5．3．2 实验数据处理与分析

5．4 故障检测方法设计与验证

5．4．1 故障检测方法设计

5．4．2 验证实验

5．5 与应用小波变换的微电网故障检测方法对比

5．5．1 小波变换与信号的奇异性

5．5．2 应用小波变换的故障检测实验

5．5．3 应用HHT和WT的故障检测方法对比测试实验与结果分析

5．6 本章小结

6 基于负序故障电压分量与负序故障分量阻抗角的微电网保护方案

6．1 基于负序故障电压分量的不对称故障检测

6．2 基于负序故障分量阻抗角的判据

6．2．1 负序故障分量阻抗的概念

6．2．2 微电网内外故障时负序故障分量阻抗角的分析

6．2．3 基于负序分量阻抗角的外部故障检测判据

6．3 基于负序故障电压和负序故障分量阻抗角的徼电网保护方案

6．4 仿真实验与结果分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢