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1、2020/9/25,第五章 微电网中的继电保护,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,5-2 微电网保护方案分析,5-3 微电网保护方案设计,5-4 基于对称分量的保护,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,常规的配电网为单电源辐射型结构，潮流的方向为单方向，即从电压等级高的一侧流向电压等级低的一侧。,设计配电网的保护系统时，可认为配电网为无源网络，网络中没有发电机。,在配电网中引入分布式电源形成微电网后，虽然网络结构没有改变，但电网中除了中央发电系统对微电网送电外，还包含多个分布式电源。,因此按常规的配电网设计的保护系统可能不适合于微电网。,一、短路功率和故障电流
2、大小,电力系统中故障电流的标幺值可按下式计算,Zf为网络的等值阻抗。,配电网中，典型的相间或相-地间的故障电流的标幺值为10 15，远远大于额定电流。因此当系统发生短路故障时，在继电保护装置动作前，必须有足够的电源功率产生故障电流。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,微电网中的各类电源并不都能满足此要求，特别是采用电力电子设备的微型电源，为了保护电力电子器件，这些微型电源的控制器都装配有防止过电流的保护装置。,例如，如果在配电网的用户端安装了大容量的PV系统，可能会出现短路故障发生后，系统中的相电流并没有显著增大，因此过电流保护系统可能探测不到故障的发生。,当微电网
3、发生故障时，虽然故障电流可能较小，但可能产生非常危险的接触电压。,若不将故障切除，永久性的故障可能蔓延开来，损坏更多的电气设备。,微电网中有很多分布式电源并联运行，将使故障时的等值电阻减小，在短路故障发生瞬间，产生比常规配电网发生短路故障时更高的故障电流。,若配电网按常规的方法设置了继电保护装置后，当网络中新增分布式电源后，还应考虑继电保护装置能否正确运行。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,母线2和母线3之间的线路始端安装了继电器R，若在a点发生了短路故障，则实际的短路电流为,但继电器R只能测量到来自大电网中的电流If0，因此可能使得继电保护装置不能正常触发。,如
4、果继电保护装置采用反时限过电流保护，若故障类型为高阻抗故障，则可能没有足够的时间使得继电保护装置动作。,若故障发生在母线2，则流过继电器的电流将反向，若采用方向继电保护装置，则继电保护装置也不能正常工作。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,二、阻抗继电器限距减小,阻抗继电器的限距是指在某一阻抗区域内，能使继电器动作的最大故障距离。因此，阻抗继电器的限距对应于继电器能够测量到的最大故障阻抗或最小故障电流。,当a点发生短路故障时，继电器R测量的电压可表示为：,Z23为母线2和母线3之间的线路阻抗；Z3a为母线3到故障点a之间的阻抗。,因此继电器R测量得到的阻抗为,继电器
5、R测量得到的阻抗大于实际的故障点的阻抗，其后果是继电器可能在另一距离区起动更高一级的时间响应。,增加的阻抗随Idg/If0的变化而变化。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,对于在规划设计阶段整定的继电器，若要继电器在原来设计的距离区动作，则故障应该离继电器近一些，因此继电器的动作区减小，也即其限距减小。,三、潮流方向和电压曲线的变化,辐射型配电网的潮流为单方向的，配电网中的方向过电流继电器，均按此标准设计保护装置。,当配电网中加入分布式电源后，如果分布式电源的输出功率超过本地负荷消耗的功率，则潮流方向将改变。,潮流方向的改变还将影响辐射型馈线的电压曲线。,潮流方向的
6、改变除了将引起电能质量问题外，还可能干扰线路上的电压限额，使电气设备增加额外的电压应力。,潮流方向的变化所引起的电压变化可近似用下式计算,UN为系统的额定电压；Rl+jXl为线路的等值阻抗；Pdg+jQdg为分布式电源的输出功率。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,当配电网中有和没有分布式电源时，配电馈线上的电压曲线和电压梯度如图所示。,潮流方向的改变将引起电压梯度的符号改变。,在负荷比较重的配电网中，分布式电源对电压曲线的影响是正面的，能够改善系统的电能质量。,馈线上电压曲线的变化也将影响变压器分接头的正常工作。,如果分布式电源位于配,电网的入口附近(例如DG处于
7、母线2)，由于分布式电源的加入导致变压器的负荷减小，从而影响变压器分接头的改变。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,变压器分接头的调节特性将发生移位，配电网的入口电压将得不到正确的调节。,四、孤岛和重合闸,一般情况下，并网运行的微电网发生孤岛时是由故障引起。,当微电网内部发生故障时，由于分布式电源给微电网继续提供电能，将维持故障产生的电弧，故障可能得不到切除。,电力系统的故障可能在很短的时间内即可清除，因此配电网中通常安装了自动重合闸装置。,当微电网处于孤岛状态运行时，短时间内将微电网自动重新连接到大电网可能出现下述两个问题：,由于分布式电源继续对故障电弧提供电能，
8、故障不能清除，因此可能导致重合闸失败；,孤岛运行的微电网的频率将随着电源和负载间有功功率不平衡而发生变化，自动重合闸可能导致大电网和微电网异步运行。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,孤岛运行的微电网其频率变化率可表示为微电网中电源和负荷之间有功功率偏差的函数。,设微电网中电源和负荷之间的有功功率偏差为,若微电网等值发电机的惯性时间常数为H，额定功率为SN，孤岛运行前的频率为fs，则,孤岛运行时微电网的频率变化为,上式仅仅考虑了孤岛运行时负荷和电源之间的有功功率偏差，没有考虑故障的影响。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,下图为微电网重新
9、并联到大电网的自动重合闸过程。假设微电网孤岛运行时，分布式电源提供的功率小于负荷功率，因此微电网的频率下降。,2020/9/25,5-1 微电网继电保护与配电网保护的区别,五、其他方面的问题,微电网保护还涉及一些其它的问题。这些问题通常是常规电力系统保护的一些共性问题。主要为铁磁谐振和接地问题。,当电力系统发生故障时，可能产生铁磁谐振，从而损坏系统中的变压器和其他电气设备。,例如当电缆发生故障时通常为永久性的，可采用快速熔断器作为过电流保护。,由于三相系统中的熔断器各相可能不能同时动作，将出现变压器短时间内处于两相工作状态。,电缆的等值电容与变压器电抗串联，可能满足谐振条件，引起瞬时过电压和过
10、电流。,微电网中分布式电源多处接地可能使得故障发生时形成不同路径的电流通路。,如果分布式电源通过Dyn接线的变压器接地，当线路发生接地短路故障时，故障电流不仅从故障点流向系统中的主变压器，而且将流向分布式电源所接的变压器。,2020/9/25,5-2 微电网保护方案分析,2020/9/25,5-2 微电网保护方案分析,一、微电网正常运行时系统中发生故障的情况,微电网正常运行是指微电网与大电网并列运行，即分段器件SD闭合时的情况。,在这种情况下的保护问题为单个分布式电源和整个微电网对发生在大电网中和微电网中故障的响应。,对于大电网中发生故障的响应将随着微电网中负载的需要而变化。,例如若微电网中的
11、负载主要为零售商，则主要应考虑保证照明，从而使得商店的营业能继续进行。,与计算机相关的收银机和存货控制等敏感负载应该有专用的UPS系统，这样数秒钟短暂的停电不会影响零售商继续进行商业交易的能力。,如果微电网中包含生产线这样的敏感负载，则短时停电的容忍时间将比零售商所允许的时间短得多，特别是在厂商非常相信微电网的供电可靠性而不装配UPS系统的情况下。,2020/9/25,5-2 微电网保护方案分析,1.大电网中的故障,变压器两侧或馈线C发生的故障将产生两种响应。,(1)首先分段设备SD动作,馈线A和B与故障隔离，余下的区域1和区域7为没有分布式电源的传统的电力系统结构，不需要特殊的保护。,根据系
12、统的电压等级、开关的操作速度以及故障电流的大小，SD可能采用不同的结构，如采用具有并联跳闸装置的模块化线路断路器，或者采用高速的静态开关。,保护方案必须根据线路的连接特征设计。,保护方案可能很简单，例如可监视电流的幅值和每一相线路的潮流方向，如果它们超过设定的阈值，则发出SD的跳闸信号；,保护方案也可能相当复杂，如可监视电压和电流信号的波形，以取得经过详细分析的四分之一周期的跳闸时间。,2020/9/25,5-2 微电网保护方案分析,上述保护方案必须保证当分段设备SD将微电网与大电网断开时，微电网仍能正常运行，即故障发生时，微电网和大电网断开之前，不应该触发分布式电源的继电保护设备。,(2)如
13、果微电网与大电网解列后，故障现象仍然存在，则故障不在大电网中，将进行第二阶段的保护动作。,2.当微电网与大电网并联时微电网内部的故障,从分布式电源和微电网内部的负载来看，目前没有什么方法能够区分大电网侧的故障和微电网侧的故障。然而对于这两种不同的故障其响应应该不同。,对于微电网侧的故障，其响应是断开SD以及在微电网内部将故障隔离开来。例如区域2发生故障，需将SD断开，并且还需将馈线A和B与主母线连接的断路器断开。,3.微电网重新与大电网并联,故障清除后，必须采取一定的方法将微电网与大电网重新并列运行。,2020/9/25,5-2 微电网保护方案分析,理想情况下，大电网应该尽快恢复对原断开的负荷
14、供电，这可能需要数秒到数分钟时间，取决于母线和负荷的特征。,通过测量SD两侧的电压，微电网必须具有合适的控制方法，使得微电网中所有分布式电源与大电网中的同步发电机同步运行。,二、孤岛运行时微电网中发生故障的情况,若故障在孤岛运行的微电网中发生，馈线A和B具有继电保护装置，通过线路上的断路器尽可能少地将分布式电源断开。,若区域4发生故障，应该使得离故障点最近的断路器动作，将故障点与其它部分隔离开，使故障对微电网中其它负荷的影响最小。,若区域3发生故障，则应使馈线A上的所有负荷和电源断开。,若故障发生在区域5，则应将馈线B断开。,微电网中继电保护的动作原理将随着微电网的复杂程度而发生较大的变化。,
15、2020/9/25,5-2 微电网保护方案分析,若微电网中仅仅只有一个分布式电源，则所采用的保护方案基本上与传统的辐射型配电网的保护方案相同。,具有多个分布式电源的更复杂的微电网则需要非常复杂的保护方法。保护方法的复杂程度和费用取决于微电网的需要。,当微电网中的用户具有适当容量的分布式电源，能够满足他们自己所需电能的需要，则保护方案将比较简单。,当微电网中发生故障时，用户可将自己的负荷与微电网中其它部分隔离。但是这样的保护措施不能利用微电网中负荷和电源可能的多样性的特点。,若要充分利用微电网中的资源，则必须采用较复杂的保护措施。,若区域3中发生故障，馈线A的断路器将跳闸，使得区域3中所有负荷断
16、电，而区域4仍可以正常运行。,但区域3的故障并不是直接就能检测出来，因为微电网处于孤岛运行状态时，其短路电流将显著减小。,2020/9/25,5-2 微电网保护方案分析,由于分布式电源仅仅只能给故障处提供负荷电流两倍甚至小于两倍的短路电流，因此不能采用常规的过电流保护。,目前可采用的方法有阻抗继电器、零序电流和/或电压继电器以及差动电流和/或电压继电器等。这些技术在配电网和微电网中的应用还需要进行深入的研究。,2020/9/25,5-3 微电网保护方案设计,微电网继电保护方案,假设微电网中的微电源可为微电网中的负荷孤岛运行时提供足够的电能。,四个保护区之间设置了继电保护装置，即区域2和区域3之间的继电器3、区域3和区域4之间的继电器4以及区域2和区域5之间的继电器5。,继电器配置可以不同，但所考虑的保护区域应该相同。,2020/9/25,5-3 微电网保护方案设计,不管继电器的安装位置如何，当故障发生时，应将对故障点进行供电的微电源关闭。,一、单相接地
