應(yīng)對分布式電源規(guī)模化接入的電網(wǎng)故障分析方法與保護(hù)原理研究

華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文摘要近年來，在滿足不斷增長的電力需求的同時(shí)，為了應(yīng)對化石能源逐漸衰竭和環(huán)境保護(hù)等多重壓力，以風(fēng)力發(fā)電和光伏太陽能發(fā)電為代表的分布式發(fā)電技術(shù)在我國得到了大力發(fā)展。然而，分布式電源的發(fā)電模式及并網(wǎng)方式多樣，其饋入電網(wǎng)的故障電流暫態(tài)分量、衰減特性等與傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機(jī)相比均存在較大不同。傳統(tǒng)的以交流同步電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的短路電流分析理論和方法已難以滿足分布式電源接入后電網(wǎng)故障分析的要求，并給以故障特征為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)配置模式和構(gòu)建原理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，分布式電源的出力受自然環(huán)境和氣候等因素的影響較大，具有明顯的隨機(jī)性、間歇性的特征。這種復(fù)雜多變的運(yùn)行方式，使得保護(hù)的整定計(jì)算非常困難，往往難以兼顧速動(dòng)性、靈敏性和選擇性等方面的不同要求。在此背景下，本文對不同類型分布式電源的故障電流特性進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的電網(wǎng)故障分析方法和保護(hù)構(gòu)建方案。為了研究近區(qū)嚴(yán)重故障且撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性，建立了兩相靜止坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，以適應(yīng)對稱及不對稱電網(wǎng)故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性研究的要求。進(jìn)一步地，對撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下定子繞組磁鏈動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究，提出了一種兼顧精確性和簡易性的定子繞組磁鏈的簡化計(jì)算模型。以此為基礎(chǔ)，分析了對稱故障和不對稱故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性，得到了其解析表達(dá)式，并建立了故障電流的等效計(jì)算模型。遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障情況下，撬棒保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組仍由變頻器進(jìn)行勵(lì)磁。故障期間變頻器的勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性將對風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性造成很大的影響。因此，首先介紹了一種常用的雙饋風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越運(yùn)行控制策略，然后分別對設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，對非嚴(yán)重故障期間雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子故障電流和定子故障電流特性進(jìn)行了研究，得到了相應(yīng)的解析表達(dá)式。在各類分布式電源中，大多數(shù)類型的分布式電源需通過逆變器接入中壓或低壓配電網(wǎng)，這類分布式電源可簡稱為逆變型分布式電源。逆變型分布式電源的故障電流特性主要決定于其低電壓穿越運(yùn)行控制策略。因此，在研究逆變型分布式電源故障電流特性之前，提出了一種能夠滿足并網(wǎng)規(guī)程要求的低電壓穿越運(yùn)行控制策略。在此基礎(chǔ)上，對電網(wǎng)對稱和不對稱故障期間逆變器控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析。進(jìn)一步地，對逆變型分布式電源在對稱故障和不對稱故障下的短路電流特性進(jìn)行了研究，得到了相應(yīng)的解析表達(dá)式。逆變型分布式電源的特殊的故障電流特性導(dǎo)致傳統(tǒng)電網(wǎng)故障分析方法不能適用于含逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)。為了滿足含逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析的要求，為電網(wǎng)故障特性、繼電保護(hù)配置模式和實(shí)現(xiàn)原理等研究奠定理論基礎(chǔ)，亟需提出一種適用于逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析理論和方法。本文首先介紹了傳統(tǒng)的以交流同步電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的電網(wǎng)故障分析方法，并指出了其運(yùn)用于含逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)時(shí)存在的問題，然后提出了一套適用于含逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析新方法。雙饋風(fēng)電機(jī)組復(fù)雜的故障電流特性和不斷波動(dòng)的功率輸出使得應(yīng)用在雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上的傳統(tǒng)繼電保護(hù)原理的性能大大劣化。針對這個(gè)問題，提出了一種新型距離保護(hù)方案。首先，新型距離保護(hù)方案是基于輸電線路微分方程的，其性能不受故障電流中衰減交流分量的影響，且不存在跨數(shù)據(jù)窗問題。其次，采用二階巴特沃斯低通濾波器消除了測量電壓和電流中高頻分量對保護(hù)性能的影響。然后，通過故障點(diǎn)電壓重構(gòu)和故障距離迭代計(jì)算，確保了故障距離計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。最后，論文對所作的工作進(jìn)行了總結(jié)，并對下一步的研究工作進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：分布式電源；雙饋風(fēng)電機(jī)組；逆變型分布式電源；故障電流特性；故障分析方法；聯(lián)絡(luò)線保護(hù)

AbstractAftertheJing-GuangandJing-Huhighspeedrailwaylinewasputintouse,Chinahasbecomeacountrywiththelongestoperationmileage,thefastestspeedandthehighestbuildingstandardinthefieldofhighspeedrailway.Thespecificityoftractionloadandthecomplexityofpowersupplysysteminhighspeedrailwayputforwardahigherrequirementfortractionpowersupplytechniquecomparedwithtraditionalpowersupply.Thedevelopmentofintelligentsubstationtechniquesaffectsthepowersupplysystemofhighspeedrailwaytractiondeeply.Itcanbepredictedthatintelligenttractionsubstation，asaneffectivemeasureforimprovingtheefficiencyandreliabilityofpowersupply,willbecomeanewtrendoftractionsubstation.Thisthesisstudiedthekeytechniquesonconstructingintelligenttractionsubstation.Firstly,theeffectsofthespecificityoftheprimarysystemtotheconstructionofthesecondarysystemwerestudiedbycontrastiveanalysis.Andthentheconstructionmodeofintelligenttractionsubstationwassuggested,basedonwhichtheconstructionoftractionsubstationcommunicationnetwork,theimplementmethodsfortheintelligentregionalcooperativeautonomoustechniquebasedonfeedingsection,andtheimplantationtechniquefortheopenarchitecturebasedgenericbayIEDwerestudiedanddevelopedintensively.Inrecentyears,theresearchesontheintelligentsubstationhaveattractedwideattentionandalsomakeremarkableprogress.Withthegeneralcharacteristicoftheelectricpowersystem,intelligenttractionsubstationcanlearnthetechniquesandexperiencesfromtheintelligentsubstation.Buthighspeedrailwaytractionsubstationisdifferentfromelectricsustationinseveralwayssuchaspowerrequirements,connectionmodes,electricprimaryequipmentparameters,whichwilldeeplyaffecttheimplementationandconstructionofintelligenttractionsubstationautomationsystem.Thisthesispresentedanintelligenttractionsubstationconstructionmodewithfeedingsectionasasectionbycontrastiveanalysis.Theconstructionmodeconstructedahierarchicalcontrolandprotectsystemconsistofequipmentlevel,stationlevelandregionlevelwiththefeedingsectionasasection.TheprotectivedevicesweresettedneartheHVelectricequipments.Generalcontrolcableswerereplacedbyopticalnetwork.Inthismode,informationsamongthedevicesinonestationandamongthestationsinonefeedingsectionwerehighlysharing,whichfacilitatedadvancedapplicationfunctionsbasedonfeedingsection.Theproposedmodesimplifiedthesystemconfigurationmodeoftractionsubstationautomationsystemandimprovedthesecurity,reliabilityandeconomicsofhighspeedrailwaytraction.Highlysharingofinformationistheprimarycharacterofintelligenttractionsubstation.Theconstructionofcommunicationnetworksatisfyingtheperformancerequirementsisoneofthekeytechniquestobesolvedduringengineeringapplication.Thenetworksperformanceindicatorsofcommunicationreal-timeanddelaydeterministic,reliabilityandusability,andsecurityandrobustnessweretheoreticalanalyzedandthekeyfactorsaffectingtheperformancewerediscussedandimprovedaccordingtoautomationapplicationoftractionsubstation.Networkconstructionschemeswiththecharacteristicoftractionsubstationwerepresented,whichdevidedthetractionsubstationautomationdevicesintosystemlevelanddevicelevel.Thestationlevelnetworkswereusedtoconnectthedevicesinthesystemlevel.Andtheprocesslevelnetworkswereusedtoconnectthesystemlevelandthedevicelevel.‘Datasamplingandtrippingovernetwork’modewasusedwhichprocessedtheadvantagesofhighreal-timepropertyandhighimformationsharingproperty.Accordingtothecharacteristicsofthenetworkmessagesofcyclistdata,suddendataandroutinedataandlearningfromtheInternetnetworktrafficmodelingmethods,anetworktrafficmathematicalmodelingmethodwasproposedforsubtractionstation,whichstatedthatthesuddendata,withMarkovproperty,followedPoissondistributionandroutinedata,withself-similarityandheavytaileddistribution,couldbemodeledbyHeavy-Tailed’sParetodistribution.\o"機(jī)器發(fā)音"OPNETsoftwarewasusedfordynamicsimulationofsubtractionstationnetworktotestthefeasibilityofthemethod.Thecharacteristicsofuniversallyapplicablenetworkingschemewereanalyzed.Asanimportantpartofintelligenttractionsubstation,theimplementationpatternsofintelligentregionalcooperativeautonomoustechniquebasedonfeedingsectionwereresearched.ATfaultlocationsystemwasusedtopresentaGOOSEbasedATfaultlocationmethod,whichfusedthedatasynchronyandnetworkcommunicationtogethertoensurethereliabilityandhighrealtimequality.PrivatechannelandhighaccuracyGPSwerenotnecessaryforthismethodwhichreducedtheinstrumentsinvestmentandacquiredmoreopennessandinteroperability.ThefaultlocationprincipleofsuckcurrentrateinATneutralpointhadtheproblemsofsectionmiscarriageandlowfaultlocationaccuracy

.Thecausationoffaultlocationaccuracyerrorwasanalyzedaccordingtothelocalshortcircuittestdataandpracticalapplicationtoproposeacompensationmethodforfaultlocationaccuracyimprovement,whichhadsuccessfullyusedforATfaultlocationsystemsinmanyhighspeedrailwaysinChina.Consideringthattheimprovementofintelligenttractionsubstationisalongandgraduallyprocess,openplatformstructurebased

baylevelIEDimplementationmethodwasproposedduetotherequirementsofbaylevelIED.Themethodcansupporttheexistingnormaldataacquisitionandcontroloutputschemeandalsocansupportthefulldigitalinput/outputschemebasedoninformationsharingfacingthefuture.TheIEDinstrumentsusingthismethodhadpassedthetestsofnationalauthorityandtheIEC61850interoperatetestandhadbeenappliedinthepracticalapplication.Atlast，themainworkofthisthesiswassummarizedandthedevelopmenttrendwasprospected.Keywords:high-speedrailway;tractionpowersupply;intelligenttractionsubstation;IEC61850;networkflowmodeling;ATfaultlocation;openplatformstructure

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 IAbstract III目錄 VI1緒論 11.1分布式電源發(fā)展的背景與意義 11.2分布式電源的主要類型及其接入繼電保護(hù)的影響 31.3分布式電源接入對電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響 61.4含分布式電源的電網(wǎng)繼電保護(hù)研究現(xiàn)狀 81.5論文的主要研究工作及章節(jié)安排 152計(jì)及撬棒保護(hù)影響的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性研究 192.1引言 192.2兩相靜止坐標(biāo)下DFIG動(dòng)態(tài)模型 202.3近區(qū)嚴(yán)重故障情況下DFIG定子繞組磁鏈特性及簡化計(jì)算模型 222.4電網(wǎng)故障情況下DFIG定子電流特性 272.5DFIG定子故障電流等效計(jì)算模型 322.6本章小結(jié) 363計(jì)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性影響的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性研究 383.1引言 383.2轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略分析 393.3轉(zhuǎn)子故障電流簡化計(jì)算模型 433.4DFIG定子故障電流特性分析 513.5仿真驗(yàn)證 523.6本章小結(jié) 554逆變型分布式電源故障電流特性研究 574.1引言 574.2IIDG低電壓穿越運(yùn)行控制策略 584.3IIDG故障電流特性分析 614.4仿真驗(yàn)證 644.4本章小結(jié) 725含逆變型分布式電源的電網(wǎng)故障分析新方法 745.1引言 745.2傳統(tǒng)電網(wǎng)故障分析方法 745.3含IIDGs接入的電網(wǎng)故障分析方法 775.4仿真驗(yàn)證 825.5本章小結(jié) 836雙饋風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的新型距離保護(hù)方案研究 856.1引言 856.2輸電線路微分方程 866.3新型距離保護(hù)方案具體算法 886.4仿真驗(yàn)證 906.5本章小結(jié) 977全文總結(jié)與展望 997.1論文取得的研究成果 997.2下一步工作展望 101致謝 103參考文獻(xiàn) 105附錄1攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的主要論文 117附錄2攻讀博士學(xué)位期間申請發(fā)明專利情況 118附錄3攻讀博士期間參與的科研項(xiàng)目情況 119

1緒論在電力需求不斷增長、化石能源逐漸衰竭和環(huán)境保護(hù)等多重壓力下，分布式發(fā)電技術(shù)在我國得到了快速的發(fā)展，并成為電力技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。分布式電源接入對傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障分析理論與方法、繼電保護(hù)原理與配置、繼電保護(hù)整定計(jì)算和自動(dòng)重合閘裝置等帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，存在大量的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)亟待解決。針對以上問題，本章首先介紹了分布式電源發(fā)展的背景與意義，闡述了分布式電源接入對電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響，并綜述了國內(nèi)外學(xué)者在含分布式電源接入的電網(wǎng)繼電保護(hù)方面的研究現(xiàn)狀和存在的不足，最后對論文重點(diǎn)研究的內(nèi)容進(jìn)行了介紹，給出了章節(jié)安排。1.1分布式電源發(fā)展的背景與意義隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展和用電需求的不斷增長，我國以“大機(jī)組、超高壓、大電網(wǎng)”為主要特征的超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端日漸顯現(xiàn)。傳統(tǒng)電力工業(yè)的生產(chǎn)、傳輸模式需要消耗大量的煤炭、石油等化石能源，占用大量的土地資源，并由此帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染、氣候變暖和土地資源緊張等一系列問題。此外，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模日益龐大和復(fù)雜，其運(yùn)行控制也越來越困難，安全運(yùn)行問題日益突出，世界范圍內(nèi)接連發(fā)生的多次大面積停電事故，如2003年的美加大停電事故和2008年我國南方地區(qū)的冰災(zāi)事故等[1-5]，充分暴露了傳統(tǒng)電網(wǎng)的脆弱性，也造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，集中大容量發(fā)電、遠(yuǎn)距離輸配電的電力生產(chǎn)模式使得對偏遠(yuǎn)地區(qū)的負(fù)荷進(jìn)行供電時(shí)存在電能損耗過大的問題。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺、能源安全以及環(huán)境保護(hù)等方面的問題日益突出，如何加快可再生清潔能源的發(fā)展和高效利用已成為我國能源領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略之一。為了減少對能源資源的過渡消耗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)的全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，分布式電源（distributedgeneration，DG）在我國得到了大力發(fā)展。分布式電源[6-11]不僅為風(fēng)能、太陽能等可再生能源以及天然氣、氫氣等環(huán)境友好型能源的高效利用提供了有效的技術(shù)手段；其配置靈活與分散的特點(diǎn)也極好地適應(yīng)了偏遠(yuǎn)地區(qū)供電的需求，可以延緩輸、配電網(wǎng)擴(kuò)容改造所需的巨額投資；同時(shí)，分布式電源可與大電網(wǎng)互為備用，提高了供電的可靠性和安全性。歐盟僅在2002年至2006年間就有超過一百家機(jī)構(gòu)（包括電力公司，設(shè)備制造商，高校和研究機(jī)構(gòu)等）參與了可再生能源和分布式發(fā)電技術(shù)的研究，其總預(yù)算達(dá)3400萬歐元。我國可再生能源豐富，國家為可再生能源的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的政策支持?！秶抑虚L期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，特別是其中第四和第五個(gè)優(yōu)先主題，均將分布式發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用置于重要位置。如圖1-1、圖1-2所示，在國家強(qiáng)有力的政策支持下，我國風(fēng)電、光伏電站裝機(jī)容量近年來不斷快速增長。截止2012年底，全國（不含港、澳、臺）累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組53764臺，總裝機(jī)容量達(dá)7532.4萬千瓦，并網(wǎng)容量6083萬千瓦；光伏電站總裝機(jī)容量約為450萬千瓦，并網(wǎng)容量328萬千瓦。我國政府2012年出臺的《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》要求，到2015年風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1億千瓦，光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2100萬千瓦，生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1300萬千瓦。圖1-1近年來我國風(fēng)電裝機(jī)容量增長情況圖1-2近年來我國光伏電站裝機(jī)容量增長情況1.2分布式電源的主要類型及其接入繼電保護(hù)的影響1.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是一種把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)，也是發(fā)展最快、最具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化前景的可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)[12]。按照發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定與否，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劃分為恒速恒頻和變速恒頻等2種類型[13]。在恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，不論轉(zhuǎn)速如何變化，都使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定。這導(dǎo)致恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無法實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率較低。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，風(fēng)力機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)速度可以跟隨風(fēng)速的變化，從而保持以最佳葉尖速比運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，也減小了風(fēng)速突然變化造成的機(jī)械應(yīng)力。因此，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有更高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，更長的運(yùn)行壽命，成為了目前風(fēng)電場中的主流機(jī)型[14]。在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，按照所使用的電力電子變換器容量大小，可以分為部分功率型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和全功率型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。其中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（doublyfedinductiongenerator，DFIG）是部分功率型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的典型代表[15]。如圖1-3所示，雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子通過AC/DC/AC變流器連接到電網(wǎng)，定子則直接與電網(wǎng)相連接。因此，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種交流直接接口的異步型電源。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行所允許的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率在-0.3~0.3之間，因此其電力電子變流器的額定容量一般為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的30%左右。圖1-3雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1-4所示的直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組則是一種典型的全功率型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組[16]，其轉(zhuǎn)子采用永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，定子則通過全功率AC/DC/AC變流器與電網(wǎng)相連接。因此，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于一種以逆變器與電網(wǎng)接口的逆變型電源。圖1-4直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.2.2光伏發(fā)電機(jī)組光伏發(fā)電技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)[17]，具有不受地域條件限制、規(guī)模靈活（可集中大規(guī)模接入電網(wǎng)，亦可分散與建筑物集成）、安全可靠、無污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，光伏發(fā)電技術(shù)具有很好的發(fā)展前景。按照是否與電網(wǎng)相連，可將光伏發(fā)電機(jī)組劃分為獨(dú)立型和并網(wǎng)型等2種基本類型[18]。獨(dú)立型光伏發(fā)電機(jī)組單獨(dú)向負(fù)荷供電，而不與電網(wǎng)相連，一般需配置有儲(chǔ)能裝置；并網(wǎng)型光伏發(fā)電機(jī)組則與常規(guī)電網(wǎng)相連接，是當(dāng)今世界光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢[19]，也是本文的研究對象之一。如圖1-5所示，并網(wǎng)型光伏發(fā)電機(jī)組主要由光伏陣列（太陽能電池板）、逆變器和控制器等裝置組成。圖1-5并網(wǎng)型光伏發(fā)電機(jī)組從圖5中可以看出，并網(wǎng)型光伏發(fā)電機(jī)組是通過逆變器與交流電網(wǎng)并網(wǎng)的。因此，并網(wǎng)型光伏發(fā)電機(jī)組也是一種逆變型電源。1.2.3生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)組生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)是一種將生物質(zhì)能（蘊(yùn)藏在生物質(zhì)內(nèi)的能量）轉(zhuǎn)化為電能的一種可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)。生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)包括生物質(zhì)燃燒發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)和沼氣發(fā)電技術(shù)等幾種類型[20,21]。生物質(zhì)燃燒發(fā)電是一種將生物質(zhì)、城市垃圾等原材料直接或經(jīng)過一定加工后燃燒，并將所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式；生物質(zhì)氣化發(fā)電則是利用氣化技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為可燃?xì)怏w，然后經(jīng)由氣體內(nèi)燃發(fā)電機(jī)發(fā)電；沼氣發(fā)電是對生物質(zhì)原材料進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，產(chǎn)生沼氣以驅(qū)動(dòng)沼氣發(fā)電機(jī)組發(fā)電。從上述生物質(zhì)能發(fā)電流程來看，生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)組的發(fā)電環(huán)節(jié)與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組是一樣的，所采用的設(shè)備也沒用本質(zhì)的區(qū)別。因此，生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)組的外部接口特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組是相似的。不過，與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組相比，生物質(zhì)能發(fā)電機(jī)組適于分散建設(shè)、就地利用，其碳排放也較少，屬于環(huán)境友好型能源。1.2.4微型燃?xì)廨啓C(jī)微型燃?xì)廨啓C(jī)是指以天然氣、甲烷、汽油、柴油等可燃性氣體或液體為燃料的超小型氣輪機(jī)，具有體積小、重量輕、發(fā)電效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)。此外，微型燃?xì)廨啓C(jī)可同時(shí)產(chǎn)生熱能和電能，是目前冷、熱、電聯(lián)產(chǎn)的主要設(shè)備[22,23]。近年來，隨著可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展和應(yīng)用也日益受到重視。一般來說，微型燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)軸速度非常高，可達(dá)30000r/min~100000r/min,其輸出的高頻交流電經(jīng)過整流器和逆變器后，轉(zhuǎn)換為工頻交流電輸送至負(fù)荷或常規(guī)電網(wǎng)[23]，如圖1-6所示。圖1-6微型燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)從圖1-6中可知，微型燃?xì)廨啓C(jī)屬于逆變型電源。1.2.5燃料電池發(fā)電系統(tǒng)燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的可再生清潔能源電源，具有能量轉(zhuǎn)換效率高，不受陽光、風(fēng)等自然條件限制，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[24]。因此，燃料電池在全世界范圍內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注。根據(jù)所用電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性電池、磷酸電池、熔融碳酸鹽電池、固體氧化物電池、質(zhì)子交換膜電池和直接甲醇電池等多種類型[25-27]。如圖1-7所示，一個(gè)完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由燃料電池、電力電子變流器及其控制器，以及線路和負(fù)荷等組成。圖1-7燃料電池發(fā)電系統(tǒng)從這種意義上來說，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)也是一種逆變型電源。1.3分布式電源接入對電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響隨著分布式電源并網(wǎng)容量的不斷增長，分布式電源對電網(wǎng)帶來的影響也日益嚴(yán)峻和凸顯。在電網(wǎng)故障情況下，分布式電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)生跌落或抬升，甚至并網(wǎng)點(diǎn)的頻率也將發(fā)生異常。因此，電網(wǎng)故障會(huì)給分布式電源機(jī)組帶來較為強(qiáng)烈的暫態(tài)過程，出現(xiàn)過壓、過流等現(xiàn)象。在分布式電源并網(wǎng)容量有限的前提下，為了保證電網(wǎng)故障情況下分布式電源機(jī)組的自身安全，同時(shí)避免分布式電源接入對電網(wǎng)保護(hù)與控制帶來的影響，IEEE1547-2003規(guī)定：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)時(shí)，分布式電源應(yīng)迅速脫網(wǎng)。但是，目前分布式電源的并網(wǎng)容量已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，且在未來還會(huì)繼續(xù)增長，若分布式電源仍不具備抵御電網(wǎng)故障的能力，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障就迅速脫網(wǎng)，則會(huì)進(jìn)一步加劇功率失衡，危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，在很大程度上限制了分布式電源的正常運(yùn)行，且難以實(shí)現(xiàn)故障緊急情況下對配電網(wǎng)的電源支持，削弱了分布式電源提高供電可靠性的優(yōu)勢。近年來，國內(nèi)外都曾發(fā)生大規(guī)模風(fēng)電和光伏電站脫網(wǎng)事故，嚴(yán)重危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2011年中國甘肅酒泉地區(qū)和河北張家口地區(qū)的多起風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故中，大量風(fēng)電機(jī)組因電壓問題連鎖跳閘脫網(wǎng)，損失大量出力，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率明顯偏低。2012年4月，青海格爾木發(fā)生的光伏電站脫網(wǎng)事故亦引起了廣泛的重視和關(guān)注。因此，如何克服分布式電源接入對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的不利影響，防止分布式電源大規(guī)模脫網(wǎng)事故的發(fā)生已經(jīng)成為了我國分布式電源發(fā)展中亟需解決的重要問題。為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，各國電力公司及電網(wǎng)運(yùn)營商紛紛提出了新的分布式電源的并網(wǎng)規(guī)范，要求分布式電源在電網(wǎng)短時(shí)電壓跌落情況下能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行，并向外發(fā)出無功功率以幫助電力系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，即要求分布式電源具備低電壓穿越（lowvoltageridethrough，LVRT）能力。短路故障、電機(jī)啟動(dòng)等情況都可能造成電網(wǎng)電壓跌落，其中短路故障造成的電網(wǎng)電壓跌落最為嚴(yán)重。分布式電源一般接入中壓或者低壓配電系統(tǒng)，其在實(shí)際應(yīng)用中面臨的一個(gè)突出問題是，傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般都是單一電源的輻射型網(wǎng)絡(luò)，其潮流單向流動(dòng)；且傳統(tǒng)配電網(wǎng)通常采取中性點(diǎn)不接地（或經(jīng)消弧線圈接地）方式。因此，傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般只配置有不帶方向的三段式電流保護(hù)。但是，分布式電源并入電網(wǎng)后，將根本性地改變傳統(tǒng)單電源輻射型配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，分布式電源饋出的短路電流與傳統(tǒng)的交流同步電機(jī)相比存在較大差異，因此電網(wǎng)故障后的電氣量變化特征發(fā)生顯著變化，從而使得傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障檢測方法、繼電保護(hù)原理和整定計(jì)算原則難以滿足電網(wǎng)安全運(yùn)行要求，這已成為制約分布式發(fā)電技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的重要技術(shù)屏障，突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）分布式電源的發(fā)電模式及并網(wǎng)方式多樣，其饋入電網(wǎng)的故障電流暫態(tài)分量、衰減特性等與傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機(jī)相比均存在較大不同。此外，由于不同類型的分布式電源所采用的控制策略以及配置的本體保護(hù)存在很大差異，配電網(wǎng)故障時(shí)短路電流變化特征將變得更為復(fù)雜。因此，傳統(tǒng)的以交流同步電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的短路電流分析理論和方法已難以滿足分布式電源接入后電網(wǎng)故障分析的要求，并給以故障特征為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)配置模式和構(gòu)建原理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2）分布式電源的接入使得配電網(wǎng)由單電源輻射式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p端或多端有源復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，改變了配電網(wǎng)故障電流水平。同時(shí)，分布式電源受自然環(huán)境和氣候等因素的影響較大，具有明顯的隨機(jī)性、間歇性的特征。這種復(fù)雜多變的運(yùn)行方式，使得保護(hù)的整定計(jì)算非常困難，往往難以兼顧速動(dòng)性、靈敏性和選擇性等方面的不同要求，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。另一方面，如前所述，分布式電源饋出的短路電流變化特性復(fù)雜，導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于工頻穩(wěn)態(tài)分量的繼電保護(hù)性能嚴(yán)重劣化，甚至無法正常工作。3）分布式電源的運(yùn)行控制和并網(wǎng)接口環(huán)節(jié)采用了大量的電力電子器件，其耐受短路電流及過電壓沖擊的能力遠(yuǎn)遜于傳統(tǒng)同步電機(jī)。若分布式電源保護(hù)與配電網(wǎng)保護(hù)及自動(dòng)重合閘之間缺乏協(xié)調(diào)配合，易造成分布式電源在外部電網(wǎng)故障時(shí)不必要的頻繁退出，極大地降低分布式電源的利用率和供電可靠性；或可能因非同期重合閘產(chǎn)生沖擊電流，從而導(dǎo)致分布式電源承受多次大電流沖擊，造成設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果。1.4含分布式電源的電網(wǎng)繼電保護(hù)研究現(xiàn)狀在電力需求不斷增長，化石能源逐漸衰竭以及環(huán)境保護(hù)的多重壓力下，以實(shí)現(xiàn)可再生能源和清潔能源高效利用為目標(biāo)的分布式發(fā)電技術(shù)的研究受到了世界各國的高度重視，并已成為電力技術(shù)的重要發(fā)展方向。繼電保護(hù)是保證電網(wǎng)安全的重要基礎(chǔ)，針對分布式電源接入電網(wǎng)后給繼電保護(hù)理論和技術(shù)帶來的新挑戰(zhàn)，國內(nèi)外學(xué)者競相開展了相關(guān)的研究工作，以解決這一制約分布式電源規(guī)模化應(yīng)用中面臨的重大技術(shù)難題。以下從分布式電源故障電流特性研究、分布式電源的電網(wǎng)故障特征分析和繼電保護(hù)原理改進(jìn)等三方面，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分類綜述如下。1.4.1分布式電源的故障電流特性研究在外部故障時(shí)，分布式電源饋入電網(wǎng)的故障電流特性，包括故障暫態(tài)特性和故障穩(wěn)態(tài)特性等，與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的故障電流特性相比存在較大區(qū)別；且不同類型分布式電源的故障特性之間也存在較大差異。目前，針對分布式電源故障電流特性的分析，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作。文獻(xiàn)[28]在PSCAD/EMTDC下搭建了含鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際風(fēng)電場模型，對各類故障情況下風(fēng)電場側(cè)的短路電流進(jìn)行了仿真分析，指出風(fēng)電場屬于典型的弱饋電源系統(tǒng)，導(dǎo)致保護(hù)的性能受到很大影響；并進(jìn)一步分析了風(fēng)電場主變接線方式、故障類型和故障點(diǎn)位置以及風(fēng)電場接入容量等因素對風(fēng)電場側(cè)故障電流的影響。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，轉(zhuǎn)速不可控、需要從電網(wǎng)吸收大量無功和采用剛性的并網(wǎng)連接等缺點(diǎn)[13]都使得鼠籠式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已逐漸退出了當(dāng)今的風(fēng)電市場。在雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性研究方面，文獻(xiàn)[29]從磁鏈?zhǔn)睾愕慕嵌?，通過與異步電動(dòng)機(jī)的短路電流進(jìn)行類比，定性地分析了對稱故障條件下DFIG的短路電流，但并未具體考慮撬棒保護(hù)投入后對DFIG短路電流的影響。實(shí)際上，在LVRT過程中，對于近區(qū)嚴(yán)重故障（DFIG機(jī)端電壓跌落較為嚴(yán)重），為了保證風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全，撬棒保護(hù)將會(huì)動(dòng)作，并通過撬棒電阻短接轉(zhuǎn)子繞組以旁路轉(zhuǎn)子側(cè)變流器（RotorSideConverter，RSC）。撬棒電阻的引入導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合顯著增強(qiáng)，使得DFIG的運(yùn)行特性不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。針對DFIG機(jī)端三相短路且撬棒保護(hù)動(dòng)作的情況，文獻(xiàn)[30-33]均對DFIG的故障電流特性進(jìn)行了研究，并給出了相應(yīng)的DFIG故障電流的簡化計(jì)算表達(dá)式。但是，文獻(xiàn)[30-33]并未考慮撬棒保護(hù)動(dòng)作后，撬棒電阻接入對DFIG定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈特性的影響，缺乏對撬棒保護(hù)動(dòng)作后DFIG固有特征的把握和分析。文獻(xiàn)[34]對三相嚴(yán)重故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性進(jìn)行了定量的理論分析，并對轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器在電網(wǎng)故障情況下的響應(yīng)特性進(jìn)行了一定的分析。但是該文獻(xiàn)未進(jìn)一步研究不對稱故障或非嚴(yán)重故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性。實(shí)際上，不對稱短路故障發(fā)生的概率要遠(yuǎn)高于對稱短路故障。因此，開展不對稱短路情況下DFIG饋出的故障電流特性的研究是全面分析DFIG在不同短路情況下的故障特性的重要組成部分，對適應(yīng)于DFIG大規(guī)模接入的電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建有重要意義。針對此，在建立了DFIG在正、反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)特性方程的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[35]分析了電網(wǎng)電壓對稱和不對稱跌落故障情況下DFIG定子磁鏈的動(dòng)態(tài)特性，并給出了定子磁鏈的解析表達(dá)式。在電網(wǎng)電壓不對稱跌落的情況下，文獻(xiàn)[36]對DFIG轉(zhuǎn)子電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析，并給出了轉(zhuǎn)子電壓穩(wěn)態(tài)值、最大值和最小值的計(jì)算方法。但是文獻(xiàn)[35，36]均未進(jìn)一步研究電網(wǎng)電壓不對稱跌落故障情況下DFIG的故障電流特性。此外，在遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障（DFIG機(jī)端電壓跌落相對較?。┣闆r下，撬棒保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，此時(shí)DFIG仍由變頻器進(jìn)行勵(lì)磁，勵(lì)磁變頻器在故障情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將對DFIG的故障電流特性有很大的影響。這使得DFIG在非嚴(yán)重故障情況下的故障電流特性極為復(fù)雜，分析難度較大。為了簡化分析，文獻(xiàn)[37]忽略了勵(lì)磁變頻器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，認(rèn)為故障前后轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流保持不變，并在此基礎(chǔ)上對非嚴(yán)重故障情況下DFIG的故障電流特性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[38]則認(rèn)為故障后轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流迅速增長，導(dǎo)致勵(lì)磁變頻器的輸出電流限幅，即轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流在故障后一直保持在最大值。然而，實(shí)際上轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變頻器的響應(yīng)非常迅速且特性復(fù)雜，文獻(xiàn)[37，38]提出的假設(shè)前提并不成立，所得出的DFIG故障電流特性與實(shí)際情況不吻合。文獻(xiàn)[39]定性地研究了非嚴(yán)重故障情況下，計(jì)及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變頻器的動(dòng)態(tài)特性情況下DFIG的故障電流特性。然而，其研究結(jié)果是基于數(shù)字仿真分析的，并未給出DFIG故障電流的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)[40]通過仿真分析，對電網(wǎng)對稱和不對稱情況下的DFIG定子故障電流的“多態(tài)”特性進(jìn)行了定性的研究，并分析了故障點(diǎn)位置和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變流器的控制器參數(shù)等因素對DFIG故障電流特性的影響。但是，該文獻(xiàn)同樣沒有給出DFIG故障電流的解析表達(dá)式，缺乏對DFIG故障電流的定量的分析。因此，文獻(xiàn)[39，40]的研究結(jié)果不能完全滿足繼電保護(hù)原理研究和整定計(jì)算的應(yīng)用要求。在以逆變器與電網(wǎng)接口的逆變型分布式電源（inverterinterfaceddistributiongenerator，IIDG）的故障電流特性研究方面，文獻(xiàn)[41]對采用恒功率控制和恒電壓頻率控制的IIDG的故障特征進(jìn)行了探討，并仿真分析了不同控制策略對IIDG故障電流特性的影響。但該文獻(xiàn)的IIDG故障特性分析結(jié)果是根據(jù)仿真計(jì)算得到的，缺少必要的理論和定量分析，對繼電保護(hù)原理研究和整定計(jì)算的參考價(jià)值有限。文獻(xiàn)[42]對并網(wǎng)運(yùn)行的IIDG的故障電流特性進(jìn)行了研究，但是在分析過程中未充分考慮低電壓穿越運(yùn)行策略對IIDG的故障電流特性的影響。文獻(xiàn)[43]對微網(wǎng)內(nèi)IIDG的故障特征進(jìn)行了分析，并考慮了恒功率控制和恒電壓頻率控制等兩種控制策略對IIDG故障電流特性的影響。但該文獻(xiàn)的研究對象是微網(wǎng)內(nèi)的IIDG故障電流特性，未考慮直接并網(wǎng)的IIDG的低電壓穿越運(yùn)行要求，因此，其分析結(jié)果不適用于直接接入電網(wǎng)的IIDG。文獻(xiàn)[44]對孤島運(yùn)行的IIDG的故障電流特性進(jìn)行了研究。然而，并網(wǎng)運(yùn)行的IIDG的控制策略與孤島運(yùn)行的IIDG并不相同，從而導(dǎo)致其故障電流特性也存在較大區(qū)別。綜上所述，電網(wǎng)故障期間分布式電源的故障電流特性與分布式電源的類型、所采用的低電壓穿越運(yùn)行策略以及故障類型和故障點(diǎn)位置等諸多復(fù)雜因素有關(guān)，研究工作面臨較大的困難?？傮w上看，迄今雖開展了多方面的研究，但大多處于簡化和定性分析階段，理論分析基礎(chǔ)薄弱，且未充分考慮低電壓穿越運(yùn)行策略和不同故障類型對分布式電源的故障電流特性的影響，難以滿足繼電保護(hù)原理研究和整定計(jì)算的應(yīng)用要求。因此，有必要對采用不同低電壓穿越運(yùn)行策略的分布式電源在故障期間的電磁暫態(tài)特性進(jìn)行深入的分析，從頻域和時(shí)域等不同層面對分布式電源的復(fù)雜故障電流特性開展系統(tǒng)的研究。1.4.2含分布式電源的電網(wǎng)故障分析方法在傳統(tǒng)的電網(wǎng)故障分析中，供電電源模型主要為交流同步電機(jī)。而電網(wǎng)故障期間，分布式電源饋入電網(wǎng)的故障電流的暫態(tài)分量、衰減特性等與傳統(tǒng)交流同步電機(jī)相比發(fā)生了很大的變化，這導(dǎo)致以交流同步電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)短路電流分析理論和方法難以滿足分布式電源接入后電網(wǎng)故障分析的要求。在以往的含分布式電源接入的電網(wǎng)故障特征研究過程中，國內(nèi)外學(xué)者一般將分布式電源視為恒定的電流源[45-53]，或等效為電壓源加內(nèi)阻抗的戴維南電路[54-57]。這些分析方法均未充分考慮分布式電源在不同故障情況下的復(fù)雜故障電流特性的影響，導(dǎo)致所提出的含分布式電源的電網(wǎng)故障分析方法和結(jié)果與實(shí)際情況不吻合，存在一定的局限性。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對含分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析方法開展了進(jìn)一步的研究。根據(jù)運(yùn)行控制方式和接口形式的不同，文獻(xiàn)[58]將不同類型分布式電源分別視作PQ、PV、PI和PQ（V）節(jié)點(diǎn)，然后結(jié)合前推回推和補(bǔ)償法，提出了一種含多種類型分布式電源的配電網(wǎng)三相短路分析方法。根據(jù)含分布式電源接入的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，文獻(xiàn)[59]提出了一種基于支路電流分流系數(shù)的故障分析計(jì)算的解耦相量法。文獻(xiàn)[58，59]仍將電網(wǎng)故障后的各種分布式電源等效為潮流計(jì)算時(shí)的穩(wěn)態(tài)模型。然而，受電力電子裝置的控制策略的影響，各類分布式電源均不能保持在正常運(yùn)行模式。若仍采用潮流計(jì)算時(shí)的穩(wěn)態(tài)模型對電網(wǎng)故障后的各類分布式電源進(jìn)行等效，得到的配電網(wǎng)短路電流計(jì)算結(jié)果將不符合實(shí)際情況。文獻(xiàn)[60]針對基于PWM逆變器的分布式電源、基于同步發(fā)電機(jī)的分布式電源和基于異步發(fā)電機(jī)的分布式電源等3類分布式電源在電網(wǎng)故障后的動(dòng)態(tài)特性開展了研究，并提出了的相應(yīng)的短路處理方法。但是，該文獻(xiàn)未能充分、準(zhǔn)確地對電網(wǎng)故障后不同類型分布式電源的控制器的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，所提出的各類分布式電源的故障電流等效計(jì)算模型仍與實(shí)際情況存在一定的差別。文獻(xiàn)[61]對電網(wǎng)不同故障情況下鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機(jī)（inductiongenerator，IG）的的短路電流進(jìn)行了研究，建立了IG的序分量電流模型，并在此基礎(chǔ)上提出了含多IG的配電網(wǎng)短路電流的對稱分量迭代算法。但是，目前風(fēng)電場中的主流機(jī)型為雙饋風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組，因此，文獻(xiàn)[61]提出的短路電流計(jì)算方法的實(shí)用性有限。在分析了IIDG的控制原理、故障穿越運(yùn)行條件下的響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[62]提出了一種計(jì)及低電壓穿越控制策略的IIDG的等值電流源模型，從而建立了含IIDG接入的配電網(wǎng)故障分析方法。但是，該文獻(xiàn)只是針對三相對稱故障情況下含IIDG接入的配電網(wǎng)故障分析方法進(jìn)行了研究，沒有討論所提出的故障分析方法對不對稱故障的適用性。文獻(xiàn)[63]對電網(wǎng)故障情況下DFIG的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了研究，并推導(dǎo)出了DFIG定子短路電流的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了含DFIG的電力系統(tǒng)對稱短路故障情況下的的短路電流實(shí)用計(jì)算方法。但是，在對DFIG定子短路電流進(jìn)行分析的過程中，該文獻(xiàn)未考慮不同嚴(yán)重程度的故障情況下控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性對DFIG故障電流的影響，導(dǎo)致其分析結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差別。文獻(xiàn)[64]通過對電網(wǎng)對稱故障和不對稱故障情況下DFIG動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的分析，提出了一種實(shí)用化的DFIG短路電流計(jì)算的各序網(wǎng)絡(luò)模型。但是，該文獻(xiàn)提出的DFIG序網(wǎng)絡(luò)模型只適用于電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障且DFIG撬棒保護(hù)動(dòng)作的情況。綜上所述，針對分布式電源接入對傳統(tǒng)電網(wǎng)故障分析方法帶來的挑戰(zhàn)，雖然國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。但是，所提出的含分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析新方法大都是建立在對分布式電源故障電流特性簡化處理的基礎(chǔ)上的。這使得所提出的電網(wǎng)故障分析新方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)得到的分析結(jié)果將與實(shí)際情況存在一定的差別，難以滿足繼電保護(hù)原理和整定計(jì)算方法研究的應(yīng)用要求。因此，亟需開展進(jìn)一步的研究，提出一套適用于分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析理論和方法，以滿足含分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析的要求，為后續(xù)電網(wǎng)故障特性、繼電保護(hù)配置模式和實(shí)現(xiàn)原理、整定計(jì)算原則等研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1.4.3適用于分布式電源接入的電網(wǎng)繼電保護(hù)方案研究分布式電源復(fù)雜的故障電流特性和間歇性、隨機(jī)性的出力特征給傳統(tǒng)的保護(hù)原理和故障檢測方法都帶來了巨大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致其可能無法準(zhǔn)確地判斷故障的位置，引起保護(hù)拒動(dòng)或誤動(dòng)。針對上述問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種應(yīng)對措施。為了減小分布式電源接入對傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)的影響，文獻(xiàn)[65]提出限制分布式電源接入容量的方法。但是，隨著分布式電源的日益發(fā)展和應(yīng)用，限制其接入容量的方法無法滿足未來分布式電源的發(fā)展要求。針對分布式電源接入導(dǎo)致傳統(tǒng)配電網(wǎng)短路電流方向改變，原有三段式電流保護(hù)靈敏度降低、保護(hù)誤動(dòng)等可能情況，文獻(xiàn)[53，66，67]提出在原有過電流保護(hù)的基礎(chǔ)上加裝方向元件來滿足選擇性要求。然而，配電網(wǎng)線路一般不安裝電壓互感器，限制了上述保護(hù)改進(jìn)方案的應(yīng)用范圍。針對分布式電源出力受風(fēng)力、光照強(qiáng)度等自然環(huán)境因素的影響、運(yùn)行方式多變等特點(diǎn)，文獻(xiàn)[68]建議采用距離保護(hù)替代電流保護(hù)，以減小系統(tǒng)運(yùn)行方式變化對保護(hù)性能的影響，但距離保護(hù)的選擇性在其應(yīng)用于配電網(wǎng)廣泛存在的短距離線路時(shí)難以得到保障。針對分布式電源接入改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)原有的短路電流水平，并導(dǎo)致傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)失配的問題，文獻(xiàn)[69，70]提出采用短路電流限制器以限制分布式電源饋出的短路電流的大小，從而保證配電網(wǎng)方向過流保護(hù)的正常工作。但是，短路電流限制器的成本較高，無法大范圍應(yīng)用。文獻(xiàn)[71]提出一種針對分布式電源接入配電網(wǎng)的改進(jìn)保護(hù)方案。該保護(hù)方案根據(jù)不同的分布式電源的接入位置的配置相應(yīng)的保護(hù)功能，有助于改善保護(hù)性能。但是該保護(hù)方案需要根據(jù)分布式電源的接入位置進(jìn)行調(diào)整，不具有通用性。文獻(xiàn)[72]根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計(jì)算出了各分布式電源在電網(wǎng)故障期間對故障電流的貢獻(xiàn)因子，并在此基礎(chǔ)上提出了一種含分布式電源的配電網(wǎng)主保護(hù)和后備保護(hù)的自適應(yīng)整定算法。但是該方法需要實(shí)測各分布式電源在電網(wǎng)故障期間饋出的故障電流，無法實(shí)現(xiàn)就地的自適應(yīng)保護(hù)。針對應(yīng)用于風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上的距離保護(hù)方案，文獻(xiàn)[73]指出DFIG撬棒保護(hù)的動(dòng)作會(huì)對聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的性能造成不利的影響，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施；文獻(xiàn)[74-76]則提出相應(yīng)的距離保護(hù)自適應(yīng)整定方法以消除風(fēng)電場輸出功率、電壓的波動(dòng)對聯(lián)絡(luò)線距離保護(hù)的影響。但是這些文獻(xiàn)認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組相似，可將風(fēng)電機(jī)組等效為戴維南支路。但實(shí)際上，風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性較為復(fù)雜，且受故障點(diǎn)位置和控制策略等因素影響較大，不能簡單地等效為戴維南支路。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，廣域通信技術(shù)的快速發(fā)展，為構(gòu)建新一代具有良好自適應(yīng)能力的新型繼電保護(hù)系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持。為了提高含分布式電源接入的配電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，文獻(xiàn)[77-85]對基于網(wǎng)內(nèi)多點(diǎn)信息的區(qū)域式保護(hù)方案進(jìn)行了探討。其中，文獻(xiàn)[77-81]對分布式電源接入后配電網(wǎng)故障電流變化的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于分支電流綜合幅值比較的故障區(qū)域定位方法。電網(wǎng)發(fā)生故障后，文獻(xiàn)[82]首先將系統(tǒng)主電源和各分布式電源都等效為戴維南電路，由此計(jì)算出故障后系統(tǒng)主電源和各分布式電源饋出的故障電流大小，并將理論計(jì)算結(jié)果與PMU監(jiān)測得到的系統(tǒng)主電源和各分布式電源的故障輸出電流進(jìn)行比較，以此來實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域定位。文獻(xiàn)[83]利用小波算法對含分布式電源的配電網(wǎng)故障電流暫態(tài)分量進(jìn)行分析，并以此確定故障方向，最終實(shí)現(xiàn)故障區(qū)域定位和故障隔離。文獻(xiàn)[84]首先利用有限節(jié)點(diǎn)的Agent根據(jù)監(jiān)測得到的故障電流大小和方向確定故障關(guān)聯(lián)區(qū)段，然后利用故障關(guān)聯(lián)區(qū)段的首端節(jié)點(diǎn)電壓和電流計(jì)算故障距離，最終確定故障點(diǎn)。在利用綜合電流幅值的突變量定位故障區(qū)段后，文獻(xiàn)[85]通過比較故障區(qū)段內(nèi)各線路兩側(cè)的綜合電流幅值特性來最終定位故障。但是，分布式電源類型多樣、運(yùn)行方式復(fù)雜多變，再加上不同低電壓穿越運(yùn)行策略[86-97]和恢復(fù)控制策略[98,99]的影響，分布式電源饋入電網(wǎng)的故障電流特性較為復(fù)雜，其故障電流暫態(tài)分量、衰減特性等都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的故障電流特性存在較大不同。傳統(tǒng)的以交流同步電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)短路電流分析理論和方法不能對分布式電源接入后的電網(wǎng)故障特征進(jìn)行準(zhǔn)確的研究和分析。因此，可以說，上述建立在傳統(tǒng)短路電流分析理論和方法上的改進(jìn)繼電保護(hù)方案對分布式電源的復(fù)雜故障特性的本質(zhì)認(rèn)識不足，其實(shí)際應(yīng)用效果有待考證，尚存在許多原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)問題有待解決。在電網(wǎng)繼電保護(hù)與自動(dòng)重合閘裝置之間的協(xié)調(diào)配合方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了多方面的研究工作。文獻(xiàn)[100，101]指出當(dāng)配電網(wǎng)故障時(shí)，重合閘動(dòng)作以前應(yīng)首先將分布式電源切除，這會(huì)導(dǎo)致分布式電源不必要的頻繁退出；文獻(xiàn)[102，103]提出自適應(yīng)地修改基于微處理器的重合器的時(shí)間-電流曲線以實(shí)現(xiàn)與熔斷器的配合，但該方法需要首先確定分布式電源的接入容量和接入位置，其適應(yīng)性有待加強(qiáng)；文獻(xiàn)[104-106]提出了重合器的安裝位置、動(dòng)作模式的優(yōu)化方案，但這些方案的實(shí)施都需要限制分布式電源的接入容量和接入位置，難以滿足分布式電源大規(guī)模接入的發(fā)展要求。綜上所述，分布式電源的規(guī)模化接入，對電網(wǎng)繼電保護(hù)的基本理論、構(gòu)建模式及實(shí)現(xiàn)技術(shù)帶來了全方位的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，提出了新的、更高的要求。盡管開展了大量的前期研究工作，但是相關(guān)研究成果對各類分布式電源的故障電流特性及含分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析理論與方法的研究還不夠全面和充分，適應(yīng)分布式電源接入的電網(wǎng)繼電保護(hù)配置與原理的研究大都建立在對各類分布式電源故障電流特性簡化處理的基礎(chǔ)上，不能滿足實(shí)際電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求。因此，相關(guān)的研究工作尚處于初步的發(fā)展階段。在分布式發(fā)電設(shè)備制造技術(shù)日趨成熟、大量分布式發(fā)電設(shè)備亟待并網(wǎng)運(yùn)行的今天，結(jié)合智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，加快“應(yīng)對分布式電源規(guī)模化接入的電網(wǎng)故障分析方法與保護(hù)原理”一科學(xué)問題的研究，對解決分布式發(fā)電技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用面臨的安全技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1.5論文的主要研究工作及章節(jié)安排本論文將結(jié)合智能電網(wǎng)的發(fā)展需求，以實(shí)現(xiàn)分布式電源大規(guī)模安全接入為目標(biāo)，在對含分布式電源的電網(wǎng)復(fù)雜故障特性進(jìn)行系統(tǒng)研究和分析的基礎(chǔ)上，針對分布式電源運(yùn)行方式多變、饋出短路電流特性復(fù)雜等特點(diǎn)，以提升繼電保護(hù)自適應(yīng)能力為核心，研究提出應(yīng)對分布式電源規(guī)模化接入的新一代電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建方案和實(shí)現(xiàn)原理。首先，根據(jù)各類分布式電源在電網(wǎng)故障時(shí)呈現(xiàn)出的外部故障特性，將各類分布式電源劃分為異步型電源（交流直接接口的異步交流電源，如雙饋風(fēng)機(jī)電源）和逆變型電源（采用逆變器接口的電源，如太陽能光伏電源）等兩種基本形式。其次，針對這兩種類型的分布式電源，建立詳細(xì)的電源本體模型以及外圍控制與保護(hù)模型。對于異步型電源，將從雙饋電機(jī)定、轉(zhuǎn)子基本電磁特性方程出發(fā)，建立短路計(jì)算數(shù)學(xué)模型，并重點(diǎn)考慮撬棒保護(hù)動(dòng)作行為以及電機(jī)的功率解耦控制策略等對短路電流、電壓變化特性的影響；對于逆變器電源，將考慮其功率控制策略、短路限流控制策略以及功率器件的過流和過壓保護(hù)等因素的影響。在上述理論研究工作的基礎(chǔ)上，構(gòu)建適用于不同類型分布式電源接入的電網(wǎng)故障暫態(tài)仿真平臺。通過理論分析與數(shù)字仿真相結(jié)合的方式，從頻域和時(shí)域兩方面對不同類型分布式電源所提供的短路電流暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)典型特征進(jìn)行分析，如不同類型分布式電源饋出的短路電流暫態(tài)分量的基本成分、衰減時(shí)常以及故障穩(wěn)態(tài)特性，正序、負(fù)序等序分量的變化特點(diǎn)，以及短路電壓的分布和變化特點(diǎn)等；并研究分析分布式電源控制策略、本體保護(hù)動(dòng)作行為、運(yùn)行方式、故障點(diǎn)位置、故障類型等因素對電氣量故障特征的影響及程度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)繼電保護(hù)特性研究和整定計(jì)算的應(yīng)用要求，提出相適應(yīng)的電源簡化數(shù)學(xué)模型，以為繼電保護(hù)原理的仿真研究以及配電網(wǎng)保護(hù)的整定計(jì)算提供所需的計(jì)算工具。最后，在對各類分布式電源故障電流特性全面分析的基礎(chǔ)上，提出一套含分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析理論和方法，并提出適用分布式電源接入的新型電網(wǎng)繼電保護(hù)原理和方案，以提高繼電保護(hù)的性能，保障電力系統(tǒng)和分布式電源的運(yùn)行安全。本論文的研究是保證電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對解決分布式發(fā)電技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用中面臨的安全技術(shù)瓶頸，推動(dòng)綠色能源的高效利用，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。論文各章節(jié)的安排如下：第1章介紹分布式電源發(fā)展的研究背景與意義，闡述了分布式電源接入對傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障檢測方法、繼電保護(hù)原理和整定計(jì)算方法等帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，并介紹了國內(nèi)外學(xué)者在含分布式電源接入的電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)方面的的研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究成果存在的不足。最后對論文各章節(jié)的重點(diǎn)研究內(nèi)容進(jìn)行了介紹。第2章建立了兩相靜止坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，以為研究對稱及不對稱電網(wǎng)故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性奠定基礎(chǔ)。進(jìn)一步地，對近區(qū)嚴(yán)重故障且撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的定子繞組磁鏈動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究，并提出了一種兼顧精確性和簡易性的定子繞組磁鏈的簡化計(jì)算模型。以此為基礎(chǔ)，研究了對稱故障和不對稱故障情況下雙饋發(fā)電機(jī)組的故障電流特性，得到了其解析表達(dá)式，并建立了故障電流的等效計(jì)算模型。第3章對非嚴(yán)重故障期間雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流進(jìn)行了研究。遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障情況下，雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子繞組仍由變頻器進(jìn)行勵(lì)磁。因此，故障期間變頻器的勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性將對雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性造成很大的影響。本章首先介紹了一種雙饋風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)故障情況下常用的改進(jìn)控制策略，然后分別對設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了分析，并得到了計(jì)及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性影響時(shí)轉(zhuǎn)子繞組故障電流的計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，對非嚴(yán)重故障期間雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流進(jìn)行了研究，得到了其解析表達(dá)式。第4章對逆變型分布式電源的故障電流特性進(jìn)行了研究。逆變型分布式電源的故障電流特性主要受其故障期間的控制策略的影響。因此，要對逆變型分布式電源的故障電流特性進(jìn)行研究，首先需要建立合適的、能夠滿足并網(wǎng)規(guī)程要求的低電壓穿越運(yùn)行控制策略。在第4章中，為滿足并網(wǎng)規(guī)程的要求，提出了一種逆變型分布式電源的低電壓穿越運(yùn)行控制策略。在此基礎(chǔ)上，從逆變器控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性出發(fā)，對逆變型分布式電源的故障電流特性進(jìn)行了研究，并建立了逆變型分布式電源在對稱故障和不對稱故障下短路電流的計(jì)算模型。第5章建立了適應(yīng)于逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析理論和方法。受逆變型分布式電源的特殊故障電流特性影響，在對含于逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)進(jìn)行故障分析時(shí)，不能將于逆變型分布式電源簡化為戴維南等效支路，即不能用含內(nèi)阻抗的恒定電勢源等效替代于逆變型分布式電源。傳統(tǒng)的以交流同步發(fā)電機(jī)供電電源為基礎(chǔ)的電網(wǎng)故障分析方法已不能滿足含于逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析要求。針對于逆變型分布式電源的故障電流特征，建立了適應(yīng)于逆變型分布式電源接入的電網(wǎng)故障分析理論和方法，并通過仿真算例驗(yàn)證了所提出的電網(wǎng)故障分析理論和方法的正確性。第6章提出了一種適用于風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線的基于微分方程算法的距離保護(hù)方案。雙饋風(fēng)電機(jī)組在近區(qū)嚴(yán)重故障和遠(yuǎn)區(qū)非嚴(yán)重故障情況下呈現(xiàn)出的“多態(tài)”的復(fù)雜故障電流使得傳統(tǒng)過電流保護(hù)和距離保護(hù)等保護(hù)方案的性能嚴(yán)重劣化。為保證電力系統(tǒng)和風(fēng)電場的聯(lián)絡(luò)安全，針對雙饋風(fēng)電機(jī)組的復(fù)雜故障電流特性，提出一種由微分方程算法、低通濾波、故障點(diǎn)電壓重構(gòu)和故障距離迭代計(jì)算等4部分構(gòu)成的距離保護(hù)算法。該距離保護(hù)方案可以克服傳統(tǒng)保護(hù)原理應(yīng)用于風(fēng)電場聯(lián)絡(luò)線上時(shí)存在的各種問題，性能優(yōu)越，可以滿足電力系統(tǒng)和風(fēng)電場安全運(yùn)行的要求。第7章對全文的研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，概述了論文的主要研究成果，并對未來有待開展的進(jìn)一步研究工作進(jìn)行了展望。

2計(jì)及撬棒保護(hù)影響的雙饋風(fēng)電機(jī)組故障電流特性研究為了研究近區(qū)嚴(yán)重故障且撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性，本章建立了兩相靜止坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，以滿足對稱及不對稱電網(wǎng)故障情況下故障電流特性研究的要求。進(jìn)一步地，對撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下定子繞組磁鏈動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究，提出了一種兼顧精確性和簡易性的定子繞組磁鏈的簡化計(jì)算模型。以此為基礎(chǔ)，分析了對稱故障和不對稱故障情況下雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障電流特性，得到了其解析表達(dá)式，并建立了故障電流的等效計(jì)算模型。2.1引言近年來，作為最具商業(yè)化應(yīng)用前景的一種可再生能源發(fā)電技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了大力發(fā)展。DFIG以能量轉(zhuǎn)換效率高，原動(dòng)機(jī)承受的機(jī)械應(yīng)力小，易于實(shí)現(xiàn)有功﹑無功功率解耦控制，具有良好的調(diào)節(jié)性能及運(yùn)行穩(wěn)定[107-110]等優(yōu)勢，在風(fēng)電場中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，隨著風(fēng)電并網(wǎng)容量的不斷增加，風(fēng)電機(jī)組給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)日漸凸顯，國內(nèi)外已發(fā)生了多起風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)的嚴(yán)重事故[111]。為了保證電網(wǎng)和風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全，一方面，各國電力公司及電網(wǎng)運(yùn)營商紛紛提出了新的風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)規(guī)范[112,113]，要求風(fēng)電機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)LVRT；另一方面，需要構(gòu)建適應(yīng)于風(fēng)電機(jī)組接入的電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)。LVRT過程中DFIG的運(yùn)行特性將對電網(wǎng)的故障特征造成很大的影響，從而給繼電保護(hù)的研究帶來了新的問題和挑戰(zhàn)[114]。在電網(wǎng)故障情況下，電網(wǎng)電壓驟降可能引起轉(zhuǎn)子回路的過壓和過流，從而引起勵(lì)磁變流器、定轉(zhuǎn)子繞組和母線電容的損壞。為了提高DFIG的故障穿越運(yùn)行能力，保證LVRT期間DFIG的運(yùn)行安全，一種常用的辦法是安裝撬棒（crowbar）保護(hù)[115,116]。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流過大或直流電容電壓過高時(shí)，撬棒保護(hù)斷開轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子繞組的連接，并通過撬棒電阻將轉(zhuǎn)子繞組短路，為轉(zhuǎn)子側(cè)的浪涌電流提供一條通路。撬棒保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致DFIG失去勵(lì)磁，進(jìn)而從發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，撬棒電阻的引入導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子繞組之間的耦合顯著增強(qiáng)，使得DFIG的運(yùn)行特性不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)或異步電動(dòng)機(jī)。因此，有必要針對撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下DFIG的故障特性進(jìn)行研究。DFIG饋出的故障電流由定子繞組電流和網(wǎng)側(cè)變流器（GridSideConverter，GSC）的交流側(cè)電流兩部分組成。鑒于GSC容量較小，其交流側(cè)電流對DFIG饋出的故障電流影響不大，本章將主要對DFIG的定子繞組電流特性進(jìn)行研究。為了分析對稱和不對稱故障情況下DFIG的故障電流特性，本章結(jié)合其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，建立了兩相靜止坐標(biāo)系下DFIG的電磁暫態(tài)方程。以此為基礎(chǔ)，對撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下DFIG定子繞組磁鏈特性進(jìn)行了分析，并建立了其簡化計(jì)算模型。然后，研究了對稱故障和不對稱故障情況下DFIG定子繞組的故障電流特性，得到了定子繞組故障電流的解析表達(dá)式，并建立了其等效計(jì)算模型。最后數(shù)字仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。2.2兩相靜止坐標(biāo)下DFIG動(dòng)態(tài)模型DFIG電磁暫態(tài)特性方程的建立，是進(jìn)行短路電流分析計(jì)算的基礎(chǔ)。當(dāng)定、轉(zhuǎn)子均采用電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)，一般化的DFIG的電壓、磁鏈方程分別如式（2-1）、（2-2）所示。（2-1）（2-2）式（2-1）、（2-2）中，、、、分別為定、轉(zhuǎn)子電壓、電流矩陣；此外，，，分別為定、轉(zhuǎn)子繞組電阻矩陣，為定子每相繞組電阻，為轉(zhuǎn)子每相繞組電阻。，為定子繞組的電感矩陣，為定子相繞組漏電感，為定子相繞組自電感。，為轉(zhuǎn)子繞組的電感矩陣，為轉(zhuǎn)子相繞組漏電感，為轉(zhuǎn)子相繞組自電感。，為定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感矩陣，為轉(zhuǎn)子a相繞組軸線與定子A相繞組軸線之間的夾角。定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感矩陣是的周期性函數(shù)，因此，三相坐標(biāo)系下DFIG的電磁暫態(tài)方程是一組變系數(shù)的微分方程，不利于求解。為了簡化分析，需要對DFIG的電磁暫態(tài)方程進(jìn)行坐標(biāo)變換?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大都采用坐標(biāo)變換分析DFIG的短路電流特性，即將定、轉(zhuǎn)子參數(shù)全部變換到以同步速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中。然而，在電網(wǎng)不對稱故障情況下，采用坐標(biāo)變換時(shí)需建立正、反轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系[117]，并需提取電壓、電流等電氣量的正、負(fù)序分量，給DFIG的短路電流特性分析帶來了嚴(yán)重的復(fù)雜性建立兩相靜止坐標(biāo)下的電機(jī)模型等。由于DFIG轉(zhuǎn)子方面的結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)均對稱，在分析其定子方面的對稱或不對稱運(yùn)行問題時(shí)，將定、轉(zhuǎn)子參數(shù)變換到相對定子靜止的坐標(biāo)系是有利的。建立兩相靜止坐標(biāo)下的電機(jī)模型等在兩相靜止坐標(biāo)系下，DFIG電壓、磁鏈方程為：（2-3）（2-4）在上兩式中，，表示轉(zhuǎn)子角頻率，其中為轉(zhuǎn)差率，是電機(jī)同步角頻率；，，。從而可以得到以定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為：（2-5）（2-6）上兩式中，，。系統(tǒng)矩陣的特征值決定了定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈故障暫態(tài)分量的衰減時(shí)間常數(shù)和振蕩頻率。同時(shí)，系統(tǒng)矩陣的特征值也決定了定、轉(zhuǎn)子繞組電流中的故障暫態(tài)分量的衰減時(shí)間常數(shù)和振蕩頻率。2.3近區(qū)嚴(yán)重故障情況下DFIG定子繞組磁鏈特性及簡化計(jì)算模型2.3.1在矩陣中，和體現(xiàn)了DFIG定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的耦合情況。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，定、轉(zhuǎn)子繞組電阻均很小，即和很小。因此，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的耦合可以忽略不計(jì)。在這種情況下，矩陣近似為（2-7）得到矩陣的特征值為（2-8）其中，為定子繞組磁鏈故障暫態(tài)分量的衰減時(shí)間常數(shù)；表示轉(zhuǎn)子繞組磁鏈故障暫態(tài)分量的衰減時(shí)間常數(shù)，表示轉(zhuǎn)子繞組磁鏈故障暫態(tài)分量的振蕩角頻率。在這種情況下，定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈可以通過2個(gè)獨(dú)立的2階系統(tǒng)求得。在近區(qū)嚴(yán)重故障情況下，為了保證DFIG的運(yùn)行安全，撬棒保護(hù)將會(huì)動(dòng)作，在斷開轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的同時(shí)通過撬棒電阻將轉(zhuǎn)子繞組短路。此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組等效電阻為（2-9）式中，為撬棒電阻。在這種情況下，定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈之間耦合顯著增強(qiáng)，不能再忽略不計(jì)。因此，直接忽略定、轉(zhuǎn)子繞組電阻的影響[30]或者與異步電動(dòng)機(jī)的短路電流進(jìn)行類比[28,118]以分析對稱故障時(shí)DFIG的短路電流將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。將式（7）中的用替換后可以得到撬棒保護(hù)動(dòng)作后的新的系統(tǒng)矩陣，將其特征值記為（2-10）針對一臺1.5MW的DFIG（具體參數(shù)見2.4.2小節(jié)），表2-1給出了不同撬棒電阻對矩陣表2-1系統(tǒng)矩陣特征值Rc/Rr特征值pc1,2pc3,410-8.39±j1.31-66.88±j375.6820-7.85±j2.34-128.08±j374.6640-6.30±j3.55-250.82±j373.4480-3.79±j3.68-495.79±j373.31120-2.57±j3.08-739.47±j373.91160-1.99±j2.54-982.52±j374.45從表2-1中可以看出，撬棒電阻對系統(tǒng)矩陣的特征值的實(shí)、虛部均有影響，但是撬棒電阻對故障分量的振蕩頻率的影響相對較小。其中，的最大值為3.68rad/s，的最小值為373.31rad/s。因此，可以近似認(rèn)為（2-11）即可以近似認(rèn)為定、轉(zhuǎn)子繞組電流故障暫態(tài)分量中僅含有直流分量和轉(zhuǎn)速頻率電流分量。隨著所串入撬棒電阻的增大，逐漸減小，逐漸增大。這說明隨著撬棒電阻的增大，直流分量的衰減越來越慢，而轉(zhuǎn)速頻率電流分量的衰減則越來越快。同時(shí)，轉(zhuǎn)速頻率電流分量的衰減速度遠(yuǎn)快于直流分量。由于矩陣的特征值隨著撬棒電阻的變化而變化，且定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的耦合不能忽略，這導(dǎo)致撬棒保護(hù)動(dòng)作情況下的定子繞組磁鏈暫態(tài)特性分析極其復(fù)雜。因此，有必要建立定子繞組磁鏈的簡化計(jì)算模型。2.3為了對各類故障（包故障括對稱故障和不對故障）情況下的定子繞組磁鏈進(jìn)行分析，假設(shè)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)DFIG定子繞組電壓為（2-12）在式（2-12）中，對三相電壓的幅值和相位均為作特殊要求。因此，式（2-12）是一個(gè)通用的電壓公式，適合于各類故障情況。對式（2-12）進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的定子繞組電壓為（2-13）式中，，，，，，，