應對分布式電源規(guī)?；尤氲碾娋W故障分析方法與保護原理研究

華中科技大學博士學位論文摘要近年來，在滿足不斷增長的電力需求的同時，為了應對化石能源逐漸衰竭和環(huán)境保護等多重壓力，以風力發(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)電模式及并網方式多樣，其饋入電網的故障電流暫態(tài)分量、衰減特性等與傳統(tǒng)交流同步發(fā)電機相比均存在較大不同。傳統(tǒng)的以交流同步電機供電電源為基礎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故障分析的要求，并給以故障特征為基礎的繼電保護配置模式和構建原理帶來嚴峻挑戰(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，具有明顯的隨機性、間歇性的特征。這種復雜多變的運行方式，使得保護的整定計算非常困難，往往難以兼顧速動性、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行了研究，并提出了相應的電網故障分析方法和保護構建方案。為了研究近區(qū)嚴重故障且撬棒保護動作情況下雙饋風電機組的故障電流特性，建立了兩相靜止坐標系下雙饋風電機組的動態(tài)模型，以適應對稱及不對稱電網故障情況下雙饋風電機組故障電流特性研究的要求。進一步地，對撬棒保護動作情況下定子繞組磁鏈動態(tài)過程進行了研究，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算模型。以此為基礎，分析了對稱故障和不對稱故障情況下雙饋風電機組的故障電流特性，得到了其解析表達式，并建立了故障電流的等效計算模型。遠區(qū)非嚴重故障情況下，撬棒保護不會動作，雙饋風電機組的轉子繞組仍由變頻器進行勵磁。故障期間變頻器的勵磁調節(jié)特性將對風電機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電機組的低電壓穿越運行控制策略，然后分別對設計成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的轉子側變流器轉子電流內環(huán)的動態(tài)響應特性進行了分析。在此基礎上，對非嚴重故障期間雙饋風電機組的轉子故障電流和定子故障電流特性進行了研究，得到了相應的解析表達式。在各類分布式電源中，大多數類型的分布式電源需通過逆變器接入中壓或低壓配電網，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規(guī)程要求的低電壓穿越運行控制策略。在此基礎上，對電網對稱和不對稱故障期間逆變器控制器的動態(tài)響應特性進行了分析。進一步地，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行了研究，得到了相應的解析表達式。逆變型分布式電源的特殊的故障電流特性導致傳統(tǒng)電網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。為了滿足含逆變型分布式電源接入的電網故障分析的要求，為電網故障特性、繼電保護配置模式和實現原理等研究奠定理論基礎，亟需提出一種適用于逆變型分布式電源接入的電網故障分析理論和方法。本文首先介紹了傳統(tǒng)的以交流同步電機供電電源為基礎的電網故障分析方法，并指出了其運用于含逆變型分布式電源接入的電網時存在的問題，然后提出了一套適用于含逆變型分布式電源接入的電網故障分析新方法。雙饋風電機組復雜的故障電流特性和不斷波動的功率輸出使得應用在雙饋風電場聯絡線上的傳統(tǒng)繼電保護原理的性能大大劣化。針對這個問題，提出了一種新型距離保護方案。首先，新型距離保護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，且不存在跨數據窗問題。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性能的影響。然后，通過故障點電壓重構和故障距離迭代計算，確保了故障距離計算結果的穩(wěn)定性和準確性。最后，論文對所作的工作進行了總結，并對下一步的研究工作進行了展望。關鍵詞：分布式電源；雙饋風電機組；逆變型分布式電源；故障電流特性；故障分析方法；聯絡線保護

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的影響 31.3分布式電源接入對電網繼電保護系統(tǒng)的影響 61.4含分布式電源的電網繼電保護研究現狀 81.5論文的主要研究工作及章節(jié)安排 152計及撬棒保護影響的雙饋風電機組故障電流特性研究 192.1引言 192.2兩相靜止坐標下DFIG動態(tài)模型 202.3近區(qū)嚴重故障情況下DFIG定子繞組磁鏈特性及簡化計算模型 222.4電網故障情況下DFIG定子電流特性 272.5DFIG定子故障電流等效計算模型 322.6本章小結 363計及勵磁調節(jié)特性影響的雙饋風電機組故障電流特性研究 383.1引言 383.2轉子側變流器控制策略分析 393.3轉子故障電流簡化計算模型 433.4DFIG定子故障電流特性分析 513.5仿真驗證 523.6本章小結 554逆變型分布式電源故障電流特性研究 574.1引言 574.2IIDG低電壓穿越運行控制策略 584.3IIDG故障電流特性分析 614.4仿真驗證 644.4本章小結 725含逆變型分布式電源的電網故障分析新方法 745.1引言 745.2傳統(tǒng)電網故障分析方法 745.3含IIDGs接入的電網故障分析方法 775.4仿真驗證 825.5本章小結 836雙饋風電場聯絡線的新型距離保護方案研究 856.1引言 856.2輸電線路微分方程 866.3新型距離保護方案具體算法 886.4仿真驗證 906.5本章小結 977全文總結與展望 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 105附錄1攻讀博士學位期間發(fā)表的主要論文 117附錄2攻讀博士學位期間申請發(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)境保護等多重壓力下，分布式發(fā)電技術在我國得到了快速的發(fā)展，并成為電力技術發(fā)展的重要方向之一。分布式電源接入對傳統(tǒng)電網的故障分析理論與方法、繼電保護原理與配置、繼電保護整定計算和自動重合閘裝置等帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，存在大量的關鍵技術難點亟待解決。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繼電保護系統(tǒng)的影響，并綜述了國內外學者在含分布式電源接入的電網繼電保護方面的研究現狀和存在的不足，最后對論文重點研究的內容進行了介紹，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“大機組、超高壓、大電網”為主要特征的超大規(guī)模電力系統(tǒng)的弊端日漸顯現。傳統(tǒng)電力工業(yè)的生產、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)模日益龐大和復雜，其運行控制也越來越困難，安全運行問題日益突出，世界范圍內接連發(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)的冰災事故等[1-5]，充分暴露了傳統(tǒng)電網的脆弱性，也造成巨大的經濟損失。此外，集中大容量發(fā)電、遠距離輸配電的電力生產模式使得對偏遠地區(qū)的負荷進行供電時存在電能損耗過大的問題。近年來，隨著我國國民經濟的快速發(fā)展，能源短缺、能源安全以及環(huán)境保護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域的重點發(fā)展戰(zhàn)略之一。為了減少對能源資源的過渡消耗，實現經濟、社會、生態(tài)的全面協調可持續(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手段；其配置靈活與分散的特點也極好地適應了偏遠地區(qū)供電的需求，可以延緩輸、配電網擴容改造所需的巨額投資；同時，分布式電源可與大電網互為備用，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構（包括電力公司，設備制造商，高校和研究機構等）參與了可再生能源和分布式發(fā)電技術的研究，其總預算達3400萬歐元。我國可再生能源豐富，國家為可再生能源的發(fā)展提供了強有力的政策支持?！秶抑虚L期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，特別是其中第四和第五個優(yōu)先主題，均將分布式發(fā)電技術的研究和應用置于重要位置。如圖1-1、圖1-2所示，在國家強有力的政策支持下，我國風電、光伏電站裝機容量近年來不斷快速增長。截止2012年底，全國（不含港、澳、臺）累計安裝風電機組53764臺，總裝機容量達7532.4萬千瓦，并網容量6083萬千瓦；光伏電站總裝機容量約為450萬千瓦，并網容量328萬千瓦。我國政府2012年出臺的《風電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》要求，到2015年風電裝機規(guī)模達到1億千瓦，光伏發(fā)電裝機規(guī)模達到2100萬千瓦，生物質能發(fā)電裝機規(guī)模達到1300萬千瓦。圖1-1近年來我國風電裝機容量增長情況圖1-2近年來我國光伏電站裝機容量增長情況1.2分布式電源的主要類型及其接入繼電保護的影響1.2.1風力發(fā)電機組風力發(fā)電技術是一種把風能轉化為電能的可再生清潔能源發(fā)電技術，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[12]。按照發(fā)電機的轉速恒定與否，可以將風力發(fā)電機組劃分為恒速恒頻和變速恒頻等2種類型[13]。在恒速恒頻風力發(fā)電機組中，不論轉速如何變化，都使風力機的轉速保持恒定。這導致恒速恒頻風力發(fā)電機組無法實現最大風能捕獲，風能轉換效率較低。在變速恒頻風力發(fā)電機組中，風力機的葉輪旋轉速度可以跟隨風速的變化，從而保持以最佳葉尖速比運行，實現最大風能捕獲，也減小了風速突然變化造成的機械應力。因此，變速恒頻風力發(fā)電機組具有更高的風能轉換效率，更長的運行壽命，成為了目前風電場中的主流機型[14]。在變速恒頻風力發(fā)電機組中，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力發(fā)電機組和全功率型風力發(fā)電機組。其中，雙饋風力發(fā)電機組（doublyfedinductiongenerator，DFIG）是部分功率型風力發(fā)電機組的典型代表[15]。如圖1-3所示，雙饋風電機組的轉子通過AC/DC/AC變流器連接到電網，定子則直接與電網相連接。因此，雙饋風力發(fā)電機組是一種交流直接接口的異步型電源。雙饋風力發(fā)電機組正常運行所允許的轉子轉差率在-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力發(fā)電機組的30%左右。圖1-3雙饋風力發(fā)電機組的拓撲結構圖1-4所示的直驅永磁同步風力發(fā)電機組則是一種典型的全功率型風力發(fā)電機組[16]，其轉子采用永磁體進行勵磁，定子則通過全功率AC/DC/AC變流器與電網相連接。因此，直驅永磁同步風力發(fā)電機組屬于一種以逆變器與電網接口的逆變型電源。圖1-4直驅永磁同步風力發(fā)電機組的拓撲結構1.2.2光伏發(fā)電機組光伏發(fā)電技術是一種利用半導體材料的光電效應直接將太陽能轉化為電能的可再生清潔能源發(fā)電技術[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，亦可分散與建筑物集成）、安全可靠、無污染等優(yōu)點。因此，光伏發(fā)電技術具有很好的發(fā)展前景。按照是否與電網相連，可將光伏發(fā)電機組劃分為獨立型和并網型等2種基本類型[18]。獨立型光伏發(fā)電機組單獨向負荷供電，而不與電網相連，一般需配置有儲能裝置；并網型光伏發(fā)電機組則與常規(guī)電網相連接，是當今世界光伏發(fā)電技術的發(fā)展趨勢[19]，也是本文的研究對象之一。如圖1-5所示，并網型光伏發(fā)電機組主要由光伏陣列（太陽能電池板）、逆變器和控制器等裝置組成。圖1-5并網型光伏發(fā)電機組從圖5中可以看出，并網型光伏發(fā)電機組是通過逆變器與交流電網并網的。因此，并網型光伏發(fā)電機組也是一種逆變型電源。1.2.3生物質能發(fā)電機組生物質能發(fā)電技術是一種將生物質能（蘊藏在生物質內的能量）轉化為電能的一種可再生清潔能源發(fā)電技術。生物質能發(fā)電技術包括生物質燃燒發(fā)電技術、生物質氣化發(fā)電技術和沼氣發(fā)電技術等幾種類型[20,21]。生物質燃燒發(fā)電是一種將生物質、城市垃圾等原材料直接或經過一定加工后燃燒，并將所產生的熱能轉化為電能的發(fā)電方式；生物質氣化發(fā)電則是利用氣化技術將生物質轉換為可燃氣體，然后經由氣體內燃發(fā)電機發(fā)電；沼氣發(fā)電是對生物質原材料進行厭氧發(fā)酵處理，產生沼氣以驅動沼氣發(fā)電機組發(fā)電。從上述生物質能發(fā)電流程來看，生物質能發(fā)電機組的發(fā)電環(huán)節(jié)與常規(guī)火力發(fā)電機組是一樣的，所采用的設備也沒用本質的區(qū)別。因此，生物質能發(fā)電機組的外部接口特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組是相似的。不過，與常規(guī)火力發(fā)電機組相比，生物質能發(fā)電機組適于分散建設、就地利用，其碳排放也較少，屬于環(huán)境友好型能源。1.2.4微型燃氣輪機微型燃氣輪機是指以天然氣、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，具有體積小、重量輕、發(fā)電效率高、污染小等優(yōu)點。此外，微型燃氣輪機可同時產生熱能和電能，是目前冷、熱、電聯產的主要設備[22,23]。近年來，隨著可再生清潔能源發(fā)電技術的快速發(fā)展和廣泛應用，微型燃氣輪機的發(fā)展和應用也日益受到重視。一般來說，微型燃氣輪機的轉軸速度非常高，可達30000r/min~100000r/min,其輸出的高頻交流電經過整流器和逆變器后，轉換為工頻交流電輸送至負荷或常規(guī)電網[23]，如圖1-6所示。圖1-6微型燃氣輪機結構從圖1-6中可知，微型燃氣輪機屬于逆變型電源。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能轉化成電能的可再生清潔能源電源，具有能量轉換效率高，不受陽光、風等自然條件限制，適應負荷變化的能力強等優(yōu)點[24]。因此，燃料電池在全世界范圍內受到了廣泛的關注。根據所用電解質的不同，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繼電保護系統(tǒng)的影響隨著分布式電源并網容量的不斷增長，分布式電源對電網帶來的影響也日益嚴峻和凸顯。在電網故障情況下，分布式電源并網點電壓會發(fā)生跌落或抬升，甚至并網點的頻率也將發(fā)生異常。因此，電網故障會給分布式電源機組帶來較為強烈的暫態(tài)過程，出現過壓、過流等現象。在分布式電源并網容量有限的前提下，為了保證電網故障情況下分布式電源機組的自身安全，同時避免分布式電源接入對電網保護與控制帶來的影響，IEEE1547-2003規(guī)定：當電網發(fā)生故障或擾動時，分布式電源應迅速脫網。但是，目前分布式電源的并網容量已經達到了較高的水平，且在未來還會繼續(xù)增長，若分布式電源仍不具備抵御電網故障的能力，一旦電網發(fā)生故障就迅速脫網，則會進一步加劇功率失衡，危及電網的穩(wěn)定運行；同時，在很大程度上限制了分布式電源的正常運行，且難以實現故障緊急情況下對配電網的電源支持，削弱了分布式電源提高供電可靠性的優(yōu)勢。近年來，國內外都曾發(fā)生大規(guī)模風電和光伏電站脫網事故，嚴重危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。2011年中國甘肅酒泉地區(qū)和河北張家口地區(qū)的多起風電機組脫網事故中，大量風電機組因電壓問題連鎖跳閘脫網，損失大量出力，導致電網頻率明顯偏低。2012年4月，青海格爾木發(fā)生的光伏電站脫網事故亦引起了廣泛的重視和關注。因此，如何克服分布式電源接入對電網安全穩(wěn)定運行帶來的不利影響，防止分布式電源大規(guī)模脫網事故的發(fā)生已經成為了我國分布式電源發(fā)展中亟需解決的重要問題。為了保證電網的安全穩(wěn)定運行，各國電力公司及電網運營商紛紛提出了新的分布式電源的并網規(guī)范，要求分布式電源在電網短時電壓跌落情況下能夠維持并網運行，并向外發(fā)出無功功率以幫助電力系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行，即要求分布式電源具備低電壓穿越（lowvoltageridethrough，LVRT）能力。短路故障、電機啟動等情況都可能造成電網電壓跌落，其中短路故障造成的電網電壓跌落最為嚴重。分布式電源一般接入中壓或者低壓配電系統(tǒng)，其在實際應用中面臨的一個突出問題是，傳統(tǒng)配電網一般都是單一電源的輻射型網絡，其潮流單向流動；且傳統(tǒng)配電網通常采取中性點不接地（或經消弧線圈接地）方式。因此，傳統(tǒng)配電網一般只配置有不帶方向的三段式電流保護。但是，分布式電源并入電網后，將根本性地改變傳統(tǒng)單電源輻射型配電系統(tǒng)的網絡結構，同時，分布式電源饋出的短路電流與傳統(tǒng)的交流同步電機相比存在較大差異，因此電網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)電網的故障檢測方法、繼電保護原理和整定計算原則難以滿足電網安全運行要求，這已成為制約分布式發(fā)電技術進一步發(fā)展和應用的重要技術屏障，突出表現在以下幾個方面：1）分布式電源的發(fā)電模式及并網方式多樣，其饋入電網的故障電流暫態(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存在很大差異，配電網故障時短路電流變化特征將變得更為復雜。因此，傳統(tǒng)的以交流同步電機供電電源為基礎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故障分析的要求，并給以故障特征為基礎的繼電保護配置模式和構建原理帶來嚴峻挑戰(zhàn)。2）分布式電源的接入使得配電網由單電源輻射式網絡轉變?yōu)殡p端或多端有源復雜網絡，改變了配電網故障電流水平。同時，分布式電源受自然環(huán)境和氣候等因素的影響較大，具有明顯的隨機性、間歇性的特征。這種復雜多變的運行方式，使得保護的整定計算非常困難，往往難以兼顧速動性、靈敏性和選擇性等方面的不同要求，嚴重時可能導致保護誤動或拒動，危及電網的安全穩(wěn)定運行。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雜，導致傳統(tǒng)的基于工頻穩(wěn)態(tài)分量的繼電保護性能嚴重劣化，甚至無法正常工作。3）分布式電源的運行控制和并網接口環(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遜于傳統(tǒng)同步電機。若分布式電源保護與配電網保護及自動重合閘之間缺乏協調配合，易造成分布式電源在外部電網故障時不必要的頻繁退出，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生沖擊電流，從而導致分布式電源承受多次大電流沖擊，造成設備損壞的嚴重后果。1.4含分布式電源的電網繼電保護研究現狀在電力需求不斷增長，化石能源逐漸衰竭以及環(huán)境保護的多重壓力下，以實現可再生能源和清潔能源高效利用為目標的分布式發(fā)電技術的研究受到了世界各國的高度重視，并已成為電力技術的重要發(fā)展方向。繼電保護是保證電網安全的重要基礎，針對分布式電源接入電網后給繼電保護理論和技術帶來的新挑戰(zhàn)，國內外學者競相開展了相關的研究工作，以解決這一制約分布式電源規(guī)?；瘧弥忻媾R的重大技術難題。以下從分布式電源故障電流特性研究、分布式電源的電網故障特征分析和繼電保護原理改進等三方面，對國內外研究現狀分類綜述如下。1.4.1分布式電源的故障電流特性研究在外部故障時，分布式電源饋入電網的故障電流特性，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，國內外學者已開展了大量的研究工作。文獻[28]在PSCAD/EMTDC下搭建了含鼠籠式風力發(fā)電機組的實際風電場模型，對各類故障情況下風電場側的短路電流進行了仿真分析，指出風電場屬于典型的弱饋電源系統(tǒng)，導致保護的性能受到很大影響；并進一步分析了風電場主變接線方式、故障類型和故障點位置以及風電場接入容量等因素對風電場側故障電流的影響。隨著風力發(fā)電技術的快速發(fā)展和日趨成熟，轉速不可控、需要從電網吸收大量無功和采用剛性的并網連接等缺點[13]都使得鼠籠式風力發(fā)電機組已逐漸退出了當今的風電市場。在雙饋風電機組的故障電流特性研究方面，文獻[29]從磁鏈守恒的角度，通過與異步電動機的短路電流進行類比，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投入后對DFIG短路電流的影響。實際上，在LVRT過程中，對于近區(qū)嚴重故障（DFIG機端電壓跌落較為嚴重），為了保證風電機組的運行安全，撬棒保護將會動作，并通過撬棒電阻短接轉子繞組以旁路轉子側變流器（RotorSideConverter，RSC）。撬棒電阻的引入導致定、轉子繞組之間的耦合顯著增強，使得DFIG的運行特性不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機或異步電動機。針對DFIG機端三相短路且撬棒保護動作的情況，文獻[30-33]均對DFIG的故障電流特性進行了研究，并給出了相應的DFIG故障電流的簡化計算表達式。但是，文獻[30-33]并未考慮撬棒保護動作后，撬棒電阻接入對DFIG定、轉子繞組磁鏈特性的影響，缺乏對撬棒保護動作后DFIG固有特征的把握和分析。文獻[34]對三相嚴重故障情況下雙饋風電機組的故障電流特性進行了定量的理論分析，并對轉子勵磁變流器在電網故障情況下的響應特性進行了一定的分析。但是該文獻未進一步研究不對稱故障或非嚴重故障情況下雙饋風電機組的故障電流特性。實際上，不對稱短路故障發(fā)生的概率要遠高于對稱短路故障。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，對適應于DFIG大規(guī)模接入的電網保護系統(tǒng)的構建有重要意義。針對此，在建立了DFIG在正、反向同步旋轉坐標系下的動態(tài)特性方程的基礎上，文獻[35]分析了電網電壓對稱和不對稱跌落故障情況下DFIG定子磁鏈的動態(tài)特性，并給出了定子磁鏈的解析表達式。在電網電壓不對稱跌落的情況下，文獻[36]對DFIG轉子電壓的動態(tài)響應特性進行了分析，并給出了轉子電壓穩(wěn)態(tài)值、最大值和最小值的計算方法。但是文獻[35，36]均未進一步研究電網電壓不對稱跌落故障情況下DFIG的故障電流特性。此外，在遠區(qū)非嚴重故障（DFIG機端電壓跌落相對較?。┣闆r下，撬棒保護不會動作，此時DFIG仍由變頻器進行勵磁，勵磁變頻器在故障情況下的動態(tài)響應將對DFIG的故障電流特性有很大的影響。這使得DFIG在非嚴重故障情況下的故障電流特性極為復雜，分析難度較大。為了簡化分析，文獻[37]忽略了勵磁變頻器的動態(tài)響應，認為故障前后轉子勵磁電流保持不變，并在此基礎上對非嚴重故障情況下DFIG的故障電流特性進行了分析；文獻[38]則認為故障后轉子勵磁電流迅速增長，導致勵磁變頻器的輸出電流限幅，即轉子勵磁電流在故障后一直保持在最大值。然而，實際上轉子勵磁變頻器的響應非常迅速且特性復雜，文獻[37，38]提出的假設前提并不成立，所得出的DFIG故障電流特性與實際情況不吻合。文獻[39]定性地研究了非嚴重故障情況下，計及轉子勵磁變頻器的動態(tài)特性情況下DFIG的故障電流特性。然而，其研究結果是基于數字仿真分析的，并未給出DFIG故障電流的解析表達式。文獻[40]通過仿真分析，對電網對稱和不對稱情況下的DFIG定子故障電流的“多態(tài)”特性進行了定性的研究，并分析了故障點位置和轉子勵磁變流器的控制器參數等因素對DFIG故障電流特性的影響。但是，該文獻同樣沒有給出DFIG故障電流的解析表達式，缺乏對DFIG故障電流的定量的分析。因此，文獻[39，40]的研究結果不能完全滿足繼電保護原理研究和整定計算的應用要求。在以逆變器與電網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[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。但該文獻的IIDG故障特性分析結果是根據仿真計算得到的，缺少必要的理論和定量分析，對繼電保護原理研究和整定計算的參考價值有限。文獻[42]對并網運行的IIDG的故障電流特性進行了研究，但是在分析過程中未充分考慮低電壓穿越運行策略對IIDG的故障電流特性的影響。文獻[43]對微網內IIDG的故障特征進行了分析，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。但該文獻的研究對象是微網內的IIDG故障電流特性，未考慮直接并網的IIDG的低電壓穿越運行要求，因此，其分析結果不適用于直接接入電網的IIDG。文獻[44]對孤島運行的IIDG的故障電流特性進行了研究。然而，并網運行的IIDG的控制策略與孤島運行的IIDG并不相同，從而導致其故障電流特性也存在較大區(qū)別。綜上所述，電網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行策略以及故障類型和故障點位置等諸多復雜因素有關，研究工作面臨較大的困難。總體上看，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，理論分析基礎薄弱，且未充分考慮低電壓穿越運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，難以滿足繼電保護原理研究和整定計算的應用要求。因此，有必要對采用不同低電壓穿越運行策略的分布式電源在故障期間的電磁暫態(tài)特性進行深入的分析，從頻域和時域等不同層面對分布式電源的復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故障分析方法在傳統(tǒng)的電網故障分析中，供電電源模型主要為交流同步電機。而電網故障期間，分布式電源饋入電網的故障電流的暫態(tài)分量、衰減特性等與傳統(tǒng)交流同步電機相比發(fā)生了很大的變化，這導致以交流同步電機供電電源為基礎的傳統(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故障分析的要求。在以往的含分布式電源接入的電網故障特征研究過程中，國內外學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雜故障電流特性的影響，導致所提出的含分布式電源的電網故障分析方法和結果與實際情況不吻合，存在一定的局限性。因此，國內外學者針對含分布式電源接入的電網故障分析方法開展了進一步的研究。根據運行控制方式和接口形式的不同，文獻[58]將不同類型分布式電源分別視作PQ、PV、PI和PQ（V）節(jié)點，然后結合前推回推和補償法，提出了一種含多種類型分布式電源的配電網三相短路分析方法。根據含分布式電源接入的配電網結構特點，文獻[59]提出了一種基于支路電流分流系數的故障分析計算的解耦相量法。文獻[58，59]仍將電網故障后的各種分布式電源等效為潮流計算時的穩(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行模式。若仍采用潮流計算時的穩(wěn)態(tài)模型對電網故障后的各類分布式電源進行等效，得到的配電網短路電流計算結果將不符合實際情況。文獻[60]針對基于PWM逆變器的分布式電源、基于同步發(fā)電機的分布式電源和基于異步發(fā)電機的分布式電源等3類分布式電源在電網故障后的動態(tài)特性開展了研究，并提出了的相應的短路處理方法。但是，該文獻未能充分、準確地對電網故障后不同類型分布式電源的控制器的響應特性進行研究，所提出的各類分布式電源的故障電流等效計算模型仍與實際情況存在一定的差別。文獻[61]對電網不同故障情況下鼠籠式感應發(fā)電機（inductiongenerator，IG）的的短路電流進行了研究，建立了IG的序分量電流模型，并在此基礎上提出了含多IG的配電網短路電流的對稱分量迭代算法。但是，目前風電場中的主流機型為雙饋風電機組和直驅永磁同步風電機組，因此，文獻[61]提出的短路電流計算方法的實用性有限。在分析了IIDG的控制原理、故障穿越運行條件下的響應特性的基礎上，文獻[62]提出了一種計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接入的配電網故障分析方法。但是，該文獻只是針對三相對稱故障情況下含IIDG接入的配電網故障分析方法進行了研究，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[63]對電網故障情況下DFIG的電磁暫態(tài)模型進行了研究，并推導出了DFIG定子短路電流的解析表達式，在此基礎上進一步提出了含DFIG的電力系統(tǒng)對稱短路故障情況下的的短路電流實用計算方法。但是，在對DFIG定子短路電流進行分析的過程中，該文獻未考慮不同嚴重程度的故障情況下控制系統(tǒng)的響應特性對DFIG故障電流的影響，導致其分析結果與實際情況存在一定的差別。文獻[64]通過對電網對稱故障和不對稱故障情況下DFIG動態(tài)響應特性的分析，提出了一種實用化的DFIG短路電流計算的各序網絡模型。但是，該文獻提出的DFIG序網絡模型只適用于電網發(fā)生嚴重故障且DFIG撬棒保護動作的情況。綜上所述，針對分布式電源接入對傳統(tǒng)電網故障分析方法帶來的挑戰(zhàn)，雖然國內外學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上的。這使得所提出的電網故障分析新方法在實際應用時得到的分析結果將與實際情況存在一定的差別，難以滿足繼電保護原理和整定計算方法研究的應用要求。因此，亟需開展進一步的研究，提出一套適用于分布式電源接入的電網故障分析理論和方法，以滿足含分布式電源接入的電網故障分析的要求，為后續(xù)電網故障特性、繼電保護配置模式和實現原理、整定計算原則等研究奠定堅實的理論基礎。1.4.3適用于分布式電源接入的電網繼電保護方案研究分布式電源復雜的故障電流特性和間歇性、隨機性的出力特征給傳統(tǒng)的保護原理和故障檢測方法都帶來了巨大的挑戰(zhàn)，導致其可能無法準確地判斷故障的位置，引起保護拒動或誤動。針對上述問題，國內外學者提出了多種應對措施。為了減小分布式電源接入對傳統(tǒng)配電網保護的影響，文獻[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致傳統(tǒng)配電網短路電流方向改變，原有三段式電流保護靈敏度降低、保護誤動等可能情況，文獻[53，66，67]提出在原有過電流保護的基礎上加裝方向元件來滿足選擇性要求。然而，配電網線路一般不安裝電壓互感器，限制了上述保護改進方案的應用范圍。針對分布式電源出力受風力、光照強度等自然環(huán)境因素的影響、運行方式多變等特點，文獻[68]建議采用距離保護替代電流保護，以減小系統(tǒng)運行方式變化對保護性能的影響，但距離保護的選擇性在其應用于配電網廣泛存在的短距離線路時難以得到保障。針對分布式電源接入改變了傳統(tǒng)配電網原有的短路電流水平，并導致傳統(tǒng)三段式電流保護失配的問題，文獻[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，從而保證配電網方向過流保護的正常工作。但是，短路電流限制器的成本較高，無法大范圍應用。文獻[71]提出一種針對分布式電源接入配電網的改進保護方案。該保護方案根據不同的分布式電源的接入位置的配置相應的保護功能，有助于改善保護性能。但是該保護方案需要根據分布式電源的接入位置進行調整，不具有通用性。文獻[72]根據系統(tǒng)運行方式、網絡拓撲結構計算出了各分布式電源在電網故障期間對故障電流的貢獻因子，并在此基礎上提出了一種含分布式電源的配電網主保護和后備保護的自適應整定算法。但是該方法需要實測各分布式電源在電網故障期間饋出的故障電流，無法實現就地的自適應保護。針對應用于風電場聯絡線上的距離保護方案，文獻[73]指出DFIG撬棒保護的動作會對聯絡線距離保護的性能造成不利的影響，并提出了相應的改進措施；文獻[74-76]則提出相應的距離保護自適應整定方法以消除風電場輸出功率、電壓的波動對聯絡線距離保護的影響。但是這些文獻認為風電機組的故障電流特性與傳統(tǒng)同步發(fā)電機組相似，可將風電機組等效為戴維南支路。但實際上，風電機組的故障電流特性較為復雜，且受故障點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。隨著智能電網的建設，廣域通信技術的快速發(fā)展，為構建新一代具有良好自適應能力的新型繼電保護系統(tǒng)提供了有力的技術支持。為了提高含分布式電源接入的配電網保護系統(tǒng)的自適應能力，文獻[77-85]對基于網內多點信息的區(qū)域式保護方案進行了探討。其中，文獻[77-81]對分布式電源接入后配電網故障電流變化的特點進行了研究，并在此基礎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。電網發(fā)生故障后，文獻[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，并將理論計算結果與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行比較，以此來實現故障區(qū)域定位。文獻[83]利用小波算法對含分布式電源的配電網故障電流暫態(tài)分量進行分析，并以此確定故障方向，最終實現故障區(qū)域定位和故障隔離。文獻[84]首先利用有限節(jié)點的Agent根據監(jiān)測得到的故障電流大小和方向確定故障關聯區(qū)段，然后利用故障關聯區(qū)段的首端節(jié)點電壓和電流計算故障距離，最終確定故障點。在利用綜合電流幅值的突變量定位故障區(qū)段后，文獻[85]通過比較故障區(qū)段內各線路兩側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、運行方式復雜多變，再加上不同低電壓穿越運行策略[86-97]和恢復控制策略[98,99]的影響，分布式電源饋入電網的故障電流特性較為復雜，其故障電流暫態(tài)分量、衰減特性等都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的故障電流特性存在較大不同。傳統(tǒng)的以交流同步電機供電電源為基礎的傳統(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故障特征進行準確的研究和分析。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繼電保護方案對分布式電源的復雜故障特性的本質認識不足，其實際應用效果有待考證，尚存在許多原理和實現技術問題有待解決。在電網繼電保護與自動重合閘裝置之間的協調配合方面，國內外學者也開展了多方面的研究工作。文獻[100，101]指出當配電網故障時，重合閘動作以前應首先將分布式電源切除，這會導致分布式電源不必要的頻繁退出；文獻[102，103]提出自適應地修改基于微處理器的重合器的時間-電流曲線以實現與熔斷器的配合，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，其適應性有待加強；文獻[104-106]提出了重合器的安裝位置、動作模式的優(yōu)化方案，但這些方案的實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，對電網繼電保護的基本理論、構建模式及實現技術帶來了全方位的嚴峻挑戰(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故障分析理論與方法的研究還不夠全面和充分，適應分布式電源接入的電網繼電保護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上，不能滿足實際電力系統(tǒng)的運行要求。因此，相關的研究工作尚處于初步的發(fā)展階段。在分布式發(fā)電設備制造技術日趨成熟、大量分布式發(fā)電設備亟待并網運行的今天，結合智能電網的發(fā)展需求，加快“應對分布式電源規(guī)?；尤氲碾娋W故障分析方法與保護原理”一科學問題的研究，對解決分布式發(fā)電技術大規(guī)模工業(yè)化應用面臨的安全技術瓶頸，實現智能電網的發(fā)展目標具有重要的理論和現實意義。1.5論文的主要研究工作及章節(jié)安排本論文將結合智能電網的發(fā)展需求，以實現分布式電源大規(guī)模安全接入為目標，在對含分布式電源的電網復雜故障特性進行系統(tǒng)研究和分析的基礎上，針對分布式電源運行方式多變、饋出短路電流特性復雜等特點，以提升繼電保護自適應能力為核心，研究提出應對分布式電源規(guī)?；尤氲男乱淮娋W繼電保護系統(tǒng)的構建方案和實現原理。首先，根據各類分布式電源在電網故障時呈現出的外部故障特性，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，如雙饋風機電源）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，建立詳細的電源本體模型以及外圍控制與保護模型。對于異步型電源，將從雙饋電機定、轉子基本電磁特性方程出發(fā)，建立短路計算數學模型，并重點考慮撬棒保護動作行為以及電機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等因素的影響。在上述理論研究工作的基礎上，構建適用于不同類型分布式電源接入的電網故障暫態(tài)仿真平臺。通過理論分析與數字仿真相結合的方式，從頻域和時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、衰減時常以及故障穩(wěn)態(tài)特性，正序、負序等序分量的變化特點，以及短路電壓的分布和變化特點等；并研究分析分布式電源控制策略、本體保護動作行為、運行方式、故障點位置、故障類型等因素對電氣量故障特征的影響及程度。在此基礎上，根據繼電保護特性研究和整定計算的應用要求，提出相適應的電源簡化數學模型，以為繼電保護原理的仿真研究以及配電網保護的整定計算提供所需的計算工具。最后，在對各類分布式電源故障電流特性全面分析的基礎上，提出一套含分布式電源接入的電網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繼電保護原理和方案，以提高繼電保護的性能，保障電力系統(tǒng)和分布式電源的運行安全。本論文的研究是保證電網安全可靠運行的一項基礎性工作，對解決分布式發(fā)電技術規(guī)模化應用中面臨的安全技術瓶頸，推動綠色能源的高效利用，實現智能電網的發(fā)展目標具有重要的理論和現實意義。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)電網的故障檢測方法、繼電保護原理和整定計算方法等帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，并介紹了國內外學者在含分布式電源接入的電網繼電保護系統(tǒng)方面的的研究現狀，指出了現有研究成果存在的不足。最后對論文各章節(jié)的重點研究內容進行了介紹。第2章建立了兩相靜止坐標系下雙饋風電機組的動態(tài)模型，以為研究對稱及不對稱電網故障情況下雙饋風電機組的故障電流特性奠定基礎。進一步地，對近區(qū)嚴重故障且撬棒保護動作情況下雙饋風電機組的定子繞組磁鏈動態(tài)過程進行了研究，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算模型。以此為基礎，研究了對稱故障和不對稱故障情況下雙饋發(fā)電機組的故障電流特性，得到了其解析表達式，并建立了故障電流的等效計算模型。第3章對非嚴重故障期間雙饋風電機組的故障電流進行了研究。遠區(qū)非嚴重故障情況下，雙饋風電機組的轉子繞組仍由變頻器進行勵磁。因此，故障期間變頻器的勵磁調節(jié)特性將對雙饋風電機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電機組在電網故障情況下常用的改進控制策略，然后分別對設計成典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的轉子側變流器的轉子電流內環(huán)的動態(tài)響應特性進行了分析，并得到了計及勵磁調節(jié)特性影響時轉子繞組故障電流的計算模型。在此基礎上，對非嚴重故障期間雙饋風電機組的故障電流進行了研究，得到了其解析表達式。第4章對逆變型分布式電源的故障電流特性進行了研究。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行研究，首先需要建立合適的、能夠滿足并網規(guī)程要求的低電壓穿越運行控制策略。在第4章中，為滿足并網規(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行控制策略。在此基礎上，從逆變器控制器的動態(tài)響應特性出發(fā)，對逆變型分布式電源的故障電流特性進行了研究，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算模型。第5章建立了適應于逆變型分布式電源接入的電網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進行故障分析時，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)電機供電電源為基礎的電網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，建立了適應于逆變型分布式電源接入的電網故障分析理論和方法，并通過仿真算例驗證了所提出的電網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電場聯絡線的基于微分方程算法的距離保護方案。雙饋風電機組在近區(qū)嚴重故障和遠區(qū)非嚴重故障情況下呈現出的“多態(tài)”的復雜故障電流使得傳統(tǒng)過電流保護和距離保護等保護方案的性能嚴重劣化。為保證電力系統(tǒng)和風電場的聯絡安全，針對雙饋風電機組的復雜故障電流特性，提出一種由微分方程算法、低通濾波、故障點電壓重構和故障距離迭代計算等4部分構成的距離保護算法。該距離保護方案可以克服傳統(tǒng)保護原理應用于風電場聯絡線上時存在的各種問題，性能優(yōu)越，可以滿足電力系統(tǒng)和風電場安全運行的要求。第7章對全文的研究內容進行了總結，概述了論文的主要研究成果，并對未來有待開展的進一步研究工作進行了展望。

2計及撬棒保護影響的雙饋風電機組故障電流特性研究為了研究近區(qū)嚴重故障且撬棒保護動作情況下雙饋風電機組的故障電流特性，本章建立了兩相靜止坐標系下雙饋風電機組的動態(tài)模型，以滿足對稱及不對稱電網故障情況下故障電流特性研究的要求。進一步地，對撬棒保護動作情況下定子繞組磁鏈動態(tài)過程進行了研究，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算模型。以此為基礎，分析了對稱故障和不對稱故障情況下雙饋風電機組的故障電流特性，得到了其解析表達式，并建立了故障電流的等效計算模型。2.1引言近年來，作為最具商業(yè)化應用前景的一種可再生能源發(fā)電技術，風力發(fā)電技術在全球范圍內得到了大力發(fā)展。DFIG以能量轉換效率高，原動機承受的機械應力小，易于實現有功﹑無功功率解耦控制，具有良好的調節(jié)性能及運行穩(wěn)定[107-110]等優(yōu)勢，在風電場中得到了廣泛的應用。然而，隨著風電并網容量的不斷增加，風電機組給電網安全穩(wěn)定運行帶來的風險日漸凸顯，國內外已發(fā)生了多起風電機組大規(guī)模脫網的嚴重事故[111]。為了保證電網和風電機組的運行安全，一方面，各國電力公司及電網運營商紛紛提出了新的風電機組的并網規(guī)范[112,113]，要求風電機組能夠實現LVRT；另一方面，需要構建適應于風電機組接入的電網繼電保護系統(tǒng)。LVRT過程中DFIG的運行特性將對電網的故障特征造成很大的影響，從而給繼電保護的研究帶來了新的問題和挑戰(zhàn)[114]。在電網故障情況下，電網電壓驟降可能引起轉子回路的過壓和過流，從而引起勵磁變流器、定轉子繞組和母線電容的損壞。為了提高DFIG的故障穿越運行能力，保證LVRT期間DFIG的運行安全，一種常用的辦法是安裝撬棒（crowbar）保護[115,116]。當電網發(fā)生故障導致轉子電流過大或直流電容電壓過高時，撬棒保護斷開轉子側變流器與轉子繞組的連接，并通過撬棒電阻將轉子繞組短路，為轉子側的浪涌電流提供一條通路。撬棒保護動作導致DFIG失去勵磁，進而從發(fā)電機運行狀態(tài)轉變?yōu)殡妱訖C運行狀態(tài)。同時，撬棒電阻的引入導致定、轉子繞組之間的耦合顯著增強，使得DFIG的運行特性不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機或異步電動機。因此，有必要針對撬棒保護動作情況下DFIG的故障特性進行研究。DFIG饋出的故障電流由定子繞組電流和網側變流器（GridSideConverter，GSC）的交流側電流兩部分組成。鑒于GSC容量較小，其交流側電流對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，本章結合其結構和運行特點，建立了兩相靜止坐標系下DFIG的電磁暫態(tài)方程。以此為基礎，對撬棒保護動作情況下DFIG定子繞組磁鏈特性進行了分析，并建立了其簡化計算模型。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式，并建立了其等效計算模型。最后數字仿真結果驗證了理論分析的正確性。2.2兩相靜止坐標下DFIG動態(tài)模型DFIG電磁暫態(tài)特性方程的建立，是進行短路電流分析計算的基礎。當定、轉子均采用電動機慣例時，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、轉子電壓、電流矩陣；此外，，，分別為定、轉子繞組電阻矩陣，為定子每相繞組電阻，為轉子每相繞組電阻。，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。，為轉子繞組的電感矩陣，為轉子相繞組漏電感，為轉子相繞組自電感。，為定、轉子繞組間的互感矩陣，為轉子a相繞組軸線與定子A相繞組軸線之間的夾角。定、轉子繞組間的互感矩陣是的周期性函數，因此，三相坐標系下DFIG的電磁暫態(tài)方程是一組變系數的微分方程，不利于求解。為了簡化分析，需要對DFIG的電磁暫態(tài)方程進行坐標變換?，F有文獻大都采用坐標變換分析DFIG的短路電流特性，即將定、轉子參數全部變換到以同步速旋轉的坐標系中。然而，在電網不對稱故障情況下，采用坐標變換時需建立正、反轉同步坐標系[117]，并需提取電壓、電流等電氣量的正、負序分量，給DFIG的短路電流特性分析帶來了嚴重的復雜性建立兩相靜止坐標下的電機模型等。由于DFIG轉子方面的結構和電氣參數均對稱，在分析其定子方面的對稱或不對稱運行問題時，將定、轉子參數變換到相對定子靜止的坐標系是有利的。建立兩相靜止坐標下的電機模型等在兩相靜止坐標系下，DFIG電壓、磁鏈方程為：（2-3）（2-4）在上兩式中，，表示轉子角頻率，其中為轉差率，是電機同步角頻率；，，。從而可以得到以定、轉子繞組磁鏈為狀態(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、轉子繞組磁鏈故障暫態(tài)分量的衰減時間常數和振蕩頻率。同時，系統(tǒng)矩陣的特征值也決定了定、轉子繞組電流中的故障暫態(tài)分量的衰減時間常數和振蕩頻率。2.3近區(qū)嚴重故障情況下DFIG定子繞組磁鏈特性及簡化計算模型2.3.1在矩陣中，和體現了DFIG定、轉子磁鏈之間的耦合情況。在正常運行狀態(tài)下，定、轉子繞組電阻均很小，即和很小。因此，在正常運行狀態(tài)下，定、轉子磁鏈之間的耦合可以忽略不計。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)分量的衰減時間常數；表示轉子繞組磁鏈故障暫態(tài)分量的衰減時間常數，表示轉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、轉子繞組磁鏈可以通過2個獨立的2階系統(tǒng)求得。在近區(qū)嚴重故障情況下，為了保證DFIG的運行安全，撬棒保護將會動作，在斷開轉子側變流器的同時通過撬棒電阻將轉子繞組短路。此時轉子繞組等效電阻為（2-9）式中，為撬棒電阻。在這種情況下，定、轉子繞組磁鏈之間耦合顯著增強，不能再忽略不計。因此，直接忽略定、轉子繞組電阻的影響[30]或者與異步電動機的短路電流進行類比[28,118]以分析對稱故障時DFIG的短路電流將會出現較大的誤差。將式（7）中的用替換后可以得到撬棒保護動作后的新的系統(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、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，可以近似認為（2-11）即可以近似認為定、轉子繞組電流故障暫態(tài)分量中僅含有直流分量和轉速頻率電流分量。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，而轉速頻率電流分量的衰減則越來越快。同時，轉速頻率電流分量的衰減速度遠快于直流分量。由于矩陣的特征值隨著撬棒電阻的變化而變化，且定、轉子磁鏈之間的耦合不能忽略，這導致撬棒保護動作情況下的定子繞組磁鏈暫態(tài)特性分析極其復雜。因此，有必要建立定子繞組磁鏈的簡化計算模型。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行分析，假設電網發(fā)生故障時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）是一個通用的電壓公式，適合于各類故障情況。對式（2-12）進行坐標變換，得到兩相靜止坐標系下的定子繞組電壓為（2-13）式中，，，，，，，