分布式发电系统的保护外文翻译资料

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毕业论文（设计）

英文翻译

译文标题 分布式发电系统的保护

原文标题 Protection of Power Systems with Distributed

Generation: State of the Art

分布式发电系统的保护

Martin Geidl

电力系统实验室

瑞士联邦理工学院（ETH）苏黎世

geidl@eeh.ee.ethz.ch

2005年7月20日

摘要

将分布式资源整合到现有网络中提出了多项技术，经济和管理问题。 在物理一体化方面，保护是主要问题之一。 因此，近年来，已经开发了分布式发电机（DG）和公用事业配电网络的新型保护方案，但仍有一些悬而未决的问题。

本文是文献研究的结果，旨在概述有关DG保护的问题和现状。 第一部分是对分布式发电和电力系统保护的基本介绍。 在第2节中概述了有关DG的保护问题，那么目前的做法在第3节中有所描述。在第4节中，报告了这一领域的一些新方法，最后是第5部分的结论。

缩略语列表

AC 交流电

AEPS 区域电力系统

AM 异步机

APS 自适应保护系统

CHP 热电联产

DC 直流电

DER 分布式能源资源

DG 分布式，分散式或分布式发电

EG 嵌入式一代

GPS 全球定位系统

HV 高电压

IED 智能电子设备

IM 感应机

LOE 地球损失

LOG 网格损失

LOM 市场损失

LV 低电压

MV 中压

NDZ 非检测区域

PCC 公共耦合点

PFC 功率因数校正

PMU 相量测量单元

PV 光伏

ROCOF 频率变化率

SCADA 监督控制和数据采集

SM 同步机

SPS 特殊保护计划

UI 通用互连

VVS 电压矢量移位

1介绍

1.1分布式生成

分散式，分散式，分散式或嵌入式生成（DG，EG）是电力产生即将到来的可能范式转变的关键词.1如[1]所述，这些术语没有国际定义，但有一个 数个国家的法定定义。 [4]给出了分布式发电定义的建议。 然而，许多分布式电源具有一些共同的特点：

bull;与传统发电厂相比，他们的评级较小

bull;他们通常是私人拥有的，

bull;它们不是集中发送，

bull;它们连接到MV或LV配电网络，

bull;它们无助于频率或电压控制，

通常当地方电网计划时，它们不被考虑。 因此，有基础设施的需要，例如通信手段。

DG的利用率增加的两个主要原因是自由市场，现在已经开放给各种参与者，以及减少温室气体排放的全球趋势，这导致更可再生的二氧化碳中和来源，通常是小规模的 。 其他原因在[1]等讨论。

除了一些好处，DG还有一些技术，经济和监管问题。 在市场监管方面，许可证，政府援助和隐私是典型的问题。 经济考虑显示出不仅可以增加成本，还可以用于传输和分发。 最后有技术观点，保护措施是最有问题的技术问题之一，因为它的故障可能导致人员和组件的严重风险。

1.2电力系统保护

基本电力系统保护原则在标准文献[13,14]中概述。 电力系统保护的主要目的是确保电力系统的安全运行，从而关心人员和设备的安全，此外，任务是尽量减少系统中不可避免的故障的影响.2从电学的角度来看，危险的情况可能发生在

bull;过流和

bull;过电压

例如，网络的异步耦合导致高电流。 接地故障可能导致高触电电压，从而危及人心。 一般的问题是总是电压和/或电流超出极限。 因此，目的是避免过电流和过电压，以确保电力系统的安全运行。

为了组件的安全性，还需要考虑设备特定的问题，例如变压器中的油温，气体绝缘部件中的气体压力等。这些点与电气值不直接相关，但是如上所述，它们总是来从或导致未受损的高电压或电流。

另一个问题是机械应力。每当电力机电地转换时，不仅要考虑电气，还要考虑机械设备。一个例子是蒸汽涡轮机的低频机械共振。

如今，机电保护装置由基于微处理器的继电器代替，具有许多集成特性。电流和电压通过仪表变压器适当地转换和隔离线路数量并转换为数字形式。这些值是几种算法的输入，然后达到跳闸决定。有关计算机中继的更多信息，请参见[13,14]。

对于网络中保护继电器的设计和协调，一些总体规则已被广泛接受：

选择性：保护系统应仅断开系统故障部分（或包含故障的最小部分），以尽量减少故障后果。

冗余：保护系统必须关心继电器的冗余功能，以提高可靠性。 冗余功能被规划，称为备份保护。 此外，通过组合不同的保护原则，例如传输线路的距离和差分保护来实现冗余。

分级：为了清晰的选择性和冗余性，继电器特性分级。 此措施有助于实现高冗余，而不会禁用选择性。

安全性：继电保护系统的安全性是“拒绝所有电力系统事件和不是故障的瞬变的能力，因此电力系统的健康部分不会被不必要地断开”

可靠性：继电保护系统的可靠性是“检测和断开保护区内所有故障的能力”[16]。

不同的网络拓扑需要不同的保护方案。 在下面的段落中，应该描述一些典型的系统。 最简单的保护网络结构是径向系统，因此使用简单的冗余[13]。 通常，针对冗余（备用保护）安装时间依赖的分级过电流保护。 更复杂的继电器用于保护环和网格网格。 由于低电压电流商，阻抗继电器跳闸。 由于这些继电器允许确定故障在线路上的位置，所以它们也称为距离继电器。 详细描述在[1,13,14]中给出。 保护发电机，变压器，母线和线路的一个非常普遍的原则是差动保护。 简单来说，触发标准在输入和输出电流之间有一定的差异。 此外，还使用了许多其他技术，也是特定于设备的技术。

1.3生成和互连系统

1.3.1机器

同步机（SM）广泛用于较大的水，蒸汽和内燃机驱动的工厂，例如热电联产（CHP）工厂。 通过改变激励电流，可以控制SM的反应特性，即调节电压。 电压控制的可能性是主要的好处，可以使岛屿运行成为可能。

异步或异步电机（AM，IM）主要用于风力发电和小型水电站。 由于这些机器从网络中获得激励，所以它们总是消耗一个感应电流，因此即使它们提供有功功率，也可以作为无功负载。 因此，AM通常不可能进行电压控制和岛操作。 另外一个要考虑的事实是这些机器通常以低功率因数运行。 AM的故障行为由低正序和负序阻抗决定。 通过网络中的AM，故障电流级别3通常会增加。

为了提高功率因数，AM有时配备了功率因数校正（PFC）[17,21,22]。如果主电源丢失，所谓的PFC-AM能够继续运行，但电压和频率不稳定。

对于现代风力发电站，使用双馈感应电机。网络频率fn，转子电流频率fr与这种机器的轴fm的机械频率之间的关系是

k2pi;fm fr = fn （1）

由于机器设计，k是整数常数。该方程式表示机器可以以各种机械速度运行，而网络频率fn是恒定的：转子电路必须以相应的频率fr进给。这种方法使风力涡轮机能够在更宽的速度范围内运行，从而优化效率

DC电机很少用作发电机，因为它们需要通过昂贵的逆变器连接到交流系统。另一个缺点是刷子必须频繁地进行维修。

1.3.2变压器

每当机器或变频器连接到不同额定电压的网络时，需要变压器。 变压器的高压绕组通常用于满足电力公司的接地要求。 通常为隔离式发电机安装Delta-Wye配置。 在保护方面，变压器连接很重要，因为零序阻抗很大程度上取决于绕组类型（delta / wy）和接地连接。 参考文献[19]比较了五种常见的变压器接线，概述了它们的问题和优点。

1.3.3电力电子接口

无论何时主电源都不能通过旋转式交流电机进行转换，电力电子设备将被用作电力连接。 风力发电站也经常通过转换器连接。 在大型风电场中，一个公共直流母线收集电力，并通过一个整流器和一个变压器将其传送到公用电网[23]。

微型涡轮机通常以非常高的速度（由于效率）驱动同步电机。 高频必须转换为标称效用频率。 光伏板和燃料电池直接产生必须转换的直流电力。

电力电子转换器的优点是它们的可控性。 无论如何，转换器必须配备可以使用的控制器实现了一些功能。 电压或无功功率控制可以作为附加功能集成在转换器中[20]。

在保护方面，半导体设备的一个明显的缺点是它们的阀门几乎不能过载，即过载不能长时间被接受。 因此，转换器控制被设计为禁止导致缺少跳闸保护所需的短路功率的高电流。 在2.1节中讨论了故障级别。 在具有大量转换器连接的电源的网络中，该故障级别可能很低。

1.3.4互连系统视图

参考文献[24]对DG互连系统进行了综述，并提出了一些趋势和研究需求。 还概述了互连设备的商业状况（制造商名单，成本和价格等）。 连接系统被定义为“DER单元电连接到外部电力系统并提供DER单元的保护，监控，控制，计量和调度的手段”，其中DER是分布式能源资源[24]。 使用如图1所示的功能方案，从系统的角度描述网络接口。根据以下原则概述了几种典型的方案和配置：

1.系统是否使用变频器？

2.系统是否与本地网格并行连接？

3.系统能否向本地电网输出电力？

4.系统是否远程发送？

通用互连（UI）设备的测试报告在[25]中给出。 通用电气设计的设备将DG与本地负载以及电网连接。 UI设备在3.3.4节进一步描述。

2保护问题与DG

在现有网络中整合DG的总体问题是，分布式系统被规划为无源网络，将功率从中下游（HV级别）下游承载到MV / LV级别的负载。 公共MV和LV分布网络中的保护系统设计由被动范式决定，即网络中不会产生任何代数[20]。

使用分布式资源，网络得到有效的传统保护是不合适的。 以下部分将概述最重要的问题。

conversion conditioning

transfer switch

parall. switchgear

Meter

PCC

DER

DER control monitoring dispatch and

metering control

interconnection system

local loads, distribution

local protection

AEPS

DER

图1：互连系统功能方案[24]; AEPS。 。 。 区域电力系统; DERhellip;分布式能源资源; PCChellip;共同点耦合。

2.1短路电源和故障电流电平

故障电流电平描述电流或功率方面故障的影响。它给出了短路电流或（明显）功率提升的指示。在[1]中的故障级别。被定义为

fl = i =1/| zth | （2）

而i是与额定电流相关的故障电流，而zth是网络中戴维宁表示的内部阻抗。该值的例子在[1]中给出，配电网络中的典型故障级别在10-15 p.u.的范围内，其中1 p.u.对应于额定电流。

这是相接相或相接地故障正常导致过电流明显高于工作电流或额定电流.5这是（瞬时）过电压保护功能的一个非常基本的先决条件。故障电流必须与正常工作电流区分开来。为了实现这一点，必须有一个强大的来源，提供高故障电流，直到继电器触发。对于各种发电设备来说并非如此（见第1.3节）。特别是电力电子转换器通常配备防止高电流的控制器。例如，如果配电网的远程部分配备了大型光伏装置，则可能发生在发生故障的情况下，相电流几乎没有显着上升，因此过电流保护系统未检测出故障。出现的问题是，如果没有故障电流，为什么需要关心故障。

G

b1

b2

b3

T

R Inw

Idg

If a

b4

图2：a.短路. 来自传输网络的电流Inw，嵌入式发电机

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