面向配网保护的同步DG励磁控制技术研究

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随着传统化石能源的大量消耗与环境问题的日益严重,分布式发电(Distributed Generation,DG)技术得到了快速的发展,但是大量DG接入配电网也产生了一些新的问题。由于大量DG并网改变了配电网单侧辐射型的供电方式,并且会在短路故障发生时向短路位置持续贡献故障电流,这会改变流过线路保护的电流大小和方向,对配电网保护产生影响。目前配电网一般配备有三段式过流保护和自动重合闸,DG输出的短路电流可能导致三段式过流保护发生误动或拒动,而DG向故障点的持续短路电流贡献也不利于电弧熄灭,导致重合闸失败和显著合闸冲击。针对这一问题,国内外学者已开展了多年研究并提出了多种解决方案,例如限制分布式电源接入容量、修改配电网继电保护方案、采用自适应保护等,这些方法虽然可以一定程度上防止分布式电源对配电网保护的影响,但基本都是从配电网主动适应分布式电源接入的角度出发,不仅实施复杂而且不利于分布式发电技术优势的充分发挥。因此从DG自身角度出发,研究一种主动适应配网保护的DG输出电流控制技术对避免DG对配网保护的影响具有实际意义。
  本文首先介绍了课题的研究背景与现状,分析了DG接入对配电网传统三段式过流保护和自动重合闸的影响。通过对比分析同步DG、异步DG以及逆变型DG短路电流注入能力的差异,选取输出短路电流幅值最大且衰减速度最慢,对配网继电保护影响最为严重的同步DG作为研究的主要对象。
  本文研究了同步发电机的基本数学方程式及其励磁结构,详细分析了同步发电机机端发生三相短路时的输出电流组成成分。确定了同步发电机输出短路电流中的基频分量的暂态部分是影响配网保护的主要因素,该部分是受励磁电流直流分量的影响,通过释放励磁绕组能量的方式可以使得该部分迅速衰减。
  本文提出了以IGBT电流型逆变器为基础的励磁控制方案,该方案通过对电流型逆变器的控制即可迅速释放励磁绕组能量以抑制同步DG输出短路电流。详细地介绍了电流型逆变器的拓扑结构及其调制策略,对电流型逆变器SPWM调制波进行了解耦预处理和三逻辑信号转换,使得电流型逆变器输入和输出之间仍然满足线性关系。通过对电流型逆变器工作下的励磁绕组能量释放回路进行的分析,得到了励磁绕组能量释放回路时间常数的影响因素,并由此建立了面向配网保护的励磁控制方案。
  针对同步DG对配网过流保护造成的影响,本文展开了详细的理论分析。通过理论分析得出了电流型逆变器调制度m的取值范围,对电流型逆变器调制度m进行了合理的取值,避免了同步DG对过流保护造成的负面影响。针对同步DG造成的电弧重燃导致重合闸重合失败的问题,本文通过理论分析得到了不对重合闸造成影响时电流型逆变器m所满足的取值范围,对调制度m进行了合理的取值,使得电弧可以顺利熄灭。最后通过MATLAB/SIMULINK仿真软件验证该方案的有效性。
  与现有大多数DG对配网保护影响的应对措施不同,本文基于DG主动适应配网保护的思想,仅通过对全控型器件的灵活控制以有效避免同步DG对配网保护的影响,简单易行又兼顾快速性,为解决DG接入带来的配电网继电保护问题提供了一种新的思路。
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