（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电系统接地保护与无功补偿技术研究.pdf

a bs t r a c t s m a l lh y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n ta n dw i n df a r ma r et y p i c a lf o r m so fd i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n ( d g ) ，h a v ed e v e l o p e dr a p i d l yi nt h er e c e n ty e a r s w i t ht h ei n c r e a s i n g p e n e t r a t i o no fd g ，t h et o p o l o g yc o n f i g u r a t i o no fd i s t r i b u t e dn e t w o r k s ( d n ) i sc h a n g e d ， 嬲w e l la st h ed i s t r i b u t i o no ff a u l tc u r r e n ta n dv o l t a g e m o r et h a no n eg e n e r a t o r d i r e c t l yc o n n e c t st o ac o m m o nb u si nas m a l lh y d r o e l e c t r i cp o w e rp l a n t ，w h i c hi s d e f i n e da sam u l t i - g e n e r a t o r - s y s t e m ( m g s ) h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t o r sa r eo f t e n s u b je c t e dt og r o u n d i n gf a u l t si nt h e i rs t a t o r s i ti sd i f f i c u l tt od e t e c tt h ef a u l tl o c a t i o n a n dt h ef a u l tg e n e r a t o ri nt h em g sb yt r a d i t i o n a ls t a t o rg r o u n d i n gp r o t e c t i o ns c h e m e s w i n df a r m sg e n e r a l l yl i ei nt h et e r m i n a lo fp o w e rg r i d t h ea c t i v ep o w e ro u t p u to f w i n dt u r b i n eg e n e r a t o r sv a r i e sa l o n gw i t ht h ew i n dw h o s es p e e dc h a n g e sr a n d o m l y t h er e a c t i v ep o w e ra b s o r b e db yp o w e re q u i p m e n t sa n dc a b l e si sa l s ov a r i e d ，s ot h a t t h er e a c t i v ep o w e rf l o wa n dv o l t a g es t a b i l i t yo ft h ed gs y s t e mw i l lb ei n f l u e n c e d t h es c h e m e so fg r o u n d i n gp r o t e c t i o na n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o rd ga r e s t u d i e di nt h i st h e s i s i no r d e rt oi m p r o v et h eg r o u n d i n gp r o t e c t i o no fd nw i t hd g ，a n o v e l g r o u n d i n gr e s i s t a n c e b a s e ds i n g l e p h a s e g r o u n d i n gp r o t e c t i o n s c h e m ei s p r o p o s e d t h eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei sc a l c u l a t e db yt h ef a u l t e dp h a s ev o l t a g ea n d t h e f a u l tc o m p o n e n to fp h a s ec u r r e n t sd i f f e r e n c e e m t ps i m u l m i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o t e c t i o ns c h e m ec a nd e t e c t t h ef a u l t e df e e d e rw i t hh i g hp r e c i s i o n ，a n dw i t h o u t i n f l u e n c e db yn e u t r a lp o i n tg r o u n d i n gm e t h o d s ，t h ec a p a c i t ya n dl o c a t i o no fd g i n o r d e rt od e t e c tt h eg e n e r a t o rw i t hs t a t o rw i n d i n gs i n g l e p h a s eg r o u n d i n gf a u l ti nm g s ， t w op r o t e c t i o ns c h e m e sw i t ht h ef u n d a m e n t a la n dt h et h i r dh a r m o n i cf a u l tc o m p o n e n t s o ft h es t a t o rw i n d i n gl e a k a g ec u r r e n ta r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y e m t ps i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t e c t i o ns c h e m ec a l ld e t e c tt h eg e n e r a t o rw i t hg r o u n d i n gf a u l t s i nt h et o t a l ( 10 0 ) s t a t o rw i n d i n ga n dt h ec o n d i t i o no fa l lk i n d sn e u t r a lg r o u n d i n g m e t h o d sw i t hh i g h s e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t s , i n o r d e rt oi m p r o v et h er e a c t i v e p o w e r - v o l t a g es t a b i l i t yo fw i n df a r m s ，am u l t i - o b j e c t i v eo p t i m a lr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nm o d e la n d a p o w e rf l o wc a l c u l a t i o nm e t h o da r ep r o p o s e d m o d a lv o l t a g e a n a l y s i si su s e dt od e t e r m i n et h ec a n d i d a t ei n s t a l l a t i o n l o c a t i o n so ft h er e a c t i v e c o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，a n dt h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sa p p l i e dt os o l v et h e r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nm o d e la n dc u a c u l a t et h eb e s tc o m p e n s a t i o nc a p a c i t y m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e ds c h e m ei sw i t hr a t i o n a l i t ya n d v a l i d i t y t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e sr e d u c ep o w e rl o s sa n di m p r o v e v o l t a g es t a b i l i t yw i t hr a t i o n a li n v e s t m e n t k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n g ) ；s i n g l e - p h a s eg r o u n d i n gp r o t e c t i o n ；g e n e r a t o r s t a t o rg r o u n d i n gp r o t e c t i o n ；w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；o p t i m a lr e a c t i v e c o m p e n s a t i o n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者虢夏么啼 日期：坳年r 月 学位论文版权使用授权书 夕日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密0 ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者躲夏峭日期w 。3 年 翩躲巧垆飙妒产 r 月 日 l p 月 日 )| | 1 1 课题的目的和意义 第一章绪论 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n d g ) 是指分布在配电网中直接为负荷供 电的中小型发电系统，近年来迅速发展的小水电和风力等新洁净能源发电是其典 型形式。与传统发电系统相比，d g 输出功率要小很多，一般为2 k w - 5 0 0 m w 。 由于d g 发出的电能不需要经过远距离传输，能提高能源的利用效率和减少环境污 染，能在配电网发生故障时保障重要用户供电和提供电压支撑，并具有削峰填谷、 平衡负荷、降低网损等积极作用1 1 - 4 1 ；d g 成为2 l 世纪建立和谐电力工业的发展方 向。单相接地是配电网最常见的一种故障形式，单相接地故障后，非故障相的对 地电压会升高到线电压；而且如果发生弧光间歇性接地，由于中性点没有电荷释 放通路，容易引起暂态过电压；系统绝缘受到威胁，易进一步扩大成两点或多点 接地短路，发展为相间故障，造成停电事故【5 j 。因此应尽快确定故障线路，排除故 障，恢复系统正常运行。在我国，6 k v 以上、1 l o k v 以下的配电网多采用中性点不 接地、经高值电阻接地和经消弧线圈接地的小电流接地系统的接地方式 6 。8 j ；这种 方式的优点是当系统发生单相接地故障时不形成短路回路，只是经线路对地电容 形成小电流回路，在系统中产生很小的零序电流，且三相之间的线电压仍然保持 对称；但小电流接地方式给接地保护带来了难度，因为故障电流非常小，使得保 护很难准确判断出故障线路，导致长期以来配电网单相接地保护成为一个技术难 题 7 - 1 0 1 。随着d g 的引入使得配电网从传统的辐射式无源网络变为多端电源和用户 互联的有源网络，这将影响单相接地故障的故障电流的分布和大小1 4 j ；原有的配 电网单相接地保护变得更加复杂，原有的配电网单相接地保护设计结构必须进行 相应的调整和改变；否则，d g 会使配电网的故障无法及时、准确地切除，造成对 配电网稳定、设备健康状态的破坏【l l - l3 1 。由于上述原因，d g 并网情况下配电网单 相接地保护的研究近年来已成为国内外关注的热点，但目前研究进程主要停留在 接入d g 后对传统配电网保护的影响上，对于具体的负面影响还没有提出非常具体 的解决方案。随着d g 的发展及其在配电网分布的数量和容量升高，传统单相接地 保护方法都出现了缺陷，单相接地保护的难度加大，原有的单相接地保护装置不 能发挥应有的作用，因此有必要研究d g 并网情况下单相接地保护方法。 近年来水资源丰富的中国农村和山区的小水电发展迅速，这些遍布各地配电 网的小水电也属于分布式发电系统，且发电机、变压器及机端负载一般采用多台 发电机并列运行的方式【1 4 】；而水轮发电机定子绕组单相接地故障( 定子绕组与铁 芯的绝缘破坏) 是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的内部相间或 匝间短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以大大降 低更为严重的内部短路故障发生几率；因此，定子绕组单相接地保护对预防严重 的内部短路故障具有重要意义【1 4 07 1 。并联运行的多台发电机系统需要检测故障位 置和判断故障发电机，便于有选择性的停机处理。现有的发电机定子接地保护方 法检测和判断有较大困难，一旦故障，检修期长，影响当地工农业生产和居民生 活。因此，有必要研究动作速度快、可靠性和灵敏度高且具有选择性的发电机定 子单相接地保护方法，提高小水电的运行可靠性和经济指标4 以7 。 风力发电是将风能转化为电能的发电技术，是分布式发电技术中较成熟的一 种，不仅能减少环境污染，还能减小电力系统的燃料成本，有着可观的经济效益。 随着风力发电技术的快速发展和国家可持续发展政策对可再生能源发电的重视， 我国风力发电建设已进入一个快速发展时期。但我国适合大规模开发风电的地区 一般都处于电网末端，此处电网网架结构比较薄弱，而风能具有随机性和间歇性， 是一种不稳定的能源，风电机组的有功出力随着风速而随机变化；且风电场内各 种电力设备需要从系统吸收无功功率来励磁和维持电磁场交变，因而风电机组并 网影响电力系统安全、稳定运行，其中最突出的就是风电场及接近风电场的配电 网电压质量下降，进而影响系统电压，甚至可能导致电压崩溃【l 出2 0 】。所以风电场 无功电压稳定将是电力系统面临的重大技术问题，如不解决这一问题，就可能阻 碍风电的发展 2 1 】。因此有必要根据风电机组运行特性详细计算系统潮流，给出合 理的无功补偿方案，保证电压稳定，提高电网对风电的吸纳能力1 2 2 , 2 3 1 。 为此，本文研究基于d g 并网情况下的配电网单相接地保护、小水电并联运行 发电机的定子绕组单相接地保护和风电场无功优化补偿。 1 2d g 并网情况下配电网接地保护的国内外研究现状 近年国内外研究人员对d g 并网情况下配电网单相接地保护进行了广泛研究。 1 2 1 现有配电网单相接地保护研究现状 国内外配电网单相接地保护的原理，可以分成三类。第一类是稳态保护，包括 零序电流选线法【2 4 】、有功分量法【2 5 1 、零序导纳法【26 1 、负序电流选线法【2 7 , 2 8 等；第 二类是暂态保护，包括首半波法【2 9 1 、能量保护法【3 0 , 3 1 】、小波分析选线法【3 2 , 3 3 】等。 第三类是其它方法，包括基于最大a ( i s i n t o ) 原理的保护方法【3 引、基于模糊理论和 概率模型或者人工神经网络来确定故障线路的保护方法 3 5 , 3 6 1 、基于“信号注入法” 的故障选线方法【3 7 , 3 8 】、残余电流增量法【3 9 1 、d e s i r 选线法【4 0 1 和d d a 选线法等【4 1 1 。 2 1 2 2d g 并网情况下配电网接地保护方法研究现状 由于d g 的接入使配电网单相接地保护机理发生了深刻变化，网络故障时d g 提供的故障电流可能会降低所在线路接单相接地保护的检测电流值，这将影响保 护的灵敏度并可能因流过保护的故障电流达不到动作值而不能启动 1 2 , 1 3 。文献 4 2 】 的研究表明，只有在检测到故障时切除所有d g 才能确保电流保护正确动作于故 障，这显然是无法接受的。为提高传统保护对接入d g 的配电网适用性，a g i r g i s 分析各种网络结构和运行方式下的配电网单相接地故障模式，制定了对保险丝一保 险丝、保险丝一自动重合闸、继电器一继电器等三类保护装置的配合规则，但其配 合的协调性仍取决于d g 的容量及其位置的分布【43 1 。文献【4 4 ，4 5 1 提出的广域电流 差动保护通过各相邻保护之间的信息交换实现分散式的主、后备电流差动保护， 对于无法应用电流保护的d g 具有借鉴意义。与高压电网故障不同的是，大量的配 电网短路故障是高阻抗接地故障，故障时电流增长不显著，在接入d g 的配网中高 阻接地故障将更加难以检测。由于高阻接地故障时，接地点产生的高频信号将由 故障点向整个电网传播，为此，文献【4 6 1 提出利用基于多a g e n t 的网络保护通过多 个保护装置多频段信息的模式聚类的方式，识别包括高阻接地在内的配网短路故 障，以实现对接入d g 的配电网的保护。 1 3 发电机定子绕组单相接地保护的国内外研究现状 1 3 1 基于稳态量的定子单相接地保护研究状况 1 基波零序电压型定子接地保护 发电机定子绕组中某点发生单相接地故障时，通过检测机端或中性点处基波 零序电压可以判别接地故障，这种接地保护简便易行 4 7 1 。但由于发电机三相绕组 对地电容不完全对称，正常时中性点存在位移电压，且中性点附近故障，位移电 压变化小，该方案在中性点附近存在保护死区，并且在保护区内经过渡电阻接地 时灵敏度不高，高压侧系统或高压厂用变低压系统发生单相接地故障可能引起保 护误动【5 1 。该保护不具备动作选择性，即一台发电机发生接地故障，母线上并联运 行的所有发电机的定子接地保护均将动作，该方法不能应用于并联运行的发电机。 2 三次谐波电压型定子接地保护 三次谐波电压型定子单相接地保护是利用单相接地故障前后发电机中性点与 机端处三次谐波电压变化特点不同构成的。正常运行时，中性点三次谐波电压比 机端三次谐波电压大；而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压增大， 中性点三次谐波电压降低。三次谐波电压型保护主要是为了消除基波零序电压型 接地保护在中性点附近的保护死区。当单相接地故障过渡电阻较大，或者故障发 3 生在发电机绕组中部附近时，由于机端和中性点三次谐波电压变化量很小，保护 的灵敏度较低 5 , 1 6 , 1 7 , 4 8 - 5 0 】。并联运行的发电机若三次谐波电动势相同，则母线侧三 次谐波电压相同，中性点侧的三次谐波电压也相同，当一机发生接地故障而使中 性点侧三次谐波电压下降时，其它非故障发电机中性点侧三次谐波电压也同等下 降。所以三次谐波电压保护不具备动作选择性，不能在并联运行发电机上应用。 1 3 2 基于暂态量的定子单相接地保护研究状况 文献【4 7 根据暂态零序电流变化特点提出了基于小波变换的具有选择性的定 子接地保护方案。该保护能够正确区分发电机的内部与外部接地故障、故障与非 故障发电机。文献【5 2 提出了利用小波变换检测发电机定子单相接地故障的能量 法，在不同尺度下对机端和中性点零序电压的故障分量进行小波变换，将它们之 和与差分别作为保护的动作信号和制动信号，通过比较各尺度上相应信号的谱能 量大小检测发电机单相接地故障。 行波保护是一种具有选择性的发电机定子接地保护方法。发生单相接地故障 时，相当于在故障点突然施加一个与该点故障前的对地电压相反的电压，此电压 在电路中产生暂态波过程，各台发电机机端均有波电流流过。如果故障点在一台 发电机内部，则故障机与非故障机的机端零序波电流方向相反；如果故障点在母 线上，则各台发电机的机端零序波电流方向相同。各台发电机的零序电压都取自 母线上的电压互感器，这样利用行波零序功率方向可判断故障机和非故障机，区 分内部故障和外部故障。但是由于发电机所对应的行波首半波持续时间相应很短， 使该保护的测量和判定有较大困难，而且在工频相电压瞬时值过零点附近发生定 子单相接地时，该保护根本不能反映，因此行波保护性能不理想 5 h 。 1 4 风电场无功优化补偿的国内外研究现状 风能作为一种不稳定的能源，对电网电压的影响主要表现为：( 1 ) 启动时对 电网的冲击；( 2 ) 运行中对电网电压的影响。走在世界最前沿的欧美相关电力公 司和技术机构都制定了相关风力发电标准，包括了电压稳定控制和无功补偿方面 的内容，要求确保风电场母线电压稳定在一定范围内，以保证电能质量合格”引。 1 4 1 风电场无功补偿装置研究现状 为适应不同场合的需要，适用风电场的无功补偿装置已发展出多种类型，它 们的所需成本不尽相同，对电网电压的暂态特性影响也不一样。各种无功功率补偿装 置的性能与特点见表1 1 。 1 并联电容器 4 并联电容补偿可用断路器连接至系统的某些节点上，并联电容器只能向电力 系统供给感性的无功功率。并联电容投资省，运行经济、结构简单、维护方便、 容量可任意选择、实用性强【5 4 】；缺点是：( 1 ) 并联电容器补偿是通过电容器的投 切实现的，因调节不平滑呈阶梯性调节，在系统运行中无法实现最佳补偿状态。 采用电容器分组投切方式时，无功补偿效果受电容器组分组数和每组电容器容量 的制约。( 2 ) 电容器的投切主要采用真空断路器实现，其开关投切响应慢，不宜 频繁操作，因而不能进行无功负荷的快速跟踪补偿。如果使用晶闸管投切电容器 组来代替用真空开关投切电容器组，解决了开关投切响应慢和合闸时冲击电流大 的问题，但不能解决无功调节不平滑以及电容器组分组的矛盾，同时由于采用了 大功率的电力电子器件，也大大提高了系统的造价。( 3 ) 由于开关投切电容器是 分级补偿，不可避免出现过补偿和欠补偿状态。根据无功与电压关系，过补偿时 会引起电压升高，欠补偿时感性负荷引起电压降低【5 5 1 。( 4 ) 电压下降时急剧下降， 不利于电压稳定，投入时会产生尖峰电压脉冲。 q = 堡x c = u 2 e o c ( 1 1 ) 如上式，电容器发出的无功功率与电压的平方成正比，在低电压时输出的无 功功率减少，而这时显然需要更多的无功，如果不能及时供给无功，将导致系统 的电压水平下降1 5 5 l 。 2 有载调压变压器 有载调压变压器( o l t c ) 不仅可以在有载情况下更改分接头，而且调节范围 也较大，通常可有u + 3 x 2 5 或u 4 x2 o ，既有7 个至9 个分接头可供选择。因 而有载调压器o l t c 是电力系统中重要的电压调压手段，在系统运行中可以自动改 变分接头，调节其变比，以维持负荷区域内的电压水平。但变压器不能作为无功 电源，相反消耗电网中的无功功率，属于无功负荷之一；变压器分接头( 抽头) 的调整不但改变了变压器各侧的电压状况，同时也对变压器各侧的无功功率的分 布产生影响。文献【5 6 指出在某些情况下，o l t c 按其升降逻辑改变分接头时，非 但没有改善电压条件，反而会使之更加恶化，甚至认为是引起电压崩溃的重要原 因之一。因此，在风电场并网运行时需慎重考虑该设备的使用。 3 静止无功补偿器 静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 通常由并联电容器组( 或滤 波器) 和一个可调节电感量的电感元件组成。s v c 与一般的并联电容器补偿装置 的区别是能够跟踪电网或负荷的无功波动，进行无功的实时补偿，从而维持电压 的稳定。s v c 是完全静止的，但它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压的 变化自动跟踪补偿。静止无功补偿系统都是无功部件( 电容器和电抗器) 产生无 功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。这种调节可以采用连续调节或者投 切的方式进行。静止补偿器的另一个特点是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节 或投切功能，他们可以频繁地调节和投切，其动作是毫秒级的，远比机械设备的 动作要快【56 1 。文献【5 6 ，5 7 指出静止补偿器可以提高电压稳定极限值，而装设在系 统中部节点上的s v c 有很好的作用，在技术经济比较中往往成为首选方案。文献 【5 8 将柔性交流输电系统( f a c t s ) 设备运用到风电场以提高其运行的电压稳定性， 说明了s v c 在风电场无功补偿方面的优良性能。 表1 1各种无功功率补偿装置的性能与特点比较 同步调相饱和电抗晶闸管控制晶闸管投切混合静止补静止无功发 机s c器s r电抗器t c r电容器t s c偿器s v c生器s v g 响应速度慢较快较快较快较快 快 吸收无功连续连续连续分级连续连续 控制简单不控较简单较简单较简单复杂 谐波电流无大大无大大 分相调节有限不可可以有限可以可以 耗能大较大中小小小 噪声大大小小小小 1 4 2 风电场无功补偿方式研究现状 风电场无功补偿方式包括：变电站集中补偿【59 1 、分散补偿【57 1 。 1 风电场无功集中补偿 集中补偿是在风电场出口变电站集中装设无功补偿器进行补偿，主要目的是 改善整个风电场的功率因数，提高风电场出口变电站的电压和补偿无功损耗。如 文献【6 0 针对通榆风力风电场无功补偿不足的问题进行了分析，指出当风电场4 9 台风机同时吸收系统无功功率时，系统因缺少无功功率导致电压下降；其解决办 法是通过对各种运行方式和工况下的潮流计算得出补偿电容器的容量，并在风电 场出口侧加装电容器进行无功补偿。文献【2 2 1 和 6l 】通过在风电场并网点处装设电 容器组，提出了计及风速的风电场无功补偿总容量计算方法，应用遗传算法确定 风电场并网点处电容器的分组容量及其投切规则。集中补偿存在几个方面的问题： ( 1 ) 电容器集中投切操作对风电场影响较大，开停投切过程中由于冲击涌流较大 而易造成设备损坏，设备故障将影响整个风电场的功率因数和系统接入点的电压 稳定水平。( 2 ) 集中补偿能补偿整个风电场的整体无功功率，不能解决风电场内 部网络无功电压平衡。因此集中补偿比较适用于对系统影响不大、内部网络拓扑 结构较简单且能适应与系统解裂后孤岛运行的小型风电场。 6 2 风电场无功分散补偿 风电场无功分散补偿是采用数学或者智能算法在合理的投资范围内选择补偿 效果达到最优的若干个无功补偿点，进行就地补偿；从而降低风电场内部网损， 改善电压质量。文献【6 l 】研究了含风力发电的无功优化补偿模型，介绍了含分布式 发电的配电网无功优化补偿方法，引进了静止无功补偿器s v c 作为分布式发电系 统的补偿设备，由蒙特卡罗仿真得到不同的风力发电状态，在实际算例中应用遗 传算法确定各状态下s v c 最优安装位置。与集中补偿相比，分散就地补偿具有以 下优点：( 1 ) 风电场内所需无功由分散安装的无功补偿装置就地供给，电能交换 距离最短，提高了风电场内线路的供电能力，降低了风电场内部网损；( 2 ) 分散 就地自动补偿能够实时监控风电场一定区域内无功电压水平、迅速反应监控区内 的无功电压变化，并予以快速补偿；( 3 ) 分散补偿各点可以通过一定的通信机制， 互相协调，大大减小了欠补偿或过补偿几率，使整个风电场的补偿效果达到最优。 1 4 3 风电场无功优化补偿算法研究现状 国内外学者在无功优化补偿方面做了大量的工作，提出了不少算法，主要有 数学优化算法和新型智能优化算法。 1 数学优化算法 ( 1 ) 线性优化算法 线性优化算法运用灵敏度法建立线性优化模型，采用单纯形法【6 2 】和内点法 6 3 , 6 4 】来求解。线性优化法收敛快速，计算量小，但优化结果的好坏严重依赖系统 的初始状态，而且求解前，必须先将目标函数和约束条件转化成变量的线性表达 式，即线性化。在线性化过程中要进行大量、复杂的计算以获得各种变量的灵敏 度矩阵，这样经过各种数学近似、简化等处理后，优化结果就可能有较大的误差。 ( 2 ) 非线性优化算法 无功优化补偿的数学模型是非线性的，如果采用非线性优化方法直接对原问 题进行求解，就可以避免线性优化过程带来的误差。其基本思路是将约束条件进 行适当处理后，把有约束的非线性优化问题转化为无约束的非线性优化问题求解， 求解非线性优化常用的方法主要有：牛顿法【6 5 1 、二次规划法【65 1 、梯度法【6 7 1 等。非 线性优化的数学模型比较直观，物理概念清晰；但计算量大，内存需求量大，稳 定性不好，对不等式的处理存在一定困难。 ( 3 ) 混合整数优化算法 线性和非线性优化算法都无法反映变压器分接头变化以及电容器组、电抗器 投切的离散特性，通常是先把离散变量当作连续变量处理，优化结束后，再对这 些变量进行归整计算。但这样处理会给最优值的获取带来误差。混合整数优化法 能有效地解决优化计算变量的离散性问题，通过分枝定界法不断缩小可行域，逐 步逼近全局最优解，但计算量大，速度慢，不适合大规模的无功优化计算。 ( 4 ) 复合形法( b o x 算法) b o x 算法是工程优化设计中一种重要的直接搜索算法，它基于非线性优化中的 单纯形法，通过复合形的反射与收缩来寻求最优解，不要求目标函数和控制变量 具有显式函数关系，也不需要复杂的灵敏度计算t 7 0 。但当维数较高或约束较多时 会使初始复合形覆盖域很小，解空间不能充分展开，计算量增大。 2 智能优化算法 以遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 为代表的人工智能和演化计算算法从一 个初始解群出发，按照概率转移原则，采用某种方式自适应地搜索解空间，它们 对目标函数的性态无任何要求，可以方便地考虑各种约束条件，很适合解决非线 性、不可微的整数模型、混合整数模型。已应用于无功优化补偿的这类算法主要 有禁忌搜索( t a b ur e s e a r c ha l g o r i t h m ，t a b u ) 【6 9 】、模拟退火算法( s i m u l a t e d a n n e a l i n ga l g o r i t h m s ，s a ) 7 0 - 7 1 1 等。 ( 1 ) 禁忌搜索算法 禁忌搜索算法通过确定释放水平，建立一个禁忌表记录下已经到达过的局部 最优点，在下一次搜索中，利用禁忌表中的信息以及释放水平决定搜索方向，以 免陷入局部最优。对于t a b u 算法，虽然目前还不能从数学上证明一定能收敛于全 局最优解，但大量的应用研究表明它能有效地获得非常好的次优解；它还具有局 部搜索能力强，不易陷入局部最优的优点1 6 9 。另一方面，t a b u 算法的搜索过程是 单点搜索，记忆效率低下，存在着为产生好的禁忌效果而加大t a b u 表规模却导致 搜索效率下降的矛盾，其搜索的邻域结构与t a b u 表的结构设计也较复杂。 ( 2 ) 模拟退火算法 模拟退火算法是一模拟热力学中液体的冻结与结晶或者金属熔液的冷却与退 火过程的基于概率的双向搜索技术，模拟退火算法主要包括结构空间、扰动机制、 目标函数、冷却方案，其执行过程是一系列的“产生新解一判断一接受舍弃 迭 代过程，从理论上来说它是一个全局最优算法 7 1 】。模拟退火算法寻优效果好，但 其参数的选取比较麻烦( 如温度的初始值设置、退火速度及温度管理问题等) ；且 s a 算法的计算量大、收敛速度过十缓慢的缺陷限制了其进一步发展。 ( 3 ) 遗传算法 遗传算法是模仿生物在自然环境遗传和进化过程中通过染色体之间选择、交 叉和变异来搜索优化问题最优解的一种自适应全局概率搜索算法。选择算子的作 用相当于对编码空间进行开拓，交叉和变异算子相当于对编码空间进行探索【7 2 , 7 3 】。 这一独特的随机搜索方法具有以下优点：遗传算法采用编码方式，可以并行搜 索多个点，同一次迭代中各点之间可以充分地交换寻优信息；遗传算法初始搜 索是从一个初始种群开始，因而使得算法具备了全局搜索性能；由于从多个点沿 多条路径寻优使得算法本身具有并行计算的能力；依照不确定性的概率转移原则 的寻优步骤使遗传算法能在一个不确定的空间寻优；遗传算法不必考虑目标函 数变形后的各种假设条件以及函数本身的连续性、可导性。因此遗传算法适合求 解那些带有多参数、多变量、多目标和在多区域但连通性较差的优化问题；由 于遗传基因串的不连续性，遗传算法处理非连续混合整数优化时有其独特的优越 性，并对某些病态结构问题具有很好的处理能力。 同时，遗传算法也有其缺点：编码的不规范和不准确性，单一编码方法不 能全面反映优化问题的约束条件，如采用二进制编码，人为地将连接空间离散化， 导致计算精度与字符串长度运算量之间的矛盾；按比例选择可能会使高于平均 适应值的模式在下一代中获得较多的取样，使算法收敛于一些相同的串，导致过 早收敛：算法中优良个体和劣质个体经受相同的交换和变异容易造成优良个体 的破坏，算法稳定性差，而且经过交叉操作后已找到的最好解可能会因为变异操 作而丢失；算法采用纯随机的方法，新个体完全靠随机产生，性能较差，遇到 多峰函数时优化结果易收敛到局部最优解，而找不到全局最优解；算法的交换 率采用常数不能很好地反映不同个体的质量，使搜索走向随机化或可能陷入迟钝 状态；变异率采用常数时，经多次迭代后群体的素质会趋于一致，形成近亲繁殖 7 4 1 。 对于无功优化补偿，除上述智能算法外，还有不少其它的算法。例如，混沌 优化算法、模糊数学、免疫算法以及蚁群算法、人工鱼群算法等等。每一种智能 优化算法都各有优点和缺点，根据所研究的问题对算法进行改进或组合，实现对 问题的较好解决，是使优化计算技术发挥最大效用的基本出发点。 1 5 本文研究的主要内容 本文的主要工作包括以下几个方面内容： ( 1 ) 综述传统及d g 并网情况下配电网单相接地保护方法、发电机定子单相 接地保护方法和风电场无功优化补偿方法的研究现状。 ( 2 ) 分析接入d g 后配电网的故障分量网络各相电流故障分量，提出基于故 障分量网络分析原理的对地计算电阻保护方法，用e m t p 仿真验证保护算法，并 进行软件和硬件设计。 ( 3 ) 针对小水电并列运行的多台发电机，分析多台发电机并联运行的发电机 定子绕组单相接地故障引起的机端及中性点各相电流基波和三次谐波故障分量的 特点，提出两种具有选择性的定子绕组单相接地保护方案。一种是基于对地泄漏 电流基波故障分量的保护方案，通过对地泄漏电流基波故障分量进行保护。另一 种是基于对地泄漏三次谐波故障分量的保护方案，通过故障前后对地泄漏电流三 9 次谐波故障分量进行保护。最后用e m t p 仿真验证保护算法。 ( 4 ) 风电场无功优化补偿研究，基于无功补偿设备建设和运行费用折合等值 的无功补偿投资费用、风电场内部损耗和电压水平为目标，建立风电场多目标无 功优化补偿的数学模型，使模型更符合风电场的实际情况；计算风电场发电机不 同风速情况下的整个风电场的无功功率，运用模态电压分析法优化选择无功补偿 安装点；运用改进遗传算法全局寻优求解各s v c 安装地点的容量，并以实例风电 场无功补偿为例搭建仿真分析模型验证优化算法。 1 0 第二章d g 并网情况下配电网单相接地保护研究 本章研究一种新型的基于d g 并网情况下的配电网单相接地保护方法，利用线 路相电流故障分量不受中性点接地方式、外部系统电流和短路点过渡电阻影响等 优点7 5 1 ，由相电压与该相电流为基准的相间差电流之比计算出接地计算故障电阻 来检测发生单相接地故障的线路。 2 1d g 并网情况下配电网单相接地线路相电流故障分量特点 当系统内发生单相接地故障时，故障前后系统参数认为近似不变，用叠加原 理分析故障网络，即故障网络视为正常运行网络和故障点外加电源单独作用的网 络的叠加。定义电气状态参数的故障分量为故障后的电气状态参数值与故障前的 参数值之差。根据电路叠加原理，电气状态参数的故障分量等于故障点外加电源 单独作用于被分析电路网络所激励的电气状态参数值【_ ”】。因此，配电网的故障分 量可以用故障点外加一个电压源进行分析，电压源大小为故障前故障点电压值， 电压源相位为故障前故障点电压的反相位，电压源内阻大小为接地故障过渡电阻 值。接入d g 的配电网中系统的阻抗远小于d g 的阻抗。 _ ；。， - 4a ；，线路3 今；。专a i b l 3 口 - - - a ：。，i今，m 3 ，y _ 、m t 上也上止 ，y _ 、m c 1 t 工- = f ：、线路2 花；岱。线路l 一衄1 j i 。一a j c ，- y r y 一、 j 舾： 矿 ，a i b s i a ，砒i ，a ，j - - 4 a ；棚i咄；。- - - ；。：l专a i a 啄峙峙弋 一 峙峙峙g 一 r 7 、 工 lj n 1 lli 上，u 占士士c 。 、一，。 图2 1线路1 的a 相发生接地故障 图2 1 含d g 的配电网，系统母线三相电压分别为e a 、忘、毒，当d g 接入 点所在线路发生单相接地故障，图2 1 以线路l 的a 相发生故障为例，线路故障 点电压为auo 。线路l 、线路2 、线路3 对地电容分别为c l 、c 2 、c 3 。以线路f 为例，流过线路始端的三相电流故障分量分别为；艘、；鼢、；，流过各相负荷 电流故障分量分别为；舭，、；肋、j ，。 流过系统母线与d g 接入母线之间线路即线路1 的各相电流故障分量相量差 ( 差动电流) 分别为： j 4 l = a j 朋l a i a l t = i f + 国c l 【，o a l t l = ，殿l 一，鼬l = j e o c l u o a i m = a l c s l 一， l = j t o c l u o 流过线路2 始端与末端的各相电流故障分量相量差( 差动电流) a i a 2 = a a s 2 一厶lm = j c 2 a u o a i n 2 = a i b s 2 一a i b l 2 = j t o c 2a a l c 2 = ，c s 2 一，已2 = j o ) c 2 u o 由( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 得： ，一l ai b l = a1 , 4 一ai c l = i ， ib i ai c i = 0 由( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 分别为： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ia 2 = ib 2 = j c 2( 2 9 ) 同理可得： ，一3 = ib 3 = ai c s( 2 10 ) 即故障线路故障相差动电流故障分量和非故障相差动电流故障分量之差等于 接地故障电流，非故障相差动电流故障分量相等。 。 ia i 一( i b i + ai c i ) 2 = i ，( 2 11 ) 定义相间差电流为以该相为基准的该相差动电流故障分量与另外两相差动电 流故障分量和的0 5 倍的差值，则( 2 1 1 ) 为线路1 以a 相( 故障相) 为基准的相 间差电流，则故障线路以故障相为基准的各相差动电流相间差值等于接地故障电 流值。同理以非故障相( b 相、c 相) 为基准的相间差电流分别为： ai n , 一( i b i + ai c l ) 2 = 一i ，2 ll ai c l 一( i a i + ai b i ) 2 = 一i ，2 非故障线路2 和3 的三相差动电流相间差分： l i a 2 一( i n 2 + i c2 ) 2 = 0 - l a i n 2 一( i c 2 + a i a 2 ) 2 = 0 i c 2 一( ai a 2 + i s 2 ) 2 = 0 1 2 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) a1 4 3 一( ai s 3 + ai c 3 ) 2 = 0 ( 2 1 7 ) ， i 曰3 一( a1 c 3 + a i 彳3 ) 2 = 0 ( 2 1 8 ) ai c 3 一( ai a 3 + a i b 3 ) 2 = 0 ( 2 19 ) 如图2 2 所示，当d g 接入点相邻线