孟 龍，劉清貴，晁 勤，王一波，李育強(qiáng)

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基于LIBSVM識(shí)別并網(wǎng)PV系統(tǒng)阻抗的輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)策略研究

孟 龍1，劉清貴2，晁 勤1，王一波1，李育強(qiáng)1

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.國(guó)網(wǎng)自貢供電公司，四川 自貢 643000)

為解決并入配電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)功率波動(dòng)性導(dǎo)致輸電線電流保護(hù)拒/誤動(dòng)問(wèn)題，提出一種基于LIBSVM 的PV并網(wǎng)系統(tǒng)輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)策略?；贛atlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了結(jié)合低電壓穿越控制策略模型的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型。在不同故障位置與故障類(lèi)型情況下，針對(duì)正常運(yùn)行時(shí)光伏功率的波動(dòng)輸出，仿真分析了光伏系統(tǒng)與低電壓穿越控制策略協(xié)調(diào)下的故障特性及對(duì)配電網(wǎng)輸電線電流保護(hù)產(chǎn)生的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于支持向量機(jī)(SVM)識(shí)別PV并網(wǎng)系統(tǒng)不同輸出功率時(shí)等效阻抗的方法，制定了輸電線電流自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)，依據(jù)光伏系統(tǒng)輸出功率和運(yùn)行方式變化動(dòng)態(tài)調(diào)整整定值。仿真驗(yàn)證表明：所提出的自適應(yīng)保護(hù)策略避免了保護(hù)拒/誤動(dòng)，提高了保護(hù)裝置性能。

并網(wǎng)光伏；低電壓穿越控制策略模型；故障特性；電流保護(hù)影響；自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)

0 引言

光伏發(fā)電(Photovoltaic，PV)在利好政策的引導(dǎo)下發(fā)展迅猛。但光伏出力具有間歇、隨機(jī)、波動(dòng)的特性，光伏電源的接入還會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，潮流和故障特性變化，進(jìn)而改變故障電流的方向、大小和持續(xù)時(shí)間，降低原有保護(hù)裝置的各項(xiàng)性能，甚至引發(fā)保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)，給電網(wǎng)帶來(lái)極大隱患。所以針對(duì)PV系統(tǒng)接入對(duì)配電網(wǎng)原有保護(hù)裝置造成的影響及解決措施的研究具有重要意義。

文獻(xiàn)[1-5]在不同仿真平臺(tái)上搭建了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的模型；文獻(xiàn)[6-8]對(duì)比分析了多種MPPT實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)劣，對(duì)光伏MPPT啟動(dòng)過(guò)程中的采樣誤差問(wèn)題提出了改進(jìn)方案；文獻(xiàn)[9]基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器研究了光伏并網(wǎng)逆變器在三相電壓對(duì)稱(chēng)跌落下的低電壓穿越(LVRT)控制策略；文獻(xiàn)[10]提出一種基于超級(jí)電容的PV并網(wǎng)LVRT控制策略。但是針對(duì)PV系統(tǒng)故障特性，搭建結(jié)合LVRT控制策略的詳細(xì)并網(wǎng)PV系統(tǒng)暫態(tài)模型的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[11-13] 研究分析了PV系統(tǒng)的故障特性及對(duì)線路電流保護(hù)、重合閘裝置帶來(lái)的不利影響，提出了解決方案；文獻(xiàn)[14]提出在分布式電源的接入線路上安裝故障限流器來(lái)保證原有保護(hù)的靈敏性與選擇性。但是針對(duì)PV系統(tǒng)接入配電網(wǎng)，綜合考慮PV輸出功率、運(yùn)行方式、故障類(lèi)型、逆變器控制策略、LVRT控制策略，對(duì)比研究PV系統(tǒng)故障特性并提出解決方案的文獻(xiàn)較少，值得深入探討。

本文在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建了基于卸荷電路和無(wú)功電流優(yōu)先控制的并網(wǎng)PV系統(tǒng)LVRT控制策略模型，結(jié)合多晶硅組光伏陣列模型、采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的MPPT控制策略模型、基于分解法解耦控制的逆變器模型，對(duì)并網(wǎng)PV系統(tǒng)故障特性及其對(duì)配電網(wǎng)輸電線電流保護(hù)的影響進(jìn)行仿真分析，提出了一種基于支持向量機(jī)(Support Vector Machines，SVM)智能算法的輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)策略。

1 并網(wǎng)PV系統(tǒng)低電壓穿越控制策略模型構(gòu)建方法

并網(wǎng)PV系統(tǒng)主要包括光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、濾波器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。并網(wǎng)逆變器主功率回路主體是三相逆變橋和濾波器，本文在逆變器控制回路中兼顧MPPT控制策略，采用直流電壓控制與電流環(huán)控制方法，考慮故障時(shí)低電壓穿越性能，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了包含低電壓穿越控制策略的并網(wǎng)PV系統(tǒng)暫態(tài)仿真模型。鑒于MPPT控制策略和直流電壓及電流環(huán)控制策略已經(jīng)很成熟，其模型搭建方法本文略。

圖1 并網(wǎng)PV系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(德國(guó))在逆變器直流側(cè)加裝由卸荷電阻和功率元件組成的卸荷保護(hù)電路，采用無(wú)功優(yōu)先控制法，構(gòu)建了低電壓穿越控制策略。

1.1 直流側(cè)卸荷保護(hù)電路控制模型

在逆變器直流側(cè)加裝由卸荷電阻和功率元件組成的卸荷保護(hù)電路，抑制直流側(cè)電壓升高，維持其穩(wěn)定，控制框圖如圖2所示。

圖2 直流側(cè)卸荷保護(hù)電路控制框圖

1.2 無(wú)功電流優(yōu)先控制模型

德國(guó)光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求：并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至0.9 p.u.以下時(shí)，電壓每跌落1%，PV系統(tǒng)無(wú)功電流至少增加2%。為保證電網(wǎng)故障時(shí)PV系統(tǒng)能夠在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)向電網(wǎng)提供無(wú)功支持，故障時(shí)采用無(wú)功優(yōu)先控制法對(duì)逆變器電流內(nèi)環(huán)直接控制。即在逆變器電流內(nèi)環(huán)中增加無(wú)功電流控制環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 故障時(shí)無(wú)功電流優(yōu)先控制模型

1.3 故障穿越時(shí)光伏逆變器暫態(tài)控制整體模型

基于直流側(cè)卸荷保護(hù)電路和無(wú)功電流優(yōu)先控制的并網(wǎng)PV系統(tǒng)LVRT控制策略流程如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)PV系統(tǒng)LVRT控制策略流程圖

綜合低電壓穿越控制策略、MPPT控制策略、直流電壓及電流環(huán)控制策略的光伏逆變器暫態(tài)控制整體模型如圖5所示。

圖5 故障穿越時(shí)光伏逆變器暫態(tài)控制模型結(jié)構(gòu)圖

2 PV系統(tǒng)故障特性與輸電線電流保護(hù)影響機(jī)理分析

在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上搭建含PV系統(tǒng)的配電網(wǎng)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 含PV系統(tǒng)配網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 PV系統(tǒng)不同類(lèi)型故障特性分析

2.1.1 對(duì)稱(chēng)故障

圖8 三相短路時(shí)PV系統(tǒng)A相電流

圖9 三相短路時(shí)PV系統(tǒng)輸出功率

由圖7、圖8知，電網(wǎng)側(cè)故障時(shí)，PV系統(tǒng)輸出電流明顯增大，其幅值從0.1 p.u.增大至0.935 p.u.，但并未超過(guò)最大允許值1.2 p.u.。由圖9知，故障期間PV系統(tǒng)持續(xù)輸出無(wú)功電流，提供無(wú)功支持。

2.1.2 不對(duì)稱(chēng)故障

圖11 兩相短路時(shí)PV系統(tǒng)A相電流

圖12 兩相短路時(shí)PV系統(tǒng)輸出功率

由圖10知，電網(wǎng)側(cè)故障時(shí)鎖相環(huán)能鎖定電網(wǎng)電壓相位，經(jīng)過(guò)短暫調(diào)節(jié)后，光伏系統(tǒng)仍輸出對(duì)稱(chēng)電流，其余特性與發(fā)生對(duì)稱(chēng)故障時(shí)一致。

仿真表明，PV系統(tǒng)故障特性與常規(guī)電源不同：逆變器輸出的故障電流總小于1.2 p.u.，遠(yuǎn)小于同等情況下火電的故障電流；對(duì)稱(chēng)故障和不對(duì)稱(chēng)故障情況下，故障均是三相對(duì)稱(chēng)的，由此證明無(wú)功優(yōu)先控制策略的正確性，其短路電流持續(xù)時(shí)間大于0.5 s以上，滿足低電壓穿越要求。

2.2 PV輸出功率變化及故障位置不同對(duì)配電網(wǎng)輸電線保護(hù)影響分析

PV系統(tǒng)不接入配電網(wǎng)時(shí)，圖6中輸電線保護(hù)裝置采用三段式電流保護(hù)，主保護(hù)電流速斷可靠系數(shù)，后備保護(hù)限時(shí)速斷可靠系數(shù)，整定值如表1。

表1 無(wú)PV接入時(shí)電流保護(hù)整定值

2.2.1 故障位于PV接入點(diǎn)相鄰饋線

2.2.2 故障位于PV接入點(diǎn)上游饋線

此時(shí)QF1限時(shí)速斷電流保護(hù)(Ⅱ段)不啟動(dòng)(拒動(dòng))，故障可能無(wú)法消除。

表2 不同PV輸出功率點(diǎn)兩相短路流過(guò)QF1故障電流

Table 2 Short current of QF1 on different output of PV system during two-phase short circuit at kA

表2 不同PV輸出功率點(diǎn)兩相短路流過(guò)QF1故障電流

PV輸出功率/MW故障相電流非故障相電流 01.8230.166 11.7840.238 31.7170.494 51.6490.623

2.2.3 故障位于PV接入點(diǎn)下游饋線

表3 不同PV輸出功率點(diǎn)三相短路故障電流

Table 3 Short current on different output of PV system during three-phase short circuit at kA

表3 不同PV輸出功率點(diǎn)三相短路故障電流

PV輸出功率/MW短路電流 QF1QF2QF3 01.2531.2531.253 11.1971.3161.316 31.0761.4291.429 50.9441.5271.527

隨PV輸出功率增大，流過(guò)保護(hù)QF1的故障電流減小，后備保護(hù)靈敏度降低；流過(guò)保護(hù)QF2的故障電流增大，靈敏度上升，但當(dāng)PV容量達(dá)到5 MW時(shí)，流過(guò)QF2的故障電流為

此時(shí)QF2速斷電流保護(hù)(Ⅰ段)失去選擇性，誤動(dòng)跳閘。

3 基于LIBSVM的輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)策略

3.1 LIBSVM簡(jiǎn)介

支持向量機(jī)(SVM)是一種從線性可分情況下的最優(yōu)分類(lèi)面發(fā)展而來(lái)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。非線性情況下，在最優(yōu)分類(lèi)面上采用適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)線性不可分的分類(lèi)問(wèn)題，其相應(yīng)的分類(lèi)函數(shù)即為支持向量機(jī)[15]。

本文選用的LIBSVM工具箱是臺(tái)灣大學(xué)林智仁教授開(kāi)發(fā)的SVM算法平臺(tái)，提供了S形、徑向基、多項(xiàng)式和線性4種核函數(shù)，能夠在小樣本情況下進(jìn)行非線性學(xué)習(xí)，有效解決多類(lèi)識(shí)別問(wèn)題。

3.2 基于LIBSVM的輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)策略

3.2.1 應(yīng)用LIBSVM識(shí)別PV系統(tǒng)等效阻抗的方法

針對(duì)PV接入可能導(dǎo)致上游保護(hù)裝置反向誤動(dòng)的問(wèn)題，只需在各線路末端加裝電流保護(hù)裝置并匹配方向元件就能解決。但PV接入可能導(dǎo)致的上游限時(shí)電流速斷保護(hù)裝置拒動(dòng)和下游電流速斷保護(hù)誤動(dòng)問(wèn)題均與PV輸出功率相關(guān)，單純通過(guò)加裝方向元件無(wú)法解決。

本文提出一種電流保護(hù)整定值自適應(yīng)新方法：通過(guò)采集保護(hù)PV側(cè)信息構(gòu)造狀態(tài)信息向量，用LIBSVM網(wǎng)絡(luò)對(duì)PV不同輸出功率運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息向量進(jìn)行非線性學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，識(shí)別出PV側(cè)不同運(yùn)行方式下的等值阻抗，進(jìn)而修正整定值。

由于系統(tǒng)側(cè)按無(wú)窮大電源考慮，因此認(rèn)為系統(tǒng)阻抗恒定，僅考慮PV輸出功率、PV電源電動(dòng)勢(shì)、流經(jīng)保護(hù)裝置的電流、PV系統(tǒng)等效阻抗，構(gòu)造狀態(tài)信息向量，其中各元素定義如表4。

表4 狀態(tài)信息向量元素定義

綜合PV系統(tǒng)不同輸出功率下正常運(yùn)行時(shí)的各種狀態(tài)信息向量，構(gòu)造出網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本矩陣。

3.2.2 輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)判據(jù)制定

根據(jù)前文仿真結(jié)果可知，故障發(fā)生在PV系統(tǒng)接入母線與系統(tǒng)電源出口母線之間線路(線路AB)時(shí)，PV系統(tǒng)導(dǎo)致故障點(diǎn)殘壓升高，短路電流減小；故障發(fā)生在其他線路時(shí)，PV系統(tǒng)提供助增電流，短路電流增大。為了能夠充分響應(yīng)PV輸出功率及運(yùn)行方式變化，本文提出一個(gè)時(shí)變的輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)判據(jù)為

本判據(jù)適用于Ⅰ段和Ⅱ段整定值計(jì)算。以QF2為例，整定Ⅰ段時(shí)，，=2，，；整定Ⅱ段時(shí)，，，，=2。

保護(hù)工作時(shí)，將流經(jīng)保護(hù)裝置的電流和PV系統(tǒng)輸出功率及兩側(cè)電源電動(dòng)勢(shì)輸入LIBSVM網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別出當(dāng)前保護(hù)裝置PV側(cè)等效阻抗，進(jìn)而通過(guò)式(2)計(jì)算出當(dāng)前整定值；再與流經(jīng)保護(hù)裝置的電流進(jìn)行比較，判斷是否區(qū)內(nèi)故障，進(jìn)而發(fā)出閉鎖或跳閘信號(hào)。

3.3 驗(yàn)證

依據(jù)圖6的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和參數(shù)，將不同輸出功率下的狀態(tài)信息輸入Matlab下的LIBSVM工具包，獲得不同運(yùn)行方式下的等效阻抗，其結(jié)果代入式(2)的自適應(yīng)保護(hù)判據(jù)，與第2節(jié)各種故障時(shí)的短路電流仿真數(shù)據(jù)對(duì)比。鑒于篇幅所限，本文選取2.2節(jié)中的兩個(gè)特例進(jìn)行分析驗(yàn)證，自適應(yīng)整定結(jié)果如表5、表6所示。

表5 點(diǎn)兩相短路故障時(shí)自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護(hù)QF1限時(shí)電流速斷保護(hù)(II段)

Table 5 Adaptive protection criterion using on limit current protection of QF1 during two-phase short circuit at kA

表5 點(diǎn)兩相短路故障時(shí)自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護(hù)QF1限時(shí)電流速斷保護(hù)(II段)

PV輸出功率/MW短路電流無(wú)PV時(shí)整定值自適應(yīng)整定值 01.8231.6531.653 11.7841.6531.617 31.7171.6531.586 51.6491.6531.545

表6 點(diǎn)三相短路故障時(shí)自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護(hù)QF2電流速斷保護(hù)(I段)

Table 6 Adaptive protection criterion using on current protection of QF2 during three-phase short circuit at kA

表6 點(diǎn)三相短路故障時(shí)自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于保護(hù)QF2電流速斷保護(hù)(I段)

PV輸出功率/MW短路電流無(wú)PV時(shí)整定值自適應(yīng)整定值 01.2531.5031.503 11.3161.5031.539 31.4291.5031.602 51.5271.5031.684

結(jié)果顯示，自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于線路AB上保護(hù)QF1保護(hù)Ⅱ段時(shí)，隨著PV輸出功率增大，整定值由1.653 kA減小到1.545 kA，總小于線路末端發(fā)生兩相短路時(shí)的故障電流，但靈敏度增大，有效防止了Ⅱ段保護(hù)拒動(dòng)；并且總小于CD線路首端發(fā)生三相短路時(shí)的故障電流，說(shuō)明Ⅱ段整定值沒(méi)有越線，符合Ⅱ段的保護(hù)范圍要求。

自適應(yīng)判據(jù)應(yīng)用于線路BC上QF2保護(hù)Ⅰ段時(shí)，隨著PV輸出功率增大，整定值由1.503 kA增大到1.684 kA，并一直大于線路CD首端發(fā)生三相短路時(shí)的故障電流，有效防止了QF2保護(hù)Ⅰ段誤動(dòng)。

4 結(jié)論

(1) PV系統(tǒng)輸出的故障電流總小于1.2 p.u.且三相對(duì)稱(chēng)，短路電流持續(xù)時(shí)間大于0.5 s以上。

(2) 配電網(wǎng)輸電線電流保護(hù)所受影響與PV輸出功率相關(guān)，輸出功率很大時(shí)，原有保護(hù)裝置不再正常工作，整定計(jì)算時(shí)必須考慮PV系統(tǒng)特有的故障特性。

(3) 本文提出的基于LIBSVM的輸電線電流保護(hù)自適應(yīng)策略能夠充分響應(yīng)PV輸出功率和運(yùn)行方式變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整電流保護(hù)整定值，提高保護(hù)性能，是一種可以嘗試的保護(hù)方案。

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(編輯 周金梅)

Research on adaptive strategy for overcurrent protection based on identifying the equivalent impedance of grid-connected PV system by LIBSVM

MENG Long1, LIU Qinggui2, CHAO Qin1, WANG Yibo1, LI Yuqiang1

(1. School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China;2. State Grid Zigong Power Supply Company, Zigong 643000, China)

To solve the problem refusal/incorrect tripping of overcurrent protection caused by power fluctuations of the distribution grid-connected photovoltaic (PV) system, this paper proposes an adaptive strategy based on the LIBSVM for overcurrent protection. The PV system dynamic model which combines with low voltage ride through (LVRT) control strategy is built on the platform of Matlab/Simulink. It also simulates and analyses the characteristics of the short-circuit and the influence on overcurrent protection with the different fault at different locations during the normal operation of PV power output fluctuations. A method is proposed to identify equivalent impedance of the grid-connected PV system during different output based on support vector machines (SVM), a line current adaptive protection criterion is developed, which dynamically adjusts the setting value under the PV system output power and operating modes. The simulation shows that the adaptive strategy can avoid the problem refusal/incorrect tripping of overcurrent protection and improve protection’s performance. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51367017) and International S&T Cooperation Program of China (ISTCP) (No. 2013DFG61520).

grid-connected PV; LVRT control strategy; characteristics of the short-circuit; influence on overcurrent protection; adaptive protection criterion

10.7667/PSPC152217

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51367017)；科技部國(guó)家國(guó)際科技合作專(zhuān)項(xiàng)資助(2013DFG61520)

2015-12-23；

2016-03-20

孟 龍(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闈崈裟茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù)。E-mail: 360819451@qq.com