1研究背景：微電網(wǎng)具有潮流雙向流動、并網(wǎng)孤島運(yùn)行時故障電流差別大以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變的特點(diǎn),對微電網(wǎng)的保護(hù)帶來了很大的挑戰(zhàn)。基于故障分量原理的保護(hù)相較于其余的保護(hù)方法具有明顯的優(yōu)勢。目前,微電網(wǎng)中存在一些基于故障分量的保護(hù)方法:通常基于故障分量幅值大小或相位關(guān)系的比較。但其分析一般將微電源等效為虛擬同步發(fā)電機(jī),采用傳統(tǒng)的故障分量附加網(wǎng)絡(luò)分析方法,沒有考慮逆變型微電源（IIDG）的控制策略,其分析存在局限性。實際上,逆變型微電源的故障特性主要受控制策略影響,不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī),現(xiàn)有的故障分量分析方法已不再適用。本文建立微電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的正序故障分量網(wǎng)絡(luò),并對各饋線上的故障電流正序分量幅值大小及相位關(guān)系進(jìn)行分析,研究故障分量保護(hù)原理在含逆變型微電源的微電網(wǎng)中的適用性。

2計及控制策略的微電源等效模型

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時,逆變型微電源廣泛采用PQ控制策略,其控制系統(tǒng)通過控制有功電流和無功電流跟蹤參考值變化,從而輸出參考功率。正常運(yùn)行時,無功參考功率一般設(shè)為零,即不輸出無功電流。傳統(tǒng)的并網(wǎng)規(guī)定沒有對分布式電源在系統(tǒng)故障時的控制方式進(jìn)行約束,但在新的并網(wǎng)規(guī)定中,要求分布式電源具有故障穿越能力,即在系統(tǒng)發(fā)生故障時優(yōu)先向電網(wǎng)輸送無功功率,支撐系統(tǒng)電壓。當(dāng)電壓跌落超過10%時,每1%的電壓跌落,至少要提供2%的無功電流。

當(dāng)發(fā)生故障時,逆變型微電源并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降,則有功參考電流、無功參考電流均增大,即無功電流、有功電流隨之增大,故逆變型微電源故障電流急劇增大。但由于逆變器過流能力的限制,逆變型微電源輸出的最大故障電流不能超過額定電流的兩倍,無功參考電流和有功參考電流均應(yīng)進(jìn)行限制。

為改善逆變型微電源的輸出特性,一般采用正序控制策略。在電網(wǎng)故障情況下,由于逆變型微電源的交流側(cè)輸出電流中只存在正序電流分量,所以可以將逆變型微電源等效為受并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制的正序電流源。

3不同電壓降時逆變型微電源輸出電流變化

逆變型微電源輸出故障電流值的范圍如下圖所示,即以逆變型微電源的最大輸出電流Imax為半徑的弧線所圍成的扇形區(qū)域。對應(yīng)不同的電壓降,逆變型微電源輸出電流變化存在兩種情況:

1)電壓降較小時,逆變型微電源輸出的有功電流和無功電流均增大,故障電流也增大。此時,電流的故障分量與電壓的相位差小于90°。

2)電壓降較大時,逆變型微電源輸出的故障電流將被限制在最大電流處,此時優(yōu)先輸出無功電流,有功電流會減小,故障分量與電壓相位差將大于90°。

4微電網(wǎng)故障分量保護(hù)原理分析

根據(jù)以上分析,微電網(wǎng)的正序故障附加網(wǎng)絡(luò)中,在逆變型微電源接入處,將產(chǎn)生等效的附加電流源,這是與傳統(tǒng)故障分量分析方法的不同之處。利用基爾霍夫電流定律,可以獲得同一母線上各條饋線的正序電流故障分量相量圖,從幅值大小和相位關(guān)系兩個方面對故障分量保護(hù)原理進(jìn)行分析。

離故障點(diǎn)較遠(yuǎn)的母線上,電壓降較小,逆變型微電源輸出的有功電流和無功電流均增大。由相量圖可知,故障饋線上的正序電流故障分量的幅值最大,相位與其余饋線的正序電流故障分量幾乎相反。

但離故障點(diǎn)較近的母線上,由于電壓降較大,逆變型微電源主要輸出無功電流,有功電流減小,這將影響到故障饋線上的正序電流故障分量,其幅值可能不是最大,而且其方向可能不全部與其余饋線相反,則不能正確區(qū)分故障線路。

5結(jié)論與展望

針對PQ控制的逆變型分布式電源,在故障時對其采用具有無功支撐能力的故障穿越控制策略,分析了不同電壓降時逆變型微電源輸出故障電流的變化。并使用更加準(zhǔn)確的壓控電流源模型,通過正序電流故障分量的幅值和相位特征對微電網(wǎng)中的故障分量原理進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:在離故障點(diǎn)較近的母線處,電壓降較大,逆變型微電源為提供無功電流,輸出的有功電流將減小,此時基于正序電流故障分量幅值和相位比較的保護(hù)原理可能會失效,無法正確識別故障線路。

目前,微電網(wǎng)的保護(hù)方法仍是研究的重點(diǎn)之一。可參考本文的分析,對基于故障分量的微電網(wǎng)保護(hù)開展進(jìn)一步的研究,提高微電網(wǎng)保護(hù)的可靠性。由于本文著重分析的是并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng),而且逆變型微電源采用的是PQ控制、優(yōu)先輸出無功功率的故障穿越控制策略。后續(xù)將對采用不同控制策略的逆變型微電源以及孤島情況下的微電網(wǎng)故障分量保護(hù)適用性進(jìn)行分析。

作者及團(tuán)隊介紹

韓海娟,同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士研究生,主要研究方向為微電網(wǎng)保護(hù)與控制。

牟龍華,博士,同濟(jì)大學(xué)電氣工程系主任,教授,博士生導(dǎo)師,國家“百千萬人才工程”專業(yè)技術(shù)拔尖人才。發(fā)表學(xué)術(shù)論文190余篇,其中被SCI/EI檢索90余篇,出版專著、教材3部,授權(quán)發(fā)明專利4項;獲國家科技進(jìn)步獎1項,省部級科技進(jìn)步獎4項。

郭文明,同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院博士研究生,主要研究方向為微電網(wǎng)保護(hù)與控制。

作者所在課題組的主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制,分布式發(fā)電與微電網(wǎng),電能質(zhì)量分析與控制,配電系統(tǒng)自動化等。

原標(biāo)題:基于故障分量的微電網(wǎng)保護(hù)適用性