基于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下的保護(hù)分析與仿真

朱雪凌，韓 菲，劉 佳

(華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注和高效小容量發(fā)電技術(shù)的成熟，分布式電源(Distributed Generation，DG)的數(shù)量及其在電力系統(tǒng)中所占的比重越來(lái)越高.為了最大限度地利用DG的發(fā)電能力，提高系統(tǒng)的供電可靠性，IEEE出臺(tái)了一套解決孤島問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn) IEEEl547—2003［1］.該標(biāo)準(zhǔn)不再禁止有意識(shí)的孤島存在，而是鼓勵(lì)供電方和用戶盡可能通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)分布式電源的孤島運(yùn)行.然而，微電網(wǎng)在孤立運(yùn)行模式下，各種故障電流限制在較低的水平，使得傳統(tǒng)保護(hù)設(shè)備無(wú)法動(dòng)作，從而起不到保護(hù)作用，需要開(kāi)發(fā)新的保護(hù)方法.

1 微電網(wǎng)及其孤島運(yùn)行

微電網(wǎng)是指將一定區(qū)域內(nèi)(例如某一街區(qū)、某幾個(gè)大型建筑物)或某些企事業(yè)內(nèi)各單位擁有的分散的發(fā)電資源(例如自行供電的發(fā)電設(shè)備或備用發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能發(fā)電裝置、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等可再生能源發(fā)電裝置)連結(jié)起來(lái)共同向各單位供電，并通過(guò)配電網(wǎng)與主干大型電力網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，形成一個(gè)大型電網(wǎng)與小型發(fā)電設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行的系統(tǒng).微電網(wǎng)主要包含分布式電源DG(光伏系統(tǒng)，燃料電池等)、低壓配電系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元和用電負(fù)荷.它與主電網(wǎng)通過(guò)公共耦合點(diǎn)相連形成并網(wǎng)運(yùn)行，或者單獨(dú)以一種可控協(xié)調(diào)的方式形成孤島運(yùn)行［2］.

微電網(wǎng)能在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行2種模式間切換.其中將微電網(wǎng)與大電力網(wǎng)隔離，單獨(dú)運(yùn)行即為孤島運(yùn)行方式.孤島運(yùn)行的特征主要包括:由分布式電源單獨(dú)供電;與主電網(wǎng)系統(tǒng)分離的、獨(dú)立的配電網(wǎng)絡(luò);能獨(dú)立運(yùn)行;電壓和頻率保持在允許的范圍內(nèi)［3］.

2 微電網(wǎng)孤島運(yùn)行方式下的保護(hù)問(wèn)題

微電網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)后，DG不再以獨(dú)立發(fā)電設(shè)備的形式并網(wǎng)，而是與儲(chǔ)能系統(tǒng)、當(dāng)?shù)刎?fù)荷、控制系統(tǒng)等組成微電網(wǎng)后再與配電系統(tǒng)并網(wǎng)，配電系統(tǒng)故障時(shí)，允許DG帶微電網(wǎng)內(nèi)的重要負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)行［4］.此時(shí)由于失去了配電系統(tǒng)的較大的短路容量支持，聯(lián)絡(luò)線或饋線上故障的特征也與由配網(wǎng)供電運(yùn)行時(shí)有很大的不同.因此，必須要驗(yàn)證微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)，原有保護(hù)還能否可靠動(dòng)作.

2.1 低壓配電線路保護(hù)配置

400 V配電系統(tǒng)常采用的保護(hù)多為三段式或兩段式電流保護(hù)，典型的三段式過(guò)電流保護(hù)有瞬時(shí)電流速斷、限時(shí)電流速斷及定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)［5］.目前400 V出線一般只要求裝設(shè)電流速斷和過(guò)電流保護(hù)即可滿足保護(hù)范圍及保護(hù)配合的要求.過(guò)電流保護(hù)根據(jù)被保護(hù)設(shè)備及配合要求可以采用定時(shí)限電流保護(hù).

2.2 低壓配電線路故障輸出特性的理論分析

當(dāng)配電網(wǎng)為負(fù)載供電時(shí)，圖1為配電網(wǎng)供電等效電路，其中的Z0，Z2，Z3分別是配電網(wǎng)、線路和負(fù)載的等效阻抗，U，I分別為斷路器QF處的相電壓和相電流相量.參數(shù)設(shè)置:Z0忽略不計(jì)，Z2=R2+jX2=0.320 5+j0.050 5，Z3=R3+jX3=10+j 3.14.

圖1 配電網(wǎng)供電等效電路圖

圖1中若線路末端K點(diǎn)發(fā)生三相金屬性接地短路時(shí)，在進(jìn)行故障暫態(tài)分析的時(shí)候，配電網(wǎng)系統(tǒng)等效電源的相電動(dòng)勢(shì)不變，I'是故障后輸出的相電流的相量，那么流過(guò)斷路器QF的電流有效值在故障前后的關(guān)系近似為

2.3 DG故障輸出特性的理論分析

微電網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是電力電子技術(shù)，微電源是微電網(wǎng)中最重要的組成部分，各種微電源大部分都通過(guò)逆變器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng).這里以逆變型分布式電源為例介紹它的故障輸出特性.逆變型分布式電源具有一個(gè)共同特征，就是由于電源與電網(wǎng)之間有電力電子接口進(jìn)行隔離，電源與電網(wǎng)之間僅進(jìn)行有功功率的傳輸［6］.DG的輸出功率僅由燃料進(jìn)料或風(fēng)速、光強(qiáng)、溫度等外界環(huán)境決定，而且上述參數(shù)的變化是緩慢的.因此，在進(jìn)行故障暫態(tài)分析的時(shí)候，可以認(rèn)為它們無(wú)變化.圖2為DG并網(wǎng)供電等效電路圖，其中的Z1為DG的等效阻抗，其他參數(shù)如圖1所示.

圖2 DG并網(wǎng)供電等效電路圖

如圖2所示，在孤島運(yùn)行時(shí)，即靜態(tài)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，若忽略掉電流在 DG等效內(nèi)阻Z1上的損耗，那么DG正常運(yùn)行時(shí)輸出的有功功率為

若線路末端K點(diǎn)發(fā)生三相金屬性接地短路時(shí)，此時(shí)DG輸出的有功功率為

由以上假設(shè)可知，在進(jìn)行故障暫態(tài)分析的時(shí)候，DG輸出的有功功率可以認(rèn)為無(wú)變化，那么流過(guò)斷路器QF的電流的有效值在故障前后的關(guān)系式為

從式(1)和式(4)可以觀察到DG的故障輸出特性與配電網(wǎng)有很大的區(qū)別.由于線路阻抗與系統(tǒng)內(nèi)阻抗一般遠(yuǎn)小于負(fù)載阻抗，這也就對(duì)應(yīng)于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下，微電網(wǎng)內(nèi)部故障，短路電流變小的情況，那么原有的保護(hù)可能無(wú)法進(jìn)行可靠動(dòng)作，這時(shí)微電網(wǎng)要采用新的繼電保護(hù)策略［7］.

3 基于電壓擾動(dòng)的保護(hù)策略及仿真

3.1 保護(hù)策略

［8］提出了適用于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障的快速檢測(cè)方法.它的主要原理就是根據(jù)分布式電源的輸出電壓發(fā)生擾動(dòng)的情況來(lái)判斷微電網(wǎng)內(nèi)是否發(fā)生了故障，并且能夠區(qū)分發(fā)生了什么類型的故障.

首先利用標(biāo)準(zhǔn)的電壓互感器檢測(cè)DG出口的三相端電壓.將獲取的三相機(jī)端電壓，通過(guò)派克變換矩陣得到Ud和Uq，

將Ud，Uq信號(hào)與一個(gè)周期性更新的參考信號(hào)Udref和Uqref比較，檢測(cè)系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障.通過(guò)計(jì)算公式UDIR1=Udref－Ud和UDIR2=Uqref－Uq得到擾動(dòng)電壓UDIR1和UDIR2，根據(jù)UDIR1和 UDIR2值的特征就能判斷系統(tǒng)是否發(fā)生故障.

3.2 仿真結(jié)果

在MATLAB/Simulink中建立如圖2所示模型.在DG孤島運(yùn)行時(shí)，發(fā)生三相短路、單相短路以及兩相短路時(shí)仿真結(jié)果如圖3—5所示.

圖3 三相短路后擾動(dòng)電壓仿真結(jié)果

圖3—5每個(gè)圖中3條曲線從上到下依次是故障后UDIR1、零軸和UDIR2曲線，從這3個(gè)圖中可以明顯看出，UDIR2曲線由于故障類型的不同而有很大的不同.對(duì)于單相接地故障，UDIR2為一個(gè)擺動(dòng)信號(hào)，變化范圍從接近于0值變換到最大值;對(duì)于兩相故障;UDIR2的變化范圍從某一特定電壓值變化到最大值，可以理解為其由一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)和擺動(dòng)信號(hào)組成;對(duì)于三相故障，UDIR2是一個(gè)較為穩(wěn)定的直流信號(hào).

根據(jù)以上分析，從電壓信號(hào)狀態(tài)可以判斷是否發(fā)生故障和發(fā)生了哪種類型故障.而且根據(jù)擾動(dòng)電壓信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間可以判斷故障開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間.

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下的故障輸出特性，提出了基于電壓擾動(dòng)的保護(hù)策略，并進(jìn)行了仿真分析，得出以下結(jié)果.

1)正常運(yùn)行下，UDIR2為一個(gè)接近于0的值.

2)單相接地故障時(shí)，UDIR2為一個(gè)從0變化到最大值的擺動(dòng)信號(hào).

3)兩相接地故障時(shí)，UDIR2從一個(gè)不為0的值變化到最大值，可以認(rèn)為其由一個(gè)穩(wěn)定信號(hào)和擺動(dòng)信號(hào)的復(fù)合組成.

4)三相接地故障時(shí)，UDIR2為一個(gè)不為0的較為穩(wěn)定的直流信號(hào).

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