獨立運行微電網(wǎng)的故障特征分析

汪冬輝 ，姚 旭，張坤賢 ，許文宣，焦在濱 ，康小寧

（1.西安交通大學 電氣工程學院，陜西 西安 710049；2.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

微電網(wǎng)通過將一系列分布式的微電源有序組合起來，統(tǒng)一調度，精細控制，實現(xiàn)了可再生能源的最有效利用。這種高效率的運行，使得微電網(wǎng)的經(jīng)濟性，尤其是在一些偏遠的、架設輸電線路成本過高的區(qū)域，顯得尤為突出：西歐地區(qū)地廣人稀，小范圍的微電網(wǎng)發(fā)展迅速［1］；日本在愛知縣機場附近建立了為區(qū)域負荷供電的微電網(wǎng)系統(tǒng)［2］；我國亦已在浙江部分海島、甘肅等地開展了微電網(wǎng)試驗工程。這些地區(qū)距離主網(wǎng)架較遠，微電網(wǎng)獨立運行比并網(wǎng)運行更為經(jīng)濟。

目前對微電網(wǎng)的研究偏重于控制，對于故障特征以及保護的分析較少。文獻［3-4］指出微電網(wǎng)故障期間電壓變化特征與常規(guī)電網(wǎng)類似，但各電源故障電流受到限制；文獻［5］指出微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)后，相間故障會引起饋線出現(xiàn)更大的助增電流；文獻［6］認為微電網(wǎng)孤島運行及并網(wǎng)運行應該用同一套保護策略，保護功能應該是微電源的一部分且能即插即用。文獻［7］嘗試在微電網(wǎng)中使用行波保護作主保護，電流變化率保護作后備保護；文獻［8］認為當微電網(wǎng)結構較復雜時，會引起過流保護誤動以及出現(xiàn)動作盲區(qū)；文獻［9］提出了一種基于微電網(wǎng)中心控制器的保護算法。以上文獻有的只分析了故障特征，沒有與保護聯(lián)系；有的提出的保護原理只適用于部分特殊情況，沒有普遍性；還有些思想仍需要進一步研究和證實。但其中也指出了一些值得思考的現(xiàn)象與問題。

本文根據(jù)浙江某海島的微電網(wǎng)拓撲，建立了獨立運行的微電網(wǎng)仿真模型。在其中的幾個關鍵位置設置故障，分析故障特征與傳統(tǒng)電網(wǎng)的不同之處，以及在這些新的故障特征下，傳統(tǒng)保護會受到何種影響。微電源的弱電源特性會帶來頻率偏移、受限的故障電流以及不穩(wěn)定的系統(tǒng)阻抗等問題，傳統(tǒng)保護的原理并沒有考慮這些情況，它們能否直接在微電網(wǎng)中使用是當前繼電保護領域較為關心的問題，也是本文研究的重點。本文借助實際微電網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲進行故障分析，希望能夠發(fā)現(xiàn)微電網(wǎng)在故障期間存在的一些共性，為目前以及將來的微電網(wǎng)工程提供保護配置上的建議和參考。

1 微電網(wǎng)拓撲

1.1 微電網(wǎng)結構

圖1 微電網(wǎng)拓撲Fig.1 Topology of microgrid

本文所分析的微電網(wǎng)中包含直驅風機、光伏發(fā)電（PV）、柴油發(fā)電以及儲能4種電源，其中儲能和柴油發(fā)電裝置可作為主電源，維持整個網(wǎng)絡的電壓和頻率穩(wěn)定，其拓撲簡圖如圖1所示。該微電網(wǎng)配備了2套柴油發(fā)電裝置和儲能裝置作主電源；2套完全相同的直驅風機，以及2組接在不同位置的光伏發(fā)電單元作電源；632線為純負荷線，631線除負荷外還接有1套光伏發(fā)電裝置。為簡便起見，圖1已將負荷等效為1組。這樣配置的目的主要是保證供電的可靠性：檢修其中一套主電源時，另一套主電源能繼續(xù)運行保證微電網(wǎng)正常工作；當母聯(lián)斷路器K1因某種原因必須斷開時，632和631這2個子網(wǎng)通過各自的主電源和電源可以分別進入孤島運行狀態(tài)。2組儲能、柴油發(fā)電機和風機的類型相同，而容量不同，在進行故障分析時可以將其分別合為1組電源，這樣既保留了單個微電源的故障特征，又提高了仿真速度。同時，將各條饋線、各組電源按順序命名，以方便分析。簡化后的微電網(wǎng)分析拓撲見圖2。

圖2 經(jīng)過簡化的微電網(wǎng)拓撲Fig.2 Simplified topology of microgrid

1.2 微電網(wǎng)的運行方式

該微電網(wǎng)的運行方式主要考慮2種因素。

a.主電源的類型。柴油發(fā)電裝置作主電源，儲能裝置工作在下垂控制模式以平抑負荷波動；柴油發(fā)電裝置退出時，儲能裝置工作在U/f控制模式，單獨作主電源。

b.風電、光伏的投入?？紤]到微電網(wǎng)正常運行時的負荷情況，風電和光伏全部投入定義為運行方式1，風電和光伏均不投入定義為運行方式2。

各微電源模型均采用詳細模型，建模過程主要參考了文獻［10-18］。

1.3 微電網(wǎng)的保護配置建議

按照文獻［19-21］的規(guī)定，小容量的微電源逆變器接入普通配電網(wǎng)無需低電壓穿越能力。然而對于本文分析的系統(tǒng)，島內輸電線路普遍很短。如果電壓低于額定值的50%時在100 ms內切斷電源，則在島上任意一點發(fā)生較嚴重故障時，除柴油發(fā)電機外的所有電源都會迅速脫網(wǎng)。下文將會提到，電流速斷保護在這種情況下難以整定，唯有縱聯(lián)保護能夠在100 ms內切除故障，而考慮經(jīng)濟性因素，縱聯(lián)保護不可能配置在所有線路上，這對于島上的供電可靠性以及運行人員尋找和排除故障點都是極其不利的。因此本文認為必須將獨立運行的微電網(wǎng)視為一個獨立的電力系統(tǒng)，按低電壓穿越的要求來整定微電源逆變器自身的保護。同時，當發(fā)生故障時，各微電源在滿足自身安全的情況下，應當提供一定的故障電流供保護使用。此時，按照風電和光伏低電壓穿越的標準，當發(fā)生故障導致電壓跌落至額定值的20%時，線路及母線保護有625 ms的時間來切除故障，對于大部分常規(guī)保護而言已經(jīng)足夠。一旦發(fā)生更加嚴重的故障，則依靠縱聯(lián)保護。只有縱聯(lián)保護拒動或者故障不在其動作區(qū)時，微電源自身保護才會動作。

本文假設當故障發(fā)生，電壓跌落至額定值的20%以下時，各微電源不脫網(wǎng)，分析此時保護的適應性。如果此時傳統(tǒng)保護仍正確工作，那么通過一定的控制手段使各個微電源繼續(xù)運行，將會大幅提高供電可靠性。同樣，本文也會分析導致電壓跌落至額定值的20%以上的故障發(fā)生時保護的適應性。

2 故障電流受限及對保護的影響

該微電網(wǎng)中的微電源，除了柴油發(fā)電機以外均通過逆變器并網(wǎng)，故障發(fā)生時為了不損壞電力電子開關，通過軟硬件結合的方式，確保短路電流不超過額定電流的 1.5～2 倍［22］，短路電流的幅值與旋轉電機區(qū)別較大。在含有這種電源的微電網(wǎng)中，線路上配置的電流保護，尤其是反映短路電流幅值增大而瞬時動作的電流速斷保護的性能，是需要重新考量的。

圖2中點F1發(fā)生三相短路時，各個微電源出口以及故障饋線上的短路電流（標幺值）如圖3所示。

圖3 三相短路時各個微電源及故障饋線電流Fig.3 Currents of microsources and faulty feeder when three-phase short circuit occurs

由圖3可見，風電、光伏和儲能的故障電流均不超過額定電流的1.5倍，這與實際情況相符。

文獻［23］規(guī)定10 kV系統(tǒng)一般配置三段式電流保護。其中，電流速斷保護價格不高且動作速度快，發(fā)生嚴重故障時，能在微電源自身保護動作之前切除故障，電源自身保護無需動作；故障切除后非故障網(wǎng)絡可繼續(xù)運行，由此可以提高供電可靠性，因此有必要分析微電網(wǎng)中電流速斷保護的適應性。

電流速斷保護成立的條件是線路始端保護安裝處測得的短路電流，隨著故障點遠離線路始端而明顯減小，這個條件不滿足則不能整定保護范圍。

在饋線1上取10個故障點，相互之間間隔10%的線路長度。分別設置故障并觀察線路始端保護安裝處測得的最大短路電流工頻幅值，在運行方式1下分析三相短路，運行方式2下分析兩相短路。短路電流（標幺值）隨故障點位置的變化如圖4所示，其中橫坐標為故障點與線路始端的距離和線路全長的百分比。

圖4 短路電流隨故障點位置變化曲線Fig.4 Variation of fault current along with fault location

從圖4可以看出：當儲能作為主電源，即電網(wǎng)中沒有柴油發(fā)電機時，隨著故障位置遠離線路始端，保護安裝處測得的電流幾乎無變化；而當柴油發(fā)電機作為主電源時，同樣的條件下短路電流幅值能夠區(qū)分，但是在不同故障位置時的差距仍然不大。在這種情況下難以給出電流速斷保護的整定值，配置電流速斷保護也是無意義的。考慮到微電網(wǎng)的建設目的，不可能讓柴油發(fā)電機的容量在電源的總容量中占絕對主導，因此在大部分獨立運行的微電網(wǎng)當中，電流速斷保護均不能使用。但此時短路電流與正常負荷電流有明顯的區(qū)分，因此這種特性并不影響過電流保護。

3 頻率偏移及對保護的影響

3.1 頻率偏移的原因

采用U/f或者下垂控制的微電源在微電網(wǎng)中作主電源，頻率參考值一般直接給定或者通過下垂特性給定，限幅比較嚴格，故障期間變化不大。

采用PQ控制的微電源，例如直驅風機和光伏，其并網(wǎng)控制器一般通過數(shù)字鎖相環(huán)給定輸出電流的頻率，鎖相環(huán)的結構如圖5所示。

圖5 鎖相環(huán)結構Fig.5 Structure of PLL

圖5中Park變換完成了普通鎖相環(huán)中鑒相器的功能［24-26］。輸出的q軸分量與其期望值之差，經(jīng)過低通濾波濾除高頻分量后，由PI調節(jié)器消除靜差以鎖定到輸出信號的頻率；然后將其轉變成角頻率并作積分即得到了原信號的電角度。鎖相環(huán)理想穩(wěn)態(tài)運行下應該有Δf=0，即鎖相環(huán)輸出的電角度為輸入信號的A相基波電角度。

仿真中觀察到，故障瞬間，電網(wǎng)電壓跌落，Uq有一個明顯的突變，并且直到故障切除為止，Uq無法達到其目標值0，這就導致誤差信號Δf一直非零。并且，電壓降落越低，誤差信號越大，最嚴重的情況下Δf將達到PI控制器的積分上限。此時經(jīng)鎖相環(huán)給定的逆變器輸出頻率，即為工頻與誤差信號之和。因此，當發(fā)生故障時，PQ控制的微電源頻率的偏移量基本取決于其參數(shù)的設置。為保證鎖相環(huán)正常運行時的動態(tài)性能，不能將積分上下限設定得過小。理論上，采用PQ控制的微電源在故障期間的頻率偏移會較采用其他控制方式的微電源大?？梢钥吹剑斘㈦娋W(wǎng)發(fā)生故障時，幾乎所有的電源頻率都會變化，其中以PQ控制的微電源變化最為顯著。

3.2 嚴重故障頻率變化

首先考慮柴油發(fā)電機作為主電源，發(fā)生金屬性故障，電壓跌落到額定電壓的20%以下的情況。將風電和光伏的鎖相環(huán)頻率偏差上限設置為2 Hz，在圖2中點F1設置三相金屬性短路故障，對幾個電源出口以及故障饋線上的短路電流進行快速傅里葉變換（FFT）分析，采樣窗長取1s，頻率辨識精度為1Hz，結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，故障發(fā)生后，柴油發(fā)電機和儲能的頻率變化較小，主要頻點依然是50 Hz，而風電和光伏的主要頻點已經(jīng)明顯地偏離了工頻。PV2距離故障點較遠，頻率偏移程度比較小，PV1和直驅風機故障電流的主要頻率均達到了設定的最大值52 Hz。此時，饋線2的故障電流中出現(xiàn)了50Hz和52 Hz 2個分量，并且它們的幅值差距不大。

繪出故障饋線上的故障電流，并用保護常用的全周傅氏算法提取其工頻幅值，如圖7、8所示。

圖6 故障電流幅頻特性分析Fig.6 Amplitude-frequency characteristics of fault current

圖7 故障饋線2的A相故障電流Fig.7 Fault current of phase A of faulty feeder No.2

圖8 故障饋線2的A相電流工頻幅值Fig.8 Amplitude of phase-A fundamental current of faulty feeder No.2

如圖7所示，由于故障饋線短路電流中有多個衰減較少的頻點存在，其始端保護安裝處測得的短路電流有類似振蕩的波形。由圖8可見，該幅值有明顯的波動，波動過程最低點的值接近正常負荷電流的幅值。此時很容易出現(xiàn)故障電流頻繁穿越電流保護動作區(qū)的情況，這對于電流保護的正確動作是不利的。

儲能作為主電源時，網(wǎng)絡中無柴油發(fā)電機，仿真中也出現(xiàn)了相同的情況。作為主電源的儲能能夠維持其故障電流頻率仍然在工頻，而風電和光伏的故障電流頻率則偏移到了52 Hz。結合第1節(jié)的分析，這也說明當電壓極低時，電流保護無法正確動作。

3.3 一般故障頻率變化

考慮柴油發(fā)電機作為主電源，同樣將故障設置在圖2中點F1，調整過渡電阻令電壓在額定值的20%以上。此時故障饋線故障電流的幅頻特性分析如圖9所示。

圖9 故障電流幅頻特性分析Fig.9 Amplitude-frequency characteristics of fault current

從圖9可以看出，電壓跌落至額定電壓的20%時，各個電源的頻率偏移均不大。故障饋線上的主要頻點依然是工頻，其他頻點幅值都很小。

繪出此時故障饋線2上的A相電流的波形以及采用全周傅氏算法提取的工頻幅值，見圖10、11。

圖10 故障饋線2的A相故障電流Fig.10 Fault current of phase A of faulty feeder No.2

圖11 故障饋線2的A相電流工頻幅值Fig.11 Amplitude of phase-A fundamental current of faulty feeder No.2

圖10顯示此時故障電流與傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障電流類似，不再有類似振蕩的波形出現(xiàn)。用全周傅氏算法提取工頻幅值也比較穩(wěn)定。這種故障電流與正常負荷電流有明顯區(qū)別，并且幅值波動不大，可以輸入到過電流保護中進行故障判斷。

大量仿真發(fā)現(xiàn)，頻率偏移問題主要出現(xiàn)在電壓跌落程度較高的故障中，兩相短路基本無此問題。只要電源之間仍有較好的電氣聯(lián)系，鎖相環(huán)就能準確鎖住電網(wǎng)頻率。如果讓各個微電源按低電壓穿越的標準來設計自身保護，發(fā)生電壓跌落程度在20%以上的故障時，通過適當?shù)恼ㄖ翟O置并在必要時使用低電壓和負序電壓的啟動元件，過電流保護可以正確動作。

4 微電源阻抗變化及對保護的影響

目前基于故障分量的保護已經(jīng)在電力系統(tǒng)中廣泛運用，長期的運行實踐表明，該原理在常規(guī)電網(wǎng)中有優(yōu)良的性能。該原理認為電網(wǎng)是一個線性網(wǎng)絡，可以將故障時的狀態(tài)等效分解為非故障狀態(tài)和故障附加狀態(tài)的疊加。微電網(wǎng)當中含有許多通過逆變器并網(wǎng)的微電源，其控制系統(tǒng)的非線性使得故障期間的電網(wǎng)不能等效為一個線性網(wǎng)絡。分析此時基于故障分量的保護能否正常工作，是很有必要的。各種基于故障分量原理的保護，其整定值的設置或者參與故障判斷的電氣量的獲取均涉及到網(wǎng)絡中各個元件的阻抗。下文將分析微電網(wǎng)故障期間微電源阻抗的變化及其對保護的影響。

在柴油發(fā)電機作為主電源條件下，在饋線2中點F2處設置BC相短路。使用目前保護普遍采用的方法來求解各個電源出口處以及故障饋線保護安裝處感受到的序阻抗，其幅值（標幺值）和相角見圖12。

圖12 各電源及故障饋線出口的序阻抗分析Fig.12 Sequence impedances of microsources and faulty feeder

由圖12可以看出，除了作主電源的柴油發(fā)電機和儲能的序阻抗比較穩(wěn)定外，其他通過逆變器并網(wǎng)的微電源的序阻抗均有波動，并且正序阻抗和負序阻抗不相等。在這種條件下，在饋線2始端測得的系統(tǒng)阻抗也不是穩(wěn)定的，并且此時正序阻抗的幅值與相角的波動較負序阻抗大。

由于逆變器等效阻抗的獲取比較困難，計算和測量都要求很高［27-28］，并且阻抗值還隨著工作點的變化而變化。尤其是電網(wǎng)故障期間，工作點的變化可能更劇烈，很難事先確定逆變器的序阻抗，也就無法準確地給保護設置整定值。而由前述的分析可知，用現(xiàn)有的方法計算出的序阻抗無法用來實時確定整定值。

基于故障分量的方向元件的動作判據(jù)如式（1）、（2）所示。

正方向：

反方向：

點F2兩相故障時，除了饋線2始端的方向元件應判斷為區(qū)內故障外，各個電源出口處的方向元件應該判斷為區(qū)外故障。從圖12可以看出，作為主電源的柴油發(fā)電機和儲能的正、負序阻抗相角均正確處在反向不動作區(qū)。其他幾個處于PQ控制模式的微電源，其正序阻抗的相角處于正向動作區(qū)，判斷錯誤，而負序阻抗的相角則在反向不動作區(qū)，判斷正確。而故障饋線保護安裝處測得的序阻抗，其相角均在反向不動作區(qū)，判斷錯誤。

仿真分析中發(fā)現(xiàn)，U/f控制或下垂控制的逆變器，其序阻抗特性類似于傳統(tǒng)同步機，而PQ控制的逆變器，其序阻抗不穩(wěn)定且正負序阻抗明顯不等。在電網(wǎng)中有PQ控制的微電源時，饋線上的序阻抗特性，即系統(tǒng)阻抗也與普通電網(wǎng)不同，這會引起基于序分量的方向元件的誤判，也會嚴重影響需要求解系統(tǒng)阻抗的保護的整定。顯然在擁有直驅風機與光伏的電網(wǎng)當中，不宜使用基于故障分量原理的保護。

5 結論

獨立運行的微電網(wǎng)完全依靠自身電源，本文認為應將其視為一個獨立的電力系統(tǒng)，設計時各個微電源故障期間應當提供一定的故障電流，各個微電源自身的保護應按低電壓穿越的標準來整定，以確保網(wǎng)絡有一定的供電可靠性。綜合全文的分析可得出以下結論：

a.當故障嚴重到電壓低于低電壓穿越的最低電壓要求時，傳統(tǒng)電流保護已無法滿足要求，應在關鍵位置配置縱聯(lián)保護，而不能配置電流速斷保護；

b.當故障發(fā)生但是電壓尚在低電壓穿越要求的最低電壓以上時，過電流保護仍有足夠的時間可靠切除故障，微電網(wǎng)帶來的新特性對這種保護影響不大；

c.獨立運行的微電網(wǎng)不宜配置基于故障分量原理的保護以及方向元件。

微電網(wǎng)的拓撲雖各有不同，但都是以可再生能源為主體，各個微電源主要通過逆變器并網(wǎng)。希望通過本文的分析，能給近期進行的微電網(wǎng)工程提供一些保護配置方案的參考。