基于多分布式電源的孤網(wǎng)繼電保護(hù)研究

熊衛(wèi)東

摘 要：部分孤島網(wǎng)絡(luò)分布式電源數(shù)量較多，依據(jù)其特性，對(duì)故障后控制要求具備清晰的認(rèn)知，提出具體控制方法，確保故障后期，分布式電源向孤網(wǎng)注入故障電流，便于繼電保護(hù)。通過保護(hù)性能研究，驗(yàn)證逆變器電源故障后控制是否有效。

關(guān)鍵詞：多分布式；電源；孤網(wǎng)；繼電保護(hù)

0 引言

分布式發(fā)電技術(shù)以可再生能源為主，因自身缺陷，使常規(guī)狀態(tài)下分布式發(fā)電難以實(shí)現(xiàn)，為微電網(wǎng)技術(shù)提供了應(yīng)用發(fā)展空間。不同于分布式發(fā)電，微電網(wǎng)和大電網(wǎng)將公共連接點(diǎn)作為連接載體，假使發(fā)生故障，以計(jì)劃孤島內(nèi)形式對(duì)其進(jìn)行解列，對(duì)大電網(wǎng)繼電保護(hù)無影響。如果是微電網(wǎng)內(nèi)部故障，未及時(shí)切除故障元件，很容易使孤島網(wǎng)絡(luò)崩潰。孤網(wǎng)繼電保護(hù)研究極為必要。

1 較大比重逆變器電源繼電保護(hù)

現(xiàn)階段，微電網(wǎng)研究以恒功率、恒壓恒頻控制為主，而微電網(wǎng)保護(hù)研究則比較少?？刹捎靡韵聝煞N方式進(jìn)行微電網(wǎng)保護(hù)。（1）并網(wǎng)和孤島保護(hù)方法相同，成本低，保護(hù)原理復(fù)雜。（2）在原有方案基礎(chǔ)上，提出備選方案，結(jié)合運(yùn)行情況，給予針對(duì)性保護(hù)。

當(dāng)前研究中并未對(duì)微電網(wǎng)自身特性進(jìn)行考量，僅研究穩(wěn)態(tài)控制方式下的逆變器電源故障特性，以此為基礎(chǔ)，實(shí)施保護(hù)。當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不正?；蚬收宵c(diǎn)與逆變器電源端距離較遠(yuǎn)，可采用該種保護(hù)方式。因微電網(wǎng)比較小，假使內(nèi)部出現(xiàn)故障，逆變器無法承受過電流。電源內(nèi)部針對(duì)電力電子器件保護(hù)會(huì)動(dòng)作而閉鎖輸出，該過程執(zhí)行難度較大。需加大微電網(wǎng)控制和保護(hù)研究力度[1]。

2 微電網(wǎng)控制與保護(hù)特點(diǎn)

2.1 微電網(wǎng)電源特性

分布式電源是微電網(wǎng)中的重要內(nèi)容，因其通過逆變器實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)接入，可將其稱為逆變器電源。其既能夠向電網(wǎng)發(fā)出功率，又能夠進(jìn)行多余電源吸收，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和逆變器電源功率交互。逆變器電源無大型轉(zhuǎn)子，將電容設(shè)置在前級(jí)直流電源和逆變器之間，以在暫態(tài)過程中通過電能吸收或提供滿足功率變化要求。微電網(wǎng)電源特征：

（1）等值阻抗小。無論是換流變壓器，還是換流電抗器，都會(huì)導(dǎo)致逆變器電源等值電抗，而等值電阻又是由主電路中的損耗電阻生成。逆變器等值阻抗為0.10～0.15pu，同步發(fā)電機(jī)同步電抗在1.00pu以上。暫態(tài)背景下，比較同步發(fā)電機(jī)和逆變器電源次暫態(tài)電抗，前者大于后者。因而，其無法對(duì)短路電流進(jìn)行有效限制，可通過電流幅值限制實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件保護(hù)。

（2）響應(yīng)速度快。運(yùn)行過程中的同步發(fā)電機(jī)，內(nèi)部轉(zhuǎn)子鐵芯和定子繞組耦合磁鏈，有豐富的磁場(chǎng)能，暫態(tài)過程長。電力電子裝置是逆變器電源能量分配的實(shí)現(xiàn)載體，電抗儲(chǔ)存能量小，一旦發(fā)生短路，電流會(huì)有很大變化，而控制系統(tǒng)響應(yīng)速度也很快，故而暫態(tài)過程短，短路后即可穩(wěn)定。因而，逆變器運(yùn)行狀態(tài)改變具有瞬時(shí)性[2]。

（3）承受故障電流小。同步發(fā)電機(jī)短路時(shí)，短路電流峰值很高，甚至可達(dá)額定電流數(shù)十倍。逆變器電源短路后輸出電流極限主要由其冗余度決定。當(dāng)故障問題比較嚴(yán)重，逆變器電源故障電流遠(yuǎn)非其所能承受，內(nèi)部電力電子保護(hù)非靜止，對(duì)閉鎖功率器件進(jìn)行輸出，以免損壞設(shè)備。

表明，逆變器電流故障和同步發(fā)電機(jī)存在差異。后者雖存在故障問題，仍能夠通過慣性，持續(xù)輸出故障電流；而逆變器電源響應(yīng)速度非?？?，難以承受過電流，無法滿足故障狀態(tài)下過流要求。

2.2 逆變器電源運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)換判據(jù)

只有了解逆變器電源故障狀態(tài)，才能夠?qū)ζ溥M(jìn)行故障后控制，對(duì)逆變器電源約束條件具備明確認(rèn)知，將其運(yùn)行狀態(tài)劃分為故障、常態(tài)及非常態(tài)3種。常規(guī)狀態(tài)下的逆變器電源輸出穩(wěn)定，電壓頻率合格，符合微電網(wǎng)運(yùn)行要求。非正常狀態(tài)下，逆變器運(yùn)行與其約束條件不符，但具備可控性，可更改控制方式，實(shí)現(xiàn)約束條件更新，確保輸出穩(wěn)定，而微電網(wǎng)也處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

假使逆變器電源與電流約束不符，表明其處于故障狀態(tài)。常規(guī)控制方法不具備適用性，逆變器電源故障后控制方法多依據(jù)微電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)保護(hù)之后，進(jìn)行故障切除，繼而使其恢復(fù)到常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

3 逆變器電源故障后控制

嚴(yán)格執(zhí)行逆變器故障后控制，能夠提升微電網(wǎng)線路保護(hù)性能。假使故障電流不越限，為保護(hù)裝置提供持續(xù)故障信息。

3.1 等效電壓源控制

其屬于間接電流限制。通過降低PWM的占空比，使逆變器電源在預(yù)先設(shè)定好的輸出電壓處運(yùn)行，即使其經(jīng)內(nèi)阻抗，電流也不會(huì)越限。它屬于限壓控制方式，應(yīng)用過程中，如果有專門的故障限流器，原輸出額定電壓不會(huì)發(fā)生改變，經(jīng)FCL阻抗，使電流不越限，其為恒壓控制方式。如圖1所示，等效電壓源控制模型。

3.2 等效電流源控制

該電流限制比較直接。假使輸出電流為額定電流，且在一定限制范圍內(nèi)，采用常規(guī)控制方法。超出該限值，限定在極限值。通過對(duì)PWM占空比進(jìn)行更改，實(shí)現(xiàn)輸出電流約束，將其控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。該過程中，應(yīng)用電抗串聯(lián)限流法，借助FCL，使恒定電流保持輸出狀態(tài)，而該控制方式為恒流控制。

故障位置各異，很容易看出逆變器電源輸出電流幅值非線性特點(diǎn)。某故障點(diǎn)與電源出口相距甚遠(yuǎn)，其發(fā)生短路，故障后控制方式下的逆變器電源流過的故障電流仍未到極限值，其與故障點(diǎn)位置相關(guān)。假使故障電流過大，會(huì)使逆變器電源電流輸出被限制在一個(gè)恒定量。各逆變器電源冗余度設(shè)計(jì)不足，使輸出故障電流都有其各自極限值?？山柚i相環(huán)控制，使故障量相位與故障前瞬間相位保持一致。如圖2所示，等效電流源控制模型。

4 故障后控制下的保護(hù)分析

如圖3所示，該計(jì)劃內(nèi)孤島配電系統(tǒng)包含多個(gè)逆變器電源，系統(tǒng)線電壓400V，中性點(diǎn)接地運(yùn)行。

4.1 故障后控制下過電流保護(hù)

依據(jù)各故障點(diǎn)電流幅值，定位和隔離故障。將恒流/限流控制作為備選方式，屬恒流源。該種方式使過電流保護(hù)不能通過電流區(qū)對(duì)故障點(diǎn)位置進(jìn)行合理區(qū)分，無選擇性可言。恒壓控制過程中，F(xiàn)CL投入較大，使保護(hù)范圍縮小，難以滿足相關(guān)要求，可選用限壓控制方式，更改逆變器電源功率器件占空比，實(shí)現(xiàn)電源端電壓控制，理想特性為恒壓源[3]。

4.2 故障后控制下低電壓保護(hù)

逆變器電源為故障后控制，有最大故障電流限值。微電網(wǎng)線路越短，其阻抗越小。當(dāng)微電網(wǎng)線路處于故障狀態(tài)下時(shí)，母線電壓也會(huì)發(fā)生更改，而低電壓保護(hù)因故障信息而迅速動(dòng)作，用限壓和恒流/限流對(duì)逆變器電源故障進(jìn)行后控制。對(duì)比各類故障控制方式，低電壓均具備較高靈敏度。但故障電流存在極限值，加之，阻抗小，使低電壓保護(hù)很容易被故障信息干擾，增加整定值確定難度。

5 結(jié)語

綜上所述，基于分布式電源的孤網(wǎng)繼電保護(hù)專業(yè)性強(qiáng)，研究難度較大，重點(diǎn)探討和分析逆變器電源故障后控制方式，對(duì)其具備明確的認(rèn)識(shí)，將外部故障對(duì)逆變器電源的影響降到最低，繼而有效驗(yàn)證傳統(tǒng)保護(hù)方式在故障后控制中是否具備適用性，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)線路保護(hù)原理設(shè)計(jì)，提升保護(hù)性能。

參考文獻(xiàn)

[1]劉喆.基于雙向信息的微電網(wǎng)二次保護(hù)系統(tǒng)研究[J].科協(xié)論壇，2013，（12）：45-46.

[2]李黎.分布式發(fā)電技術(shù)及其并網(wǎng)后的問題研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（2）：55-59.

[3]許健，趙春霞.針對(duì)多分布式電源的孤網(wǎng)繼電保護(hù)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2015，31（2）：78-82.

（作者單位：國電南瑞科技股份有限公司）