交直流混合微電網(wǎng)保護(hù)方案的研究

馬立群，劉立群，張聰明，白 薇

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

隨著當(dāng)今世界進(jìn)入電氣智能時(shí)代，供電系統(tǒng)保護(hù)的重要性也越發(fā)重要，其中，供電系統(tǒng)的可靠性和電能質(zhì)量是人們的關(guān)注焦點(diǎn)，而微電網(wǎng)的概念也正式被人們所關(guān)注。微電網(wǎng)的組成包括負(fù)荷、分布式電源、儲(chǔ)能裝置和控制裝置四部分，其中，由大量電力電子器件構(gòu)成的內(nèi)部電源的主要功能是為微電網(wǎng)提供必要的控制和接口。微電網(wǎng)的運(yùn)行方式包括并網(wǎng)運(yùn)行與孤網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，為了保證重要負(fù)荷的持續(xù)供電微電網(wǎng)將轉(zhuǎn)換成孤網(wǎng)運(yùn)行模式，當(dāng)故障解除時(shí)微電網(wǎng)又轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)運(yùn)行模式[1-4]。交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)是微電網(wǎng)的兩種模式，由于傳統(tǒng)的配電網(wǎng)主要以交流電網(wǎng)模式存在，導(dǎo)致目前的研究重點(diǎn)主要放在交流微電網(wǎng)。直流微電網(wǎng)與交流微電網(wǎng)的區(qū)別在于:直流微電網(wǎng)不存在相位同步、諧波和無功功率損耗等方面的問題，因此成為現(xiàn)在所研究的重點(diǎn)[5]。

為了滿足目前電氣時(shí)代的需要，以確保電能質(zhì)量與用電可靠性的要求，微電網(wǎng)的保護(hù)已成為重點(diǎn)研究對(duì)象。當(dāng)微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)時(shí)，改變了配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流方向，改變了零序電流的大小和方向，進(jìn)而影響傳統(tǒng)保護(hù)的保護(hù)范圍和靈敏度[6]。由交流母線與直流母線混合構(gòu)成的微電網(wǎng)，我們稱之為交直流混合微電網(wǎng)[7]。

文獻(xiàn)[8]為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與孤網(wǎng)之間的有效轉(zhuǎn)換，提出一種改進(jìn)的直流分層控制策略。文獻(xiàn)[9]基于一種自適應(yīng)交流保護(hù)策略來分析單極閉鎖后交流側(cè)無功功率、有功功率的變化特征，從而判斷并切除故障。文獻(xiàn)[10]提出一種基于非單元保護(hù)的方案來對(duì)混合配電網(wǎng)的直流側(cè)故障進(jìn)行保護(hù)，該保護(hù)方案使得系統(tǒng)非故障極在單極短路故障時(shí)仍能單極運(yùn)行。本文根據(jù)交直流混合微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，針對(duì)故障的發(fā)生情況，對(duì)傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)予以改進(jìn)，并利用MATLAB仿真軟件進(jìn)行分析，驗(yàn)證交直流保護(hù)的準(zhǔn)確性與速斷性。

1 交直流微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合型微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其構(gòu)成由配電網(wǎng)、PCC快速開關(guān)、分布式電源、交流系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、雙向AC/DC變換器、升壓/降壓系統(tǒng)。配電網(wǎng)中的交流電通過AC/DC整流器將交流電變換成直流電傳輸給直流母線，直流電通過升壓/降壓系統(tǒng)傳遞給直流端用電設(shè)備。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，為了保證微電網(wǎng)重要負(fù)荷的持續(xù)供電進(jìn)而提高其用電可靠性，迅速斷開PCC，此時(shí)微電網(wǎng)將由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)楣戮W(wǎng)運(yùn)行。微電網(wǎng)中由大量的電力電子器件構(gòu)成的分布式電源，需要雙向AC/DC變換器進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，由于電力電子器件中包含飽和模塊，會(huì)阻礙最大短路電流的通過，將把故障電流限制在更小的范圍內(nèi)，因此傳統(tǒng)的繼電保護(hù)已經(jīng)不能滿足交直流混合微電網(wǎng)的保護(hù)特性，因其保護(hù)動(dòng)作值很大，所以將會(huì)導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作的拒動(dòng)和誤動(dòng)，對(duì)微電網(wǎng)的可靠性造成不良影響。

圖1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 Structure of hybrid AC/DC grid

2 逆變側(cè)交流母線過電壓原理分析

在交直流混合微電網(wǎng)中，當(dāng)直流電逆變成交流電時(shí)，交流電流相角總要落后其電壓相角，因此在微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，逆變器需要從交流系統(tǒng)中吸收大量的無功功率。如圖2所示在交直流混合微電網(wǎng)中，逆變側(cè)與交流系統(tǒng)的無功功率變換如式(1)所得：

Qac=Qc-Qdc

(1)

式中：Qac為交流側(cè)無功功率；Qc為交流側(cè)濾波器和電容所吸收的無功功率；Qdc為逆變器所消耗的無功功率。

圖2 交直流混合微電網(wǎng)模型
Fig.2 Model of hybrid AC/DC grid

交流側(cè)交流母線電壓U與無功功率Qac關(guān)系如下：

(2)

若θ=90°則U的等式為：

(3)

由式(3)可知，交流側(cè)無功功率和有功功率會(huì)受交流母線電壓變化的影響，當(dāng)交流母線電壓升高時(shí)，交流側(cè)無功功率增加，有功功率減少。當(dāng)直流系統(tǒng)故障時(shí)，逆變側(cè)與換流器相聯(lián)，直流系統(tǒng)在被斷開之前仍向交流側(cè)輸送大量的有功功率，而流失的功率將被交流側(cè)上的濾波器等設(shè)備吸收，這將引起逆變側(cè)交流母線電壓大幅升高。

在交直流混合微電網(wǎng)中，分布式電源的特點(diǎn)具有不穩(wěn)定性，其受太陽能光照強(qiáng)度，風(fēng)機(jī)承受的風(fēng)力大小等因素的影響，由此改變了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和潮流方向的不確定性，而且微電網(wǎng)的模式小、輸電距離短，將會(huì)使得傳統(tǒng)的保護(hù)不再適用。如圖3所示，在2 s時(shí)直流側(cè)發(fā)生甩負(fù)荷致使逆變側(cè)交流母線電壓升高，交流系統(tǒng)中出現(xiàn)由換流器或換流閥傳遞而來的直流系統(tǒng)故障，從而引起逆變側(cè)交流母線電壓大幅波動(dòng)。

圖3 逆變側(cè)交流系統(tǒng)電壓波形
Fig.3 Voltage waveform of AC system on inverter side

3 直流系統(tǒng)對(duì)交流側(cè)故障響應(yīng)

交流暫態(tài)侵入原理如圖4所示，交流系統(tǒng)發(fā)生故障后，將導(dǎo)致交流側(cè)暫態(tài)變化，主要為換相電壓的改變。由于交直流系統(tǒng)的相互作用，還會(huì)引起直流側(cè)暫態(tài)改變，而換流器的輸出發(fā)生改變將直接影響直流端電壓改變，類似于在原有結(jié)構(gòu)上加入了一個(gè)暫態(tài)電壓源，將導(dǎo)致直流端暫態(tài)電氣特征的改變。因此直流系統(tǒng)將不能對(duì)獨(dú)立的交流系統(tǒng)所發(fā)生的故障進(jìn)行正確的識(shí)別，進(jìn)而影響直流系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)。從交流系統(tǒng)的角度看，直流系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)功率源或電流源，其變化速度快，對(duì)交流系統(tǒng)有功功率影響大[11]。

圖4 交流暫態(tài)侵入與直流系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)
Fig.4 AC transient invasion and transient response of DC system

4 改進(jìn)后的交直流保護(hù)配合方案

在交直流混合微電網(wǎng)中，當(dāng)直流側(cè)發(fā)生甩負(fù)荷造成過電壓時(shí)，由于微電網(wǎng)本身的特性使得交流系統(tǒng)電壓會(huì)大幅波動(dòng)造成其電能質(zhì)量的降低，因此當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，交流系統(tǒng)應(yīng)準(zhǔn)確檢測(cè)并予以切除故障區(qū)域，其保護(hù)動(dòng)作邏輯可表示為：

(4)

(5)

式中：Im和In分別表示交流系統(tǒng)負(fù)載兩端電流，Id為差動(dòng)電流，Ir為制動(dòng)電流，為防止保護(hù)誤動(dòng)作引入制動(dòng)系數(shù)K，Iq為差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作值。對(duì)于交直流混合微電網(wǎng)來說，當(dāng)交流側(cè)發(fā)生高阻故障時(shí)，其差動(dòng)電流將會(huì)很小，因此將不能滿足差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作值，進(jìn)而發(fā)生保護(hù)拒動(dòng)現(xiàn)象。為了加強(qiáng)交直流系統(tǒng)的配合，提高動(dòng)作的可靠性對(duì)原有差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖5所示：

圖5 保護(hù)動(dòng)作邏輯出口框圖
Fig.5 Logic block for protection actions

式中：Ud和Uset分別代表交流系統(tǒng)電壓和動(dòng)作定值，Kset表示交流系統(tǒng)電流差值的斜率動(dòng)作值。當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，判斷邏輯過程如下：

(1)步驟a、b用于交流系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)，差動(dòng)電流與電壓若同時(shí)滿足制動(dòng)定值時(shí)將執(zhí)行c，反之閉鎖保護(hù)，防止交流側(cè)保護(hù)誤動(dòng)作。

(2)步驟d用于判斷相差0.01 s時(shí)交流側(cè)電流變化率，其變化率滿足動(dòng)作值時(shí)保護(hù)動(dòng)作，反之閉鎖保護(hù)。

(3)當(dāng)c、d同時(shí)滿足時(shí)，保護(hù)將啟動(dòng)并切除故障區(qū)域。

在交直流混合微電網(wǎng)中，為了提高保護(hù)的可靠性與速斷性，交直流保護(hù)的相互配合起到了至關(guān)重要的作用，下面通過仿真來驗(yàn)證保護(hù)的可靠性。

5 MATLAB仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出改進(jìn)后的交直流保護(hù)方案的可靠性與速斷性，建立了Matlab/Simulink仿真模型，相比于傳統(tǒng)保護(hù)的性能，該保護(hù)方案更加安全可靠。

當(dāng)直流側(cè)在2 s時(shí)發(fā)生甩負(fù)荷造成過電壓時(shí)，換流器的有功功率和無功功率變化情況由圖6和圖7可知，其有功功率迅速增加而無功功率減少。

當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)改進(jìn)的差動(dòng)保護(hù)邏輯框圖，設(shè)定的參數(shù)如下：直流電壓380 V、頻率50 Hz，線路中電容2.25 F，換流器采用PQ變換控制策略保證恒功率輸出，根據(jù)線路阻抗的因素，考慮測(cè)量誤差設(shè)定Kset=0.01.圖8為故障在0.3 s時(shí)，相差0.01 s時(shí)交流側(cè)的電流變化率，圖9為故障發(fā)生在0.3 s時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)交流側(cè)母線電壓變化情況。

圖6 故障后換流器有功功率變化率
Fig.6 Active power change rate of converter after fault

圖7 故障后換流器無功功率變化率
Fig.7 Reactive power change rate of converter after fault

圖8 交流側(cè)電流變化
Fig.8 The AC side current change

圖9 交流側(cè)故障期間交流母線電壓
Fig.9 The AC bus voltage during fault

由仿真結(jié)果圖10可得，改進(jìn)后的差動(dòng)保護(hù)能夠準(zhǔn)確的識(shí)別故障點(diǎn)并迅速切除故障，與傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)相比大大提高了速斷性，使交直流混合微電網(wǎng)更加安全穩(wěn)定。

圖10 故障保護(hù)對(duì)比分析
Fig.10 Comparative analysis of fault protection

6 結(jié)論

本文利用交直流混合微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)交流保護(hù)與直流保護(hù)進(jìn)行了分析，在其特有的結(jié)構(gòu)形式下，提出了一種改進(jìn)的差動(dòng)保護(hù)方案。該保護(hù)方案對(duì)交直流混合型微電網(wǎng)的故障保護(hù)更加準(zhǔn)確且其速斷性更好。通過MATLAB/Simulink仿真工具搭建模型，驗(yàn)證了其保護(hù)方案的可行性。該保護(hù)方案能夠保證交直流混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行與孤網(wǎng)運(yùn)行之間的有效切換，且提高了電能質(zhì)量，從而保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。