含V/f控制IIDG的獨立運行微電網(wǎng)故障特性分析

何 晉，駱 通，李 珂，周石金，楊 凡，曹魯成，管恩齊

(1.云南民族大學 電氣信息工程學院，云南 昆明 650000；2.云南電力試驗研究院(集團)有限公司系統(tǒng)研究所，云南 昆明 650217；3.國網(wǎng)山東省電力公司 單縣供電公司，山東 菏澤 274300)

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、電力電子裝置、能量轉換裝置、監(jiān)控和保護裝置、負荷等匯集而成的新型發(fā)配電系統(tǒng)[1-3].微電網(wǎng)中的分布式電源大部分需要通過變流器接入中壓或低壓配電網(wǎng)[4]，此類電源可簡稱為逆變型分布式電源(IIDG)[5].微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)有很大的不同，如運行方式、電源類型與容量、短路電流大小、潮流方向等[6].微電網(wǎng)存在與常規(guī)大電網(wǎng)并網(wǎng)運行和與電網(wǎng)斷開獨立運行的兩種典型運行方式[7]，其中獨立運行又稱孤島運行，運行時微電網(wǎng)因與大電網(wǎng)不存在電氣連接，因此僅由其內的分布式電源給負荷供電[8].當獨立運行微電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，其故障線路的故障特性與并網(wǎng)運行時有很大區(qū)別[9]，并且受分布式電源控制方式的影響，從而使得并網(wǎng)運行時的保護方案可能在獨立運行時不再適用[6].因此，有必要對獨立運行微電網(wǎng)的故障特性展開分析，為微電網(wǎng)的保護研究提供基礎.

目前對于獨立運行微電網(wǎng)的故障特性分析已有學者進行了研究，文獻[6]對故障時逆變型分布式電源在V/f和PQ控制策略下的輸出電流特性進行了分析.文獻[8]分析了主控儲能電源支路和光伏電源支路的阻抗特性.文獻[9]分析了V/f和PQ控制的逆變型分布式電源故障特性以及微網(wǎng)線路發(fā)生短路時的故障特性，沒有對故障類型、分布式電源容量和故障發(fā)生位置的不同展開研究.文獻[10]分析了逆變型分布式電源的暫態(tài)故障特性.文獻[11] 分析了V/f控制DG的故障特性，主要針對微電網(wǎng)發(fā)生三相金屬性和非金屬性故障.文獻[12]根據(jù)實際微電網(wǎng)的拓撲結構，在考慮故障電流受限時分布式電源和饋線的電流故障特性，主要針對三相短路故障.文獻[13]根據(jù)一個實際應用的微電網(wǎng)工程, 在RTDS上搭建半實物仿真平臺進行仿真分析并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下微電網(wǎng)內部的故障特性.文獻[14]對僅含V/f控制IIDG和同時含V/f和PQ控制IIDG的微電網(wǎng)，針對IIDG的輸出故障特性進行了定量分析.文獻[15]通過在Matlab上搭建微電網(wǎng)模型，分析了當線路發(fā)生非金屬性三相和兩相故障時V/f控制IIDG輸出電流、電壓故障特性.

本文將從單相故障類型和故障發(fā)生位置兩個方面分析，針對僅含V/f控制IIDG的獨立運行微電網(wǎng)以及同時含V/f和PQ控制IIDG的獨立運行微電網(wǎng)展開分析，希望可以找到獨立運行微電網(wǎng)發(fā)生故障時的一些共性，為微電網(wǎng)的保護研究提供參考.

1 控制策略

1.1 V/f控制

恒壓恒頻控制(V/f控制)[16]，調節(jié)性能良好可以對電壓和頻率進行無差調節(jié)，廣泛應用于實際工程中[11,17]，其目的是維持獨立運行微電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定[18]，根據(jù)文獻[19]可得其控制結構如圖1所示.

并網(wǎng)側電壓us的dq軸分量usd、usq與其參考值usdref、usqref比較后，經PI控制器跟蹤處理以及經網(wǎng)側電流isd、isq前饋補償與-ωCusq、ωCusd交叉耦合補償后，得到逆變橋輸出參考電流idref、iqref.逆變橋輸出電流i的dq軸分量id、iq與參考電流idref、qref進行比較，經PI控制器、網(wǎng)側電壓usd、usq前饋補償與-ωLisq、ωLisd交叉耦合補償后，再經模值限幅器最終輸出調制信號md、mq.

1.2 PQ控制

恒功率控制(PQ控制)[2]，其目的主要是控制逆變型分布式電源輸出恒定的功率[4]，采用功率外環(huán)控器和電流內環(huán)控制器的雙閉環(huán)控制模式，根據(jù)文獻[19]可得其控制結構如圖2所示.

通過功率公式計算出Ps、Qs，然后與參考功率Pref、Qref進行比較后得到的差值輸入PI控制器，差值經PI控制器進行跟蹤處理得到參考電流idref和iqref.PQ控制與V/f控制僅在外環(huán)控制的不同，其電流內環(huán)控制部分與V/f控制一樣，具體詳見V/f控制部分.

圖1 V/f控制結構

圖2 PQ控制結構

2 僅含V/f控制微電網(wǎng)

2.1 微電網(wǎng)結構

由文獻[11]可得僅含V/f控制微電網(wǎng)結構如圖3所示，根據(jù)文獻[4]可將微電網(wǎng)分為逆變型分布式電源上游、下游和相鄰饋線3個區(qū)域，當故障發(fā)生時，故障點總會在其中某一區(qū)域內.多個V/f控制IIDG根據(jù)輸出電流的極限和容量可以歸并等效為1個V/f控制的IIDG[14].

2.2 故障特性分析

微電網(wǎng)不同區(qū)域發(fā)生三相短路故障時的等效電路圖如圖4所示，微電網(wǎng)常接入低壓配電網(wǎng)中，故討論其中性點不接地的情況，故障時V/f控制IIDG等效為受并網(wǎng)點輸出電流控制的電壓源[6]，同時為了提高獨立運行微電網(wǎng)的故障穿越能力，V/f控制IIDG輸出的故障電流為額定電流的3～5倍[18].

圖3 微電網(wǎng)結構

圖4 等效電路

其中Ug、Ik、Z分別為V/f控制IIDG的等效電壓、流向故障點的短路電流、IIDG到故障點的線路阻抗，則Ik為：

(1)

因微電網(wǎng)線路很短，故不同點發(fā)生故障時，故障電流Ik大小相差不大；同時由于IIDG的容量有限和變流器的限流原因，V/f控制IIDG無法完全支持系統(tǒng)電壓，使得IIDG并網(wǎng)點電壓會出現(xiàn)大幅跌落[14].

2.3 實例仿真

在PSCAD/EMTDC搭建如圖3所示的10kV微電網(wǎng)，V/f控制IIDG額定容量為1.35 MW;實際工程中風能、光伏等電源接入的配電網(wǎng)線路較短，對地電容可不考慮，輸電線路用等效的PI電路[20]，線路長度L1= 3 km、L2=L3=1 km，線路單位阻抗Z=(0.58+j0.84)Ω/km;負荷大?。篠Ld1=0.8 MV·A，cos φ1=0.95；SLd2=0.6 MV·A，cos φ2=0.9，將線路的中點設置為故障點，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后的 0.3 s 時發(fā)生故障,故障時間為 0.2 s.在工程實際中常發(fā)生的短路故障類型為單相接地，限于文章的篇幅本文僅給出A相接地短路的金屬性和非金屬性故障(過渡電阻為 10 Ω)的仿真與分析.

f1點發(fā)生金屬性和非金屬性故障時，流過保護QF1的A相短路電流波形和IIDG并網(wǎng)A相電壓波形如圖5所示.

圖5 f1點故障

f2點和f3點發(fā)生故障時，流過保護的A相短路電流和IIDG并網(wǎng)A相電壓如表1所示.

表1 短路電流和并網(wǎng)電壓

其中I1、I2、I3分別為f1點故障時流過保護QF1的A相短路電流幅值、f2點故障時流過保護QF4的A相短路電流幅值、f3點故障時流過保護QF5的A相短路電流幅值；U1、U2、U3分別為f1點故障時IIDG并網(wǎng)A相電壓幅值、f2點故障時IIDG并網(wǎng)A相電壓幅值、f3點故障時IIDG并網(wǎng)A相電壓幅值，電流單位為kA、電壓單位為kV，下文相同不再贅述.

由圖5和表1可知，金屬性故障電流比非金屬性故障電流大，金屬性故障電流會增加到約為3倍的額定電流，不同點故障時電流大小相差不大，與2.2節(jié)理論分析相同；故障時IIDG并網(wǎng)電壓都會大幅跌落，金屬性比非金屬性跌落幅度大，IIDG離故障點越近并網(wǎng)點電壓跌落幅度越大.

3 含V/f和PQ控制微電網(wǎng)

3.1 微電網(wǎng)結構

同時含V/f和PQ控制IIDG的獨立運行微電網(wǎng)采用主從控制[8]，獨立運行微電網(wǎng)正常運行時，一般由儲能裝置或微型燃氣輪機作為主微電源，同時由于光伏發(fā)電、風力發(fā)電出力的隨機性，因此其常采用PQ控制來實現(xiàn)功率輸出的恒定[6]，其中V/f控制IIDG為主微電源，PQ控制IIDG為從微電源[21]，根據(jù)文獻[6]建立同時含V/f和PQ控制IIDG的獨立運行微電網(wǎng)簡化模型如圖6所示.

圖6 微電網(wǎng)

3.2 故障特性分析

微電網(wǎng)不同區(qū)域發(fā)生三相短路故障時的等效電路圖如圖7所示，微電網(wǎng)常接入低壓配電網(wǎng)中，故障時PQ控制IIDG等效為受并網(wǎng)點電壓控制的電流源[22]，PQ控制IIDG最大輸出電流為1.5～2倍的額定電流[6].

圖7 等效電路

其中，Ug為V/f控制IIDG的等效電壓，Ig為PQ控制IIDG輸出等效電流，I1為故障時流過保護QF2的短路電流，I2為故障時流過保護QF6的短路電流，Z1為母線N到故障點的線路阻抗，Z2為母線P到故障點的線路阻抗.

由圖7易知，I1、I2分別為：

(2)

(3)

因微電網(wǎng)線路很短，故不同點發(fā)生故障時，故障電流I1、I2大小相差不大.同時因PQ控制IIDG主要是為了輸出功率恒定，故發(fā)生故障時PQ控制IIDG并網(wǎng)電壓可能會跌落至零.

3.3 實例仿真

在PSCAD/EMTDC搭建如圖6所示的10kV微電網(wǎng)，PQ控制IIDG有功參考功率為Pref=0.25MW，無功參考功率Qref設為0；L1=3 km、L2=1 km，其他參數(shù)同2.3節(jié)，將線路的中點設置為故障點，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后的 0.3 s 時發(fā)生故障,故障時間為 0.2 s，故障類型為A相金屬性和非金屬性接地短路.

f1點發(fā)生A相金屬性短路故障時，流過保護QF2的A相短路電流I1、流過保護QF6的A相短路電流I2和IIDG并網(wǎng)A相電壓如下圖8所示.

圖8 f1點金屬性故障

f1點發(fā)生A相非金屬性故障、f2點發(fā)生A相金屬性和非金屬性故障時，流過保護的A相短路電流和IIDG并網(wǎng)A相電壓分別如表2、3所示.

表2 流過保護的電流

表3 IIDG并網(wǎng)電壓

I1、I2、I1-2、I2-2分別為f1點故障流過保護QF2的A相電流、f1點故障流過保護QF6的A相電流、f2點故障流過保護QF2的A相電流、f2點故障流過保護QF6的A相電流；U1、U2、U1-2、U2-2分別為f1點故障PQ控制IIDG并網(wǎng)A相電壓、f1點故障V/f控制IIDG并網(wǎng)A相電壓、f2點故障PQ控制IIDG并網(wǎng)A相電壓、f2點故障V/f控制IIDG并網(wǎng)A相電壓.

由圖8和表2、3可知，當發(fā)生故障時，PQ控制IIDG故障電流會增大到約為額定電流的2倍，故障電壓會跌落到接近于零，跌落幅度比V/f控制IIDG大；金屬性故障和非金屬性故障特性基本相同，金屬性故障電流會大于非金屬性故障電流，金屬性故障電壓跌落幅度大于非金屬性故障電壓跌落幅度.

由表1、2、3可知，f1點和f2點故障時，僅含V/f控制IIDG與同時含V/f和PQ控制IIDG的微電網(wǎng)，其V/f控制IIDG的故障特性基本相同;由圖5(a)和圖8(a)可知，故障時IIDG輸出電流呈現(xiàn)恒流特性.

4 結語

本文在PSCAD/EMTDC仿真軟件上，搭建僅含V/f控制IIDG的獨立運行微電網(wǎng)與同時含V/f和PQ控制IIDG的獨立運行微電網(wǎng)仿真模型，針對單相故障類型和故障發(fā)生位置對IIDG輸出電流和并網(wǎng)電壓故障特性進行了分析，可得結論如下：

1) IIDG輸出電流呈現(xiàn)恒流特性，V/f控制IIDG 的非金屬性故障電流比金屬性故障電流要小，而PQ控制IIDG的非金屬性故障電流與金屬性故障電流基本相同；由于沒有與大電網(wǎng)連接且IIDG提供的容量有限，故障時IIDG并網(wǎng)電壓會大幅跌落.

2) 相同點發(fā)生故障時，僅含V/f控制IIDG與同時含V/f和PQ控制IIDG的微電網(wǎng)，其V/f控制IIDG的故障特性基本相同.

獨立運行微電網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲雖有差異，但微電源主要以風能、太陽能等新能源為主，絕大部分需要經過并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng).通過本文的分析，希望能為微電網(wǎng)的保護研究提供一些參考.后續(xù)會對分布式電源容量、分布電源接入位置、其他故障類型、故障線路兩端的特性以及功率特性展開研究.