基于微電源輸出功率的微電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護*

糟偉紅，袁 至

（新疆大學(xué)可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制教育部工程研究中心，烏魯木齊 830047）

0 引言

微電網(wǎng)是獨立的供電系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比存在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)多變、運行模式可變、潮流流向不確定等特點[1]。使傳統(tǒng)繼電保護方法難以滿足微電網(wǎng)的保護[2-3]。

目前對微電網(wǎng)保護的研究主要有：（1）基于本地信息的保護。李滿禮等[4-6]提出了基于本地電氣信息的自適應(yīng)保護，并結(jié)合了廣域保護、集成保護、暫態(tài)極性保護等方法的一套綜合保護方法。但該方法針對的是單個分布式電源，未基于到微網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變的特點。（2）基于智能通信的微網(wǎng)保護。王守相等[7-10]采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）、相量測量單元（PMUs）和中央保護單元（CPU）、智能終端單元（Smart Terminal Unit，STU）等通信技術(shù)對微網(wǎng)進行保護。

因此，本文綜合基于了微網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、運行模式多變及潮流方向不確定、微源輸出功率變化等因素對保護的影響，提出一種基于微源輸出功率的微電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護方案；對典型工況在PSCAD/EMTDC上進行了仿真驗證，結(jié)果表明該保護方案可靠保護微電網(wǎng)。

1 微電網(wǎng)拓撲及各處故障特性

1.1 微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEEE1547標準以及美國電力可靠性技術(shù)方案解決協(xié)會（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS）對微電網(wǎng)的定義，并結(jié)合文中基于微源輸出功率的微電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護原理，建立如圖1所示的微電網(wǎng)簡化模型。圖中，電壓等級為10.5 kV，Load1-Load4均為三相對稱負載，WTG為風(fēng)力發(fā)電微電源，PQ-DG為交流微電源，Storage Battery為儲能蓄電池，PV為光伏微電源。DSTU1-DSTU9_9為分布式智能配電終端裝置，F(xiàn)1～F9為微網(wǎng)饋線上不同位置發(fā)生的短路故障。

圖1 微電網(wǎng)簡化模型Fig.1 Thesimplified model of microgrid

1.2 微電網(wǎng)故障特性

圖1 所示為接入風(fēng)、光、儲等微源的某微電網(wǎng)[11]。微電網(wǎng)通過饋線AB、BC、AD、DE、AF、AG向負荷供電；DSTU1-9_9分別為各段饋線的保護裝置。現(xiàn)以PQ-DG微源所在饋線為例，分析微網(wǎng)故障時的特性。首先，根據(jù)PQ-DG接入的位置，將該圖分為3部分，AB、BC段為上游部分，C母線到Load2之間為下游部分，AD、DE、AF、AG段均為相鄰饋線部分。具體如下。

（1）上游部分。由于PQ-DG接在中間母線C上，所以對上游來說，是雙電源供電。當上游處出現(xiàn)短路故障時，故障電流由主網(wǎng)和PQ-DG疊加產(chǎn)生，DSTU2會流過PQ-DG供應(yīng)的反向電流，所以在母線C左側(cè)加裝了DSTU2_2，以防止這種情況發(fā)生。而且由于PQ-DG的接入，改變了線路的原有結(jié)構(gòu)，單電源供電變?yōu)殡p電源供電，使得實際流過DSTU2的電流減少，影響了保護2的靈敏度。

（2）下游部分。當F3處發(fā)生短路故障時，應(yīng)由DSTU3動作，DSTU3的啟動值受配網(wǎng)電流和PQ-DG電流的影響。實際流過DSTU3的電流增大，影響DSTU3的靈敏度。

（3）相鄰饋線部分。若AD、DE、AF、AG段上某處出現(xiàn)短路故障，DSTU1、DSTU2將會受PQ-DG提供的反向故障電流的影響，使其可能會誤啟動。

2 微源輸出功率特性

文中采用的微網(wǎng)系統(tǒng)中微源有4個：光電、風(fēng)電、交流微源、儲能裝置。

2.1 光伏電源的輸出特性

設(shè)日照輻射強度為1 000 W/m2，光伏電池?zé)岫确謩e為25℃、35℃、45℃、60℃四種情況下的功率隨時間變化如圖2所示。從圖中可以看出，在0～0.08 s時，光伏發(fā)電發(fā)出的有功功率非常不穩(wěn)定，此時隨著光伏電池溫度越的增大功率也增大；從0.08 s始，光伏發(fā)電發(fā)出的有功功率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 PV功率隨時間的變化曲線Fig.2 PV power changeswith time

2.2 風(fēng)電電源的輸出特性

風(fēng)力發(fā)電的能源是風(fēng)能，風(fēng)能是氣流變化所引起的。氣流變化的速度不同，風(fēng)能不同，風(fēng)速不同。圖3所示為風(fēng)速與風(fēng)機輸出功率之間的關(guān)系。

圖3 WTG功率變化曲線Fig.3 WTGpower changediagram

當風(fēng)速不斷增大時，風(fēng)機的輸出功率隨之呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，兩者之間呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，可以看出風(fēng)機的輸出功率在某個轉(zhuǎn)速值時存在最大值，最大值出現(xiàn)在0.1 s處，此時功率值最大，為0.25 kW。在最大值之前，風(fēng)機風(fēng)速與風(fēng)機輸出功率之間呈正比關(guān)系，在最大值之后，呈負相關(guān)。

3 基于微源輸出功率的微電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護

3.1 自適應(yīng)電流整定方法

自適應(yīng)電流保護的原理是根據(jù)系統(tǒng)目前的運行狀況、故障類型以及故障時的短路電流作為保護整定的依據(jù)。其和傳統(tǒng)保護不同，自適應(yīng)保護在任何情況下都可以正確動作。

若DE段F5處發(fā)生故障，則有保護5和保護5-5共同作用保護微網(wǎng)和配網(wǎng)。由于F5在風(fēng)電微源附近，所以在發(fā)生故障時，保護5-5要快速準確的隔離故障區(qū)，避免故障擴大，影響風(fēng)電微源。保護5處的電壓和電流滿足：

3.2 基于微源輸出功率的微電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護的實現(xiàn)

根據(jù)上述對各微源輸出功率特性的分析以及對整定電流值的計算，可以根據(jù)實時測定的各微源輸出功率算出各微源為故障處貢獻的故障電流IDG,f，即：

將If作為電流整定啟動保護判據(jù)。其中圖4中的α取0～10%中的任意值，具體情況視具體問題而定。進一步判斷是否發(fā)生故障，判斷此時功率方向是否為正，是否與上游功率方向或下游功率方向相同，以此來判斷故障區(qū)域。若為故障區(qū)域，此處的保護裝置應(yīng)立馬跳閘斷開，避免干擾非故障區(qū)域的運行。

實際微網(wǎng)中，微源輸出功率時刻在發(fā)生變化，對電流的整定處在動態(tài)變化中。圖4所示為依據(jù)上述微源輸出功率的變化及對電流的整定而設(shè)計的保護整定判斷流程。

圖4 保護整定判斷流程Fig.4 Protection settingjudgment process

4 算例仿真

4.1 仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電壓為10.5 kV，連接到配電網(wǎng)端為10 kV，系統(tǒng)最大運行方式下的電源電阻為Rmin＝0.105Ω，電源感抗為Lmin＝0.001 96 H；最小運行方式下的電源電阻為Rmax＝0.418Ω，電源感抗為Lmax＝0.007 52 H。AB、AD、BC、DE、AF、AG段均為3 km架空線路。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 交流微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 The ACmicrogrid systemparameters

4.2 案例仿真

在PSCAD/EMTDC中建立如圖1所示的微電網(wǎng)仿真模型，采用基于微源輸出功率的自適應(yīng)電流保護方法，設(shè)置故障發(fā)生位置、類型、持續(xù)時間，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 各線路保護整定值與測量值Tab.2 Thesettingand measurement valuesof each lineprotection

由表可得，在任一饋線上發(fā)生對稱短路故障或不對稱短路故障，保護裝置都可以立即動作，斷路器跳閘，隔離故障區(qū)域，以保護非故障區(qū)域安全穩(wěn)定運行。

若F2發(fā)生不對稱故障時，有DSTU2和DSTU2_2共同跳閘，因為F2處由雙電源供電。保護仿真圖如圖5～6所示。故障在饋線的50%處，故障于0.8 s開始，持續(xù)0.2 s。

圖5 保護2動作Fig.5 Theprotection 2 action

圖6 保護2_2動作Fig.6 The protect 2_2 action

當F2發(fā)生不對稱短路故障時，DSTU2動作，切斷主網(wǎng)為故障點的供電，不影響其他區(qū)域的供電可靠性。當微源的輸出功率發(fā)生變化時，立即啟動整定判據(jù)，當有故障發(fā)生時，根據(jù)當時的電壓和線路阻抗，可以立即整定電流，當故障電流超過整定電流時，斷路器立即跳閘，以保護微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

當F2發(fā)生不對稱短路故障時，DSTU2_2也會動作，切斷交流微源對故障點的供電。

當F5處發(fā)生不對稱短路故障時，有DSTU5和DSTU5_5共同跳閘，因為F5處由雙電源供電。保護仿真圖如圖7～8所示。

圖7 保護5動作Fig.7 Theprotection 5 action

圖8 保護5_5動作Fig.8 Theprotection 5_5 action

當風(fēng)力發(fā)電微源輸出功率發(fā)生變化時，啟動保護整定值整定，當判斷發(fā)生故障時，DSTU5_5用來保護風(fēng)力發(fā)電微源，當風(fēng)力發(fā)電微源或饋線DE段上某處發(fā)生故障時，DSTU5_5啟動保護，斷開風(fēng)電微源與故障處的連接。

表3是F2處與F5處發(fā)生對稱短路故障和不對稱短路故障時，各保護裝置的動作情況。由表可以看出，在微源附近發(fā)生對稱短路故障和不對稱短路故障時，文中所提出的保護方案都可以可靠、準確的切斷故障，斷開故障區(qū)域，使非故障區(qū)域正常運行，從而保護整個微網(wǎng)及配網(wǎng)。

表3 F2、F5處故障時各保護裝置的動作情況Tab.3 Theoperation of protection devicesat fault of F2 and F5

5 結(jié)束語

本文在分析了微網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)、故障特性及各微源的輸出功率特性后，提出了一種基于微源輸出功率的微電網(wǎng)自適應(yīng)電流保護方案。該方法不依賴復(fù)雜的通信系統(tǒng)，可以有效地保護微網(wǎng)；可有效應(yīng)對微網(wǎng)中各微源的輸出功率時刻變化、微網(wǎng)運行模式變化、故障類型影響的情況，方法簡單、有效地保護了微網(wǎng)。