淺述微電網(wǎng)繼電保護(hù)的研究與應(yīng)用

張俊彥，張利欽

（石家莊學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河北 石家莊 050035）

1 微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，微電網(wǎng)由分布式電源（DG）配電源和儲能單元連接到配電網(wǎng)絡(luò)的電荷組成.分布式電源通過強(qiáng)大的電子接口連接到饋線，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的靈活性和穩(wěn)定性.微電網(wǎng)通過公共配電網(wǎng)絡(luò)連接到公共連接點(diǎn)（PCC）.PCC 路徑底部的變壓器連接到10 kV 母線.總線上有3 個徑向饋線，ABC 供電電壓等級一般在10 kV 以下，饋線A 連接到不需要高質(zhì)量電力的公共負(fù)載，BC 饋線承載的負(fù)載是敏感負(fù)載.母線室內(nèi)安裝了一個靜態(tài)開關(guān)（SS），用于網(wǎng)絡(luò)操作之間的切換.如果公共電網(wǎng)出現(xiàn)故障，干擾開關(guān)將立即啟動，微電網(wǎng)將進(jìn)入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，為敏感負(fù)載提供持續(xù)供電.

圖1 微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)特殊性在于：1）微電網(wǎng)可以有效管理分布式發(fā)電.分布式電源通過電子電源接口連接到微電網(wǎng).基于電子設(shè)備的分布式發(fā)電控制速度快，短路故障電流有限.2）微電網(wǎng)是一個控制和保護(hù)復(fù)雜小型發(fā)配電系統(tǒng)，以往的繼電保護(hù)方法不太適合應(yīng)用在微電網(wǎng)上[1]，必須使用新的保護(hù)方法.3）并網(wǎng)運(yùn)行方式和常規(guī)分布式發(fā)電均接入公網(wǎng)，但PCC 微網(wǎng)的靜態(tài)開關(guān)設(shè)置將微網(wǎng)對公網(wǎng)的影響降到最低.

2 不同運(yùn)行模式下故障電流的特征

2.1 孤島運(yùn)行時的故障分析

在發(fā)生系統(tǒng)故障時，故障序列圖的結(jié)構(gòu)與分布式發(fā)電連接的位置有關(guān).在典型的2 線順序網(wǎng)絡(luò)圖中，逆變式分布式電源連接到PQ 控制，VF 型逆變式分布式電源連接到1 個或2 個不同的母線.當(dāng)3 個或更多分布式電源連接到系統(tǒng)時，此分析也適用.

圖2 是PQ 控制電源和VF 控制電源接入母線，出現(xiàn)單相短路故障時的復(fù)合時序網(wǎng)絡(luò)圖.圖中I1與為兩個控制站逆變電源輸出電流的正串聯(lián)，I2與為兩種控制方式逆變電源電流輸出的負(fù)串聯(lián)，I0與為兩個控制方式逆變式電源電流輸出的零序電流；Zh是相應(yīng)的負(fù)載電阻；XPQ、XVF分別為PQ 控制電源和VF 控制電源的電抗，UPQ、UVF分別為PQ 控制電源和VF 控制電源的電壓；Zlinc為故障位置與微電源接口之間的對應(yīng)電阻.相關(guān)的電氣連接如（1）式所示，逆變器型電源的輸出限制如（2）式所示：

圖2 單相接地故障復(fù)合序網(wǎng)圖

式中：PPQ、QPQ、IPQ分別表示PQ 控制電源的有功功率、無功功率和電流；Pref、Qref、Uref分別表示參考的有功功率、無功功率和電壓；IPQmax、IVFmax分別表示流經(jīng)PQ 控制電源和VF 控制電源的最大電流；UK1、UK2、UK0分別表示正序、負(fù)序、零序負(fù)載阻抗的電壓.通過同時求解上述兩個方程，可以得到相接地短路時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng).

兩相短路和兩相接地與基于時序網(wǎng)絡(luò)圖的解決方案類似.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，VF 微控電源對功率因數(shù)和輸出功率有較大的調(diào)整余量，電壓和頻率是恒定的.同時，消除了連接到電網(wǎng)的其他類型分布式發(fā)電引起的諧波等干擾.這有助于確?？煽康奈㈦娋W(wǎng)電荷的負(fù)載，VF 控制的微電源輸出的短路電流比較高，對保護(hù)的可靠性和識別具有很好的效果.其誤差特征為：因?yàn)槭荘Q 控制的逆變電源在正常運(yùn)行時向系統(tǒng)注入電源，而VF 控制的逆變電源用電源代替系統(tǒng).因此，在發(fā)生錯誤時，VF 控制的逆變電源會顯著增加注入系統(tǒng)的電流，其幅值由電源容量決定.相反，PQ 控制下的微電源的輸出電流變化不大.在PQ 控制的分布式電源發(fā)生故障后，輸出保護(hù)應(yīng)考慮該特性，以確保保護(hù)的可靠性和靈敏度.

2.2 運(yùn)行時的故障分析

分布式發(fā)電的電功率不是恒定的[2]，其特點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)控制模塊隨時間變化.計(jì)算誤差響應(yīng)時如果微電網(wǎng)包含逆變式分布式電源，則電動勢應(yīng)包括與序列網(wǎng)絡(luò)圖和混合序列網(wǎng)絡(luò)圖相關(guān)的節(jié)點(diǎn)，如果連接到配電網(wǎng)絡(luò)，同時作為配電系統(tǒng)的等效阻抗，消除了逆變式配電電源在并網(wǎng)運(yùn)行中的暫時性誤差.

當(dāng)逆變式電源并入電網(wǎng)時，故障后的電值取決于故障位置、微電源和電網(wǎng)的相對位置.

1）當(dāng)電網(wǎng)電源和微電源在一側(cè)

如圖3 所示，如果電網(wǎng)緊鄰分布式電源，配電網(wǎng)容量遠(yuǎn)大于電網(wǎng)，因此故障電流主要由電網(wǎng)和短路電流提供.分布式發(fā)電比配電網(wǎng)絡(luò)小得多.同時，分布式逆變電源的接入點(diǎn)電壓比未接入電壓要高，分布式逆變電源提供的短路電流比孤島模式電流時間更短.

圖3 配電網(wǎng)電源與微電源位于同一側(cè)示意圖

2）電源在故障點(diǎn)的兩側(cè)

如圖4 所示，電網(wǎng)側(cè)故障特征與常規(guī)輻射狀電網(wǎng)相同，但僅包含逆變電網(wǎng)的微電源故障特征相同.故障特征為：由于電力電子的限流作用，逆變式分布式發(fā)電限制了輸出短路電流的能力，保證了電力電子設(shè)備的安全.VF 控制下的分布式發(fā)電為微電網(wǎng)提供較少的功率，而PQ 控制下的分布式發(fā)電為系統(tǒng)提供更多的功率.對于故障特性未知的分布式PQ 逆變電源，應(yīng)注重保護(hù)性能的可靠性.

圖4 電源位于故障點(diǎn)兩側(cè)示意圖

3 分布式發(fā)電與原有配電網(wǎng)絡(luò)的配合問題

3.1 分布式電源接入對配電網(wǎng)一次重合閘的影響

分析連接分布式電源后重合閘的效果如圖5 所示，圖中S 為系統(tǒng)配電網(wǎng)，F(xiàn) 為故障點(diǎn)，K 為線路保護(hù)裝置，L 為配電網(wǎng)線路.如果K1 范圍內(nèi)發(fā)生配網(wǎng)線路故障，該范圍內(nèi)的重合閘將開始斷開，配電電源將形成配電孤島，使得電網(wǎng)的同步出現(xiàn)問題，導(dǎo)致重合閘失去了從瞬間錯誤中恢復(fù)的能力，并且線路上也會出現(xiàn)沖擊電流，影響分布式電源的運(yùn)行.如果故障是永久性故障，則在設(shè)備被自動重合閘再次斷開后，分布式發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)向配電網(wǎng)供電.在這種情況下，當(dāng)設(shè)備重新連接線路時，線路電流變得過高，在故障點(diǎn)造成嚴(yán)重的電流故障，增加了電力故障的范圍.

圖5 接入分布式電源的配電網(wǎng)線路

3.2 分布式電源的接入對配電網(wǎng)線路三段式電流保護(hù)造成的影響

配電系統(tǒng)中分布式電源的位置差異會造成配電系統(tǒng)的電流重新分布[3].在配電系統(tǒng)末端接入分布式電源后，如圖6 所示，系統(tǒng)成為配電系統(tǒng)和分布式電源之間的雙電源，圖中LD 表示負(fù)載.在這種情況下，如果靠近分布式電源的F1 發(fā)生故障，線路保護(hù)裝置P3 和P4 不會檢測到線路故障，P1 和P2 繼續(xù)從配電系統(tǒng)接收電能.P2 不影響分布式電源，可以可靠地排除線路故障；若故障發(fā)生在F2 點(diǎn)，P1 保護(hù)裝置不影響分布式電源，可自動關(guān)斷，但P2 接受自供電源的持續(xù)供電形成電力孤島，是造成很多用戶用電設(shè)備損壞的原因；如果F3 發(fā)生線路故障，則向系統(tǒng)電源和分布式電源提供短路電流.P3 將由系統(tǒng)的配電系統(tǒng)供電，線路故障可以可靠排除，但線路保護(hù)線路P1 和P2 將接收由供電電源提供的電流.如果分布式電源容量過高，可能發(fā)生P2 線路保護(hù)裝置故障；如果F4 發(fā)生線路故障，P4 的最佳停止位置是單獨(dú)工作能切斷故障點(diǎn)，但如果分布式電源容量較大，則可能是P2 錯誤的切斷.這樣可能會影響線路保護(hù)決策，因此如果在線路末端并入分布式電源，應(yīng)合理控制分布式電源的容量，以確保實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)，設(shè)備可以正確斷開.

圖6 在配網(wǎng)線路末端并入分布式電源

在配電系統(tǒng)中間接入分布式電源，如圖7 所示.如果故障發(fā)生在F1，保護(hù)裝置P3 和P4 不影響分布式電源.P2 會繼續(xù)運(yùn)行，但P1 會影響分布式電源，降低保護(hù)裝置的靈敏度.提供的電源越多，P1 保護(hù)裝置就越不靈敏；如果故障發(fā)生在F2，由于P1 保護(hù)裝置的電源主要由系統(tǒng)配電系統(tǒng)供電，但故障電流遠(yuǎn)小于組合分布式電源，因此P1 檢測不到線路故障，導(dǎo)致P1 設(shè)備拒動；如果F3 出現(xiàn)故障，P2 和P3 都會正常工作，但P1 會遇到由供電電源提供的電流短路，導(dǎo)致P1 保護(hù)裝置誤動作，影響LD2 的正常用電.如果F4 有故障，P1會遇到供電電源提供的電流短路，導(dǎo)致線路被切斷.因此，必須防止創(chuàng)建分布式電源接入，以免分布式電源容量過大，影響配電系統(tǒng)保護(hù)裝置的正常運(yùn)行.

圖7 在配網(wǎng)線路中間段并入分布式電源

4 微電網(wǎng)繼電保護(hù)方案

4.1 孤網(wǎng)條件下保護(hù)策略分析

微電網(wǎng)保護(hù)策略必須在微電網(wǎng)并網(wǎng)時消除對大型網(wǎng)絡(luò)中各環(huán)節(jié)的影響，并滿足微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn).采用孤島保護(hù)時要求逆變器不僅要能正常轉(zhuǎn)換功率，還要能保護(hù)和斷開反孤島的效應(yīng).主要的保護(hù)策略是：1）發(fā)生故障時，保護(hù)策略不影響傳統(tǒng)電網(wǎng)的保護(hù)；2）限制分布式電源的容量和接入位置，使配電網(wǎng)不發(fā)生變化[4]；3）使用短路限流器來限制電流，以盡量減少異常運(yùn)行時功耗的影響.

4.2 如何檢測孤島

1）過壓/欠壓和高/低頻檢測法.當(dāng)檢測到逆變器輸出功率不等于負(fù)載功率且電壓幅值或頻率變化達(dá)到孤島檢測確定的臨界點(diǎn)時，表示發(fā)生孤島，相關(guān)保護(hù)繼電器跳閘，逆變器與電網(wǎng)斷開.但是，如果逆變器的輸出功率等于負(fù)載功率，電壓幅值或頻率沒有明顯變化，這種檢測方法是無效的.

2）電壓相位突變檢測法.在正常電源連接操作期間，逆變器輸出的電壓和電流之間的相位保持相同.如果檢測到突然的相位變化超過檢測方法給出的臨界值，則可以將其評估為孤島.3）電壓諧波檢測法.當(dāng)檢測到逆變器端子間電壓的總諧波失真大于預(yù)定的臨界值時，可判斷為孤島現(xiàn)象.4）阻抗測量檢測法.通過測量逆變器輸出電路的阻抗變化來檢測孤島效應(yīng)[5].這種方法可以通過功率干擾、信號注入率干擾和電抗插入等多種方式實(shí)現(xiàn).

5）有源頻偏檢測法.當(dāng)并網(wǎng)正常運(yùn)行時，頻率不會發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化，與電網(wǎng)分離時，逆變器輸出電壓的頻率發(fā)生偏移，系統(tǒng)發(fā)生諧振負(fù)載的“自然”頻率偏移.

6）滑差模式頻率漂移檢測法.該方法的原理是監(jiān)測輸出電流和連接到電網(wǎng)的逆變器電壓之間的相位差作為頻率的函數(shù).在孤島狀態(tài)下，頻率偏離正常值.在電網(wǎng)正常運(yùn)行期間，頻率處于額定點(diǎn)，逆變器以功率因數(shù)1 運(yùn)行.當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行在異常狀態(tài)時，頻率處于非額定區(qū)域，相位差速度隨頻率變化的速率大于負(fù)載阻抗角的變化率.在正常情況下，電壓和頻率是穩(wěn)定的，并且處于逆變器相位差響應(yīng)曲線和負(fù)載阻抗角頻率曲線的交點(diǎn)處.隨著電壓頻率因反饋而變化，電流-電壓相位差按照相位差響應(yīng)曲線逐漸增大，最終達(dá)到一個新的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn).當(dāng)工作點(diǎn)的頻率超過高/低頻保護(hù)的臨界值時，可以檢測到孤島.

4.3 保護(hù)策略

微電網(wǎng)保護(hù)策略需要能夠處理網(wǎng)絡(luò)切換過程中發(fā)生的各種故障.當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)中的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流微電或其他基于逆變器的微電時，對微電網(wǎng)保護(hù)提出了重大挑戰(zhàn).

4.3.1 基于正向和反向阻抗裝置的低壓配電網(wǎng)繼電保護(hù)

對于微網(wǎng)低壓配電網(wǎng)，帶分布式電源的供電單元配備正反向兩個阻抗繼電器.其中，輸出線路故障采用正向阻抗繼電器，無輸出延時，低壓母線故障采用反向阻抗繼電器，輸出延時0.5 s.非分布式電源供電單元配備正阻抗繼電器進(jìn)行距離保護(hù)，輸出線路故障由正方向阻抗繼電器無延時保護(hù).

阻抗繼電器采用過流啟動、正序電壓和極性記憶.此外，具有偏移阻抗特性的阻抗效應(yīng)主要是由于400 V電壓電平下的阻抗角小.

1）當(dāng)前引導(dǎo)組件必須滿足：I＞Iset，Iset為繼電器設(shè)定的動作電流值；

正方向設(shè)置阻抗繼電器值，避免最大負(fù)載.當(dāng)繼電器在線路相間閉合時，繼電器立即跳閘，斷路器快速斷開.

反方向設(shè)置阻抗繼電器值，使高壓側(cè)快斷保護(hù)端子不短路或高壓側(cè)跨母線短路.該繼電器的恒定值很小，以防止在高壓側(cè)短路時發(fā)生故障.當(dāng)?shù)蛪耗妇€短路時，包括分布式電源單元在內(nèi)的反向繼電器動作，要關(guān)閉分布式電源的外部電源，在0.5 s 延遲后打開斷路器，即使阻抗繼電器有另一個反向.當(dāng)?shù)蛪壕€路或變壓器或高壓線路部分短路時工作，但由于0.5 s 的延遲，輸出不工作，不能斷開線路斷路器.故障解決后，繼電器將自動返回.

4.3.2 基于電壓擾動的保護(hù)

如果微網(wǎng)與主網(wǎng)分離進(jìn)行孤島運(yùn)行，短路電流遠(yuǎn)小于并網(wǎng)時的短路電流，不易檢測[6].因此，使用基于abc、dq0 的轉(zhuǎn)換方法來檢測微功率輸出電壓擾動，確定是否發(fā)生故障，并確定故障類型.當(dāng)檢測逆變器出口端的三相電壓時，繼電器將abc 三相坐標(biāo)系的附加項(xiàng)通過轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換為da 項(xiàng).其轉(zhuǎn)換公式為：

式中：Udr、Uqr分別為轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系中的值；UA、UB、UC分別為A、B、C 三相相電壓.

通過檢測Uqr信號然后將其與給定的參考信號Uqref作比較，其中參考信號是周期性更新，得出擾動電壓UDIST，通過UDIST的值來判斷故障類型.擾動電壓UDIR1、UDIR2的計(jì)算公式為

一般情況下，Uqref的變化會導(dǎo)致UDIR2接近于0.當(dāng)發(fā)生短路時，UDIR2會發(fā)生顯著變化.在三相短路的情況下，UDIR2為直流信號，比較穩(wěn)定.在發(fā)生兩相故障時，UDIR2由直流電壓信號和擺幅信號組成.單相接地時，UDIR2是擺動信號，該信號是從0 到最大值變化的擺動.通過將這些量與給定的正常電壓值進(jìn)行比較，可以確定是否發(fā)生了故障以及故障類型.

5 結(jié)論

微電網(wǎng)保護(hù)的繼電保護(hù)方案，主要針對微電網(wǎng)保護(hù)的難點(diǎn)、不同運(yùn)行模式和不同分布式電源的短路差異等問題，需要能快速相應(yīng)切除故障點(diǎn).本研究分析了微電網(wǎng)保護(hù)策略，提出了一種在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行中具有短路輸出特性的新型微網(wǎng)保護(hù)方案，即分布式電源供電單元裝有正向和反向阻抗繼電器，繼電器接受過電流并運(yùn)行，用于保護(hù)輸出線路短路和保護(hù)微電源本身，指示不同類型的故障.