1、研究背景：微电网具有潮流双向流动、并网孤岛运行时故障电流差别大以及拓扑结构灵活多变的特点,对微电网的保护带来了很大的挑战。基于故障分量原理的保护相较于其余的保护方法具有明显的优势。目前,微电网中存在一些基于故障分量的保护方法:通常基于故障分量幅值大小或相位关系的比较。但其分析一般将微电源等效为虚拟同步发电机,采用传统的故障分量附加网络分析方法,没有考虑逆变型微电源(IIDG)的控制策略,其分析存在局限性。实际上,逆变型微电源的故障特性主要受控制策略影响,不同于传统的同步发电机,现有的故障分量分析方法已不再适用。本文建立微电网在并网运行状态下的正序故障分量网络,并对各馈线上的故障电流正序分量幅值大小及相位关系进行分析,研究故障分量保护原理在含逆变型微电源的微电网中的适用性。
2、计及控制策略的微电源等效模型
微电网并网运行时,逆变型微电源广泛采用PQ控制策略,其控制系统通过控制有功电流和无功电流跟踪参考值变化,从而输出参考功率。正常运行时,无功参考功率一般设为零,即不输出无功电流。传统的并网规定没有对分布式电源在系统故障时的控制方式进行约束,但在新的并网规定中,要求分布式电源具有故障穿越能力,即在系统发生故障时优先向电网输送无功功率,支撑系统电压。当电压跌落超过10%时,每1%的电压跌落,至少要提供2%的无功电流。
当发生故障时,逆变型微电源并网点电压下降,则有功参考电流、无功参考电流均增大,即无功电流、有功电流随之增大,故逆变型微电源故障电流急剧增大。但由于逆变器过流能力的限制,逆变型微电源输出的最大故障电流不能超过额定电流的两倍,无功参考电流和有功参考电流均应进行限制。
为改善逆变型微电源的输出特性,一般采用正序控制策略。在电网故障情况下,由于逆变型微电源的交流侧输出电流中只存在正序电流分量,所以可以将逆变型微电源等效为受并网点电压控制的正序电流源。
3、不同电压降时逆变型微电源输出电流变化
逆变型微电源输出故障电流值的范围如下图所示,即以逆变型微电源的最大输出电流Imax为半径的弧线所围成的扇形区域。对应不同的电压降,逆变型微电源输出电流变化存在两种情况:
1)电压降较小时,逆变型微电源输出的有功电流和无功电流均增大,故障电流也增大。此时,电流的故障分量与电压的相位差小于90°。
2)电压降较大时,逆变型微电源输出的故障电流将被限制在最大电流处,此时优先输出无功电流,有功电流会减小,故障分量与电压相位差将大于90°。
4、微电网故障分量保护原理分析
根据以上分析,微电网的正序故障附加网络中,在逆变型微电源接入处,将产生等效的附加电流源,这是与传统故障分量分析方法的不同之处。利用基尔霍夫电流定律,可以获得同一母线上各条馈线的正序电流故障分量相量图,从幅值大小和相位关系两个方面对故障分量保护原理进行分析。
离故障点较远的母线上,电压降较小,逆变型微电源输出的有功电流和无功电流均增大。由相量图可知,故障馈线上的正序电流故障分量的幅值最大,相位与其余馈线的正序电流故障分量几乎相反。
但离故障点较近的母线上,由于电压降较大,逆变型微电源主要输出无功电流,有功电流减小,这将影响到故障馈线上的正序电流故障分量,其幅值可能不是最大,而且其方向可能不全部与其余馈线相反,则不能正确区分故障线路。
5、结论与展望
针对PQ控制的逆变型分布式电源,在故障时对其采用具有无功支撑能力的故障穿越控制策略,分析了不同电压降时逆变型微电源输出故障电流的变化。并使用更加准确的压控电流源模型,通过正序电流故障分量的幅值和相位特征对微电网中的故障分量原理进行了分析,得出以下结论:在离故障点较近的母线处,电压降较大,逆变型微电源为提供无功电流,输出的有功电流将减小,此时基于正序电流故障分量幅值和相位比较的保护原理可能会失效,无法正确识别故障线路。
目前,微电网的保护方法仍是研究的重点之一。可参考本文的分析,对基于故障分量的微电网保护开展进一步的研究,提高微电网保护的可靠性。由于本文着重分析的是并网运行的微电网,而且逆变型微电源采用的是PQ控制、优先输出无功功率的故障穿越控制策略。后续将对采用不同控制策略的逆变型微电源以及孤岛情况下的微电网故障分量保护适用性进行分析。
作者及团队介绍
韩海娟,同济大学电子与信息工程学院硕士研究生,主要研究方向为微电网保护与控制。
牟龙华,博士,同济大学电气工程系主任,教授,博士生导师,国家“百千万人才工程”专业技术拔尖人才。发表学术论文190余篇,其中被SCI/EI检索90余篇,出版专著、教材3部,授权发明专利4项;获国家科技进步奖1项,省部级科技进步奖4项。
郭文明,同济大学电子与信息工程学院博士研究生,主要研究方向为微电网保护与控制。
作者所在课题组的主要研究方向为电力系统继电保护与控制,分布式发电与微电网,电能质量分析与控制,配电系统自动化等。
