基于微电网孤岛运行下的保护分析与仿真

朱雪凌，韩 菲，刘 佳

(华北水利水电学院，河南郑州450045)

随着人们对环境问题的日益关注和高效小容量发电技术的成熟，分布式电源(Distributed Generation，DG)的数量及其在电力系统中所占的比重越来越高.为了最大限度地利用DG的发电能力，提高系统的供电可靠性，IEEE出台了一套解决孤岛问题的标准 IEEEl547—2003［1］.该标准不再禁止有意识的孤岛存在，而是鼓励供电方和用户尽可能通过技术手段实现分布式电源的孤岛运行.然而，微电网在孤立运行模式下，各种故障电流限制在较低的水平，使得传统保护设备无法动作，从而起不到保护作用，需要开发新的保护方法.

1 微电网及其孤岛运行

微电网是指将一定区域内(例如某一街区、某几个大型建筑物)或某些企事业内各单位拥有的分散的发电资源(例如自行供电的发电设备或备用发电机组、太阳能发电装置、风力发电设备等可再生能源发电装置)连结起来共同向各单位供电，并通过配电网与主干大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型发电设备联合运行的系统.微电网主要包含分布式电源DG(光伏系统，燃料电池等)、低压配电系统、储能单元和用电负荷.它与主电网通过公共耦合点相连形成并网运行，或者单独以一种可控协调的方式形成孤岛运行［2］.

微电网能在并网运行和孤岛运行2种模式间切换.其中将微电网与大电力网隔离，单独运行即为孤岛运行方式.孤岛运行的特征主要包括:由分布式电源单独供电;与主电网系统分离的、独立的配电网络;能独立运行;电压和频率保持在允许的范围内［3］.

2 微电网孤岛运行方式下的保护问题

微电网技术出现后，DG不再以独立发电设备的形式并网，而是与储能系统、当地负荷、控制系统等组成微电网后再与配电系统并网，配电系统故障时，允许DG带微电网内的重要负荷继续运行［4］.此时由于失去了配电系统的较大的短路容量支持，联络线或馈线上故障的特征也与由配网供电运行时有很大的不同.因此，必须要验证微电网在孤岛运行时，原有保护还能否可靠动作.

2.1 低压配电线路保护配置

400 V配电系统常采用的保护多为三段式或两段式电流保护，典型的三段式过电流保护有瞬时电流速断、限时电流速断及定时限过电流保护［5］.目前400 V出线一般只要求装设电流速断和过电流保护即可满足保护范围及保护配合的要求.过电流保护根据被保护设备及配合要求可以采用定时限电流保护.

2.2 低压配电线路故障输出特性的理论分析

当配电网为负载供电时，图1为配电网供电等效电路，其中的Z0，Z2，Z3分别是配电网、线路和负载的等效阻抗，U，I分别为断路器QF处的相电压和相电流相量.参数设置:Z0忽略不计，Z2=R2+jX2=0.320 5+j0.050 5，Z3=R3+jX3=10+j 3.14.

图1 配电网供电等效电路图

图1中若线路末端K点发生三相金属性接地短路时，在进行故障暂态分析的时候，配电网系统等效电源的相电动势不变，I'是故障后输出的相电流的相量，那么流过断路器QF的电流有效值在故障前后的关系近似为

2.3 DG故障输出特性的理论分析

微电网的实现基础是电力电子技术，微电源是微电网中最重要的组成部分，各种微电源大部分都通过逆变器进行联网.这里以逆变型分布式电源为例介绍它的故障输出特性.逆变型分布式电源具有一个共同特征，就是由于电源与电网之间有电力电子接口进行隔离，电源与电网之间仅进行有功功率的传输［6］.DG的输出功率仅由燃料进料或风速、光强、温度等外界环境决定，而且上述参数的变化是缓慢的.因此，在进行故障暂态分析的时候，可以认为它们无变化.图2为DG并网供电等效电路图，其中的Z1为DG的等效阻抗，其他参数如图1所示.

图2 DG并网供电等效电路图

如图2所示，在孤岛运行时，即静态开关断开，若忽略掉电流在 DG等效内阻Z1上的损耗，那么DG正常运行时输出的有功功率为

若线路末端K点发生三相金属性接地短路时，此时DG输出的有功功率为

由以上假设可知，在进行故障暂态分析的时候，DG输出的有功功率可以认为无变化，那么流过断路器QF的电流的有效值在故障前后的关系式为

从式(1)和式(4)可以观察到DG的故障输出特性与配电网有很大的区别.由于线路阻抗与系统内阻抗一般远小于负载阻抗，这也就对应于微电网孤岛运行下，微电网内部故障，短路电流变小的情况，那么原有的保护可能无法进行可靠动作，这时微电网要采用新的继电保护策略［7］.

3 基于电压扰动的保护策略及仿真

3.1 保护策略

［8］提出了适用于微电网孤岛运行时发生故障的快速检测方法.它的主要原理就是根据分布式电源的输出电压发生扰动的情况来判断微电网内是否发生了故障，并且能够区分发生了什么类型的故障.

首先利用标准的电压互感器检测DG出口的三相端电压.将获取的三相机端电压，通过派克变换矩阵得到Ud和Uq，

将Ud，Uq信号与一个周期性更新的参考信号Udref和Uqref比较，检测系统是否出现故障.通过计算公式UDIR1=Udref－Ud和UDIR2=Uqref－Uq得到扰动电压UDIR1和UDIR2，根据UDIR1和 UDIR2值的特征就能判断系统是否发生故障.

3.2 仿真结果

在MATLAB/Simulink中建立如图2所示模型.在DG孤岛运行时，发生三相短路、单相短路以及两相短路时仿真结果如图3—5所示.

图3 三相短路后扰动电压仿真结果

图3—5每个图中3条曲线从上到下依次是故障后UDIR1、零轴和UDIR2曲线，从这3个图中可以明显看出，UDIR2曲线由于故障类型的不同而有很大的不同.对于单相接地故障，UDIR2为一个摆动信号，变化范围从接近于0值变换到最大值;对于两相故障;UDIR2的变化范围从某一特定电压值变化到最大值，可以理解为其由一个稳定信号和摆动信号组成;对于三相故障，UDIR2是一个较为稳定的直流信号.

根据以上分析，从电压信号状态可以判断是否发生故障和发生了哪种类型故障.而且根据扰动电压信号出现的时间可以判断故障开始和结束的时间.

4 结语

针对微电网孤岛运行下的故障输出特性，提出了基于电压扰动的保护策略，并进行了仿真分析，得出以下结果.

1)正常运行下，UDIR2为一个接近于0的值.

2)单相接地故障时，UDIR2为一个从0变化到最大值的摆动信号.

3)两相接地故障时，UDIR2从一个不为0的值变化到最大值，可以认为其由一个稳定信号和摆动信号的复合组成.

4)三相接地故障时，UDIR2为一个不为0的较为稳定的直流信号.

参考文献

［1］ IEEE.Std1547—2003 IEEE Standard for Interconnecting DistributedResources with Electric Power Systems［S］.2003.

［2］徐青山.分布式发电与微电网技术［M］.北京:人民邮电出版社，2011.

［3］时珊珊，鲁宗相，闵勇，等.微电网孤网运行时的频率特性分析［J］.电力系统自动化，2011，35(9):37－41.

［4］余娟，孙呜，邓博.DG的孤岛运行方式及其对保护与控制的影响［J］.电力建设，2009，30(6):21－24.

［5］贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理［M］.3版.北京:中国电力出版社，1994.

［6］李盛伟.微型电网故障分析及电能质量控制技术研究［D］.天津:天津大学，2009.

［7］林霞，陆于平，王联合.分布式发电条件下的新型电流保护方案［J］.电力系统自动化，2008，32(20):50 －55.

［8］张宗包，袁荣湘，赵树华，等.微电网继电保护方法探讨［J］.电力系统保护与控制，2010，38(18):204 －208.