基于故障分量的微电网保护适用性

高崧耀+++贺鹏

【摘要】：微电网是由微电源、储能装置、临近负荷及保护单元、控制系统组成的自主系统。微电网具有两种运行模式，即并网运行模式及孤岛运行模式。目前，微电网中存在一些基于故障分量的保护方法。故障分量是由故障本身引起的，独立于负荷分量之外，不受负荷电流、过渡电阻的影响，具有较高的灵敏度。所以，基于故障分量的阻抗保护在输电系统中已经得到了广泛的应用。

【关键词】：故障分量；微电网；保护适用性

1、导言

在传统的故障分量附加网络中，只要故障点存在一个电势源。但这里有个条件，即同步发电机的容量假设为无穷大，故障时电压不发生下跌，可以供给很大的短路电流。逆变型分布式电源的容量有限，且输出电流受变流器的约束，故逆变器出口电压将在故障刹那间发生变化，从而在故障附加网络中IIDG接入处发生等效的附加电源，使故障分量网络中含有多个电源。

2、微电网继电保护的特点及其困难

微电网的维护疑问与传统配网维护有着极大不一样，具体表现有：（1）因为分布式电源的存在，使得潮流具有双向流通性；（2）微电网在联网和独立运转两种运转形式下，短路电流巨细区别很大，影响继电维护的整定核算。因而，如安在联网和独立两种运转形式下均能对微电网内部故障做出有效的呼应，甚至在联网形式下也能迅速感知大电网故障，而且保证该维护的选择性、迅速性、灵敏性与可靠性，是当时微电网维护的要害，也是微电网维护研讨的难点。

传统配电网的通常构造特点是呈放射型构造而且由单电源供电，配电网的继电维护是恰是基于此构造进行规划和装备的。当分布式电源接入配电网以后，配电网的拓扑构造随之发作改动。而当有分布式电源存在的配电网发作故障时，除了电网电源向故障点供给故障电流以外，分布式电源也将对故障点供给必定的故障电流，改动了原有配电网的节点短路水平，然后影响传统配电网相应继电维护设备的正常动作。而分布式电源的类型、安装位置和容量巨细等因素都将对配电网的继电维护形成影响。配电网络的继电维护，相关于高电压大体系继电维护而言，属于简单维护。配电网中常用的继电维护有电流维护、电压维护、反时限电流维护等。分布式电源接入配电网以后，原有配电网络的构造发作了较大改变。在故障发作时，因为分布式电源助增电流的效果，流经故障点的故障电流将增大。分布式电源的引进改动了分布式电源邻近节点的短路水平，对配电网继电维护的准确动作带来影响；也改动了维护的规模和灵敏度，给各线路继电维护的上下级合作带来疑问。由此可知，关于分布式电源渗透率较高的微电网，电流速断维护在选择性、灵敏度校验上均不满意维护的请求。

3、微电网故障分量保护原理分析

3.1含多个IIDG的微电网正序故障分量附加网络

不失一般性，以图1所示含IIDG的典型微电网进行具体分析。图中：ES为体系电源；ZS为体系阻抗；PCC为微电网与大电网之间的公共连接点，本文只分析微电网并网运行的状况；LD1，LD2，LD3，LD4均为负荷；IIDG1，IIDG2，IIDG3均为PQ操控的逆变型分布式电源；M1—M4，P1—P4，Q1—Q3，N1—N3为各母线处的分支馈线开关，并代表地点的馈线称号。

图1 含IIDG的并网运行微电网

当F1处发作故障时，可将IIDG等效为受控电流源模型。尽管逆变型分布式电源控制系统的非线性使得故障时期的电网不能等效为一个线性网络，但假如将受控电流源视为独立电流源，此刻受控源的电流值仍为IIDG并网点电压的函数，而且不随网络在叠加过程中的改变而改变，则可以获得如图2所示的正序故障分量附加网络。图中：△i1，△i2，△i3分别为逆变型分布式电源输出的等效附加电流；ZS1为大电网的等效正序阻抗；ZF为故障点的过渡阻抗；ΔUF为故障点的附加电源；ZMP，ZP1，ZQ1，ZMN为各线路的等效正序阻抗；Z1，Z2，Z3，Z4为负荷的等效正序阻抗。假定母线指向馈线的方向作为电流的参阅正方向，各馈线故障电流正方向如图标示所示。

由于受控制策略影响使得IIDG并网点电压与输出电流之间存在着很强的非线性关系，以及IIDG间的相互耦合，造成该网络无法通过线性变换而直接求解。利用迭代修正的求解方法，十分复杂，很难得到具体的解析解。所以本文只进行定性分析。

图2正序故障分量附加网络

3.2母线N处各馈线的正序电流故障分量

当F1处发生故障时，母线N处的电压降较小，IIDG3输出的有功电流和无功电流均略有增大，其故障电流如图3（a）所示。图中，UN和UN.f分别为故障前后母线N的电压，ΔUN为母线N处电压的故障分量，i3为故障前IIDG3输出的正序电流，i3.f为故障时IIDG输出的正序电流，Δi3则为IIDG3输出正序电流的故障分量；其他各图中这些变量的含义与此类同。

由图2可知， 且 ，其中负荷的正序阻抗Z4为感性，则可得到如图3（b）所示的电流相量关系。

显然，故障馈线N1上的正序电流故障分量幅值最大，方向与其余馈线的正序电流故障分量几乎相反，即满足

（1）

（2）

4、结论

综上所述，如今，随着新能源越来越被人们所重视，分布式发电也越来越快的发展起来，微电网作为大电网的补充，也越来越多的得到了应用。然而对于包含微电网的电网保护方案，至今还没有很多问题亟需解决，微电网的继电保护策略迫切被需求。本文针对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IIDG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。

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