含V/f控制IIDG的独立运行微电网故障特性分析

何 晋，骆 通，李 珂，周石金，杨 凡，曹鲁成，管恩齐

(1.云南民族大学 电气信息工程学院，云南 昆明 650000；2.云南电力试验研究院(集团)有限公司系统研究所，云南 昆明 650217；3.国网山东省电力公司 单县供电公司，山东 菏泽 274300)

微电网是由分布式电源、储能装置、电力电子装置、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的新型发配电系统[1-3].微电网中的分布式电源大部分需要通过变流器接入中压或低压配电网[4]，此类电源可简称为逆变型分布式电源(IIDG)[5].微电网与传统电网有很大的不同，如运行方式、电源类型与容量、短路电流大小、潮流方向等[6].微电网存在与常规大电网并网运行和与电网断开独立运行的两种典型运行方式[7]，其中独立运行又称孤岛运行，运行时微电网因与大电网不存在电气连接，因此仅由其内的分布式电源给负荷供电[8].当独立运行微电网发生短路故障时，其故障线路的故障特性与并网运行时有很大区别[9]，并且受分布式电源控制方式的影响，从而使得并网运行时的保护方案可能在独立运行时不再适用[6].因此，有必要对独立运行微电网的故障特性展开分析，为微电网的保护研究提供基础.

目前对于独立运行微电网的故障特性分析已有学者进行了研究，文献[6]对故障时逆变型分布式电源在V/f和PQ控制策略下的输出电流特性进行了分析.文献[8]分析了主控储能电源支路和光伏电源支路的阻抗特性.文献[9]分析了V/f和PQ控制的逆变型分布式电源故障特性以及微网线路发生短路时的故障特性，没有对故障类型、分布式电源容量和故障发生位置的不同展开研究.文献[10]分析了逆变型分布式电源的暂态故障特性.文献[11] 分析了V/f控制DG的故障特性，主要针对微电网发生三相金属性和非金属性故障.文献[12]根据实际微电网的拓扑结构，在考虑故障电流受限时分布式电源和馈线的电流故障特性，主要针对三相短路故障.文献[13]根据一个实际应用的微电网工程, 在RTDS上搭建半实物仿真平台进行仿真分析并网和离网模式下微电网内部的故障特性.文献[14]对仅含V/f控制IIDG和同时含V/f和PQ控制IIDG的微电网，针对IIDG的输出故障特性进行了定量分析.文献[15]通过在Matlab上搭建微电网模型，分析了当线路发生非金属性三相和两相故障时V/f控制IIDG输出电流、电压故障特性.

本文将从单相故障类型和故障发生位置两个方面分析，针对仅含V/f控制IIDG的独立运行微电网以及同时含V/f和PQ控制IIDG的独立运行微电网展开分析，希望可以找到独立运行微电网发生故障时的一些共性，为微电网的保护研究提供参考.

1 控制策略

1.1 V/f控制

恒压恒频控制(V/f控制)[16]，调节性能良好可以对电压和频率进行无差调节，广泛应用于实际工程中[11,17]，其目的是维持独立运行微电网电压和频率的稳定[18]，根据文献[19]可得其控制结构如图1所示.

并网侧电压us的dq轴分量usd、usq与其参考值usdref、usqref比较后，经PI控制器跟踪处理以及经网侧电流isd、isq前馈补偿与-ωCusq、ωCusd交叉耦合补偿后，得到逆变桥输出参考电流idref、iqref.逆变桥输出电流i的dq轴分量id、iq与参考电流idref、qref进行比较，经PI控制器、网侧电压usd、usq前馈补偿与-ωLisq、ωLisd交叉耦合补偿后，再经模值限幅器最终输出调制信号md、mq.

1.2 PQ控制

恒功率控制(PQ控制)[2]，其目的主要是控制逆变型分布式电源输出恒定的功率[4]，采用功率外环控器和电流内环控制器的双闭环控制模式，根据文献[19]可得其控制结构如图2所示.

通过功率公式计算出Ps、Qs，然后与参考功率Pref、Qref进行比较后得到的差值输入PI控制器，差值经PI控制器进行跟踪处理得到参考电流idref和iqref.PQ控制与V/f控制仅在外环控制的不同，其电流内环控制部分与V/f控制一样，具体详见V/f控制部分.

图1 V/f控制结构

图2 PQ控制结构

2 仅含V/f控制微电网

2.1 微电网结构

由文献[11]可得仅含V/f控制微电网结构如图3所示，根据文献[4]可将微电网分为逆变型分布式电源上游、下游和相邻馈线3个区域，当故障发生时，故障点总会在其中某一区域内.多个V/f控制IIDG根据输出电流的极限和容量可以归并等效为1个V/f控制的IIDG[14].

2.2 故障特性分析

微电网不同区域发生三相短路故障时的等效电路图如图4所示，微电网常接入低压配电网中，故讨论其中性点不接地的情况，故障时V/f控制IIDG等效为受并网点输出电流控制的电压源[6]，同时为了提高独立运行微电网的故障穿越能力，V/f控制IIDG输出的故障电流为额定电流的3～5倍[18].

图3 微电网结构

图4 等效电路

其中Ug、Ik、Z分别为V/f控制IIDG的等效电压、流向故障点的短路电流、IIDG到故障点的线路阻抗，则Ik为：

(1)

因微电网线路很短，故不同点发生故障时，故障电流Ik大小相差不大；同时由于IIDG的容量有限和变流器的限流原因，V/f控制IIDG无法完全支持系统电压，使得IIDG并网点电压会出现大幅跌落[14].

2.3 实例仿真

在PSCAD/EMTDC搭建如图3所示的10kV微电网，V/f控制IIDG额定容量为1.35 MW;实际工程中风能、光伏等电源接入的配电网线路较短，对地电容可不考虑，输电线路用等效的PI电路[20]，线路长度L1= 3 km、L2=L3=1 km，线路单位阻抗Z=(0.58+j0.84)Ω/km;负荷大小：SLd1=0.8 MV·A，cos φ1=0.95；SLd2=0.6 MV·A，cos φ2=0.9，将线路的中点设置为故障点，系统稳定运行后的 0.3 s 时发生故障,故障时间为 0.2 s.在工程实际中常发生的短路故障类型为单相接地，限于文章的篇幅本文仅给出A相接地短路的金属性和非金属性故障(过渡电阻为 10 Ω)的仿真与分析.

f1点发生金属性和非金属性故障时，流过保护QF1的A相短路电流波形和IIDG并网A相电压波形如图5所示.

图5 f1点故障

f2点和f3点发生故障时，流过保护的A相短路电流和IIDG并网A相电压如表1所示.

表1 短路电流和并网电压

其中I1、I2、I3分别为f1点故障时流过保护QF1的A相短路电流幅值、f2点故障时流过保护QF4的A相短路电流幅值、f3点故障时流过保护QF5的A相短路电流幅值；U1、U2、U3分别为f1点故障时IIDG并网A相电压幅值、f2点故障时IIDG并网A相电压幅值、f3点故障时IIDG并网A相电压幅值，电流单位为kA、电压单位为kV，下文相同不再赘述.

由图5和表1可知，金属性故障电流比非金属性故障电流大，金属性故障电流会增加到约为3倍的额定电流，不同点故障时电流大小相差不大，与2.2节理论分析相同；故障时IIDG并网电压都会大幅跌落，金属性比非金属性跌落幅度大，IIDG离故障点越近并网点电压跌落幅度越大.

3 含V/f和PQ控制微电网

3.1 微电网结构

同时含V/f和PQ控制IIDG的独立运行微电网采用主从控制[8]，独立运行微电网正常运行时，一般由储能装置或微型燃气轮机作为主微电源，同时由于光伏发电、风力发电出力的随机性，因此其常采用PQ控制来实现功率输出的恒定[6]，其中V/f控制IIDG为主微电源，PQ控制IIDG为从微电源[21]，根据文献[6]建立同时含V/f和PQ控制IIDG的独立运行微电网简化模型如图6所示.

图6 微电网

3.2 故障特性分析

微电网不同区域发生三相短路故障时的等效电路图如图7所示，微电网常接入低压配电网中，故障时PQ控制IIDG等效为受并网点电压控制的电流源[22]，PQ控制IIDG最大输出电流为1.5～2倍的额定电流[6].

图7 等效电路

其中，Ug为V/f控制IIDG的等效电压，Ig为PQ控制IIDG输出等效电流，I1为故障时流过保护QF2的短路电流，I2为故障时流过保护QF6的短路电流，Z1为母线N到故障点的线路阻抗，Z2为母线P到故障点的线路阻抗.

由图7易知，I1、I2分别为：

(2)

(3)

因微电网线路很短，故不同点发生故障时，故障电流I1、I2大小相差不大.同时因PQ控制IIDG主要是为了输出功率恒定，故发生故障时PQ控制IIDG并网电压可能会跌落至零.

3.3 实例仿真

在PSCAD/EMTDC搭建如图6所示的10kV微电网，PQ控制IIDG有功参考功率为Pref=0.25MW，无功参考功率Qref设为0；L1=3 km、L2=1 km，其他参数同2.3节，将线路的中点设置为故障点，系统稳定运行后的 0.3 s 时发生故障,故障时间为 0.2 s，故障类型为A相金属性和非金属性接地短路.

f1点发生A相金属性短路故障时，流过保护QF2的A相短路电流I1、流过保护QF6的A相短路电流I2和IIDG并网A相电压如下图8所示.

图8 f1点金属性故障

f1点发生A相非金属性故障、f2点发生A相金属性和非金属性故障时，流过保护的A相短路电流和IIDG并网A相电压分别如表2、3所示.

表2 流过保护的电流

表3 IIDG并网电压

I1、I2、I1-2、I2-2分别为f1点故障流过保护QF2的A相电流、f1点故障流过保护QF6的A相电流、f2点故障流过保护QF2的A相电流、f2点故障流过保护QF6的A相电流；U1、U2、U1-2、U2-2分别为f1点故障PQ控制IIDG并网A相电压、f1点故障V/f控制IIDG并网A相电压、f2点故障PQ控制IIDG并网A相电压、f2点故障V/f控制IIDG并网A相电压.

由图8和表2、3可知，当发生故障时，PQ控制IIDG故障电流会增大到约为额定电流的2倍，故障电压会跌落到接近于零，跌落幅度比V/f控制IIDG大；金属性故障和非金属性故障特性基本相同，金属性故障电流会大于非金属性故障电流，金属性故障电压跌落幅度大于非金属性故障电压跌落幅度.

由表1、2、3可知，f1点和f2点故障时，仅含V/f控制IIDG与同时含V/f和PQ控制IIDG的微电网，其V/f控制IIDG的故障特性基本相同;由图5(a)和图8(a)可知，故障时IIDG输出电流呈现恒流特性.

4 结语

本文在PSCAD/EMTDC仿真软件上，搭建仅含V/f控制IIDG的独立运行微电网与同时含V/f和PQ控制IIDG的独立运行微电网仿真模型，针对单相故障类型和故障发生位置对IIDG输出电流和并网电压故障特性进行了分析，可得结论如下：

1) IIDG输出电流呈现恒流特性，V/f控制IIDG 的非金属性故障电流比金属性故障电流要小，而PQ控制IIDG的非金属性故障电流与金属性故障电流基本相同；由于没有与大电网连接且IIDG提供的容量有限，故障时IIDG并网电压会大幅跌落.

2) 相同点发生故障时，仅含V/f控制IIDG与同时含V/f和PQ控制IIDG的微电网，其V/f控制IIDG的故障特性基本相同.

独立运行微电网的网络拓扑虽有差异，但微电源主要以风能、太阳能等新能源为主，绝大部分需要经过并网逆变器接入电网.通过本文的分析，希望能为微电网的保护研究提供一些参考.后续会对分布式电源容量、分布电源接入位置、其他故障类型、故障线路两端的特性以及功率特性展开研究.