1、研究背景
微電網具有潮流雙向流動、并網孤島運行時故障電流差別大以及拓撲結構靈活多變的特點, 對微電網的保護帶來了很大的挑戰(zhàn)。基于故障分量原理的保護相較于其余的保護方法具有明顯的優(yōu)勢。目前, 微電網中存在一些基于故障分量的保護方法: 通常基于故障分量幅值大小或相位關系的比較。但其分析一般將微電源等效為虛擬同步發(fā)電機, 采用傳統(tǒng)的故障分量附加網絡分析方法, 沒有考慮逆變型微電源(IIDG)的控制策略, 其分析存在局限性。實際上, 逆變型微電源的故障特性主要受控制策略影響, 不同于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機, 現有的故障分量分析方法已不再適用。本文建立微電網在并網運行狀態(tài)下的正序故障分量網絡, 并對各饋線上的故障電流正序分量幅值大小及相位關系進行分析, 研究故障分量保護原理在含逆變型微電源的微電網中的適用性。
2、計及控制策略的微電源等效模型
微電網并網運行時, 逆變型微電源廣泛采用PQ控制策略, 其控制系統(tǒng)通過控制有功電流和無功電流跟蹤參考值變化, 從而輸出參考功率。正常運行時, 無功參考功率一般設為零, 即不輸出無功電流。傳統(tǒng)的并網規(guī)定沒有對分布式電源在系統(tǒng)故障時的控制方式進行約束, 但在新的并網規(guī)定中, 要求分布式電源具有故障穿越能力, 即在系統(tǒng)發(fā)生故障時優(yōu)先向電網輸送無功功率, 支撐系統(tǒng)電壓。當電壓跌落超過10%時, 每1%的電壓跌落, 至少要提供2%的無功電流。
當發(fā)生故障時, 逆變型微電源并網點電壓下降, 則有功參考電流、無功參考電流均增大, 即無功電流、有功電流隨之增大, 故逆變型微電源故障電流急劇增大。但由于逆變器過流能力的限制, 逆變型微電源輸出的最大故障電流不能超過額定電流的兩倍, 無功參考電流和有功參考電流均應進行限制。
為改善逆變型微電源的輸出特性, 一般采用正序控制策略。在電網故障情況下, 由于逆變型微電源的交流側輸出電流中只存在正序電流分量, 所以可以將逆變型微電源等效為受并網點電壓控制的正序電流源。
3、不同電壓降時逆變型微電源輸出電流變化
逆變型微電源輸出故障電流值的范圍如下圖所示, 即以逆變型微電源的最大輸出電流Imax為半徑的弧線所圍成的扇形區(qū)域。對應不同的電壓降, 逆變型微電源輸出電流變化存在兩種情況：
1) 電壓降較小時, 逆變型微電源輸出的有功電流和無功電流均增大, 故障電流也增大。此時, 電流的故障分量與電壓的相位差小于90°。
2) 電壓降較大時, 逆變型微電源輸出的故障電流將被限制在最大電流處, 此時優(yōu)先輸出無功電流, 有功電流會減小, 故障分量與電壓相位差將大于90°。
4、微電網故障分量保護原理分析
根據以上分析, 微電網的正序故障附加網絡中, 在逆變型微電源接入處, 將產生等效的附加電流源, 這是與傳統(tǒng)故障分量分析方法的不同之處。利用基爾霍夫電流定律, 可以獲得同一母線上各條饋線的正序電流故障分量相量圖, 從幅值大小和相位關系兩個方面對故障分量保護原理進行分析。
離故障點較遠的母線上, 電壓降較小, 逆變型微電源輸出的有功電流和無功電流均增大。由相量圖可知, 故障饋線上的正序電流故障分量的幅值最大, 相位與其余饋線的正序電流故障分量幾乎相反。
但離故障點較近的母線上, 由于電壓降較大, 逆變型微電源主要輸出無功電流, 有功電流減小, 這將影響到故障饋線上的正序電流故障分量, 其幅值可能不是最大, 而且其方向可能不全部與其余饋線相反, 則不能正確區(qū)分故障線路。
5、結論與展望
針對PQ控制的逆變型分布式電源, 在故障時對其采用具有無功支撐能力的故障穿越控制策略, 分析了不同電壓降時逆變型微電源輸出故障電流的變化。并使用更加準確的壓控電流源模型, 通過正序電流故障分量的幅值和相位特征對微電網中的故障分量原理進行了分析, 得出以下結論: 在離故障點較近的母線處, 電壓降較大, 逆變型微電源為提供無功電流, 輸出的有功電流將減小, 此時基于正序電流故障分量幅值和相位比較的保護原理可能會失效, 無法正確識別故障線路。
目前, 微電網的保護方法仍是研究的重點之一。可參考本文的分析, 對基于故障分量的微電網保護開展進一步的研究, 提高微電網保護的可靠性。由于本文著重分析的是并網運行的微電網, 而且逆變型微電源采用的是PQ控制、優(yōu)先輸出無功功率的故障穿越控制策略。后續(xù)將對采用不同控制策略的逆變型微電源以及孤島情況下的微電網故障分量保護適用性進行分析。
