微電網(wǎng)具有潮流雙向流動、并網(wǎng)孤島運行時故障電流差別大以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變的特點, 對微電網(wǎng)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(wǎng)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(guān)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)有的故障分量分析方法已不再適用。本文建立微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行狀態(tài)下的正序故障分量網(wǎng)絡(luò), 并對各饋線上的故障電流正序分量幅值大小及相位關(guān)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(wǎng)中的適用性。
2、計及控制策略的微電源等效模型
微電網(wǎng)并網(wǎng)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(shè)為零, 即不輸出無功電流。傳統(tǒng)的并網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)輸送無功功率, 支撐系統(tǒng)電壓。當(dāng)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(dāng)發(fā)生故障時, 逆變型微電源并網(wǎng)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(yīng)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(wǎng)故障情況下, 由于逆變型微電源的交流側(cè)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(wǎng)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(yīng)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(wǎng)故障分量保護原理分析
根據(jù)以上分析, 微電網(wǎng)的正序故障附加網(wǎng)絡(luò)中, 在逆變型微電源接入處, 將產(chǎn)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(guān)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(jié)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(zhǔn)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(wǎng)中的故障分量原理進行了分析, 得出以下結(jié)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(wǎng)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(wǎng)保護開展進一步的研究, 提高微電網(wǎng)保護的可靠性。由于本文著重分析的是并網(wǎng)運行的微電網(wǎng), 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(wǎng)故障分量保護適用性進行分析。