1微電網保護的特殊性問題
當前有關微電網的研究主要是在傳統配電網基礎上展開的。現有文獻指出, 微電網與配電網之間僅設一個公共連接點(PCC), 且在該處裝設靜態開關。微電網處于并網運行模式時, 無論配電網還是微電網發生故障, 均即刻(通常在20毫秒內)將微電網和配電網隔離開。若故障點位于配電網, 這將有利于微電網切換至孤島模式下的穩定運行; 若故障點位于微電網, 則待PCC點斷開后在孤島運行方式下進行故障處理。可見, 只要微電網保護的出口時間大于40毫秒, 微電網內部故障電流特性取決于其內部的微電源。
與傳統配電網相比, 微電源的容量較小, 特別是逆變器接口型微電源受電力電子器件的限流影響在微電網內部短路時其提供的故障電流恒定且不大于其額定電流的兩倍。因此, 微電網內部保護滿足靈敏度的要求有難度。另, 微電網的電路拓撲和配電網類似, 電力用戶的分散性又使得微電網內部線路距離短或線路中間有T接。此時, 通過動作電流整定難以保證主保護的選擇性, 若依靠動作時限整定來保證選擇性既不符合保護快速性的要求也難以保證故障切除后微電網的穩定運行。在多端電源的微電網中, 不可控電源斷續輸出造成微電網中潮流方向的不確定, 也給采用方向元件來保證保護的選擇性帶來麻煩。還有一個不可忽視的問題是微電源容量小、供電半徑短, 容易失穩和脫網。當微電網線路保護動作時間長于微電源在故障情況下持續并網時間, 微電源會退出運行, 造成微電網“崩盤”, 致使微電網內的線路保護徹底失去選擇性。
2國內外研究現狀分析
為解決微電網保護靈敏度低、選擇性差的問題, 有研究人員將在電網保護中已有成熟應用的低電壓、序分量等故障特征量引入微電網保護中, 提出基于就地信息的微電網保護方案。筆者認為, 除非微電網達到相當規模, 此類基于就地信息的微電網保護整定困難, 難以解決保護選擇性、靈敏性的問題以及保護間相互配合的問題, 但其可以作為后備保護。
借助于微電網的中央單元和信息平臺, 有研究人員提出了基于全網(區域)信息交互的微電網保護方案, 目前主要有兩種研究思路：一種是實時采集與結構變化相關的電氣量及開關量信息, 借由中央單元實現實時整定; 另一種是利用信息采集系統獲取全網故障信息, 由中央單元保護模塊確定故障點, 進而實現故障隔離。微電網的規模遠小于配電網, 基于全網(區域)信息交互的保護可以從微電網全局統籌, 很大程度上克服了微電網復雜的運行狀態以及靈活多變的拓撲結構對保護的影響, 具有良好的自適應性。但此類保護方案對通信依賴性太強, 不僅通信速度對保護的動作速度有直接影響, 而且局域通信發生故障時, 可能會導致微電網內部多處保護誤動或拒動。
鑒于上述保護方案存在的不足, 有研究人員提出通過通信方式獲取相鄰故障點的方向信息, 并就地判斷是否動作隔離故障。此類方法適用于雙電源間線路兩端均裝設斷路器和相應保護裝置的無分支線路保護以及母線保護。當微電網中某些單電源(等效)多分支線路(線路僅有一端有斷路器和保護裝置)發生短路故障時, 或在多端電源的拓撲結構中, 有T接線路或有斷續輸出的不可控電源時, 這類比較方向(相位)變化的保護存在無法判斷的可能。
3對實現微電網保護所需解決問題的探討
微電網保護的目的是為了盡可能維持微電網的穩定, 或快速恢復微電源的運行。現階段微電網內部故障后的處置思路應是：結合微電源的容量、分布等因素, 將微電網的保護與故障重構統籌考慮, 以最大限度利用微電源作為故障后的處置目標。以下分別從三個不同場景對此加以討論：
(1) 微電網中的所有微電源集中接于同一母線, 以放射式樹干型的線路結構向負荷供電。當微電網內部線路發生短路故障時, 短路電流單向流動。此時, 可采用就地檢測短路電流, 并上傳上一級線路保護的方法, 短路回路中的各線路保護均以檢測到短路電流為啟動保護出口的條件, 以收到下級線路故障電流為閉鎖保護出口的條件。
當故障點靠近線路首端, 出現微電源先于線路保護動作脫網的情況時, 為順利實現故障重構, 和微電源接在同一母線上的各出線斷路器操作機構均要求帶失壓脫扣的功能, 且這些出線保護要能夠在微電源脫網前檢測到故障電流并閉鎖該斷路器的合閘回路。
(2) 對微電源分多(兩)處接入的微電網, 將線路斷路器跳開后不會造成微電源解列的線路定義為“單側電源供電線路”, 反之定義為“雙側電源供電線路”。
“雙側電源供電線路” 在無T接的情況下, 線路保護可選用現有文獻提出的“基于電流相角突變量方向的有源配電網保護”。由于比較的是電流流向, 該保護特別適用于由多個等容量逆變器輸出型小容量微電源構成的微電網中的線路主保護。雙側電源供電線路發生短路故障時, 即便保護正確動作隔離故障, 也必然會打破其中微電源與負荷的平衡關系, 使得部分微電源因失穩而退出運行, 進而造成微電網無法繼續運行。為了減少此類情況, 需要在保護裝置中加入類似于一次重合閘的動作邏輯, 盡快將已脫網的微電源重新投入運行。同時, 要將保護動作結果以及微電源運行狀態引入到微電網運行控制裝置中, 探討實時故障重構的方法。
對于規模較小的微電網也可探討不設置線路保護的方法。在線路開關處裝設具有通信功能的檢測裝置, 當微電網發生故障時, 用微電源的過流保護無選擇隔離故障, 再用人工干預的方式準確隔離故障, 最后通過故障重構的方法恢復運行。
(3) 主動配電網模式下微電網內部線路保護要具備兩方面的功能：一是滿足正常運行方式(是配電網的一部分)下出現故障時的配電網保護功能; 二是滿足非正常運行方式(故障重構形成的“微電網”)下出現故障時的微電網保護功能。雖然兩種運行方式下短路電流差值很大, 主保護仍可采用基于相鄰信息交互定位故障的保護原理, 后備保護亦采用取就地信息的過流保護原理。
若微電源并入主網運行, 當微電網內部區域發生故障時, 主網系統提供的短路電流遠大于微電源提供的短路電流。充分利用這一特點, 對微電源分開接入的微電網, 其相鄰保護的交互信息可為所測的短路電流幅值, 此時保護動作的判據為“僅有一側短路電流大于等于主網系統在最小運行方式下該線路末端兩相短路電流”。
主動配電網模式下微電網也會在線路發生短路時或保護動作后出現微電源脫網、解列等問題, 解決方案同上, 不再贅述。
4結語
①微電網形成方式決定了微電網內部短路電流幅值、相位等特性取決于微電源;
②微電網保護所面臨的特殊性問題主要為：短路電流小以及微電源工作的不確定性帶來的可靠性差、選擇性差以及靈敏度低; 即便保護正確動作, 微電網也極有可能瓦解。
③可采用基于相鄰信息交互判別故障原理的微機保護作為微電網主保護, 按微電源集中于一處接入和微電源分開接入的情況選擇保護原理。
④將微電網的保護與故障重構統籌考慮, 以最大限度利用微電源作為故障后的處置目標。
目前有關微電網的研究以及微電網工程應用均處于起始階段, 今后在微電網保護方面仍會出現新的有待不斷解決的問題。