基于多分布式電源的孤網繼電保護研究

熊衛東

摘 要：部分孤島網絡分布式電源數量較多，依據其特性，對故障后控制要求具備清晰的認知，提出具體控制方法，確保故障后期，分布式電源向孤網注入故障電流，便于繼電保護。通過保護性能研究，驗證逆變器電源故障后控制是否有效。

關鍵詞：多分布式；電源；孤網；繼電保護

0 引言

分布式發電技術以可再生能源為主，因自身缺陷，使常規狀態下分布式發電難以實現，為微電網技術提供了應用發展空間。不同于分布式發電，微電網和大電網將公共連接點作為連接載體，假使發生故障，以計劃孤島內形式對其進行解列，對大電網繼電保護無影響。如果是微電網內部故障，未及時切除故障元件，很容易使孤島網絡崩潰。孤網繼電保護研究極為必要。

1 較大比重逆變器電源繼電保護

現階段，微電網研究以恒功率、恒壓恒頻控制為主，而微電網保護研究則比較少。可采用以下兩種方式進行微電網保護。（1）并網和孤島保護方法相同，成本低，保護原理復雜。（2）在原有方案基礎上，提出備選方案，結合運行情況，給予針對性保護。

當前研究中并未對微電網自身特性進行考量，僅研究穩態控制方式下的逆變器電源故障特性，以此為基礎，實施保護。當微電網運行狀態不正常或故障點與逆變器電源端距離較遠，可采用該種保護方式。因微電網比較小，假使內部出現故障，逆變器無法承受過電流。電源內部針對電力電子器件保護會動作而閉鎖輸出，該過程執行難度較大。需加大微電網控制和保護研究力度[1]。

2 微電網控制與保護特點

2.1 微電網電源特性

分布式電源是微電網中的重要內容，因其通過逆變器實現微電網接入，可將其稱為逆變器電源。其既能夠向電網發出功率，又能夠進行多余電源吸收，實現電網和逆變器電源功率交互。逆變器電源無大型轉子，將電容設置在前級直流電源和逆變器之間，以在暫態過程中通過電能吸收或提供滿足功率變化要求。微電網電源特征：

（1）等值阻抗小。無論是換流變壓器，還是換流電抗器，都會導致逆變器電源等值電抗，而等值電阻又是由主電路中的損耗電阻生成。逆變器等值阻抗為0.10～0.15pu，同步發電機同步電抗在1.00pu以上。暫態背景下，比較同步發電機和逆變器電源次暫態電抗，前者大于后者。因而，其無法對短路電流進行有效限制，可通過電流幅值限制實現半導體功率器件保護。

（2）響應速度快。運行過程中的同步發電機，內部轉子鐵芯和定子繞組耦合磁鏈，有豐富的磁場能，暫態過程長。電力電子裝置是逆變器電源能量分配的實現載體，電抗儲存能量小，一旦發生短路，電流會有很大變化，而控制系統響應速度也很快，故而暫態過程短，短路后即可穩定。因而，逆變器運行狀態改變具有瞬時性[2]。

（3）承受故障電流小。同步發電機短路時，短路電流峰值很高，甚至可達額定電流數十倍。逆變器電源短路后輸出電流極限主要由其冗余度決定。當故障問題比較嚴重，逆變器電源故障電流遠非其所能承受，內部電力電子保護非靜止，對閉鎖功率器件進行輸出，以免損壞設備。

表明，逆變器電流故障和同步發電機存在差異。后者雖存在故障問題，仍能夠通過慣性，持續輸出故障電流；而逆變器電源響應速度非常快，難以承受過電流，無法滿足故障狀態下過流要求。

2.2 逆變器電源運行狀態和轉換判據

只有了解逆變器電源故障狀態，才能夠對其進行故障后控制，對逆變器電源約束條件具備明確認知，將其運行狀態劃分為故障、常態及非常態3種。常規狀態下的逆變器電源輸出穩定，電壓頻率合格，符合微電網運行要求。非正常狀態下，逆變器運行與其約束條件不符，但具備可控性，可更改控制方式，實現約束條件更新，確保輸出穩定，而微電網也處于穩定運行狀態。

假使逆變器電源與電流約束不符，表明其處于故障狀態。常規控制方法不具備適用性，逆變器電源故障后控制方法多依據微電網保護進行設置。經保護之后，進行故障切除，繼而使其恢復到常規運行狀態，實現正常運行。

3 逆變器電源故障后控制

嚴格執行逆變器故障后控制，能夠提升微電網線路保護性能。假使故障電流不越限，為保護裝置提供持續故障信息。

3.1 等效電壓源控制

其屬于間接電流限制。通過降低PWM的占空比，使逆變器電源在預先設定好的輸出電壓處運行，即使其經內阻抗，電流也不會越限。它屬于限壓控制方式，應用過程中，如果有專門的故障限流器，原輸出額定電壓不會發生改變，經FCL阻抗，使電流不越限，其為恒壓控制方式。如圖1所示，等效電壓源控制模型。

3.2 等效電流源控制

該電流限制比較直接。假使輸出電流為額定電流，且在一定限制范圍內，采用常規控制方法。超出該限值，限定在極限值。通過對PWM占空比進行更改，實現輸出電流約束，將其控制在適當范圍內。該過程中，應用電抗串聯限流法，借助FCL，使恒定電流保持輸出狀態，而該控制方式為恒流控制。

故障位置各異，很容易看出逆變器電源輸出電流幅值非線性特點。某故障點與電源出口相距甚遠，其發生短路，故障后控制方式下的逆變器電源流過的故障電流仍未到極限值，其與故障點位置相關。假使故障電流過大，會使逆變器電源電流輸出被限制在一個恒定量。各逆變器電源冗余度設計不足，使輸出故障電流都有其各自極限值。可借助鎖相環控制，使故障量相位與故障前瞬間相位保持一致。如圖2所示，等效電流源控制模型。

4 故障后控制下的保護分析

如圖3所示，該計劃內孤島配電系統包含多個逆變器電源，系統線電壓400V，中性點接地運行。

4.1 故障后控制下過電流保護

依據各故障點電流幅值，定位和隔離故障。將恒流/限流控制作為備選方式，屬恒流源。該種方式使過電流保護不能通過電流區對故障點位置進行合理區分，無選擇性可言。恒壓控制過程中，FCL投入較大，使保護范圍縮小，難以滿足相關要求，可選用限壓控制方式，更改逆變器電源功率器件占空比，實現電源端電壓控制，理想特性為恒壓源[3]。

4.2 故障后控制下低電壓保護

逆變器電源為故障后控制，有最大故障電流限值。微電網線路越短，其阻抗越小。當微電網線路處于故障狀態下時，母線電壓也會發生更改，而低電壓保護因故障信息而迅速動作，用限壓和恒流/限流對逆變器電源故障進行后控制。對比各類故障控制方式，低電壓均具備較高靈敏度。但故障電流存在極限值，加之，阻抗小，使低電壓保護很容易被故障信息干擾，增加整定值確定難度。

5 結語

綜上所述，基于分布式電源的孤網繼電保護專業性強，研究難度較大，重點探討和分析逆變器電源故障后控制方式，對其具備明確的認識，將外部故障對逆變器電源的影響降到最低，繼而有效驗證傳統保護方式在故障后控制中是否具備適用性，以實現微電網線路保護原理設計，提升保護性能。

參考文獻

[1]劉喆.基于雙向信息的微電網二次保護系統研究[J].科協論壇，2013，（12）：45-46.

[2]李黎.分布式發電技術及其并網后的問題研究[J].電網與清潔能源，2010，26（2）：55-59.

[3]許健，趙春霞.針對多分布式電源的孤網繼電保護[J].電網與清潔能源，2015，31（2）：78-82.

（作者單位：國電南瑞科技股份有限公司）