朱吉然 牟龍華 郭文明

考慮并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)故障方向識(shí)別的逆變型分布式電源故障控制

朱吉然1牟龍華1郭文明2

（1. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 上海 201804 2. 長(zhǎng)沙學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410022）

微電網(wǎng)具有雙向故障電流，其保護(hù)的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何準(zhǔn)確判別故障方向。對(duì)微電網(wǎng)正序故障附加網(wǎng)絡(luò)的分析表明，逆變型分布式電源（IIDG）正序故障分量阻抗角所在象限決定了正序故障分量方向元件在并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)中的適用性。然而，IIDG功率輸出策略的多樣性和故障后IIDG并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的不確定性導(dǎo)致IIDG正序故障分量阻抗角所在象限無(wú)法確定。對(duì)此，該文提出一種多階段的IIDG故障控制方法，通過改變IIDG在特定時(shí)間窗口內(nèi)的故障響應(yīng)特性將其正序故障分量阻抗角控制為給定值，從而在微電網(wǎng)中構(gòu)造出不依賴于IIDG功率輸出策略的正序故障分量特征?；赟imulink的仿真結(jié)果驗(yàn)證了采用所提出IIDG故障控制方法時(shí)微電網(wǎng)故障方向識(shí)別的準(zhǔn)確性。

并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng) 故障方向 逆變型分布式電源 正序故障分量

0 引言

微電網(wǎng)是一個(gè)由分布式電源、負(fù)載、儲(chǔ)能及監(jiān)控保護(hù)設(shè)備組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1-3]。大多數(shù)分布式電源都必須經(jīng)“逆變器”或者“整流器-逆變器”將電能轉(zhuǎn)換成適當(dāng)形式后才能接入微電網(wǎng)[4-5]，這類分布式電源稱為逆變型分布式電源（Inverter Interfaced Distributed Generator, IIDG）。IEEE 1547.4標(biāo)準(zhǔn)要求IIDG具備即插即用功能，這導(dǎo)致IIDG的接入位置在網(wǎng)絡(luò)中具有不確定性。當(dāng)微電網(wǎng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)可能都有電流流過。為了實(shí)現(xiàn)最小范圍切除故障線路，微電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)正確判斷故障點(diǎn)方向。

分布式電源接入電網(wǎng)后，將在一定程度上改變電網(wǎng)故障特征，從而影響傳統(tǒng)方向元件的工作準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[6]基于風(fēng)電系統(tǒng)故障特征，分析了傳統(tǒng)選相及方向元件在風(fēng)電接入系統(tǒng)中的適應(yīng)性。文獻(xiàn)[7]建立了IIDG在恒功率控制策略下的等效模型，在此基礎(chǔ)上分析了基于正序電流故障分量幅值和相位比較的保護(hù)原理在微電網(wǎng)中的適用性。文獻(xiàn)[8]推導(dǎo)了送出線路光伏電站側(cè)故障電流相量表達(dá)式，深入分析了有功、無(wú)功參考值、控制目標(biāo)、電壓不平衡度等因素對(duì)序故障分量方向元件和相量故障分量方向元件動(dòng)作性能的影響。文獻(xiàn)[9]通過分析雙饋風(fēng)機(jī)等效序突變量阻抗的相位變化特征，揭示了雙饋風(fēng)機(jī)對(duì)故障分量方向元件的影響機(jī)理。文獻(xiàn)[10]對(duì)逆變型電源等效正、負(fù)序突變量阻抗解析表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)，揭示了逆變型電源對(duì)各類故障分量方向元件的影響機(jī)理。雖然不同文獻(xiàn)所研究的分布式電源類型及功率控制策略不同，但大多數(shù)結(jié)論都認(rèn)為傳統(tǒng)方向元件的性能出現(xiàn)了下降，甚至存在誤判的可能。

對(duì)此，部分學(xué)者提出了改進(jìn)的故障方向判別方法。例如，文獻(xiàn)[11]提出一種具有低電壓穿越能力的光伏電源接入配電網(wǎng)方向元件的新判據(jù)，在光伏電源采用無(wú)功支撐策略時(shí)具有良好的實(shí)用性。文獻(xiàn)[12]對(duì)采用低電壓穿越策略的IIDG在微電網(wǎng)高阻故障和低阻故障下的故障響應(yīng)特性進(jìn)行了分析，提出了一種基于正序故障分量的故障方向判別方法。文獻(xiàn)[13]提出一種具有新型邏輯結(jié)構(gòu)的方向元件，該元件在IIDG采用純正序電流輸出與同步電機(jī)模擬這兩類故障穿越策略時(shí)具有良好的表現(xiàn)。

針對(duì)具體的IIDG控制策略改進(jìn)故障方向判據(jù)是目前采用較廣泛的一種思路，但考慮到IIDG在故障情況下可采用的功率輸出策略非常靈活多樣[14-16]，上述改進(jìn)方法在應(yīng)用于其他場(chǎng)景時(shí)難以保證其適用性。借鑒國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的控制-保護(hù)協(xié)同概念[17-19]，本文提出一種多階段的IIDG故障控制方法，通過改變IIDG在特定時(shí)間窗口內(nèi)的故障響應(yīng)特性構(gòu)造出恒定的微電網(wǎng)正序故障分量特征，從而可實(shí)現(xiàn)不依賴IIDG功率輸出策略的故障方向判別。

本文首先分析了IIDG正序故障分量阻抗角對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)故障方向判別的影響；然后研究了不同功率優(yōu)先輸出策略下，IIDG正序故障分量阻抗角隨并網(wǎng)點(diǎn)電壓幅值、相角變化之間的規(guī)律；最后，詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的IIDG故障電流參考信號(hào)生成方法，并基于Simulink進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)正序故障分量特征分析

基于正序故障分量的繼電保護(hù)檢測(cè)原理具有無(wú)需判斷故障類型、不受故障點(diǎn)過渡電阻及負(fù)荷電流影響的突出優(yōu)點(diǎn)，正序故障分量阻抗角常用于判斷故障方向[20]。然而，IIDG的故障特性不同于傳統(tǒng)電源，在微電網(wǎng)中應(yīng)用正序故障分量方向元件時(shí)，必須考慮IIDG對(duì)微電網(wǎng)正序故障分量特征的影響。

圖1所示為并網(wǎng)微電網(wǎng)的一個(gè)局部區(qū)域，點(diǎn)畫線框?yàn)槲㈦娋W(wǎng)的基本組成單元，包括連接在同一母線上的IIDG、變壓器及負(fù)載等。P1和P2是方向元件，其正方向定義為從母線指向所在線路。

圖1 并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)的局部區(qū)域

圖2 并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)局部區(qū)域的故障分量附加網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)圖2，P1和P2處的正序故障分量阻抗P1、P2可分別表示為

式中，DG為IIDG的正序故障分量阻抗，其定義為

當(dāng)故障點(diǎn)位于方向元件的反方向時(shí)，方向元件的正方向是一個(gè)只包含DG、Line、T及Load的純阻抗網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)P（如圖2中的P1）可用“DG⊕Line⊕T⊕Load”的形式來(lái)表示，⊕表示串聯(lián)或并聯(lián)。當(dāng)故障點(diǎn)位于方向元件正方向時(shí)，阻抗網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在方向元件的反方向一側(cè)，此時(shí)P（如圖2中的P2）具有“–(DG⊕Line⊕T⊕Load)”的形式。

Line、ZT和Load通常為阻-感性，其阻抗角位于第一象限。若DG為阻-感類型，則根據(jù)阻抗元件的串聯(lián)、并聯(lián)理論，易知P1的阻抗角在第一象限，而P2的阻抗角在第三象限。類似地，當(dāng)DG為負(fù)阻-感類型或者阻-容類型時(shí)，DG與Line、T、Load存在部分相同的阻抗屬性（例如，共同含有電感部分或者電阻部分），此時(shí)也可推斷出P1與P2阻抗角所在的象限，結(jié)果見表1。但是，當(dāng)DG為負(fù)阻-容類型時(shí)，DG與Line、T、Load的阻抗屬性完全不同，此時(shí)P1與P2的阻抗角所在象限與DG、Line、T、Load的具體數(shù)值及其連接關(guān)系有關(guān)，在微電網(wǎng)復(fù)雜多變的運(yùn)行情況下無(wú)法預(yù)先確定。

表1P1和P2阻抗角所在象限

Tab.1 Quadrants of the impedance angels of ZP1 and ZP2

根據(jù)表1可知，當(dāng)DG阻抗角位于第一、第二或第四象限時(shí)，P1和P2阻抗角能夠確定所在象限，且不存在重疊區(qū)域，此時(shí)方向元件可根據(jù)正序故障分量阻抗角判斷故障方向。當(dāng)DG阻抗角位于第三象限時(shí)，P1和P2阻抗角所在象限無(wú)法確定，不能用于判斷故障方向。值得注意的是，當(dāng)微電網(wǎng)基本組成單元中包含更多的IIDG與負(fù)載，或者考慮更多的基本組成單元時(shí)，容易分析得出，方向元件處的正序故障分量阻抗仍然是DG、Line、T和Load的串聯(lián)、并聯(lián)組合，以上結(jié)論同樣是成立的。因此，DG的阻抗角所在象限決定了正序故障分量方向元件在并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)中的適用性。

2 IIDG的正序故障分量阻抗角特征

電網(wǎng)發(fā)生故障后，系統(tǒng)電壓將出現(xiàn)幅值跌落和相位跳變[21-23]。若IIDG并網(wǎng)點(diǎn)的正序電壓降低至故障前的(0＜＜1)倍，相位跳變?yōu)?，則IIDG并網(wǎng)點(diǎn)電壓的正序故障分量為

在并網(wǎng)運(yùn)行的微電網(wǎng)中，IIDG以功率跟蹤為目標(biāo)[24-26]，假設(shè)只從正相序輸出功率，則其輸出電流為

綜合式（5）和式（6），可推導(dǎo)出IIDG的正序故障分量阻抗為

顯然，DG阻抗角與IIDG并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓的幅值跌落程度、相位跳變及IIDG在故障前后的有功/無(wú)功功率參考值有關(guān)。根據(jù)IIDG并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度及功率輸出優(yōu)先級(jí)的不同，IIDG功率參考值存在三種可能的變化。

1）電壓跌落程度較輕。此時(shí)IIDG仍能完成故障前的功率跟蹤目標(biāo)，故障前后IIDG的功率參考值基本保持不變。

2）電壓跌落嚴(yán)重且IIDG采用有功功率優(yōu)先策略。當(dāng)IIDG并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落較嚴(yán)重時(shí)，由于IIDG的最大輸出電流一般不超過其額定電流的1.2～2倍，IIDG輸出功率的能力將遠(yuǎn)小于其額定容量。此時(shí)無(wú)功功率參考值首先被削減，當(dāng)無(wú)功功率輸出降為零，有功功率參考值也有可能被削減。

3）電壓跌落嚴(yán)重且IIDG采用無(wú)功功率優(yōu)先策略。有功功率參考值將首先被削減，當(dāng)有功功率輸出減為零，無(wú)功功率參考值也有可能被削減。

用max表示IIDG的最大過電流倍數(shù)，則IIDG在微電網(wǎng)故障后可輸出功率的最大值為

式中，N為IIDG的額定視在功率。

當(dāng)采用有功功率優(yōu)先輸出策略時(shí)，IIDG的功率參考值為

根據(jù)式（7）～式（9），對(duì)有功功率優(yōu)先策略下ZDG阻抗角隨k與φ的變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到圖3所示的結(jié)果（以=0.8pu，=0.2pu，Cmax=1.5為例）。

當(dāng)采用無(wú)功功率優(yōu)先輸出策略時(shí)，IIDG的功率參考值為

根據(jù)式（7）、式（8）和式（10），對(duì)無(wú)功優(yōu)先策略下ZDG阻抗角隨k與φ的變化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示（以=0.8pu，=0.2pu，Cmax=1.5為例）。

根據(jù)圖3和圖4可知，無(wú)論采用哪種功率優(yōu)先輸出策略，當(dāng)與變化時(shí)，DG阻抗角不會(huì)固定在某一個(gè)象限，而是會(huì)跨越多個(gè)象限，使故障方向判別特征復(fù)雜化。若取較大的正值，則DG阻抗角有可能進(jìn)入第三象限，導(dǎo)致正序故障分量方向元件無(wú)法判斷故障方向。

3 IIDG的故障控制方法

圖5 IIDG在正序故障附加網(wǎng)絡(luò)中的等效形式

假設(shè)IIDG輸出電流可以快速準(zhǔn)確地跟蹤其參考信號(hào)，則有

根據(jù)式（11）和式（12），IIDG的電流參考信號(hào)應(yīng)設(shè)置為

式（13）所示的參考電流只在故障后存在較短時(shí)間，隨后將被切換為以功率跟蹤為目標(biāo)的參考電流。具體來(lái)說(shuō)，本文將IIDG的故障控制過程劃分為慣性保持階段、過渡階段與功率跟蹤階段。在慣性保持階段，IIDG的參考電流由式（13）給定；在功率跟蹤階段，IIDG的參考電流根據(jù)具體的功率輸出策略確定；過渡階段位于慣性保持與故障穿越階段之間，用于實(shí)現(xiàn)IIDG參考電流的平滑切換。綜上，IIDG電流參考信號(hào)可表述為

圖6 IIDG的多階段控制方案

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37408—2019《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求》，自逆變器交流側(cè)電壓異常時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)無(wú)功電流的響應(yīng)時(shí)間不大于60ms，該響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)于本文提出的慣性保持階段與過渡階段時(shí)長(zhǎng)之和，因此過渡階段設(shè)定為20ms。采用這一設(shè)定方式之后，本文所提出的IIDG多階段控制方案不會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的故障穿越效果造成顯著影響。

IIDG參考電流信號(hào)計(jì)算邏輯如圖7所示。圖中，和分別表示IIDG輸出電流矢量和并網(wǎng)點(diǎn)電壓矢量。

圖7 IIDG參考電流信號(hào)計(jì)算邏輯

式中，為IIDG并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓的采樣點(diǎn)序號(hào)；為每周期的采樣點(diǎn)數(shù)；可取0.2倍額定電壓。

將DG阻抗角的設(shè)定值記為，則DG與DG應(yīng)滿足

聯(lián)立式（16）和式（18），即可計(jì)算出DG與DG。

采用圖7所示的IIDG參考電流計(jì)算策略后，DG阻抗角被控制在第一象限。此時(shí)，方向元件能夠根據(jù)正序故障分量阻抗角argP判斷故障方向，且argP與故障方向有如下規(guī)律：

1）故障發(fā)生在方向元件的正方向時(shí)，argP∈ [-180o, -90o]。

2）故障發(fā)生在方向元件的反方向時(shí)，argP∈[0, 90o]。

在故障后的第2個(gè)周期，DG基本達(dá)到穩(wěn)態(tài)，方向元件對(duì)P的檢測(cè)值也達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，若以故障檢測(cè)時(shí)刻作為時(shí)間起點(diǎn)=0，則方向元件采用=20～40ms時(shí)間窗口內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)可確保測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，從而準(zhǔn)確地給出故障方向判別結(jié)果。

4 仿真分析

在Simulink中建立圖8所示的并網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)。其中，配電網(wǎng)電壓等級(jí)為10kV，系統(tǒng)阻抗為1.2+j7.2Ω；點(diǎn)畫線框內(nèi)部分為微電網(wǎng)，采用放射型饋線結(jié)構(gòu)[29-30]。額定電壓下負(fù)載1消耗的功率為17kW+6kvar，負(fù)載2消耗的功率為16kW+5kvar；IIDG1和IIDG2的額定電壓均為380V，額定容量均為30kV·A，最大過電流倍數(shù)均為1.5；IIDG1故障前的功率參考值為21kW+5kvar，IIDG2故障前的功率參考值為15kW+6kvar；變壓器T1和T2的額定容量均為30kV·A，電壓比均為10kV/0.4kV，聯(lián)結(jié)組別號(hào)分別為Yy0和Dy11；線路1位于母線N和母線M之間，其長(zhǎng)度為2km（單位長(zhǎng)度阻抗為0.161+j0.19Ω/km）。

圖8 并網(wǎng)微電網(wǎng)系統(tǒng)

算例1：=0.12s時(shí)，變壓器T2的高壓側(cè)出口位置發(fā)生AB兩相短路故障，過渡電阻為1Ω。假設(shè)IIDG在故障穿越階段優(yōu)先輸出無(wú)功功率，且全部從正相序輸出功率。在慣性保持階段，IIDG的正序故障分量阻抗角設(shè)置為45o。IIDG1和IIDG2的輸出電流和輸出功率分別如圖9和圖10所示。

在圖9a和圖10a中，水平虛線表示IIDG的最大允許電流?？梢钥闯觯?dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障后，IIDG1和IIDG2的輸出電流始終保持在允許范圍內(nèi)。此外，從慣性保持階段到功率跟蹤階段的過渡過程中，IIDG輸出電流和輸出功率具有平滑切換的特性，未出現(xiàn)明顯的振蕩過程。

圖10 IIDG2的輸出電流和輸出功率（算例1）

方向元件P1～P4對(duì)其安裝處的電壓和電流進(jìn)行采樣，得到電壓故障分量和電流故障分量如圖11所示（已進(jìn)行歸一化處理）。提取其中的正序分量即可計(jì)算得到各方向元件處的正序故障分量阻抗，計(jì)算結(jié)果與故障方向判別結(jié)果見表2。

表2 方向元件阻抗計(jì)算及故障方向判斷結(jié)果（算例1）

Tab.2 Impedance computation results and fault direction results of direction elements （case 1）

根據(jù)圖8可知，P1測(cè)量、計(jì)算得到的阻抗角實(shí)質(zhì)上就是IIDG1的阻抗角（變壓器短路阻抗遠(yuǎn)小于IIDG的正序故障分量阻抗），方向元件P1的正序故障分量阻抗角為46.17o，與設(shè)定值45o基本相符。根據(jù)正序故障分量阻抗角與故障方向之間的關(guān)系，P1和P3判斷故障點(diǎn)位于反方向，P2和P4判斷故障點(diǎn)位于正方向，這與故障點(diǎn)的實(shí)際位置是相符的。

算例2：=0.12s時(shí)，線路1中點(diǎn)發(fā)生三相對(duì)稱短路故障，過渡電阻為2Ω。IIDG1和IIDG2的輸出電流和輸出功率分別如圖12和圖13所示。

圖13 IIDG2的輸出電流和輸出功率（算例2）

從圖12和圖13可以看出，從慣性保持階段到功率跟蹤階段的切換過程中，IIDG輸出電流始終保持在允許范圍內(nèi)，且電流和功率變化也具備平滑過渡的特點(diǎn)。方向元件P1～P4處的電壓故障分量和電流故障分量如圖14所示。同樣，利用電壓、電流故障分量計(jì)算得到各方向元件處的正序故障分量阻抗及故障方向判別結(jié)果見表3。

表3 方向元件阻抗計(jì)算及故障方向判斷結(jié)果（算例2）

Tab.3 Impedance computation results and fault direction results of direction elements （case 2）

方向元件P1和P4處的正序故障分量阻抗角均為46.07o，表明在三相短路情形下，IIDG的阻抗角同樣與其設(shè)置值基本相符。P1～P4的故障判別結(jié)果也與故障點(diǎn)的實(shí)際位置相符。

算例1和算例2的結(jié)果表明，采用所提出IIDG故障控制方法時(shí)，DG阻抗角能夠被控制為設(shè)定值，微電網(wǎng)中將出現(xiàn)與故障方向相關(guān)聯(lián)的正序故障分量阻抗角特征，方向元件利用該特征能夠準(zhǔn)確識(shí)別故障方向。

5 結(jié)論

本文根據(jù)IIDG對(duì)微電網(wǎng)正序故障分量特征的作用規(guī)律，提出了一種考慮并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)故障方向判別的IIIDG故障控制方法，并得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)IIDG的正序故障分量阻抗角位于第一、第二或第四象限時(shí)，利用方向元件處的正序故障分量阻抗角能夠區(qū)分微電網(wǎng)故障方向。

2）由于故障后IIDG并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的不確定性及IIDG本身功率控制策略的多樣性，IIDG的正序故障分量阻抗角所在象限無(wú)法唯一確定。

3）采用本文所提出的IIDG多階段故障控制方案，可以在特定時(shí)間窗口內(nèi)將IIDG正序故障分量阻抗角控制為設(shè)定值，并網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)中將出現(xiàn)與故障方向相關(guān)聯(lián)的正序故障分量阻抗角特征，方向元件利用該特征能夠準(zhǔn)確識(shí)別故障方向。

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Fault Control of Inverter Interfaced Distributed Generator Considering Fault Direction Identification of the Grid-Connected Microgrid

Zhu Jiran1Mu Longhua1Guo Wenming2

（1. College of Electronics and Information Engineering Tongji University Shanghai 201804 China 2. College of Electronic Communication and Electrical Engineering Changsha University Changsha 410022 China）

The microgrid fault current is bidirectional, and a key issue of its protection is how to determine the fault direction. The analysis of positive-sequence additional network of microgrid shows that the applicability of the positive-sequence fault component (PFSC) based directional element in gird-connected microgrid is decided by the quadrant of the PSFC impedance angle of inverter interfaced distributed generator (IIDG). However, due to the diversity of IIDG power output strategy and the uncertainty of voltage variation at the IIDG coupling point, the quadrant of PSFC impedance angle of IIDG cannot be determined. In this regard, this paper proposed a multi-stage IIDG fault control method. By manipulating the fault response characteristic of IIDG in a specific time window, the PSFC impedance angle was controlled to a given value, so as to construct a PSFC feature independent of IIDG power output strategy in microgrid. The Simulink simulation results verified the accuracy of the microgrid fault direction identification by adopting the proposed IIDG fault control method.

Grid-connected microgrid, fault direction, inverter interfaced distributed generator, positive-sequence fault component

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201672

TM77

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)用專項(xiàng)（22120210164）和國(guó)家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目（5216A019000R）資助。

2020-12-23

2021-04-22

朱吉然 男，1985年生，博士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榕潆娮詣?dòng)化、信息化和智能配電網(wǎng)設(shè)備。E-mail：zhujiran040356@163.com

牟龍華 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制。E-mail：lhmu@#edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）