微電網(wǎng)孤島運行時的故障特性與并網(wǎng)情況有所區(qū)別,且與微直流穩(wěn)壓電源的控制策略緊密聯(lián)系,因而需要對孤島微電網(wǎng)的保護進行具體的研究。根據(jù)U/f控制及PQ控制微直流穩(wěn)壓電源在故障穿越下的故障模型,分析了不同故障類型時的輸出電流特性,并對微電網(wǎng)中不同線路故障時各母線及饋線的相位特征進行分析,提出利用母線正序電壓故障分量和各饋線正序電流故障分量的相位特征實現(xiàn)故障定位的孤島微電網(wǎng)保護方案。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了仿真模型,結果驗證了該保護原理的正確性。
微電網(wǎng)是由分布式直流穩(wěn)壓電源 (DistributedGenerator，DG)、儲能裝置、電力電子裝置、相關負荷及監(jiān)控保護裝置構成的新型發(fā)配電系統(tǒng)。由于微電網(wǎng)能有效解決偏遠地區(qū)的供電問題，且受益于國家政策大力推動，微電網(wǎng)的相關技術得到飛速發(fā)展。
保護作為微電網(wǎng)的關鍵技術之一，是學者們研究的熱點。微電網(wǎng)在潮流流向、運行方式、短路電流、直流穩(wěn)壓電源容量等方面異于傳統(tǒng)電網(wǎng)，其保護策略的設計也將面臨諸多難點。
目前，關于微電網(wǎng)保護的研究較多，提出的保護方案大多是針對并網(wǎng)運行時的微電網(wǎng)。微電網(wǎng)內(nèi)部故障在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行兩種模式下，所呈現(xiàn)的故障特性及所采取的保護方法必然有所不同，且與微電網(wǎng)內(nèi)分布式直流穩(wěn)壓電源的控制方式緊密相關。因此，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的保護策略在微電網(wǎng)孤島運行時可能不再可行。
關于孤島微電網(wǎng)的故障特性分析和DG等效模型，目前已有相關文獻進行了討論。文獻［8］借助實際微電網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲進行分析，著重分析了故障情況下出現(xiàn)的頻率偏移、電流受限和系統(tǒng)阻抗等問題。文獻［9］通過結合實際微電網(wǎng)工程，搭建基于RTDS的半實物仿真平臺，分析了并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下配電網(wǎng)和微電網(wǎng)內(nèi)部的故障特性。文獻［10］對含U/f控制DG的微電網(wǎng)故障特性進行了研究，從理論上推導了DG的故障等效模型，提出一種故障穩(wěn)態(tài)的解析方法，但未考慮故障電流限幅。
以上文獻所描述的問題及故障特征為微電網(wǎng)保護配置提供了依據(jù)，但尚未應用到具體的保護方案中。
微電網(wǎng)保護方案大體上可分為兩大類: ①基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護原理改進的保護方案; ②基于通信或部分依賴通信的保護方案。
文獻［11］利用故障后保護安裝處電壓與故障位置的關系，采用低電壓加速因子提高傳統(tǒng)反時限過電流保護的動作速度，對低電壓配電網(wǎng)的反時限過電流保護進行了優(yōu)化，但過電流保護仍需結合智能保護設備才能更好地發(fā)揮作用。
文獻［12］利用測量阻抗與最小負荷阻抗實現(xiàn)保護功能，提出基于負荷阻抗的反時限低阻抗保護，但此類保護方案無法將故障定位到具體的線路。
文獻［13］提出了一種基于正序分量的保護策略，并設計了由相量測量單元和數(shù)字繼電器構成的數(shù)字通信系統(tǒng)，該保護方案適用于放射狀和環(huán)狀微電網(wǎng)的故障切除，并具備單相切除能力，但在分析故障特性時未考慮逆變器的控制策略，且未對分支饋線發(fā)生故障的情況進行討論。
文獻［14］對微電網(wǎng)內(nèi)多點的信息利用進行數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計分類、特征選取等智能算法處理實現(xiàn)故障位置的判定，該方案需要處理大量數(shù)據(jù)，且需要實時上傳大量數(shù)據(jù)給主站，通信要求高。
文獻［15］提出了基于微電網(wǎng)中央控制單元的集中式保護方案，實質(zhì)是基于通信的集成保護系統(tǒng)，該方案功能的完善和實現(xiàn)尚需更多的研究。
本文首先根據(jù)低壓微電網(wǎng)中逆變型分布式直流穩(wěn)壓電源的控制策略，選取不同的故障等值模型，并準確分析了故障時U/f控制及PQ控制的分布式直流穩(wěn)壓電源的輸出電流特性。
利用故障分量靈敏度較高且不受負荷電流、過渡電阻影響的優(yōu)點，建立孤島微電網(wǎng)的正序故障分量網(wǎng)絡，對不同位置發(fā)生故障時各母線及饋線的正序故障分量進行分析，提出利用正序電壓故障分量和正序電流故障分量的相位關系實現(xiàn)故障定位的孤島微電網(wǎng)保護方案。最后，利用PSCAD/EMTDC建立低壓微電網(wǎng)的仿真模型，驗證所提保護方案的有效性和可行性。
圖10 配置新型保護方案的微電網(wǎng)結構
結論
本文針對主從控制的低壓孤島微電網(wǎng)，故障時主控直流穩(wěn)壓電源(VF-DG)的最大故障電流擴容至額定電流的3倍，從直流穩(wěn)壓電源(PQ-DG)的故障穿越控制策略為增大有功電流，輸出有功功率以支撐系統(tǒng)電壓。分別使用受控電壓源、受控電流源模型對VF-DG、PQ-DG進行等效，分析了不同故障情況下采用不同控制策略的DG輸出電流的變化。
基于正序故障分量的相位關系特征，對孤島微電網(wǎng)內(nèi)部不同位置發(fā)生故障時各母線及饋線的正序故障分量進行了分析，提出了利用正序電流故障分量與正序電壓故障分量的相位差范圍的保護新方案。通過 PSCAD/EMTDC 進行算例仿真，驗證了所提保護方案的正確性和可行性。
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