基于谐波分量的交流微电网保护策略研究

陈　志，裴雪军，王顺超，彭　力，王涵宇

（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074）



基于谐波分量的交流微电网保护策略研究

陈志，裴雪军，王顺超，彭力，王涵宇

（华中科技大学电气与电子工程学院，武汉430074）

摘要：在以逆变电源为接口的交流微电网中，由于开关器件的过流能力有限，当微电网中发生短路故障时，逆变电源输出的短路电流通常被限制在2倍的额定电流左右，因此，传统基于过电流保护的原理将不再适用于以逆变电源为接口的微电网系统。针对这一问题，提出了一种基于谐波分量的保护策略。该方法不依赖于较大的短路电流就可以有效地保护短路故障，避免了传统过流保护的一些局限性。在实验室搭建由2台10 kVA的逆变电源组成的供电系统实验平台，并进行了相关实验。实验结果验证了所提方法的有效性。

关键词：逆变电源；微网；短路保护；谐波；故障隔离

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51577079）

引言

微电网作为以新能源为基础的分布式电源接入电网的一种有效手段，以其具备灵活的运行方式、高可靠性的供电能力以及优质的电能质量等诸多优点成为电力工业发展的重要方向之一。凭借着微电网的运行控制和能量管理等关键技术，微电网可以实现并网和孤岛2种运行模式［1-4］。由于微网内部的新能源发电绝大部分都是以电力电子变换器为接口，而电力电子器件有限的过流能力使得变换器必须要具备很好的限流能力，因此并网模式和孤岛模式的短路电流等级存在较大的差别，这就给微电网保护的设计带来一定的挑战［5-6］。

针对微电网的保护问题，部分学者提出了自适应保护的概念［7-9］，其基本思想是根据检测微网的运行模式以及拓扑的实时变化，来实时更改继电器的动作值，从而使得保护设备能够适应于微网不同的运行模式。然而，该方法依赖于系统内部各节点之间的通信，并且要不断更改保护设备的动作值，实现起来较为复杂。E. Casagrande等［10］提出了基于差动序分量的保护方法，该方法同样需要通过通信来获取线路两端的信息。还有一些学者提出了基于信号处理的保护方法，比如S. A. Saleh［11］提出利用小波包变换，快速提取故障电流中的特征量，实现故障的判断与定位，但小波变换算法比较复杂，而且容易受到一些暂态过程的干扰。当微电网在孤岛运行模式下发生短路故障时，短路电流一般被限制在2倍额定电流以内，传统的过电流保护不再适用于微电网，因此，必须寻求一种新的保护和控制原理。

本文首先简单介绍了微电网正常工作时的运行控制、短路情况下的限流控制。在此基础上，分析了微电网中采用传统的保护策略的局限性。然后提出了基于谐波分量的保护策略，该策略主要包括五次谐波注入和继电器的整定两部分。最后，在实验室的2台10 kVA逆变电源组成的供电系统实验平台上进行了相关实验，实验结果验证了该保护策略的有效性。

1　微网逆变器的正常运行控制

传统电力系统中，以同步发电机为主的各个发电单元的端口电压幅值随着无功负荷的增加而降低，系统频率随着有功负荷的增加而降低。这是保证电力系统稳定自主运行的前提条件。而在以逆变电源为接口新能源发电的微电网系统中，如图1所示，为了模拟电力系统中的电压和频率特性，各逆变器实时检测输出的有功功率和无功功率，根据有功功率来降低自身输出电压的频率，根据无功功率来降低自身输出电压的幅值，这就是所谓的下垂控制［12-14］。当输出阻抗呈感性时，下垂控制方程为

式中：ωi和Vi为自身输出电压的频率和幅值；ω*和V*分别为空载时逆变电源端口电压的频率和幅值；Pi和Qi分别为自身输出的有功和无功功率；m和n分别为有功和无功的下垂系数。

图1中的微网逆变器在正常运行时控制器主要包括3层。其中，下垂控制、虚拟阻抗控制和电压电流控制一起组成了底层控制（primary control），其主要功能是维持母线电压和使各个逆变电源模块能够均分系统的有功负载和无功负载；2层控制（secondary control）的主要目的是补偿由于下垂控制所引起的电压幅值和频率的偏差，使系统的电压和频率恢复至额定值，提高电能质量；3层控制（tertiary control）主要是为了进行能量调度和能量管理而设置的。关于微网逆变器的正常运行控制，文献［15］中已经做了详细论述。

图1　微网逆变器的控制框图Fig.1 Control block diagram of microgrid inverter

2　微网逆变器的短路限流控制

微网正常运行时，各逆变电源模块以电压源模式运行支撑系统的电压，一旦微网系统中发生短路故障，由于开关器件的过流能力有限，各个逆变电源必须快速进入限流控制模式，以电流源模式运行，保护开关器件不受损坏。限流控制框图如图1中所示，各逆变单元实时检测输出电流，一旦检测到发生了故障，则把开关切换至限流环，限流控制器q轴直接给定为0，d轴为PI控制器，即

ulim=kp_lim（Iref_lim-Io_max）+ki_lim（Iref_lim-Io_max）dt（2）

式中：Iref_lim为限流值；Io_max为三相输出电流的最大有效值；kp_lim和ki_lim分别为限流环的比例和积分系数。之所以采用这种d轴最大有效值控制，而不是在分别在d轴和q轴下进行瞬时值控制，主要是因为在不对称短路时，输出电流在dq坐标系下含有很大的交流量，而PI控制器不能准确地跟踪给定值。

本文所采用的d轴最大有效值控制无论是对称短路还是不对称短路故障，都能够将短路电流的有效值限制在Iref_lim。

3　传统过流保护在微网中的局限性

在上述短路限流控制下，文献［16-18］采用基于过流保护原理的塑壳断路器作为保护设备，通过控制逆变器在短路时输出较大的短路电流，使保护设备自动断开以隔离故障。实际上，这种仅仅依靠过流保护的原理，在微电网中存在着一些固有的局限性：（1）受到开关器件容量（额定电流）的限制，逆变电源的短路输出电流能力有限，如果再考虑逆变电源必须有一定的过载能力的话，断路器动作阈值的整定变得更加困难；而若使逆变电源能够输出更大的短路电流，则需要增加开关器件的容量，这就增加了系统的成本。（2）在以逆变电源接口的微电网系统中，短路电流的大小是随着逆变电源模块数量的变化而变化，一旦某些电源模块由于故障需要退出运行，那么系统中所有的断路器的动作阈值要随之改变。（3）在带有电机类负载时，当某一支路发生短路故障，电机将会以发电机运行，向短路点馈入很大的电流，该电流足以导致某些断路器发生误动作，使保护失去了选择性。以图2为例，当B3下游发生短路故障时，应该只B3动作，但是由于故障期间，母线电压急剧跌落，电机运行在发电模式，向短路点馈入很大的电流，该电流流过B2，将使B2的过电流保护动作而失去选择性。

图2　带有电机类负载时的短路情况Fig.2 Fault situation with electric motor load

4　基于谐波分量的保护策略

4.15次谐波注入

前述可知，针对以逆变电源为接口的微电网系统，传统的过流保护存在一些固有的局限性。而本文所提出的基于谐波分量的保护策略不依赖于较大的短路电流，只需将短路电流控制在额定值左右即可。与此同时，向短路电流中注入某次低次谐波。考虑到实验中逆变器的LC滤波器的截止频率为500 Hz左右，为了使滤波器对注入的谐波不会产生衰减作用，本文将以注入5次谐波为例。

5次谐波注入的框图如图1中所示。从图中可以看出，叠加5次谐波后的调制波变为

式中：U1、ω和φ1分别为短路时输出电压的基波幅值、频率和相位；k和φ5为5次谐波电压幅值系数和相位。最终，输出的短路电流为

式中：I1为基波电流幅值，I1=U1/Zfault_1，Zfault_1为短路基波阻抗；I5为5次谐波电流的幅值，I5=kU1/Zfault_5，Zfault_5为5次谐波短路阻抗；θ1和θ5分别为输出基波电流和5次谐波电流的相位。因此，可以通过设置k的大小来设定5次谐波电流的大小。由于这种5次谐波注入仅仅运行在短路状态，所以并不影响正常运行时输出电压的质量。

4.2数字继电器整定

数字继电器是在传统的电磁型继电器的基础上发展而来，它本身含有微处理器［11］，其接线原理如图3所示。本文利用数字继电器实时采样各支路电流，并且分别对三相电流进行快速傅里叶变换FFT［19］，抽取各支路电流中的基波分量和各低次谐波分量。当短路故障发生时，逆变电源输出带有5次谐波分量的短路电流，可以根据各支路上的5次谐波分量是否大于某一阈值来判断是否发生故障。然而，如果仅仅根据5次谐波含量的大小作为整定依据，有时候可能受到某些暂态过程的干扰，比如突加或突减负载。另外在短路故障发生的初始时刻，硬件限流会动作［16］，此时短路电流含有丰富的谐波，如图4和图5所示。不仅如此，当某些负载为非线性负载时，该支路上的断路器也可能会因为谐波含量很大而断开。因此，有必要利用多种低次谐波的幅值作为故障判断的条件。

图3　数字继电器的原理Fig.3 Principle of digital relay

图4　暂态过程电流波形Fig.4 Current waveform in transient state

图5　暂态过程电流的FFT分析结果Fig.5 FFT results of transient current

综合考虑检测精度和软件资源要求，本文采用32点FFT分析，即每个基波周期采样32个点（采样频率为1 600 Hz）。为了提高检测速度，采用滑动窗口FFT分析。在FFT分析结果中，令基波为I1，谐波为Ix（x为谐波次数），为了方便，令5次谐波与基波的比例为S5，令3、7、9、11、13次谐波之和与基波的比例为THD，则有

根据图6所示的故障判断流程来整定数字继电器。图中，δ为5次谐波阈值，ε为其他各次谐波THD的阈值。只要通过合理地整定δ和ε这2个参数，即可准确地判断和识别故障，从而驱动断路器断开故障支路。

在实际情况中，当上下游需要配合以满足选择性，即下游发生短路故障时，下游优先动作而上游保护不能动作时，可以借鉴传统三段式过流保护的定时限保护方法，在上游断路器的固有动作时间上加一个软件延时，保证下游断路器先动作，以满足选择性。

图6　基于谐波分量保护策略的故障判断流程Fig.6 Fault diagnosis flow chart of harmonic components based protection strategy

5　实验验证

为了验证基于谐波分量的继电保护策略的有效性，在实验室搭建由2台10 kVA逆变电源组成的孤岛模式供电系统实验平台，并进行相关实验验证。相关的实验原理如图7所示，对应的主要参数如表1所示。

图7　实验原理Fig.7 Experimental Principle

表1　主要相关实验参数Tab.1 The main experimental parameters

5.1短路限流实验结果

图8　不注入5次谐波时的短路限流波形Fig.8 Short-circuit current limiting waveforms without injecting fifth harmonic

图9　注入5次谐波时的短路限流波形Fig.9 Short-circuit current limiting waveforms with injecting fifth harmonic

短路时，不注入5次谐波和注入5次谐波的短路限流实验波形如图8、图9所示。由图9可见，相对于图8中的短路后的电流波形而言，输出电流发生了明显的畸变。从图8、9中可以看出，短路故障发生后，系统电压瞬间降至接近0，在限流环的控制下，逆变器输出的短路电流被限制在额定值附近，并且保持较好的正弦度，有效地保护了开关器件。图10和图11分别为不注入5次谐波时短路前后输出电流的FFT分析结果。由图可以看出，短路之后的电流谐波分量与短路之前相比，几乎没有什么明显的变化。注入5次谐波后短路电流的FFT分析结果如图12所示。由图可以看出，5次谐波含量增大至7.7%，而其他各次谐波没有发生明显的变化。由此可见，本文所提的限流控制策略既能有效地保护开关器件，将短路电流限制在额定值左右，又可以通过注入5次谐波分量，为继电器的整定提供了依据。

图10　正常工作电流FFT分析结果Fig.10 FFT results of current in normal situation

图11　不注入5次谐波时短路电流FFT分析结果Fig.11 FFT results of fault current without fifth harmonic injection

图12　注入5次谐波时短路电流FFT分析结果Fig.12 FFT results of fault current with fifth harmonic injection

5.2继电保护实验结果

按照第4.2节中的数字继电器的整定方法，图7中CB4出口fault处发生短路故障时的继电保护实验波形如图13所示。由图可以看到，故障发生后，在上述的控制策略下，2台逆变电源均输出带有5次谐波的故障电流，大约经过一个周波（包括FFT检测时间以及硬件延时时间）后，断路器CB4断开，故障被隔离。再经过一段恢复时间后，系统电压恢复正常，给其他的负载继续供电。作为对比，图14为2台逆变电源均不注入5次谐波的实验波形。此时，除了暂态过程较大的冲击以及畸变外，2台逆变电源输出的短路电流波形畸变较小。因此，图6所示的判断方法不能判断为故障，断路器CB4没有断开，逆变电源一直工作在限流状态。由此可知，图所示的判断方法能够很好的避开由某些暂态过程所引起的谐波畸变或者是电流突变。也就是说，当逆变电源向短路电流中注入5次谐波时，基于谐波分量的故障判断具备很好的故障辨识能力，不会因为某些暂态过程而误动作。

图13　注入5次谐波后的保护实验波形Fig.13 The protection waveforms with fifth harmonic injection

图14　不注入5次谐波且CB4不动作时的实验波形Fig.14 Experimental waveforms when CB4 does not act without fifth harmonic injection

6　结语

针对以逆变电源为接口的孤岛模式微电网的保护问题，本文首先提出了微网逆变器的最大有效值限流控制策略，然后分析了传统的基于过流保护的原理的局限性，并在此基础上，提出了基于谐波分量的保护策略。通过控制逆变电源向短路电流中注入5次谐波，再利用快速傅里叶变换算法实时抽取各支路上的谐波电流，根据各低次谐波的含量来检测系统中的短路故障，进而决定是否断开断路器以隔离故障。该方法不依赖于较大的短路电流就能够隔离故障，实验结果证明了这种保护策略的有效性。

参考文献：

［1］朱皓斌，吴在军，窦晓波，等.微网的分层协同保护［J］.电网技术，2013，37（1）：9-14.

Zhu Haobin，Wu Zaijiun，Dou Xiaobo，et al. Hierarchical coordinative protection of microgrid［J］. Power System Technology，2013，37（1）：9-14（in Chinese）.

［2］徐德鸿，陈文杰，何国锋，等.新能源对电力电子提出的新课题［J］.电源学报，2014，12（6）：4-9.

Xu Dehong，Chen Wenjie，He Guofeng，et al. New power electronics topics brought by the development of renewable energy［J］. Journal of Power Supply，2014，12（6）：4-9（in Chinese）.

［3］张轩，刘进军.微网孤岛运行时基于逆变器的新型功率控制［J］.电源学报，2011，9（1）：38-42.

Zhang Xuan，Liu Jinjun. A novel power distribution strategy for parallel inverters in islanded mode microgrid［J］. Journal of Power Supply，2011，9（1）：38-42（in Chinese）.

［4］杨新法，苏剑，吕志鹏，等.微电网技术综述［J］.中国电机工程学报，2014，34（1）：57-70.

Yang Xinfa，Su Jian，Lyu Zhipeng，et al. Overview on micro-grid technology［J］. Proceedings of the CSEE，2014，34 （1）：57-70（in Chinese）.

［5］张玉海，王新超，许志成，等.微网保护分析［J］.电力系统保护与控制，2012，40（11）：55-60.

Zhang Yuhai，Wang Xinchao，Xu Zhicheng，et al. Analysis of microgrid protection［J］. Power System Protection and Control，2012，40（11）：55-60（in Chinese）.

［6］韩奕，张东霞.含逆变型分布式电源的微网故障特征分析［J］.电网技术，2011，35（10）：147-152.

Han Yi，Zhang Dongxia. Fault analysis of microgrid composed by inverter-based distributed generations［J］. Power System Technology，2011，35（10）：147-152（in Chinese）.

［7］Liang C，Khodayar M E，Shahidehpour M. Adaptive protection system for microgrids：protection practices of a functional microgrid system［J］. Electrification Magazine，IEEE，2014，2（1）：66-80.

［8］Laaksonen H，Ishchenko D，Oudalov A. Adaptive protection and microgrid control design for hailuoto island［J］. Smart Grid，IEEE Transactions on，2014，5（3）：1486-1493.

［9］Laaksonen H J. Protection principles for future microgrids ［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2010，25（12）：2910-2918.

［10］Casagrande E，Woon W L，Zeineldin H H. A differential sequence component protection scheme for microgrids with inverter-based distributed generators［J］. Smart Grid，IEEE Transactions on，2014，5（1）：29-37.

［11］Saleh S A. Signature-coordinated digital multirelay protection for microgrid systems［J］. Power Electronic，IEEE Transactions on，2014，29（9）：4614-4622.

［12］苏虎，曹炜，孙静，等.基于改进下垂控制的微网协调控制策略［J］.电力系统保护与控制，2014，42（11）：92-98.

Su Hu，Cao Wei，Sun Jing，et al. Micro-grid coordinated control strategy based on improved droop control［J］. Power System Protection and Control，2014，42（11）：92-98（in Chinese）.

［13］荆龙，黄杏，吴学智.改进型微源下垂控制策略研究［J］.电工技术学报，2014，29（2）：145-152，184.

Jing Long，Huang Xing，Wu Xuezhi. Research on improved microsource droop control method［J］. Transactions of China Electrotechnical Society，2014，29（2）：145-152，184（in Chinese）.

［14］Hua H，Yao L，Yao S. An improved droop control strategy for reactive power sharing in islanded microgrid［J］. Power Electronic，IEEE Transactions on，2015，30（6）：3133-3141.

［15］Olivares D E，Mehrizi-Sani A，Etemadi A H. Trends in microgrid control［J］. Smart Grid，IEEE Transactions on，2014，5 （4）：1905-1919.

［16］Chen Z，Pei X，Peng L，et al. An inrush current mitigation approach of the output transformer for inverter［C］. IEEE Applied Power Electronics Con ference and Exposition，2015：2295-2300.

［17］Pei X，Kang Y. Short-circuit fault protection strategy for high-power three-phase three-wire inverter［J］. Industrial Informatics，IEEE Trans. On，2012，8（3）：545-533.

［18］徐正喜，杨金成，吴大立，等.基于逆变电源组网的综合电力系统保护技术研究［J］.船电技术，2011，31（7）：1-4，74.

Xu Zhengxi，Yang Jincheng，Wu Dali，et al. Research on protection technology for integrated power system based on inverter grid［J］. Marine Electric & Electronic Technology，2011，31（7）：1-4，74（in Chinese）.

［19］胡广书.数字信号处理：第三版［M］.北京：清华大学出版社，2012.

陈志

Harmonic Components Based Protection Strategy for AC Microgrid

CHEN Zhi，PEI Xuejun，WANG Shunchao，PENG Li，WANG Hanyu
（School of Electrical and Electronic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Abstract：In the inverter-interface AC microgrid（IIAM），when a short-circuit fault occurs，the output fault current of inverter is commonly limited to two times over its rated current due to the limited overcurrent capacity of power electronic device. Therefore，the conventional overcurrent protection principle cannot be applied to IIAM. Aiming at solving this issue，a harmonic component based protection strategy is proposed in this paper. This scheme can protect the short-circuit fault effectively without depending on large fault current，and some limitations of the traditional overcurrent protection are avoided. The corresponding experiments ware carried out with two 10 kVA parallel-connected inverters supply system. The results prove the feasibility of this approach.

Keywords:inverter；microgrid；short-circuit protection；harmonic；fault insulation

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．2．137中图分类号：TM 464

文献标志码：A

收稿日期：2015-10-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51577079）

作者简介：

陈志（1989-），男，博士生，研究方向：微网逆变器的控制与保护，E-mail：chenzhi email@163.com。

裴雪军（1978-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：大功率电力电子变换器的主电路、控制、故障诊断及其EMI技术，E-mail：ppei215@mail.hust.edu.cn。

王顺超（1991-），男，硕士生，研究方向：逆变电源并联控制与保护，E-mail：103 0504384@qq.com。

彭力（1967-），女，博士，教授，研究方向：功率电子变换电路与系统、控制理论及技术、新能源发电、模块化与并联控制技术等，E-mail：pe105@mail.hust.edu.cn。

王涵宇（1990-），男，博士生，研究方向：电力电子变换器的故障诊断，E-mail：wa nghanyu@hust.edu.cn。