微电网不对称故障模式下IBDG运行特性及无畸变限流保护研究

张 蕊 顾和荣

（河北省电力电子与电力传动重点实验室（燕山大学），河北 秦皇岛 066000）

微电网不对称故障模式下IBDG运行特性及无畸变限流保护研究

张 蕊 顾和荣

（河北省电力电子与电力传动重点实验室（燕山大学），河北 秦皇岛 066000）

微电网安全可靠的运行离不开精确地控制和保护。由于微电网中微电源自身的特点，使孤岛微电网中的电气量的变化在故障情况下与传统大电网有很大的差别。因此，研究不同故障情况下 IBDG的运行特性以及它们对微电网系统故障特性的影响至关重要。本文研究了孤岛微电网不对称故障模式下 IBDG的运行特性，对电气量的变化做出了定性分析。在不对称故障情况下针对传统的限流造成的电压电流畸变，采用无畸变限流方法，减少系统中的谐波分量。利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了由三台逆变器组成的微电网的仿真模型，设置故障参数并进行仿真研究，验证对微电网故障情况下IBDG的运行特性及无畸变限流理论分析的正确性。

孤岛微电网；故障模式；IBDG特性；无畸变限流

随着微电网给越来越多的用户供电，为了满足用户的供电需求，微电网的供电可靠性、故障检测、故障保护以及故障后的快速恢复供电的研究变得迫在眉睫。微电网安全稳定的运行离不开灵活可靠的控制系统与保护。目前对于微电网控制的研究已经取得了许多成果。相比而言，对微电网故障分析及保护的研究还有很多的空白和不足。分布式电源在微电网故障时输出特性的差异，影响着微电网自身的稳定性与安全性。并网运行或者孤岛运行也会对微电网故障特性产生很大影响。为了对孤岛运行的微电网发生故障时的故障特性有更清晰和全面的认识，需要了解微电网故障情况下IBDG的运行特性。故而本文针对孤岛微电网在不同的故障模式情况下，IBDG的运行特性进行了详细的分析，为孤岛微电网故障情况下的保护提供理论依据。

目前对微电网故障特性及保护的研究多集中在并网模式。在并网模式下，IBDG多采用PQ控制，现在已有许多学者对此类IBDG的运行特性及微电网的故障特性进行了分析。其中，文献[1]将 IBDG等值为恒定电压源与恒定阻抗串联模型。文献[2]将IBDG等值为变化的电压源和恒定阻抗串联模型。文献[3]主要分析并网时的IBDG的故障响应。指出微电网故障情况下IBDG的运行特性与其控制策略有关。不能将IBDG等值模型等效为常规电源，忽略了其控制策略，这样会造成微电网故障分析的局限性。文献[4-5]分析了并网模式的DG的控制策略。针对DG的故障穿越行为建立了DG压控电流源的等值模型，可以较真实地体现出DG在故障情况下的运行特性。精确给出了含DG的配电网的对称故障和相间短路故障的分析方法。但是文献[4]和文献[5]的分析仅适用于含单个 IBDG的配电网故障分析。文献[6]在文献[4-5]的基础上，分析了含多个DG的配电网的故障分析方法。考虑各个IBDG之间的耦合以及PCC处的故障电压与IBDG故障电流之间的关系，列出节点电压方程，并用迭代方法求解。文献[7]研究了微电网的故障穿越策略，并在此基础上分析了IBDG的故障电流特性及微电网故障特性分析。

目前对于微电网运行于孤岛模式的故障分析较少。文献[8]针对微电网不同的控制方式，分析了对称故障情况下，故障电流受限、频率偏移及微电源阻抗变化对保护的影响。同时也分析了各种情况下不同保护方式是否能正确动作。文献[9]主要研究含V/f控制的DG的微电网的故障特性。充分考虑逆变器控制策略的影响，从理论出发分析对称故障和不对称故障情况下DG的运行特性，并推导出DG的故障等值模型。提出微电网故障分析的解析方法，即利用DG故障等值模型，列出微电网的故障方程组，求取微电网孤岛运行时的故障稳态电流。但是文献[9]采用的控制是电压单环，没有考虑电流的限制。文献[10]分析了单台 dq0坐标系控制的三相四线制逆变器组成的孤岛微电网的故障响应。文献中介绍了怎样根据逆变器的控制及电流限制来获得逆变器的故障模型。并指出对称故障期间，整个微电网可以等效为一个电流源与阻抗并联的形式。文献[11]指出逆变器的控制策略、参考坐标系以及电流的限制都会影响逆变器故障情况下的运行特性，尤其是在不对称故障的情况下。针对 dq0坐标系和 abc坐标系控制下的逆变器，研究了其在微电网发生不对称故障时的等值模型。

从故障保护角度出发，文献[12]利用正序故障分量电流幅值差动保护作为阻抗角保护判据的启动判据，构成了一套微电网外部短路故障保护方案。无需考虑负荷电流和故障电阻的影响，克服了微电网故障时短路故障电流小以及潮流双向流动的问题。文献[13]表明在微电源的出口处安装 FCL，对其故障暂态都能起到很好的抑制作用。

针对故障暂态过程中的电能质量问题，文献[14]提出一种将二次电压控制的思想引入DG的本地控制，大大改善了故障时的电压质量。

本文针对微网孤岛模式的故障分析了IBDG的运行特性，主要包括电压、电流以及功率之间的关系。进而对微电网的不对称相间故障的基波正序电压、电流和基波负序电压、电流随故障阻抗的变化情况进行研究。最后针对控制环节采用无畸变限流方法，验证了限流方法的有效性，大大减少不对称故障暂态过程带来的波形畸变和电能质量问题。具有一定的实用价值。通过对微电网故障特征分析与研究为微电网保护和电能质量的研究提供理论基础。

1 微电网不对称故障特性分析

孤岛微电网由于没有大电网的支撑，储能有限。对于低压微电网，当微电网中任意一点发生严重故障后，IBDG输出电压将迅速跌落，会使系统中的IBDG全部脱网运行，造成微电网崩溃。即使快速切除故障，也会对微电网的稳定性造成影响。针对这种情况，应采取措施使IBDG在发生严重故障时，不脱网运行。

当发生三相不对称故障时，不对称相量可以由对称分量法分解为正序、负序和零序分量。本文微电网由于采用三相三线制，没有零序通道，故将三相电压、电流分解为正序和负序分量。本文的分析主要以基波分量为主，因此下文提到的正序电压、电流及负序电压、电流均指的是其基波分量。对称相量法通常取A相作为基准项，其对称分量与三相向量之间的关系为

式中，操作数α=ej120°，并有1+α+α2=0，α3=1。

以BC相间故障为例，电路如图2所示。

当发生不对称故障时，逆变器的输出电压和电流均含有正序分量和负序分量，将它们转换到两相dq旋转坐标系下，采用电压d轴定向。

图1 相间故障时的三相电路

逆变器的功率计算公式如下：

由式（3）和式（4）可以看出，当微电网发生不对称故障时，逆变器的有功和无功功率存在2倍频波动。当有功功率和无功功率有2倍频波动时，DG的频率和电压给定值也有 2倍频波动，不过很小，暂时忽略。

当 BC相之间发生故障时，故障处的电压电流关系如下式所示：

根据式（1）和式（5）转化为序分量表达式为

忽略DG的频率和电压给定值微小的2倍频波动，则正序和负序的序网络结构图如图2所示。

图2 序网络结构图

由式（6）可知，两相相间故障时，不存在零序网络。因此可以根据此式得出复合序网的结构图，如图 3所示。图中 Zline1=Zline2=Zline和 Zload1=Zload2=Zload。

图3 两相相间故障的复合序网

当电流未达到限幅值时，由于正序电压跟随给定，负序电压增大，正序和负序电流也增大，由式（3）和式（4）可知逆变器输出功率增大。

当DG的输出电流有一相达到限幅值时，限流环节作用，使DG的任何一相电流不超过限幅值。当电流达到限幅值后，DG不能满足微电网的能量需求，使DG输出电压正序分量无法跟随给定而下降。

微电网结构及故障位置分布图如图4所示。

当发生F1类型故障时，多个DG构成的微电网相当于把每个DG的容量以及所允许电流值叠加起来构成一个等效DG。每个DG的运行特性与前面所述的一台DG的运行特性相同。它们的序网络等效结构图如图5所示。

图4 微电网结构及故障位置分布图

图5 F1故障序网络等效结构图

每一台DG的正序电压和电流、负序电压和电流以及故障处的正负序电压和电流可以分别计算，然后应用叠加定理叠加。不同控制方式下微电网F1不对称故障情况的故障特性见表1。

表1 不同控制方式下微电网F1不对称故障特性

当发生F2类型故障或F3类型故障时，每个DG的运行特性与前面所述的一台 DG的运行特性相同，它们的序网络等效结构图如图6所示。

图6 F2或F3故障序网络等效结构图

依据叠加定理，可以推算出各DG的正序电压和电流、负序电压和电流以及故障处的正负序电压和电流。不同控制方式下微电网F2和F3不对称故障情况的故障特性见表2。

表2 不同控制方式下微电网F2和F3不对称故障情况的故障特性

2 DG无畸变限流环节

传统的限流方法如图7所示。在dq旋转坐标系下介绍其原理：计算此时电流矢量的幅值，并与电流限制的最大值 Imax做比较。如果计算出的电流矢量的幅值小于 Imax，则电流未达到电流限幅值，限流环节不起作用。如果计算出的电流矢量的幅值大于 Imax，则将超出电流限幅值的电流限制在电流限幅值，即Imax。

图7 传统限流方法

在dq坐标系下电流矢量的幅值的轨迹如图8所示。实线圆 1代表电流的限幅值 Imax，过原点带箭头的直线代表电流矢量的幅值。在对称故障情况下，如果电流达到限幅值，限流环节起作用使电流的幅值限制在 Imax，即使逆变器工作在恒流模式。在不对称故障情况下，由于负序分量的存在，使d轴和q轴出现2倍频波动，因此在dq坐标系下电流矢量的幅值轨迹如虚线圆2包围的圆。采用传统的电流限制方法后，电流矢量的幅值轨迹如虚线椭圆3包围的曲线。该方法将会使电流出现削顶的现象，从而使电压电流中谐波含量大大增加，严重影响电能质量。

图8 限流的波形曲线

对于采用传统限流环节的 DG，当电流超过限幅值后，电流出现削顶现象。故障阻抗越小，削顶越严重，如图 9所示中的曲线 1、2、3。其中，电流削顶越严重，提取出的基波分量越大。

图9 传统电流限幅后电流波形

为了解决电流削顶的问题，本文采用无畸变限流方法。原理如图10所示，即找出电流矢量幅值的最大值，并与电流限制的最大值 Imax做比较。如果电流矢量的幅值的最大值小于 Imax，则电流未达到电流限幅值，限流环节不起作用。如果电流矢量的幅值的最大值大于 Imax，则使电流成比例的减小，从而使电流保持正弦波形。采用无畸变限流方法的电流矢量轨迹如图9中的虚线圆4所示。

图10 无畸变限流方法

3 微电网不对称故障仿真

为了验证微电网故障情况下IBDG运行特性理论分析的正确性，使用Matlab/Simulink软件搭建微电网仿真模型，通过故障模块设置故障参数，然后运行仿真获取仿真结果。其中，微电网由3台容量相同的 DG并联运行组成。三台逆变器容量均为5000W；线路阻抗不等，分别为 0.64Ω/0.264mH、0.77Ω/0.317mH和0.96Ω/0.396mH。设定逆变器的最大功率为5000W，并且电流限幅值取额定电流幅值的 1.5倍，即电流限幅值为 15A。微电网采用的控制方法为基于负载电压反馈的下垂控制方法。本文研究的微电网不对称故障为相间故障，仿真以 BC相故障为例。并且针对传统限流和无畸变限流两种限流方法，分别做了仿真。

主电路和控制电路的仿真参数分别见表 3、表4。

表3 主电路参数

表4 控制电路参数

图11 不对称故障情况下电压、电流及功率波形

从电压电流波形图中可以看出，IBDG的电压电流均三相不对称；并且 B、C两相电压降低，电流升高，A相电压电流略升高。故障后，微电网的有功和无功功率均含有2倍频波动，功率的直流分量增加，并且故障前后有功和无功功率均分。

图12为不对称故障情况下电压、电流序分量波形图，并且故障阻抗分别为 Rf=10Ω和 Rf=30Ω。得出如下结论：微电网发生不对称故障，并且电流未达到限幅值时，随着故障阻抗的减小，电压正序分量跟随给定，负序分量增加；电流正序分量和负序分量均增加；有功功率和无功功率皆均分，并且含有2倍频分量；频率中也含有较小的2倍频分量。

图12 不对称故障情况下电压、电流序分量波形

图13 不对称故障情况下频率波形

采用传统限流方法的不对称故障仿真波形如图14—图16所示。不对称故障发生在0.3s，故障阻抗为Rf=0.01Ω。

图14 不对称故障情况下电压、电流及功率波形

从电压电流波形图中可以看出，不对称故障采用传统限流方法时，IBDG的电流出现明显的削顶现象，并且电流最大相的电流限制在 15A。由于这个原因电压电流均含有多次谐波，波形均有畸变。由有功和无功功率波形可以看出，故障后，微电网的有功和无功功率均含有2倍频波动，功率的直流分量降低，并且故障后有功功率不均分。

图15为不对称故障情况下电压、电流序分量波形图，并且故障阻抗分别为Rf=0.01Ω和Rf=1Ω。图16为不对称故障情况下频率波形图。

图15 不对称故障情况下电压、电流序分量波形

图16 不对称故障情况下频率波形

采用无畸变限流方法的不对称故障仿真波形如图 17—图19所示。不对称故障发生在 0.3s，故障阻抗为Rf=0.01Ω。

图17 不对称故障情况下电压、电流及功率波形

由图17可知：从电压电流波形图中可以看出，不对称故障采用无畸变限流方法时，IBDG的电压、电流为正弦波，并且电流最大相的电流限制在15A。由有功和无功功率波形可以看出，故障后，微电网的有功和无功功率均含有2倍频波动，功率的直流分量降低，并且故障后有功功率不均分。

图18为不对称故障情况下电压、电流序分量波形图，并且故障阻抗分别为Rf=0.01Ω和Rf=1Ω。

由电压正序分量波形图可以看出，在故障电流限幅时，随着故障阻抗的变小，电压正序分量跌落增大。由电压负序分量波形图可以看出，在故障电流限幅时，随着故障阻抗的变小，电压负序分量增加，并且负序分量较大。由电流正序分量波形图可以看出，随着故障阻抗的变小，电流正序分量略变小。由电流负序分量波形图可以看出，在故障电流限幅时，负序电流增长较慢；并且随着故障阻抗的变小，电流正序分量略微增加。

图18 不对称故障情况下电压、电流序分量波形

图19所示为不对称故障情况下频率波形图。

图19 不对称故障情况下频率波形

经过以上的仿真和分析，总结见表5。

表5 不对称故障仿真结果汇总表

4 结论

本文针对孤岛微电网发生不对称故障模式IBDG的运行特性和故障特性进行了分析与研究。包括电压、电流以及功率之间的关系；不对称相间故障的基波正序电压、电流和基波负序电压、电流随故障阻抗的变化情况进行研究。最后针对传统的限流造成的电压电流畸变，采用一种无畸变限流方法。通过仿真验证了无畸变限流方法的有效性，大大减少了不对称故障造成的波形畸变，提高电能质量，为以后微电网孤岛故障保护和电能质量的研究提供一定的理论基础。

通过不对称故障时传统限流控制的改进可以起到一定改善电压电流畸变的效果。可以看出故障时系统的保护控制与输出电能质量是有冲突的。但要有效转化这种矛盾在微网系统得到保护的前提获得较好输出波形就需要更完善的控制策略（不只限定对单台微源的改进控制，可能是多台微源之间的协调控制策略）能够使系统“躲过”保护限制仍能正常运行，即容错运行。基于容错运行能力的孤岛微网系统控制策略研究是下一步的研究内容。研究思路主要有以下几点：

1）研究基于容错能力的多微源间协调控制策略。故障时通过微源间分配的功率大小、流向控制，使功率流可以“绕过”故障点在微源之间形成循环闭合流动回路。这样就可以“躲过”保护而延长正常运行时间。

2）上面是单纯从设计协调控制策略角度出发。也可在故障时考虑加入额外的保护电路。此时加入的保护电路（可以改进完善构建成硬件容错拓扑）起到解决保护与控制间的“冲突”问题。

3）将容错硬件拓扑设计与微源容错协调控制策略相结合，从整个系统出发构建容错系统模型提高系统运行可靠性和故障穿越能力。

随着研究地深入，故障容错运行技术将会是支撑未来微网发展和建设坚强智能微网的关键内容。

[1]吴争荣,王钢,李海锋,等.计及逆变型分布式电源控制特性的配电网故障分析方法[J].电力系统自动化,2012,36(18):92-96,108.

[2]孔祥平,张哲,尹项根,等.含逆变型分布式电源的电网故障电流特性与故障分析方法研究[J].中国电机工程学报,2013,33(34):57-66.

[3]潘国清,曾德辉,王钢,等.含 PQ控制逆变型分布式电源的配电网故障分析方法[J].中国电机工程学报,2014,34(4):555-561.

[4]曾德辉,潘国清,王钢,等.含 V/f控制 DG的微电网故障分析方法[J].中国电机工程学报,2014(16):2604-2611.

[5]陈祎亮.分布式电源的故障特性及其微电网保护原理的研究[D].天津:天津大学,2010.

[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.

[7]王成山,孙晓倩.含分布式电源配电网短路计算的改进方法[J].电力系统自动化,2012,36(23):54-58.

[8]吴振奎,赵杰,宋文隽.基于 PSCAD的微网建模及其故障特征分析[J].内蒙古科技大学学报,2013,32(4):374-377.

[9]Plet C A,Brucoli M,Mcdonald J D,et al.Fault models of Inverter-Interfaced distributed generators:experimental verification and application to fault analysis[C]//2011 IEEE POWER AND ENERGY SOCIETY GENERAL MEETING,2011:1-8.

[10]Brucoli M,Green T C,McDonald J D F.Modelling and analysis of fault behaviour of inverter microgrids to aid future fault detection[C]//System of Systems Engineering,2007.SoSE'07.IEEE International Conference on.IEEE,2007:1-6.

[11]韩海娟,牟龙华,郭文明.基于故障分量的微电网保护适用性[J].电力系统自动化,2016,40(3):90-96.

[12]童荣斌,牟龙华,庄伟.新型微电网外部短路故障保护方案[J].电力系统保护与控制,2014,42(5):78-84.

[13]吕婷婷,段玉兵,龚宇雷,等.微电网故障暂态分析及抑制方法研究[J].电力系统保护与控制,2011,39(2):102-107,130.

[14]张玮亚,李永丽.面向多分布式电源的微电网分区电压质量控制[J].中国电机工程学报,2014,34(28):4827-4838.

Research on Operation Characteristics of IBDG under the Asymmetric Fault Mode of Micro-grid and Current Limiting Protection Distortionless

Zhang Rui Gu Herong
(Hebei Province Key Laboratory of Electrical Engineering Power Electronics and Power Transmission (Yanshan University),Qinhuangdao,Hebei 066000)

Safe and reliable operation of microgrid cannot do without precise control and protection.Due to the characteristics of the microsources of microgrid,the changes of the electric parameters of isolated microgrid under fault condition have a big difference with the traditional power grid.So it is essential to study the operation characteristics of IBDG under different fault conditions and their influence on the fault characteristics of microgrid system.This paper studied the operation characteristics of IBDG under asymmetrical fault modes of isolated microgrid,and the variation of the electric quantity is analyzed qualitatively.In the case of asymmetric fault,the comparison and analysis are made for the different current limiting methods.The analysis shows that the method of distortion-free current limitation can greatly reduce the harmonic component in the system.On the basis of analyzing the operation characteristics of IBDG under the fault conditions of microgrid,the fault characteristics of microgrid are also analyzed simply.a simulation model of microgrid made up of three inverters is established by using Matlab/Simulink simulation software,setting up the fault parameters and starting simulation,to verify the correctness of the theoretical analysis of the operation characteristics of IBDG and distortion-free current limitation under the fault conditions of microgrid.

island micro-grid;failure mode;IBDG features;distortion-free current limitation

张 蕊（1992-），女，河北省邯郸市人，硕士研究生，研究方向为微电网运行及其控制、微网系统容错控制技术。