基于多分布式电源的孤网继电保护研究

熊卫东

摘 要：部分孤岛网络分布式电源数量较多，依据其特性，对故障后控制要求具备清晰的认知，提出具体控制方法，确保故障后期，分布式电源向孤网注入故障电流，便于继电保护。通过保护性能研究，验证逆变器电源故障后控制是否有效。

关键词：多分布式；电源；孤网；继电保护

0 引言

分布式发电技术以可再生能源为主，因自身缺陷，使常规状态下分布式发电难以实现，为微电网技术提供了应用发展空间。不同于分布式发电，微电网和大电网将公共连接点作为连接载体，假使发生故障，以计划孤岛内形式对其进行解列，对大电网继电保护无影响。如果是微电网内部故障，未及时切除故障元件，很容易使孤岛网络崩溃。孤网继电保护研究极为必要。

1 较大比重逆变器电源继电保护

现阶段，微电网研究以恒功率、恒压恒频控制为主，而微电网保护研究则比较少。可采用以下两种方式进行微电网保护。（1）并网和孤岛保护方法相同，成本低，保护原理复杂。（2）在原有方案基础上，提出备选方案，结合运行情况，给予针对性保护。

当前研究中并未对微电网自身特性进行考量，仅研究稳态控制方式下的逆变器电源故障特性，以此为基础，实施保护。当微电网运行状态不正常或故障点与逆变器电源端距离较远，可采用该种保护方式。因微电网比较小，假使内部出现故障，逆变器无法承受过电流。电源内部针对电力电子器件保护会动作而闭锁输出，该过程执行难度较大。需加大微电网控制和保护研究力度[1]。

2 微电网控制与保护特点

2.1 微电网电源特性

分布式电源是微电网中的重要内容，因其通过逆变器实现微电网接入，可将其称为逆变器电源。其既能够向电网发出功率，又能够进行多余电源吸收，实现电网和逆变器电源功率交互。逆变器电源无大型转子，将电容设置在前级直流电源和逆变器之间，以在暂态过程中通过电能吸收或提供满足功率变化要求。微电网电源特征：

（1）等值阻抗小。无论是换流变压器，还是换流电抗器，都会导致逆变器电源等值电抗，而等值电阻又是由主电路中的损耗电阻生成。逆变器等值阻抗为0.10～0.15pu，同步发电机同步电抗在1.00pu以上。暂态背景下，比较同步发电机和逆变器电源次暂态电抗，前者大于后者。因而，其无法对短路电流进行有效限制，可通过电流幅值限制实现半导体功率器件保护。

（2）响应速度快。运行过程中的同步发电机，内部转子铁芯和定子绕组耦合磁链，有丰富的磁场能，暂态过程长。电力电子装置是逆变器电源能量分配的实现载体，电抗储存能量小，一旦发生短路，电流会有很大变化，而控制系统响应速度也很快，故而暂态过程短，短路后即可稳定。因而，逆变器运行状态改变具有瞬时性[2]。

（3）承受故障电流小。同步发电机短路时，短路电流峰值很高，甚至可达额定电流数十倍。逆变器电源短路后输出电流极限主要由其冗余度决定。当故障问题比较严重，逆变器电源故障电流远非其所能承受，内部电力电子保护非静止，对闭锁功率器件进行输出，以免损坏设备。

表明，逆变器电流故障和同步发电机存在差异。后者虽存在故障问题，仍能够通过惯性，持续输出故障电流；而逆变器电源响应速度非常快，难以承受过电流，无法满足故障状态下过流要求。

2.2 逆变器电源运行状态和转换判据

只有了解逆变器电源故障状态，才能够对其进行故障后控制，对逆变器电源约束条件具备明确认知，将其运行状态划分为故障、常态及非常态3种。常规状态下的逆变器电源输出稳定，电压频率合格，符合微电网运行要求。非正常状态下，逆变器运行与其约束条件不符，但具备可控性，可更改控制方式，实现约束条件更新，确保输出稳定，而微电网也处于稳定运行状态。

假使逆变器电源与电流约束不符，表明其处于故障状态。常规控制方法不具备适用性，逆变器电源故障后控制方法多依据微电网保护进行设置。经保护之后，进行故障切除，继而使其恢复到常规运行状态，实现正常运行。

3 逆变器电源故障后控制

严格执行逆变器故障后控制，能够提升微电网线路保护性能。假使故障电流不越限，为保护装置提供持续故障信息。

3.1 等效电压源控制

其属于间接电流限制。通过降低PWM的占空比，使逆變器电源在预先设定好的输出电压处运行，即使其经内阻抗，电流也不会越限。它属于限压控制方式，应用过程中，如果有专门的故障限流器，原输出额定电压不会发生改变，经FCL阻抗，使电流不越限，其为恒压控制方式。如图1所示，等效电压源控制模型。

3.2 等效电流源控制

该电流限制比较直接。假使输出电流为额定电流，且在一定限制范围内，采用常规控制方法。超出该限值，限定在极限值。通过对PWM占空比进行更改，实现输出电流约束，将其控制在适当范围内。该过程中，应用电抗串联限流法，借助FCL，使恒定电流保持输出状态，而该控制方式为恒流控制。

故障位置各异，很容易看出逆变器电源输出电流幅值非线性特点。某故障点与电源出口相距甚远，其发生短路，故障后控制方式下的逆变器电源流过的故障电流仍未到极限值，其与故障点位置相关。假使故障电流过大，会使逆变器电源电流输出被限制在一个恒定量。各逆变器电源冗余度设计不足，使输出故障电流都有其各自极限值。可借助锁相环控制，使故障量相位与故障前瞬间相位保持一致。如图2所示，等效电流源控制模型。

4 故障后控制下的保护分析

如图3所示，该计划内孤岛配电系统包含多个逆变器电源，系统线电压400V，中性点接地运行。

4.1 故障后控制下过电流保护

依据各故障点电流幅值，定位和隔离故障。将恒流/限流控制作为备选方式，属恒流源。该种方式使过电流保护不能通过电流区对故障点位置进行合理区分，无选择性可言。恒压控制过程中，FCL投入较大，使保护范围缩小，难以满足相关要求，可选用限压控制方式，更改逆变器电源功率器件占空比，实现电源端电压控制，理想特性为恒压源[3]。

4.2 故障后控制下低电压保护

逆变器电源为故障后控制，有最大故障电流限值。微电网线路越短，其阻抗越小。当微电网线路处于故障状态下时，母线电压也会发生更改，而低电压保护因故障信息而迅速动作，用限压和恒流/限流对逆变器电源故障进行后控制。对比各类故障控制方式，低电压均具备较高灵敏度。但故障电流存在极限值，加之，阻抗小，使低电压保护很容易被故障信息干扰，增加整定值确定难度。

5 结语

综上所述，基于分布式电源的孤网继电保护专业性强，研究难度较大，重点探讨和分析逆变器电源故障后控制方式，对其具备明确的认识，将外部故障对逆变器电源的影响降到最低，继而有效验证传统保护方式在故障后控制中是否具备适用性，以实现微电网线路保护原理设计，提升保护性能。

参考文献

[1]刘喆.基于双向信息的微电网二次保护系统研究[J].科协论坛，2013，（12）：45-46.

[2]李黎.分布式发电技术及其并网后的问题研究[J].电网与清洁能源，2010，26（2）：55-59.

[3]许健，赵春霞.针对多分布式电源的孤网继电保护[J].电网与清洁能源，2015，31（2）：78-82.

（作者单位：国电南瑞科技股份有限公司）