基于微电源输出功率的微电网自适应电流保护*

糟伟红，袁 至

（新疆大学可再生能源发电与并网控制教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830047）

0 引言

微电网是独立的供电系统，与传统电网相比存在网络拓扑结构多变、运行模式可变、潮流流向不确定等特点[1]。使传统继电保护方法难以满足微电网的保护[2-3]。

目前对微电网保护的研究主要有：（1）基于本地信息的保护。李满礼等[4-6]提出了基于本地电气信息的自适应保护，并结合了广域保护、集成保护、暂态极性保护等方法的一套综合保护方法。但该方法针对的是单个分布式电源，未基于到微网结构复杂多变的特点。（2）基于智能通信的微网保护。王守相等[7-10]采用数学形态学、遗传算法（Genetic Algorithm，GA）、相量测量单元（PMUs）和中央保护单元（CPU）、智能终端单元（Smart Terminal Unit，STU）等通信技术对微网进行保护。

因此，本文综合基于了微网拓扑结构、运行模式多变及潮流方向不确定、微源输出功率变化等因素对保护的影响，提出一种基于微源输出功率的微电网自适应电流保护方案；对典型工况在PSCAD/EMTDC上进行了仿真验证，结果表明该保护方案可靠保护微电网。

1 微电网拓扑及各处故障特性

1.1 微电网拓扑结构

根据IEEE1547标准以及美国电力可靠性技术方案解决协会（Consortium for Electric Reliability Technology Solutions，CERTS）对微电网的定义，并结合文中基于微源输出功率的微电网自适应电流保护原理，建立如图1所示的微电网简化模型。图中，电压等级为10.5 kV，Load1-Load4均为三相对称负载，WTG为风力发电微电源，PQ-DG为交流微电源，Storage Battery为储能蓄电池，PV为光伏微电源。DSTU1-DSTU9_9为分布式智能配电终端装置，F1～F9为微网馈线上不同位置发生的短路故障。

图1 微电网简化模型Fig.1 Thesimplified model of microgrid

1.2 微电网故障特性

图1 所示为接入风、光、储等微源的某微电网[11]。微电网通过馈线AB、BC、AD、DE、AF、AG向负荷供电；DSTU1-9_9分别为各段馈线的保护装置。现以PQ-DG微源所在馈线为例，分析微网故障时的特性。首先，根据PQ-DG接入的位置，将该图分为3部分，AB、BC段为上游部分，C母线到Load2之间为下游部分，AD、DE、AF、AG段均为相邻馈线部分。具体如下。

（1）上游部分。由于PQ-DG接在中间母线C上，所以对上游来说，是双电源供电。当上游处出现短路故障时，故障电流由主网和PQ-DG叠加产生，DSTU2会流过PQ-DG供应的反向电流，所以在母线C左侧加装了DSTU2_2，以防止这种情况发生。而且由于PQ-DG的接入，改变了线路的原有结构，单电源供电变为双电源供电，使得实际流过DSTU2的电流减少，影响了保护2的灵敏度。

（2）下游部分。当F3处发生短路故障时，应由DSTU3动作，DSTU3的启动值受配网电流和PQ-DG电流的影响。实际流过DSTU3的电流增大，影响DSTU3的灵敏度。

（3）相邻馈线部分。若AD、DE、AF、AG段上某处出现短路故障，DSTU1、DSTU2将会受PQ-DG提供的反向故障电流的影响，使其可能会误启动。

2 微源输出功率特性

文中采用的微网系统中微源有4个：光电、风电、交流微源、储能装置。

2.1 光伏电源的输出特性

设日照辐射强度为1 000 W/m2，光伏电池热度分别为25℃、35℃、45℃、60℃四种情况下的功率随时间变化如图2所示。从图中可以看出，在0～0.08 s时，光伏发电发出的有功功率非常不稳定，此时随着光伏电池温度越的增大功率也增大；从0.08 s始，光伏发电发出的有功功率逐渐趋于稳定。

图2 PV功率随时间的变化曲线Fig.2 PV power changeswith time

2.2 风电电源的输出特性

风力发电的能源是风能，风能是气流变化所引起的。气流变化的速度不同，风能不同，风速不同。图3所示为风速与风机输出功率之间的关系。

图3 WTG功率变化曲线Fig.3 WTGpower changediagram

当风速不断增大时，风机的输出功率随之呈现出先上升后下降的趋势，两者之间呈现出非线性关系，可以看出风机的输出功率在某个转速值时存在最大值，最大值出现在0.1 s处，此时功率值最大，为0.25 kW。在最大值之前，风机风速与风机输出功率之间呈正比关系，在最大值之后，呈负相关。

3 基于微源输出功率的微电网自适应电流保护

3.1 自适应电流整定方法

自适应电流保护的原理是根据系统目前的运行状况、故障类型以及故障时的短路电流作为保护整定的依据。其和传统保护不同，自适应保护在任何情况下都可以正确动作。

若DE段F5处发生故障，则有保护5和保护5-5共同作用保护微网和配网。由于F5在风电微源附近，所以在发生故障时，保护5-5要快速准确的隔离故障区，避免故障扩大，影响风电微源。保护5处的电压和电流满足：

3.2 基于微源输出功率的微电网自适应电流保护的实现

根据上述对各微源输出功率特性的分析以及对整定电流值的计算，可以根据实时测定的各微源输出功率算出各微源为故障处贡献的故障电流IDG,f，即：

将If作为电流整定启动保护判据。其中图4中的α取0～10%中的任意值，具体情况视具体问题而定。进一步判断是否发生故障，判断此时功率方向是否为正，是否与上游功率方向或下游功率方向相同，以此来判断故障区域。若为故障区域，此处的保护装置应立马跳闸断开，避免干扰非故障区域的运行。

实际微网中，微源输出功率时刻在发生变化，对电流的整定处在动态变化中。图4所示为依据上述微源输出功率的变化及对电流的整定而设计的保护整定判断流程。

图4 保护整定判断流程Fig.4 Protection settingjudgment process

4 算例仿真

4.1 仿真系统的结构

系统电压为10.5 kV，连接到配电网端为10 kV，系统最大运行方式下的电源电阻为Rmin＝0.105Ω，电源感抗为Lmin＝0.001 96 H；最小运行方式下的电源电阻为Rmax＝0.418Ω，电源感抗为Lmax＝0.007 52 H。AB、AD、BC、DE、AF、AG段均为3 km架空线路。系统参数如表1所示。

表1 交流微电网系统参数Tab.1 The ACmicrogrid systemparameters

4.2 案例仿真

在PSCAD/EMTDC中建立如图1所示的微电网仿真模型，采用基于微源输出功率的自适应电流保护方法，设置故障发生位置、类型、持续时间，仿真结果如表2所示。

表2 各线路保护整定值与测量值Tab.2 Thesettingand measurement valuesof each lineprotection

由表可得，在任一馈线上发生对称短路故障或不对称短路故障，保护装置都可以立即动作，断路器跳闸，隔离故障区域，以保护非故障区域安全稳定运行。

若F2发生不对称故障时，有DSTU2和DSTU2_2共同跳闸，因为F2处由双电源供电。保护仿真图如图5～6所示。故障在馈线的50%处，故障于0.8 s开始，持续0.2 s。

图5 保护2动作Fig.5 Theprotection 2 action

图6 保护2_2动作Fig.6 The protect 2_2 action

当F2发生不对称短路故障时，DSTU2动作，切断主网为故障点的供电，不影响其他区域的供电可靠性。当微源的输出功率发生变化时，立即启动整定判据，当有故障发生时，根据当时的电压和线路阻抗，可以立即整定电流，当故障电流超过整定电流时，断路器立即跳闸，以保护微网的安全稳定运行。

当F2发生不对称短路故障时，DSTU2_2也会动作，切断交流微源对故障点的供电。

当F5处发生不对称短路故障时，有DSTU5和DSTU5_5共同跳闸，因为F5处由双电源供电。保护仿真图如图7～8所示。

图7 保护5动作Fig.7 Theprotection 5 action

图8 保护5_5动作Fig.8 Theprotection 5_5 action

当风力发电微源输出功率发生变化时，启动保护整定值整定，当判断发生故障时，DSTU5_5用来保护风力发电微源，当风力发电微源或馈线DE段上某处发生故障时，DSTU5_5启动保护，断开风电微源与故障处的连接。

表3是F2处与F5处发生对称短路故障和不对称短路故障时，各保护装置的动作情况。由表可以看出，在微源附近发生对称短路故障和不对称短路故障时，文中所提出的保护方案都可以可靠、准确的切断故障，断开故障区域，使非故障区域正常运行，从而保护整个微网及配网。

表3 F2、F5处故障时各保护装置的动作情况Tab.3 Theoperation of protection devicesat fault of F2 and F5

5 结束语

本文在分析了微网的拓扑结构、故障特性及各微源的输出功率特性后，提出了一种基于微源输出功率的微电网自适应电流保护方案。该方法不依赖复杂的通信系统，可以有效地保护微网；可有效应对微网中各微源的输出功率时刻变化、微网运行模式变化、故障类型影响的情况，方法简单、有效地保护了微网。