含分布式光伏及储能变流器的微网故障研究

吴智富

（深圳市英大科特技术有限公司，广东 深圳 518108）

0 引言

分布式电源是微网结构的重要组成部分，由分布式电源中含有的分布式光伏交流器以及储能变流器造成的微网故障问题，主要是由于电网电压跌落时期储能变流器输出的故障电流导致的。通过对微网故障特征的分析，使微网得到全面的检查，提高微网工作的可靠性。微网工作状态具有较高的需求，对供电质量具有一定的影响，做好微网故障的排除工作，能够快速地恢复到正常工作状态，对微网形成有效的保护策略。

1 微网的基本构成

1.1 系统构成

微网的组成较为复杂，对分布式电源具有较高的要求，需要合理对分布式电源进行设计，并通过对微网的组成进行分析，使微网能够呈现完善的结构。在分布式光伏设计中，微网结构起到了至关重要的作用，应保证微网结构的合理性，使结构方面能够形成分布式状态，有助于微网分布式电源的稳定工作。在微网的基本结构中，主要由以下四个单元构成：①光伏发电单元。采用光伏发电的形式，将太阳能转化为电能，可以有效地与发电装置进行结合，提高光伏发电的效率。②储能单元。通过电流器将蓄电池接入微网，使储能单元具有良好的储能状态，可以实现电能的有效存储，保障微网功率的稳定性。③负荷单元。负荷单元需要换流器的参与，使直流或交流系统能够稳定运行，防止供电功率发生较大的变化，促进电压的稳定控制。④联网换流器。用于实现主网的控制，对微网中的直流功率进行补足，使微网系统在功率方面处于平衡状态，确保工作状态的稳定性[1]。

1.2 网络结构

1.2.1 辐射型网络结构

辐射形网络结构可以实现线路的交汇，使线路能够交汇在同一个节点，这样便于对网络的整体进行控制，提高系统运行的灵活性。辐射型网络便于故障的处理，当发生故障后，可以对故障支路进行切断，以此来避免对其余线路造成影响，使故障能够得到有效地处理。辐射型网络的构成较为简单，在线路维护方面较为方便，但母线故障的处理效果较差，一旦发生故障，将会造成整片支路的瘫痪，因而辐射型网络结构在母线方面需要严格处理，提高辐射网络的工作效率。

1.2.2 环型网络结构

环形网络结构呈现为环状，对微网具有较强的保护能力，使微网呈现稳定的运行状态。环型网络线路的重点在于断路器的使用，微网正常运行状态下，断路器处于接通状态，微网能够稳定进行通电。由于采用环型网络，故每条线路上需要配置一个断路器，将会增加断路器资源的消耗，会增加一定数量的成本。在环型网络的作用下，可以避免某条支路出现故障，环路之间可以相互形成保护，保障微网能够正常工作。

1.2.3 中心环形网络结构

中心环型网络结构具有辐射型和环型网络结构的优势，使两者的优势能够形成互补，使微网运行更加的稳定。通过环形网络，可以有效地解决母线故障问题，使母线能够完善地工作，保障母线故障能够得到及时处理。中心环型网络兼具灵活控制的特点，可以实现支路电流的快速切断，使故障线路能够得到有效的隔离。在选择网络结构时，应根据实际情况进行考虑，结合经济成本、微网需求等，选择适合的网络形式，保障微网结构的合理性。

2 储能变流器运行分析

2.1 有源滤波器分析

2.1.1 特征谐波分析

换流站交流侧会产生谐波，影响微网的正常运行。换流站谐波具有以下特点：①交流电压呈现为三相对称结构，处于平衡状态时不会产生谐波分量，因而对谐波进行平衡控制较为重要，需要促使谐波处于平衡状态。②换流器直流侧存在大电感，可以一直谐波分量的产生，保障直流电压的稳定性。③换流阀具有稳定的触发角，并且触发角可以保持恒定的状态，有助于微网供电的稳定控制。④三相中换向电感型号相同，意味着三者的换向时间非常接近，有助于换向谐波的抑制。因此，需要合理地对换流器进行使用，对谐波的产生进行控制，降低谐波对交流侧的影响，保障谐波电流具有良好的相位关系，对谐波的产生进行抵消[2]。

2.1.2 有源滤波系统构成

有源滤波系统的构成较为复杂，包括换流阀、变压器、滤波器等，需要各个结构稳定工作才能起到滤波效果。在电容（C）和电感（L）的作用下，可以起到无源滤波的效果，降低开关周围谐波的干扰，对谐波具有较强的抗性，位置微网电流的稳定性。同时，滤波器可以与电容结构并联，形成有源滤波结构，可以提高二极管（D）的蓄流能力，保障电流供应的稳定性，降低有源滤波器对微网的影响。

2.1.3 谐波电流控制

在储能变流器微网线路中，需要做好谐波电流的控制工作，提高微网的运行效果。谐波电流控制过程中，首先，需要对谐波进行检测，一般通过无功功率理论来实现，可以有效地处三相电流进行识别，提高微网线路的检测效果。在低通滤波的作用下，能够实现基波分量的检测，进而确定微网的谐波影响。其次，需要做好电容电压控制工作，将电容作为有源滤波器的存储单元，可以保障谐波控制的稳定性，使有源滤波器能够更加稳定地工作。在控制过程中，电容两端电压需要保持稳定，使电容能够稳定地工作，避免电压发生较大的波动，提高电压的控制效果，进而降低有源滤波器的损耗。电容电压可采用PI 控制形式，将PI 控制器引入直流分量控制中，使微网具有良好的控制条件，使电容电压能够保持恒定，使电容具有良好的工作状态。最后，需要注重控制策略的应用，使有源滤波的控制更加的完善，提高滤波的控制效果。在电压传感器的作用下，可以得到正弦信号sinωt、余弦信号cosωt、电容电压等，可以为电容电压的PI 控制过程提供依据，提高谐波电流控制的可靠性，实现良好的谐波控制效果。

2.2 有源滤波器设计

2.2.1 DSP 芯片结构

有源滤波器采用数字信号处理技术（Digital signal processing, DSP）芯片进行控制，具有较强的抗干扰能力，可以实现稳定的控制效果。DSP 为16 位控制芯片，由16 位随机存取存储器（random access memory, RAM）实现控制，有着良好的工作性能，使有源滤波器能够正常工作。DSP 在A/D 转换方面具有较高的转换效率，能够有效地对微网运行状态进行采集，使线路具有良好的工作效率，使串行外设接口（SPI）得到正确的应用。在A/D 转换时间方面，可以设定为500ns，进而实现实时采集的功能，提高微网状态检测的效率。DSP 具有丰富的引脚，有助于微网输入输出的控制，并且可以与串行周边SPI 接口相结合，使芯片具有较高的控制效率，使线路能够稳定地工作，提高对控制场所的适应性。

2.2.2 硬件结构

有源滤波器需要具有完善的硬件结构，使其具有硬件电路的支持，实现良好的硬件设计基础。为了提高有源滤波的控制效果，硬件结构采用双DSP 进行设计，使谐波信号具有良好的检测状态。DSP1 用于实现数据的预处理，通过A/D 转换器对数据进行采集，便于RAM 对数据进行处理，保障数据能够实现有效地转换。DSP2 承担着信号处理功能，对数据处理的所需参数进行计算，如数字谐波、无功电流等，为谐波电流的控制提供数据支持，使控制措施更加的完善。在双端口RAM的作用下，可以实现两个DSP 之间的连接，为数据交换提供传递的通道，提高对数据的处理效果[3]。

2.2.3 滤波器实现

滤波器采用DSP 进行实现，可以实现数字滤波的功能，只保留有效的波形，使谐波信号能够及时得到滤除。谐波信号一般采用低通滤波方式进行处理，对谐波分量进行控制，使谐波能够满足滤除的条件，降低微网中谐波的存在。为了提高谐波滤除的稳定性，需要滤波器的设计工作，对滤波器的频率特性进行分析，使滤波器能够充分地发挥作用。滤波器的频率特定如式（1）所示。

3 微网故障分析

3.1 电流下垂控制及其功角失稳现象

在市场对电能需求不断扩大的情况下，微网作为一种新型的电网发电和负荷系统，要想满足电能的供应需求，需要提高对微网故障问题的重视程度。通过前面的分析可以发现，微网在实际运行中会受到电压电网的影响而出现故障的情况。造成这种故障情况的主要原因，就是由于电压电网在运行中会出现跌落的情况。而在这种情况下，微网中的分布式电源中含有的分布式光伏变流器或者储能交流器会输出故障电流，从而威胁整个微网结构的正常运行。而在对微网的这种故障进行处理时，还会由于功角失稳现象的存在而阻碍故障保护工作的开展。为了能够保障微网的正常运行，可以从滞环控制的角度对电流下垂控制的情况进行改进和优化，用以保证微网故障时功角的稳定状态，为微网的故障检测和维护提供更加便利的条件。

3.2 微网故障的特征

系统正常运行时，各个支路电流处于平衡状态，储能变流器可以实现稳定的储能，保障分布式光伏法发电的效率。当微网发生故障后，支路的平衡状态将会被打破，负荷将会朝着短路点集中，引导支路电流的流向发生变化，对微网运行的安全性造成威胁。因而，微网电路对保护装置具有较高的要求，需要对短路点进行准确识别，在平衡打破的瞬间发现故障点，同时将故障位置及时进行切断，使环型微网故障能够得到有效应对。

4 微网故障保护策略

4.1 电流差动保护

电流差动保护对微网故障具有较强的识别能力，能够实现故障的有效区分，对故障及时采取应对措施。以环形微网为例，在应用电流差动保护后，可以有效地对微网中电流的矢量关系进行整合，提高对电流变化的判断能力，及时采取保护措施。通常情况下，采用电流值与整定值比较的形式，将前者大于后者作为故障的判断依据，这样便构建了完整的故障检测条件，使微网故障能够得到准确的识别。同时，需要对电流的方向变化引起关注，使保护装置能够及时发生动作，使故障线路能够立即得以排除，提高故障检测的稳定性，保障保护策略的执行效果[4]。

4.2 微网故障的集中式保护

对于含有分布式光伏和储能变流器的微网故障进行保护时，还可以采用集中式的保护措施，这种保护措施主要是建立在通信网络以及保护配置基础上的，在对微网中的这种故障进行调整时，首先需要与微网运行结构相匹配的通信网络配置结构，然后将微网和底层设备的通信配置形成一个环网的冗余结构，并通过能量管理层的工控机来对微网的运行情况进行控制，在实时监控微网运行状态并记录采样信息之后，对微网的故障问题进行判断，并将其与电网的跌落情况结合起来，对微网的故障方向进行判断，在检测到微网的运行故障之后，就可以对其进行及时的保护。

5 微网实验测试

为了保证故障保护策略的有效性，需要微网故障进行模拟，采用实验的方式对故障处理的有效性进行验证，使故障能够得到全面排除，降低故障问题对微网的影响，并且保障故障能够快速地恢复。有源滤波器主要参数如下：电感L=10mH，电容C=2200μF，IGBT 耐压值为1400V，电网电压为220V。电容电压采用PI 控制方式，Kp＝0.2，Ki＝0.15。采用上述参数对微网故障进行实验，对电网电压波形和电流波形进行分析，通过波形对微网的故障保护效果进行判断。通过对实验波形分析可知，波形中含有的谐波成分较少，在有源滤波器的作用下，可以将谐波成分进行滤除，使有效波形能够保存下来，并且使微网电压保持稳定。由此可见，在保护策略的作用下，有源滤波器能够发挥出重要作用，为微网创造良好的保护条件，保障光伏发电的效率。

6 结语

综上所述，为了避免微网受到分布式电源中的分布式光伏和储能变流器的影响而出现故障，需要做好故障特征的分析工作，注重网络结构的应用，对微网的结构形式进行完善，使微网能够更好地投入使用。在故障应对方面，需要注重差动保护和集中式保护方法的应用，建立完善的微网保护方式，使微网能够正常地进行工作，提高微网的自我保护能力，进而保障供电状态的稳定性。