1 微电网故障特性及保护研究现状

为了深入研究分布式电源对电网的影响，充分发挥分布式电源优势，本世纪初学者们提出了微电网概念^[1]。一般来说，微电网是指将发电机、邻近负荷、储能装置、保护和控制装置等结合起来形成的一个可控单元，为用户提供电能和热能。

微电网存在并网运行和孤岛运行2种运行模式。目前针对微电网故障特性的研究主要集中在分布式电源接入配电网后对系统的影响，以及对分布式电源并网控制模式下电网的运行分析和故障分析方面^[2-3]。文献[4]指出不同控制方式下的分布式电源故障特性研究是微电网保护配置的重要理论基础。文献[5-6]对含有逆变器的微电网控制与保护进行了研究，由于逆变器的控制方法对分布式电源的输出特性与保护配置影响很大，因此有必要对电力电子器件的运行特性与控制特性进行深入研究。文献[7-9]建立了基于逆变器的分布式电源（如光伏电池、微型燃气轮机、燃料电池和蓄电池）的数学模型，并进行了仿真。文献[10-11]采用Matlab/Simulink建立了一个含有风机、燃气轮机、光伏等多种微电源和18条馈线的微电网模型，对微电网在并网和孤岛2种运行模式下的故障进行了分析，并分别计算了故障电流，仿真结果表明传统的过电流保护在孤岛运行的微电网中不再适用，必须研究新的不依赖于较高故障电流值的保护策略。上述研究初步提出了一些微电网保护方案。文献[12]提出了一种基于差动电流分量与零序、负序分量的微电网保护策略，微电网在并网及孤岛状态下采用相同的保护。这种保护策略将零序电流保护作为单相接地故障的主保护，将负序电流保护作为相间短路故障的主保护，将电流差动保护作为后备保护。但这种策略无法检测到三相短路故障，因此属于针对性保护配置，通用性不高。文献[13]提出了采用经过修改的低电压加速反时限过电流保护方案，该方法不需模式切换而自适应反映故障点位置，与方向判定元件配合使用，能够保证动作的选择性和快速性，起到主保护的作用。但是文章只进行了理论分析和仿真，在微电网实验系统及微电源示范工程中尚未进行应用，因此其可行性仍需进一步验证。文献[14-17]针对微电网内部结构特性提出了相互配合的3层微电网保护控制体系，即系统级保护、设备级保护和内部支路级保护。这种保护思想能够根据微电网不同区域的故障特性差异及对保护的不同要求，设计相应的保护策略。

本文借鉴上述分级保护策略，将微电网继电保护分为PCC处保护，分布式电源、储能设备自身保护和微电网内部馈线保护3个层次。本文重点分析微电网内部馈线保护配置策略。

2 微电网模型的搭建

目前国内外微电网示范工程大多采用辐射形结构，这种结构的接线方式较为简单。本文以辐射形微电网为研究对象，利用PSCAD/EMTDC软件搭建微电网仿真模型（结构见图 1）。该模型由1台微型燃气轮机、1套光伏机组、3条馈线及3组负荷组成，接至380 V低压配电网中。并网状态下，光伏机组和微型燃气轮机采用PQ控制；孤岛状态下，微电网采用主从控制策略，微型燃气轮机是主电源，采用V/F控制，光伏机组采用PQ控制。V/F控制时微型燃气轮机容量设为1.0 MVA，PQ控制时其输出有功功率设为0.3 MW，无功功率设为0.15 Mvar；光伏机组输出有功功率设为0.3 MW，无功功率设为0.15 Mvar。3组负荷全部采用恒功率负荷：负荷1为0.1 MW+j0.1 Mvar，负荷2为0.2 MW+j0.1 Mvar，负荷3为0.1 MW+j0.05 Mvar。配电网采用理想电源来等效，容量为50 MVA。380 V微电网线路正、负序电阻r₁=r₂=0.253 Ω/km，零序电阻r₀=1.01 Ω/km；正、负序电抗x₁=x₂=0.073 Ω/km，零序电抗x₀=0.289 Ω/ km。3条馈线长度均为500 m，在微电网模型搭建时采用PI型等效模块来模拟线路。

3 微电网故障特性分析 3.1 并网运行方式下微电网故障特性

将分布式电源接入配电网，设置在2.0 s时，F2处L1相发生单相接地故障，故障持续时间为1.0 s。图 2是并网状态下发生故障时大电网、微型燃气轮机及光伏机组的输出功率。图 3是故障后保护继电器K1、K2测量的电压、电流波形。由图 2、图 3可以看出，故障发生后，微电源输出功率保持恒定，大电网输出功率明显增大。保护继电器K1测量的电压下降、电流上升，但受限流器限制，电流上升幅度不大，由0.15 kA增加到0.28 kA，在2倍额定电流以内。而保护继电器K2测量的电流值变化较大，由0.15 kA增大到1.1 kA，这是由于故障后大电网为其提供短路电流造成的。图 4为保护继电器K3、K4测量的电压、电流波形。由图 4可以看出，随着故障的发生保护继电器K4电流明显增大，电压稍有跌落。

综上所述，在并网状态下，由于大电网的存在，保护继电器K2可以采用传统的过电流保护将故障切除，对于线路2、线路3上的故障，保护继电器K4、K5同样可以迅速可靠动作。但为了防止反方向故障时保护继电器K2、K4误动作，必须为其加装方向保护元件。

3.2 孤岛运行方式下微电网故障特性

孤岛状态下，当微电网F1—F5发生不同类型的短路故障时，测量各保护处的电流值（分别见表 1— 表 4）。由表 1数据看出，若采用本线路末端可能出现的最大短路电流进行整定，保护继电器K2、K4在反方向故障时将发生误动，并且发生不对称短路时，保护还可能失去选择性，因此必须重新整定过电流保护。由表 2—表 4数据可知，微电网孤岛状态下发生不对称短路时，负序电流增幅明显，各保护处的负序电流呈现一定的规律性，可以采用负序电流保护作为不对称故障时的保护，但需要加装方向保护元件，且动作电流的整定要合理。

3.3 结论

通过仿真数据分析，得出如下结论：在并网运行方式下，当微电网内部馈线发生短路时，由大电网为其提供短路电流，可以采用传统保护方式；孤岛运行方式下，故障输出电流很小，传统的过电流保护无法启动。

4 微电网孤岛运行方式下内部馈线保护方案分析 4.1 保护配置方案

孤岛运行方式下，微电网具有对称故障时输出电流比较大、不对称故障时负序电流变化量明显的故障特性^[18-19]。因此本文将电流速断保护与负序电流速断保护分别作为三相短路和不对称短路的保护Ⅰ段，同时采用反时限过电流保护与负序反时限过电流保护作为保护Ⅰ段的后备保护，即保护Ⅱ段。

4.2 保护Ⅰ段动作时限整定

电流速断保护的动作电流按照躲开最大运行方式下本线路末端发生三相短路时的短路电流来整定，负序电流速断保护按照最大运行方式下本线路末端发生不对称故障时可能出现的最大负序电流进行整定。

K1电流速断保护的动作电流整定值为：

(1)

式中  K_rel ^I—电流速断保护可靠系数，取1.2~1.3；

I_{F2. max} —最大运行方式下F2点三相短路时的短路电流。

K2电流速断保护的动作电流整定值为：

(2)

式中  I_{F1. max} —最大运行方式下F1点发生三相短路时的短路电流。

K1负序电流速断保护的动作电流整定值为：

(3)

式中  I_{2F2. max} —最大运行方式下F2点发生不对称短路时的最大负序电流。

K2负序电流速断保护的动作电流整定值为：

(4)

式中  I_{2F1. max} —最大运行方式下F1点发生不对称短路时的最大负序电流。

分布式电源接入微电网后，微电网成为双电源网络，如图 1中线路1、线路2，两端均有电源为其供电。当F1或F2处发生故障时，保护K4可能会误动作。同理，当F3或F4发生故障时，保护K2也可能会误动作。因此应当在保护K2、K4处加装方向元件，定义当故障电流由母线流向线路时为正方向，反之则为反方向，保护不动作。将上级到下级设定为：K1→K4、K3→K2，此时当F1或F2发生故障时，K4变为反方向，虽然故障电流超出其动作电流，但不会发生误动作。

4.3 保护Ⅱ段动作时限整定

反时限过电流保护的动作电流按照躲过本线路可能出现的最大负荷电流来整定，同时要在上下级之间设置一定的动作时限，确保二者能够满足选择性的要求。负序反时限过电流保护按照躲过负荷不对称时本线路可能出现的最大不平衡负序电流来整定。以保护K2为例，首先整定下级保护K2的动作时限，保护K2的反时限动作电流整定值为I_dz.2，动作时限取t₁，其计算公式为：

(5)

其中，K_rel^Ⅱ为反时限过电流保护的可靠系数，通常取值为1.15~1.25；K_zq为自启动系数，数值大于1，由网络接线和负荷性质决定；K_re为返回系数，一般采用0.85；I_L.max为本线路可能出现的最大负荷电流。

由t₁和I_dz.2可以确定点a₁，当线路出口发生三相短路时，电流为I_F2.max，此时保护K2应为瞬时动作，动作时限为断路器的固有动作时间t_b，则由I_F2.max和t_b又可以确定点b，由点a₁和点b可以画出保护K2的动作时限特性曲线①（见图 5）。由公式（5）计算上级保护K3的动作电流，可确定点a₂，为了满足保护K2和K3选择性的要求，必须保证保护3在短路电流为I_F2.max时的动作时限比保护2高出一个时间阶梯Δt，由此可以确定点c。由点a₂和点c确定保护K3的时限曲线②。负序反时限电流保护时限特性曲线的确定与上述过程类似，不再赘述。微电网孤岛运行模式下，采用过电流保护和负序过电流保护相结合的配置方案能够切除故障，达到保护的要求。

5 结束语

本文根据微电网故障特性提出采用过电流保护与负序过电流保护相互配合的保护方案，经仿真与理论分析可知，该保护方案能够满足微电网孤岛运行时内部馈线对保护的要求。但由于该方案在实际系统中尚未进行应用，因此其可行性还需要进一步验证。