考虑光伏低电压穿越特性的交流微电网保护方法

景柳铭，王一博，赵 通，周京华

（北方工业大学 北京市电力电子与电气传动工程研究中心，北京 100144）

0 引言

微电网具有很多优势，但是微电网保护问题制约着其进一步推广应用。交流微电网内部存在双向短路电流，要求保护能够判断故障方向；另外微电网在并网和离网2 种模式下的短路电流差异较为明显，需要保护自适应地判别故障状态。此外，微电网的拓扑结构会随着运行方式的改变而发生变化，需要保护能够适用于不同的拓扑结构。除了微电网的短路电流差异以外，在当前低压网络中，很多节点仅配置了电流互感器，并没有配置电压互感器，需要构建仅利用电流信息的保护方法［1-5］。

当微电网中发生故障时，恒功率（PQ）控制的光伏会进入低电压穿越状态，需要光伏输出无功来支撑电压。无功电流的增加会导致光伏输出电流的大小和相位发生改变，使微电网线路的电流发生变化，容易造成微电网的方向元件误判故障方向，因此有必要分析光伏低电压穿越状态下微电网的故障特性，研究故障方向判别方法［6-12］。

已有文献对配电网中光伏发电低电压穿越特性进行了一定的研究［13-16］。文献［13］详细分析了微电网内部发生故障时电流、电压的相位特征，由于故障端的故障电压影响输出电流相位，所以需要结合微电网的具体情况分析分布式电源输出故障电流的相位，因此该文献提出了根据电压故障分量与电流故障分量的相位特征确定故障区间的保护方法，但是该方法需要电压信息，而在低压微电网的部分节点较难获取电压信息。文献［14］提出了基于正序电流故障分量和分布式电源发生故障前电压的相位比较的主动配电网保护方法。该方法考虑了光伏低电压穿越特性对主动配电网的影响，能够准确切除不同位置发生的不同类型故障，实现保护功能。但是该方法适用于主动配电网，其在微电网中的适用性有待进一步分析。文献［15］分析了光伏并网后配电网的传统方向保护的可靠性，提出了利用故障前电压与故障后正序电流的相位差进行故障区间定位的方法，此方法需要使用电压信息，限制了其在中低压微电网中的应用。文献［16］分析了采取不同控制策略的分布式电源发生故障时输出电气量的特征，研究了孤岛运行时微电网母线上正序故障电压和电流的相位特征，提出利用电压故障分量和电流故障分量的相位关系确定故障区间的保护方案，并在最后验证了其可行性，该方案需要较多的电气量，信息的采集和处理过程复杂。

综上所述，现有的考虑光伏低电压穿越的微电网保护方法普遍需要电压互感器，会增加保护系统的成本，因此本文提出了一种仅利用电流信息的微电网线路保护方法。该方法利用母线与分支馈线中故障电流的相位差进行故障方向判别；通过不同保护装置之间的配合定位故障区间。最后利用电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC 对所提方法的有效性进行了仿真验证。

1 光伏低电压穿越特性分析

微电网并网运行时光伏采用PQ 控制且带有低电压穿越功能，光伏会在微电网发生故障时降低有功功率，同时增加输出的无功功率对微电网进行电压调节，并且其交流侧输出电流只存在正序分量。在故障附加网络中，采用PQ控制的光伏可直接等效为正序电流源。根据PQ控制的逆变型分布式电源（IIDG）等效数学模型，IIDG输出的故障电流可以表示为［16］：式中：Iq.f和Id.f分别为发生故障时光伏发出的无功电流和有功电流；Pref为有功功率参考值；Ud.0为正常运行时光伏并网点（PCC）电压的d轴分量；U+d.f为发生故障时光伏并网点电压的正序分量；Imax为发生故障时光伏输出的最大故障电流；Iamp.f为故障电流幅值；α为故障电流相位；k为无功补偿系数。

根据式（1）和文献［14］，光伏微电网发生故障时，光伏微电网可用图1 所示的等效模型进行分析。图中：ZL为线路等效阻抗；ZS为系统等效正序阻抗；ΔI为电流故障分量。

图1 光伏微电网等效模型示意图Fig.1 Schematic diagram of equivalent model of photovoltaic microgrid

发生故障时，光伏需要发出无功功率来抑制电压的跌落，所以可以先分析光伏故障前后输出电压、电流的变化情况，然后根据光伏的输出情况分析母线电压与电流的变化，故障前后光伏输出电压相量与电流相量如图2所示。

图2 故障前后光伏输出的电压和电流相量Fig.2 Voltage and current phasors output by photovoltaic before and after fault

图2（a）中：Ud、Id分别为故障前的电压相量和输出有功电流相量；U＇d为故障后电压相量，电压相位滞后角度为θ；I＇d为故障后电流相量对应的有功电流相量；I＇1、I＇2为故障电流相量，故障电流范围是以Imax为半径的弧线所围成的扇形区域；ΔIf1、ΔIf2为电流故障分量。由图2（a）可知，当配电网发生故障时，如果电压跌落较大，即U＇d较小，则电流故障分量ΔI和Ud的相位差大于90°；如果电压跌落较小，即U＇d较大，则电流故障分量ΔI和Ud的相位差小于90°。由此可知，电压跌落的程度将影响输出电流的故障分量ΔI和故障前电压Ud的相位差。且故障后电压有一个临界值如图2（b）所示。图中：I＇q为故障后电流相量对应的无功电流相量；I＇为故障后电流。此时Ud与故障电流分量ΔI的夹角为90°。

由图2（b）可得：

根据分析结果可知，若故障后电压小于临界电压值，则ΔI与Ud的相角差大于90°；若故障后电压大于临界电压，则ΔI与Ud的相角差小于90°。通过分析光伏的输出电流故障特性，可以为微电网故障分析提供基础。

2 光伏低电压穿越时微电网故障特性分析

本文通过构建的简单微电网模型分析故障特性。图3（a）为1 个带有4 条母线以及馈线和光伏并网运行的微电网。图中：母线E连接着3 条馈线E1—E3；母线F连接着3 条馈线F1—F3；母线G连接着3 条馈线G1—G3；母线M连接着3 条馈线M1—M3；LD1—LD3为负载；IIDG1与IIDG2为独立分布式电源。当点f发生故障时，该微电网的正序故障附加网络如图3（b）所示。图中：ΔIE1—ΔIE3、ΔIF1—ΔIF3、ΔIM1—ΔIM3、ΔIG1—ΔIG3分别为发生故障后E1—E3、F1—F3、M1—M3的故障电流；Z1—Z3分别为LD1—LD3的正序阻抗；ΔUF为故障点的正序附加电压源；ZF为故障点过渡阻抗；ZAF、ZBF、ZEM、ZFG为不同母线之间线路的等效正序阻抗；ΔI1与ΔI2分别为IIDG1与IIDG2输出的电流故障分量。

图3 简单微电网及其正序故障附加网络示意图Fig.3 Schematic diagram of simple microgrid and its positive-sequence fault additional network

当点f发生故障时，由于微电网与配电网并网运行，大电网能够提供电压支撑，所以母线E、M的电压降较小。但如果故障点离母线E很近，则也可能出现母线E、M的电压降较大的情况，此时母线E处的分析结果与母线G处相似，故本文主要分析母线E、M处电压降较小的情况。

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由以上分析可知，当点f发生故障时，母线M处IIDG2输出的电流故障分量ΔI2与故障前母线M的电压UM的相位差小于90°。由图3（b）可知，ΔIM2=-ΔI2，ΔIM3=-ΔUM/Z2，ΔIM1=-(ΔIM2+ΔIM3)，其中Z2为感性，所以ΔIM3与母线M处正序电压故障分量ΔUM的相位差小于90°，ΔIM3位于第三象限。通过分析可以得到母线M处发生故障时电压分量和电流分量的相位关系如图4（a）所示；对于母线E有ΔIE3=-ΔIM1，ΔIE1=ΔUE/ZS，ΔIE2=-(ΔIE1+ΔIE3)，其中ZS为感性，所以ΔIE1与母线E处正序电压故障分量ΔUE的相位差小于90°，ΔIE1位于第三象限。由上述分析可以得到点f处发生故障时母线E上故障电压分量和电流分量的相位关系，如图4（b）所示。对于母线F有ΔIF3=-ΔIG1，所以先分析母线G上的故障电压分量与故障电流分量的相位关系。由图3（b）可知ΔIG2=-ΔI1，ΔIG3=ΔUG/Z1，ΔIG1=-(ΔIG2+ΔIG3)，其中Z1为感性，所以ΔIG3与母线G处正序电压故障分量ΔUG的相位差小于90°，ΔIG3位于第三象限。当点f发生故障时，母线G没有大电网的支撑，所以电压降落较大，因此故障后ΔI1与故障前母线G的电压UG的相位差大于90°，所以ΔIG3位于第三象限。由故障分量图可得，发生故障后母线F各馈线故障分量的关系为：ΔIF3=-ΔIG1，ΔIF2=ΔUF/Z3，ΔIF1=-(ΔIF2+ΔIF3)。经过上述分析后，ΔIG1的故障向量方向已知，母线F处各故障分量的相量图如图4（c）所示。

图4 点f 处发生故障时各故障电压分量和故障电流分量Fig.4 Fault voltage components and fault current components under fault at Point f

当点f处发生故障时，通过母线E、F处的正序电流故障分量可知，故障点位于E2与F1之间。

在图3（a）中设置4个故障点f1—f4，如图5（a）所示。当点f4处发生故障时，图5（a）的正序故障附加网络如图5（b）所示。图中：Z11、Z12为线路的等效正序阻抗；ZEF为母线E与F之间线路的等效正序阻抗。

图5 微电网简化模型及正序故障附加网络Fig.5 Simplified model of microgrid and positive-sequence fault additional network

下面对点f1—f4处发生故障时母线E、F、G和M上的故障分量进行分析。

1）当点f1处发生故障时，分析同点f处发生故障的情况，本文不再赘述。

2）当f2处发生故障时，微电网的正序故障附加网络与点f1处发生故障时的分析过程类似，母线E、M处的电流相量图与点f发生故障时类似，本文不再赘述。对故障附加网络中母线G进行分析，当母线G的电压下降较小时，ΔI1与UG的相位差小于90°，所以ΔI1位于第四象限，由故障附加网络可得图6。对母线F进行分析，由故障附加网络可知ΔIF1=-ΔIE2、ΔIF3=-ΔIG1、ΔIF2=-(ΔIF1+ΔIF3)，则母线F处故障电流分量如图7所示。

图6 点f2 处发生故障时母线G上的故障分量相位关系Fig.6 Phase relation among fault components on Bus G under fault at Point f2

图7 点f2 处发生故障时母线F上的故障分量相位关系Fig.7 Phase relation among fault components on Bus F under fault at Point f2

由于母线F有大电网提供电压所以电压降落较小，由正序电流故障分量图可得ΔIF1=-ΔIE2，ΔIF2=ΔUF/Z3，ΔIF3=-(ΔIF1+ΔIF2)。对ΔIE3的分析可参考图7，本文不再赘述。由于Z3为感性，所以ΔIF2与ΔUF相位差小于90°，ΔIF2位于第三象限。由上述关系可得发生故障时母线F处故障分量的相位关系如图8所示。

图8 点f3 处发生故障时母线F上的故障分量相位关系Fig.8 Phase relation among fault components on Bus F under fault at Point f3

4）当点f4点处发生故障时，正序故障附加网络如图5（b）所示。发生故障时，母线M、E和F处各故障分量的相量关系分别与图4（a）、（b）和图8 相似，本文不再赘述。由于母线G有大电网的支持，电压降落较小，所以ΔI1与UG的相位差小于90°，ΔI1位于第四象限。由图5（b）可知，ΔIG2=-ΔI1，ΔIG1=-ΔIF3，ΔIG3=-(ΔIG1+ΔIG2)。根据上述对ΔIG1—ΔIG3的分析可得到母线G上的故障电压分量、故障电流分量的相位关系如图9所示。

图9 点f4 处发生故障时母线G上的故障分量相位关系Fig.9 Phase relation among fault components on Bus G under fault at Point f4

基于上述分析得到的各故障分量之间的相位关系，可在不同位置发生故障时，得到1 条母线的所有分支馈线上的正序故障电流分量之间的相位关系。当微电网正常工作时，任意2 条馈线上的电流分量相位差在（0°，90°）范围内；当微电网发生故障时，故障电流与正常电流的相位差在（90°，180°）范围内。假设母线A有3 条馈线A1—A3。当A3发生故障时，首先提取3 条馈线上的故障电流分量ΔIA1—ΔIA3的相位并转换至（-180°，180°）范围内，然后根据式（6），判断馈线上的故障电流分量的相位差。

3 微电网保护方案

3.1 微电网保护系统构架

本文提出的微电网保护系统采用集中-分布式保护方案，单元保护模块（unit protection）分布在母线节点处测量各馈线上的电流信息。微电网保护系统配置图如附录A图A1所示。

与传统的单元保护模块中各条馈线上都需要装设量测装置相比，本文所提出的保护方法仅需要在并网母线处安装1 个电压互感器，不需要在每个节点处安装电压互感器，可以降低一定的成本。单元保护模块从并网母线处获取电流信息，提取正序故障电流分量。一旦微电网并网母线处发生电压跌落，则将信息传递给单元保护模块，启动故障线路判断，定位故障馈线。2 个相邻的单元保护模块之间可通过通信联络线传递保护信息。跳闸信号触发模块如附录A图A2所示。

3.2 故障区段定位方法

故障区段判定依据为母线上电压发生跌落且跌落值超过原电压值的10%，当满足故障线路判定依据时，启动故障判定。故障判断流程如图10所示。

图10 故障区段判断流程图Fig.10 Flowchart of fault section diagnosis

首先提取母线对应馈线上的故障电流分量相位，转换到-180°～180°之间，将被检测馈线的故障电流分量ΔIY与该馈线所在母线上其他线路的故障电流分量ΔIYn，代入式（7）计算两者的相位差α。

|α|=|arg ΔIY-arg ΔIYn| （7）

如果式（7）的计算结果都在（90°，180°）范围内，则被检测馈线发生故障，故障状态判据输出为-1；否则，被检测馈线未发生故障，故障状态判据输出为1。启动判据后，开始同时检测母线上所有馈线的出线方向是否发生故障。若存在故障线路，则发出跳闸信号，同时向对侧发出跳闸信号，若发出信号的同时收到对侧发来的跳闸信号，则直接跳闸，否则不跳。

4 仿真验证

在电磁暂态仿真软件PSCAD／EMTDC 中构建微电网模型，模型图见附录A 图A3。微电网二次侧电压等级为10 kV，各馈线长度为500 m，单位长度线路的正序电阻、正序感抗、零序电阻、零序感抗分别为0.64、0.12、2.00、0.4 Ω／km，负载为0.4 MW。设置1 s时发生三相接地故障。

当故障电阻分别为0.01、0.1、1 Ω 时，分布式电源输出的电流相位与无功电流如图11 所示。图中，无功电流为标幺值。由图可见：在故障发生时刻，分布式电源输出的无功电流由0 开始迅速增大，到2 s时故障结束，无功电流又恢复至0；在无功电流增加的同时，分布式电源的输出电流相位也随之变大。

图11 故障电阻变化时分布式电源输出的无功电流和电流相位Fig.11 Reactive current and current phase of DG when fault resistance changes

在点f1处发生故障时，仿真结果如图12 所示。由图可见：馈线E2的故障电流分量相位与馈线E3、E1的故障电流分量相位相反；故障馈线为E2、F1、M1，健康馈线为E1、E3、F2、F3、M2、M3，故障线路与健康馈线的故障电流分量相位差在90°～180°之间，健康馈线两两之间的故障电流分量相位差在0°～90°之间。

图12 点f1 处发生故障时的仿真结果Fig.12 Simulative results under fault at Point f1

在点f2处发生故障时，仿真结果如附录A 图A4所示。由图可见：馈线F2的故障电流分量相位与馈线F1、F3的故障电流分量相位相反；故障馈线为E2、F2、G1、M1，健康馈线为E1、E3、F1、F3、M2、M3、G2、G3，故障线路与健康馈线的故障电流分量相位差在90°～180°之间，健康馈线两两之间的故障电流分量相位差在0°～90°之间。

在点f3处发生故障时，仿真结果如附录A 图A5所示。由图可见：馈线F3的故障电流分量相位与馈线F1、F2的故障电流分量相位相反；故障馈线为E2、F3、M1，健康馈线为E1、E3、F2、F1、M2、M3，故障线路与健康馈线的故障电流分量相位差在90°～180°之间，健康馈线两两之间的故障电流分量相位差在0°～90°之间。

在点f4处发生故障时，仿真结果如附录A 图A6所示。由图可见：馈线G3的故障电流分量相位与馈线G1、G2的故障电流分量相位相反；故障馈线为E2、F3、G3、M1，健康馈线为E1、E3、F2、F1、M2、M3、G1、G2，故障线路与健康馈线的故障电流分量相位差在90°～180°之间，健康馈线两两之间的故障电流分量相位差在0°～90°之间。

附录A 表A1 为仿真结果汇总。经过实验验证，在低阻故障以及高阻故障时，本文所提方法都能够有效地在微电网并网时，确定内部的故障区段，并定位故障区间。

在故障电阻为0.1 Ω 的条件下，对点f4处发生单相接地故障和两相短路故障进行分析，测量母线F处各馈线正序电流之间的差值，进一步证明本文判据的正确性。当f4处发生故障时，母线F处故障线路为F3，健康线路为F1、F2。正序故障附加网络如图5（b）所示，微电网简化模型如附录A图A7所示。

当点f4处发生单相接地故障时，母线F上故障分量相位关系如图13 所示。由图可见：当f4处发生单相接地故障时，故障线路F3与健康线路F1、F2的故障电流分量相位差在90°～180°之间；2 条健康线路F1、F2的故障电流分量相角差在0°～90°之间。

图13 点f4 处发生单相接地故障时，母线F上的故障分量相位关系Fig.13 Phase relation among fault components on Bus F under single-phase grounding fault at Point f4

当点f4处发生两相短路故障时，母线F上故障分量相位关系如附录A 图A8 所示。由图可见：当f4处发生两相短路故障时，故障线路F3与健康线路F1、F2的故障电流分量相位差在90°～180°之间；2 条健康线路F1、F2的故障电流分量相角差在0°～90°之间。

由图13 和图A8 可得，当发生单相接地故障和双相短路故障时，不同馈线正序电流的故障电流分量相位差仍满足故障判断条件。因此本文方法适用于不同故障类型。

5 结论

本文分析了光伏低电压穿越时的故障电流相位特征，提出了一种基于电流测量信息的就地化保护方法。该方法利用不同馈线正序电流故障分量相位差进行比较，从而判别故障方向。本文中通过不同母线处3 条馈线上的正序电流进行相位比较，确定故障方向。最后在PSCAD／EMTDC 中构建包含低电压穿越功能的光伏仿真模型，并对微电网内部故障进行仿真验证。仿真结果验证了故障特征分析的正确性以及保护方案的可行性。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。