基于故障分量的孤岛微电网保护
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
同济大学电气工程系的研究人员周涵、牟龙华、郭文明，在2017年第17期《电工技术学报》上撰文指出，微电网孤岛运行时的故障特性与并网情况有所区别,且与微电源的控制策略紧密联系,因而需要对孤岛微电网的保护进行具体的研究。
根据U/f控制及PQ控制微电源在故障穿越下的故障模型,分析了不同故障类型时的输出电流特性,并对微电网中不同线路故障时各母线及馈线的相位特征进行分析,提出利用母线正序电压故障分量和各馈线正序电流故障分量的相位特征实现故障定位的孤岛微电网保护方案。最后,在PSCAD/EMTDC中建立了仿真模型,结果验证了该保护原理的正确性。
微电网是由分布式电源 (DistributedGenerator，DG)、储能装置、电力电子装置、相关负荷及监控保护装置构成的新型发配电系统。由于微电网能有效解决偏远地区的供电问题，且受益于国家政策大力推动，微电网的相关技术得到飞速发展。
保护作为微电网的关键技术之一，是学者们研究的热点。微电网在潮流流向、运行方式、短路电流、电源容量等方面异于传统电网，其保护策略的设计也将面临诸多难点。
目前，关于微电网保护的研究较多，提出的保护方案大多是针对并网运行时的微电网。微电网内部故障在微电网并网运行和孤岛运行两种模式下，所呈现的故障特性及所采取的保护方法必然有所不同，且与微电网内分布式电源的控制方式紧密相关。因此，微电网并网运行时的保护策略在微电网孤岛运行时可能不再可行。
关于孤岛微电网的故障特性分析和DG等效模型，目前已有相关文献进行了讨论。文献［8］借助实际微电网系统的拓扑进行分析，着重分析了故障情况下出现的频率偏移、电流受限和系统阻抗等问题。文献［9］通过结合实际微电网工程，搭建基于RTDS的半实物仿真平台，分析了并网和离网模式下配电网和微电网内部的故障特性。文献［10］对含U/f控制DG的微电网故障特性进行了研究，从理论上推导了DG的故障等效模型，提出一种故障稳态的解析方法，但未考虑故障电流限幅。
以上文献所描述的问题及故障特征为微电网保护配置提供了依据，但尚未应用到具体的保护方案中。
微电网保护方案大体上可分为两大类: ①基于传统配电网保护原理改进的保护方案; ②基于通信或部分依赖通信的保护方案。
文献［11］利用故障后保护安装处电压与故障位置的关系，采用低电压加速因子提高传统反时限过电流保护的动作速度，对低电压配电网的反时限过电流保护进行了优化，但过电流保护仍需结合智能保护设备才能更好地发挥作用。
文献［12］利用测量阻抗与最小负荷阻抗实现保护功能，提出基于负荷阻抗的反时限低阻抗保护，但此类保护方案无法将故障定位到具体的线路。
文献［13］提出了一种基于正序分量的保护策略，并设计了由相量测量单元和数字继电器构成的数字通信系统，该保护方案适用于放射状和环状微电网的故障切除，并具备单相切除能力，但在分析故障特性时未考虑逆变器的控制策略，且未对分支馈线发生故障的情况进行讨论。
文献［14］对微电网内多点的信息利用进行数据挖掘、统计分类、特征选取等智能算法处理实现故障位置的判定，该方案需要处理大量数据，且需要实时上传大量数据给主站，通信要求高。
文献［15］提出了基于微电网中央控制单元的集中式保护方案，实质是基于通信的集成保护系统，该方案功能的完善和实现尚需更多的研究。
本文首先根据低压微电网中逆变型分布式电源的控制策略，选取不同的故障等值模型，并准确分析了故障时U/f控制及PQ控制的分布式电源的输出电流特性。
利用故障分量灵敏度较高且不受负荷电流、过渡电阻影响的优点，建立孤岛微电网的正序故障分量网络，对不同位置发生故障时各母线及馈线的正序故障分量进行分析，提出利用正序电压故障分量和正序电流故障分量的相位关系实现故障定位的孤岛微电网保护方案。最后，利用PSCAD/EMTDC建立低压微电网的仿真模型，验证所提保护方案的有效性和可行性。
图10 配置新型保护方案的微电网结构
结论
本文针对主从控制的低压孤岛微电网，故障时主控电源(VF-DG)的最大故障电流扩容至额定电流的3倍，从电源(PQ-DG)的故障穿越控制策略为增大有功电流，输出有功功率以支撑系统电压。分别使用受控电压源、受控电流源模型对VF-DG、PQ-DG进行等效，分析了不同故障情况下采用不同控制策略的DG输出电流的变化。
基于正序故障分量的相位关系特征，对孤岛微电网内部不同位置发生故障时各母线及馈线的正序故障分量进行了分析，提出了利用正序电流故障分量与正序电压故障分量的相位差范围的保护新方案。通过 PSCAD/EMTDC 进行算例仿真，验证了所提保护方案的正确性和可行性。