交直流混合微电网保护方案的研究

马立群，刘立群，张聪明，白 薇

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

随着当今世界进入电气智能时代，供电系统保护的重要性也越发重要，其中，供电系统的可靠性和电能质量是人们的关注焦点，而微电网的概念也正式被人们所关注。微电网的组成包括负荷、分布式电源、储能装置和控制装置四部分，其中，由大量电力电子器件构成的内部电源的主要功能是为微电网提供必要的控制和接口。微电网的运行方式包括并网运行与孤网运行，当配电网发生故障时，为了保证重要负荷的持续供电微电网将转换成孤网运行模式，当故障解除时微电网又转换为并网运行模式[1-4]。交流微电网和直流微电网是微电网的两种模式，由于传统的配电网主要以交流电网模式存在，导致目前的研究重点主要放在交流微电网。直流微电网与交流微电网的区别在于:直流微电网不存在相位同步、谐波和无功功率损耗等方面的问题，因此成为现在所研究的重点[5]。

为了满足目前电气时代的需要，以确保电能质量与用电可靠性的要求，微电网的保护已成为重点研究对象。当微电网接入配电网时，改变了配电网的拓扑结构和潮流方向，改变了零序电流的大小和方向，进而影响传统保护的保护范围和灵敏度[6]。由交流母线与直流母线混合构成的微电网，我们称之为交直流混合微电网[7]。

文献[8]为实现并网与孤网之间的有效转换，提出一种改进的直流分层控制策略。文献[9]基于一种自适应交流保护策略来分析单极闭锁后交流侧无功功率、有功功率的变化特征，从而判断并切除故障。文献[10]提出一种基于非单元保护的方案来对混合配电网的直流侧故障进行保护，该保护方案使得系统非故障极在单极短路故障时仍能单极运行。本文根据交直流混合微电网的结构和特点，针对故障的发生情况，对传统的差动保护予以改进，并利用MATLAB仿真软件进行分析，验证交直流保护的准确性与速断性。

1 交直流微电网的拓扑结构

混合型微电网拓扑结构如图1所示，其构成由配电网、PCC快速开关、分布式电源、交流系统、直流系统、双向AC/DC变换器、升压/降压系统。配电网中的交流电通过AC/DC整流器将交流电变换成直流电传输给直流母线，直流电通过升压/降压系统传递给直流端用电设备。当配电网发生故障时，为了保证微电网重要负荷的持续供电进而提高其用电可靠性，迅速断开PCC，此时微电网将由并网运行转变为孤网运行。微电网中由大量的电力电子器件构成的分布式电源，需要双向AC/DC变换器进行模式转换，由于电力电子器件中包含饱和模块，会阻碍最大短路电流的通过，将把故障电流限制在更小的范围内，因此传统的继电保护已经不能满足交直流混合微电网的保护特性，因其保护动作值很大，所以将会导致保护动作的拒动和误动，对微电网的可靠性造成不良影响。

图1 交直流混合微电网结构图
Fig.1 Structure of hybrid AC/DC grid

2 逆变侧交流母线过电压原理分析

在交直流混合微电网中，当直流电逆变成交流电时，交流电流相角总要落后其电压相角，因此在微电网正常运行时，逆变器需要从交流系统中吸收大量的无功功率。如图2所示在交直流混合微电网中，逆变侧与交流系统的无功功率变换如式(1)所得：

Qac=Qc-Qdc

(1)

式中：Qac为交流侧无功功率；Qc为交流侧滤波器和电容所吸收的无功功率；Qdc为逆变器所消耗的无功功率。

图2 交直流混合微电网模型
Fig.2 Model of hybrid AC/DC grid

交流侧交流母线电压U与无功功率Qac关系如下：

(2)

若θ=90°则U的等式为：

(3)

由式(3)可知，交流侧无功功率和有功功率会受交流母线电压变化的影响，当交流母线电压升高时，交流侧无功功率增加，有功功率减少。当直流系统故障时，逆变侧与换流器相联，直流系统在被断开之前仍向交流侧输送大量的有功功率，而流失的功率将被交流侧上的滤波器等设备吸收，这将引起逆变侧交流母线电压大幅升高。

在交直流混合微电网中，分布式电源的特点具有不稳定性，其受太阳能光照强度，风机承受的风力大小等因素的影响，由此改变了其拓扑结构和潮流方向的不确定性，而且微电网的模式小、输电距离短，将会使得传统的保护不再适用。如图3所示，在2 s时直流侧发生甩负荷致使逆变侧交流母线电压升高，交流系统中出现由换流器或换流阀传递而来的直流系统故障，从而引起逆变侧交流母线电压大幅波动。

图3 逆变侧交流系统电压波形
Fig.3 Voltage waveform of AC system on inverter side

3 直流系统对交流侧故障响应

交流暂态侵入原理如图4所示，交流系统发生故障后，将导致交流侧暂态变化，主要为换相电压的改变。由于交直流系统的相互作用，还会引起直流侧暂态改变，而换流器的输出发生改变将直接影响直流端电压改变，类似于在原有结构上加入了一个暂态电压源，将导致直流端暂态电气特征的改变。因此直流系统将不能对独立的交流系统所发生的故障进行正确的识别，进而影响直流系统发生误动。从交流系统的角度看，直流系统相当于一个功率源或电流源，其变化速度快，对交流系统有功功率影响大[11]。

图4 交流暂态侵入与直流系统暂态响应
Fig.4 AC transient invasion and transient response of DC system

4 改进后的交直流保护配合方案

在交直流混合微电网中，当直流侧发生甩负荷造成过电压时，由于微电网本身的特性使得交流系统电压会大幅波动造成其电能质量的降低，因此当直流系统发生故障时，交流系统应准确检测并予以切除故障区域，其保护动作逻辑可表示为：

(4)

(5)

式中：Im和In分别表示交流系统负载两端电流，Id为差动电流，Ir为制动电流，为防止保护误动作引入制动系数K，Iq为差动保护的动作值。对于交直流混合微电网来说，当交流侧发生高阻故障时，其差动电流将会很小，因此将不能满足差动保护的动作值，进而发生保护拒动现象。为了加强交直流系统的配合，提高动作的可靠性对原有差动保护进行了改进，改进后的保护动作逻辑如图5所示：

图5 保护动作逻辑出口框图
Fig.5 Logic block for protection actions

式中：Ud和Uset分别代表交流系统电压和动作定值，Kset表示交流系统电流差值的斜率动作值。当交流系统发生故障时，判断逻辑过程如下：

(1)步骤a、b用于交流系统故障发生时，差动电流与电压若同时满足制动定值时将执行c，反之闭锁保护，防止交流侧保护误动作。

(2)步骤d用于判断相差0.01 s时交流侧电流变化率，其变化率满足动作值时保护动作，反之闭锁保护。

(3)当c、d同时满足时，保护将启动并切除故障区域。

在交直流混合微电网中，为了提高保护的可靠性与速断性，交直流保护的相互配合起到了至关重要的作用，下面通过仿真来验证保护的可靠性。

5 MATLAB仿真验证

为了验证本文所提出改进后的交直流保护方案的可靠性与速断性，建立了Matlab/Simulink仿真模型，相比于传统保护的性能，该保护方案更加安全可靠。

当直流侧在2 s时发生甩负荷造成过电压时，换流器的有功功率和无功功率变化情况由图6和图7可知，其有功功率迅速增加而无功功率减少。

当交流系统发生故障时，根据改进的差动保护逻辑框图，设定的参数如下：直流电压380 V、频率50 Hz，线路中电容2.25 F，换流器采用PQ变换控制策略保证恒功率输出，根据线路阻抗的因素，考虑测量误差设定Kset=0.01.图8为故障在0.3 s时，相差0.01 s时交流侧的电流变化率，图9为故障发生在0.3 s时，保护动作时交流侧母线电压变化情况。

图6 故障后换流器有功功率变化率
Fig.6 Active power change rate of converter after fault

图7 故障后换流器无功功率变化率
Fig.7 Reactive power change rate of converter after fault

图8 交流侧电流变化
Fig.8 The AC side current change

图9 交流侧故障期间交流母线电压
Fig.9 The AC bus voltage during fault

由仿真结果图10可得，改进后的差动保护能够准确的识别故障点并迅速切除故障，与传统的差动保护相比大大提高了速断性，使交直流混合微电网更加安全稳定。

图10 故障保护对比分析
Fig.10 Comparative analysis of fault protection

6 结论

本文利用交直流混合微电网的拓扑结构对交流保护与直流保护进行了分析，在其特有的结构形式下，提出了一种改进的差动保护方案。该保护方案对交直流混合型微电网的故障保护更加准确且其速断性更好。通过MATLAB/Simulink仿真工具搭建模型，验证了其保护方案的可行性。该保护方案能够保证交直流混合微电网并网运行与孤网运行之间的有效切换，且提高了电能质量，从而保证了电网的安全稳定运行。