基于LVRT策略和故障谐波足迹的微电网继电保护方案.pdf

第45卷 第08期 2023-08【17】收稿日期：2022-06-23基金项目：陕西省重点研发计划：高校联合项目-重点项目（2021GXLH-Z-059）作者简介：左宝峰（1981-），男，陕西西安人，高级工程师，硕士，研究方向为继电保护。基于LVRT策略和故障谐波足迹的微电网继电保护方案Microgrid relay protection scheme based on LVRT strategy and fault harmonic footprint左宝峰1*，李 俊1，黄子堃1，徐浩东1，程 林2 ZUO Bao-feng1*，LI Jun1，HUANG Zi-kun1，XU Hao-dong1，CHENG Lin2(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710000；2.武汉中元华电电力设备有限公司，武汉 430000)摘 要：由于基于逆变器的微电网过流容量较低，传统的过流保护方法并不适用于包括微电网在内的整个电力系统，因此需要一种快速检测方法和完整的保护方案来识别故障以保持系统稳定。提出了一种将快速故障检测算法和低电压穿越策略相结合的微电网继电保护方案。检测算法结合了阻抗延迟和一种新的谐波分析方法，可以在几毫秒内完成故障检测。并且在故障条件下，低电压穿越策略利用增强型锁相环，使微电网可以在不平衡条件下运行一段时间。此外，针对电力系统的调度要求，方法还具有功率补偿功能。最后通过仿真验证了方案在实际应用中的可行性。关键词：谐波足迹；继电保护；故障检测；低电压穿越；微电网中图分类号：TM73 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)08-0017-050 引言目前，随着大量分布式可再生能源并网，电力系统已成为一个更加复杂且设备多样化的网络。微电网的迅速兴起，极大地影响了电力系统的规划和管理。微电网包含多个分布式发电机（distributed generator，DG）和部分近电负荷，这些近电负荷既可可以并网运行，也可以独立运行，它为电力系统的能源供应提供了多种多样的解决方案1,2。短路故障是电网中常见的故障，大多数短路故障会导致输电线路不平衡，严重影响各种连接设备。在配电线路故障总数中，单相接地故障占80%以上，占高压线路故障总数的70%以上。此外，单相接地故障发生后如果不及时排除故障，往往会导致更严重的故障，从而造成巨大的损失。然而，当短路故障保护应用于微电网时存在一个难题，即由于微电网短路电流等级的不同，微电网应对外部故障和内部故障需要采取不同的应对措施3。为微电网设计的继电保护方案可以根据微电网不同于外部配电网的特点采取不同的保护措施4。文献5提出了一种基于主动探测技术的微电网保护方法，该方法在高阻抗故障中具有良好的性能。文献6设计了一种包括并网和单机运行的继电保护方案，利用遗传算法来解决非线性规划问题。文献7提出了一种逆变接口微电网继电保护方案，采用逆变器控制策略应对外部故障。在常规继电保护中，一般有0.01s0.04s左右的时间进行故障检测和动作保护，此时间对于拥有大量电力电子设备的微电网的控制保护可能过长8,9。微电网继电保护的快速检测方法有很多，可以大致分为参数检测、非参数检测、混合检测和其他检测。其中，基于傅里叶分析或基于小波分析的非参数方法具有便捷的特点，这些算法经常用来分析谐波分量，检测速度通常可以符合控制要求10,11。谐波足迹是由Vladimir A.Kati提出的，是一种新的电压暂降检测方法12,13，该方法利用特定组合谐波分量的暂态变化，可以有效地检测电网中短路故障的发生。然而，如果微电网足够大，不能在检测到故障的瞬间切断与外部配电网的连接，那么在发生短路故障时应满足低电压穿越（low voltage ride through，LVRT）的要求。文献14表示达到一定容量和电压等级的光伏电站必须具备LVRT能力。它必须根据系统要求调整有功功率和无功功率，根据电网调度中心下达的变电指令参与电网的电力调度。目前，更多的方案都是针对故障状态专门设计一种控制策略，以保证故障状态下的正常运行。但这些策略必须适用于微电网规范中的功率补偿要求1517。因此，为微电网设计的继电保护方案应满足以下功能需求：1）能够处理多种类型的故障；2）能够将控制策略由并网运行切换到LVRT运行；3）满足低电压穿越原理的要求；4）具有参与调度的能力，能够接收调度中心的信号。本文介绍了一种包括故障检测和LVRT策略的微电网继电保护方案。该方案考虑了外部配电网侧和微电网内部两种故障的发生，利用电压暂降的谐波足迹特性实现故障的快速检测，并利用阻抗继电器区分两种故障状态。此外还讨论了在LVRT状态下发生故障时微电网控制需要考虑的几个问题，并根据讨论结果提出了解决方案。【18】第45卷 第08期 2023-081 微电网继电保护方案微电网一般由一些光伏发电机和柴油发电机以及一些负载组成。光伏发电机被控制为电流源，而柴油发电机则以下垂控制方式运行。本文提出的微电网继电保护方案如图1所示。该方案主要包括短路故障检测和LVRT周期控制策略。开始实时故障检测判断故障位置增强型PLL提供准确的相位限流器保持运行稳定性是否需要无功功率注入注入无功功率计算LVRT时间时间是否超过LVRT周期切换至孤岛运行自动重合闸策略结束微电网内部切断故障部分微电网外部否是否是图1 微电网继电保护策略流程图上图继电保护流程结合了基于谐波足迹的电压暂降检测方法和利用阻抗继电器确定故障源方向的算法。前者用于在几毫秒内判断是否有故障发生的可能性，若有可能，则微电网的锁相控制被切换以确保稳定运行。后者可以进一步明确故障的存在，并提供短路故障源的方向信息，用于区分后续的继电保护动作。根据检测到的故障方向信息，可以将故障分为微电网内部故障和微电网外部故障。对于内部故障，微电网立即切断故障部分，维持自身稳定运行。对于外部故障，微电网将按照规范要求进行一段时间的低电压穿越。在故障引起的低电压状态下，微电网LVRT周期必须满足以下要求：1）当并网点电压降至0时，微电网可以不脱网连续运行0.15s；2）当并网点电压降至图2中的曲线1以下时，可将其从外部配电网中切出。图2 光伏DG的LVRT阈值当检测到外部故障即LVRT启动时，增强型锁相环（phase locked loop，PLL）切换锁相输入，为每一级控制提供正确、稳定的相位信息。同时，限流器将保护设备免受过大的电流冲击。在此期间，微电网需要响应由电网调度中心发送的调度需求。在LVRT后，如果电压未恢复到正常阶段，微电网将断开与外部配电网的连接，然后在一段时间后再尝试一次自动重合闸。这种短路故障检测方法可以避免由于保护装置的退化而导致电力电子设备的损坏。因此，这种方法与LVRT策略的结合可以适应微电网对继电保护的需求。2 基于谐波足迹的短路故障检测故障检测方法的快速性和有效性决定了继电保护系统的可行性。作为整个继电保护的初始部分，为了及时完成一系列动作，故障检测的速度必须非常快。目前，各种新能源作为一次能源被广泛使用，微电网与外部配电网的连接无处不在。因此，继电保护的概念并不能局限于的一个狭窄范围，而是要考虑到外部配电网与微电网之间的拓扑连接和工作模式的特点。针对外部配电网设计的继电保护系统需要更多地与微电网的实际应用场景相结合。因此，在分析了微电网遇到短路故障情况的特点，结合微电网实际运行控制方案，最终选择了基于谐波足迹的检测方法。谐波足迹是指谐波分量的特征曲线随信号变化的变化。Vladimir A.Katic经过广泛的实验和数据分析，得出电压暂降的谐波足迹具有一定特征的结论，一系列相似的分析也证明了谐波足迹与电压暂降有很大的关联性。谐波足迹可以用两项指数模型表示，如式(1)所示：()()()b xd xf xa ec e=+(1)除x外的其他参数均为常数，具体数值因故障类型而异。在大多数情况下,谐波足迹的特征曲线在故障发生时刻急剧上升,其2、3、5、7次谐波的谐波含量（HDU2357）在2ms内就会上升超过8%（5%以下的电压波动被视为总谐波含量的正常水平）。电网中常见的短路故障，如单相接地短路或线对线短路，必然会引起馈线电压的显著变化。在传统的继电保护系统中，当电压下降时，低压保护就会起作用。由此可见，可以将谐波足迹作为一个标准应用到故障检测中。例如，图3显示了由单相接地短路和线对线短路引起的HDU2357的瞬态变化。可以看出，曲线在故障发生的瞬间(0.01s)急剧上升，与故障前明显不同。尽管不同故障的特性曲线有差异，但在瞬态变化的早期阶段，其变化趋势是一致的。第45卷 第08期 2023-08【19】图3 不同故障下的电压谐波足迹此外，两种情况下所采用的继电保护方案的差异，促使在检测故障发生的同时也要判断故障源的位置。安装在公共连接点上的阻抗继电器可以用来判断故障源的方向。由式(2)可知，继电器可见阻抗的输出是检测点电压除以电流的结果，因此可以通过可见阻抗的角度特性来判断故障源的方向。seen VZzzI=+(2)式(2)中，z是到故障点的正序阻抗，z代表故障电阻、负载角等。3 低电压穿越当外部配电网出现故障时，微电网不能选择立即与外部配电网断开，而是要根据电网规范在并网状态下保持一段时间的运行。因此，LVRT周期的控制策略将面临如何在故障状态下稳定运行的问题。不对称短路故障会给微电网的控制带来锁相问题。传统的锁相环是根据三相交流电压来推导控制器的频率信号，当一个或两个相位角发生变化时，传统的锁相环得到的频率就会错误，从而给控制器带来误差，导致微电网崩溃。输电线路故障引起的电流增大也会影响微电网，尤其是开关频率较高的换流器。传统的继电保护并不包括应用于如逆变器等新能源设备的保护。可见，微电网和外部配电网在运行条件和设备容差方面存在着诸多差异，而过流限流器在LVRT条件下的微电网继电保护中起着非常重要的作用。随着微电网的进一步发展，并网的潮流已成为电网调度中不可缺少的考虑因素。在故障发生的那一刻，电网的潮流已经发生了变化，很可能失去原有的稳定性。因此，在设计LVRT控制时需要考虑无功功率注入的可能性。传统电网在运行过程中，无功补偿功能主要由无功补偿器来实现，但是，当故障发生时，这可能无法满足系统的需求。考虑到电网的经济运行，从微电网向外部配电网注入无功功率更合适。因此，微电网LVRT控制策略将从以下三个方面来实现。3.1 增强型PLL增强型PLL是一种锁相方案，可以通过单相电压信号实现锁相输出，因此非常适合故障条件下控制器的锁相。其控制框图如图4所示。cos1ssin图4 增强型PLL的控制框图增强型PLL被用于跟踪非故障相的电压相位和故障相的电压幅值，这种锁相环技术可以避免因非额定单相频率扰动和三相不平衡状态引起的误差，不会出现校正或窗口问题。当测量的电力信号由于谐波或非谐波噪声而高度失真时，多单元PLL可以避免相位误差。尽管PLL结构复杂，但由于其模块化的结构，因此很容易实现。从图5可以看出，当单相电压发生变化时，增强型PLL可以在几毫秒内完全跟踪电压的变化。图5 增强型PLL输出的电压正弦波形3.2 过流限流器在LVRT期间，通过控制策略限制故障电流，避免设备损坏；在LVRT周期后，如果故障仍然存在，故障中断装置将切断与外部配电网的连接。基于逆变器的DG通常将设备电流控制在非常接近额定值的水平，由于外部短路故障导致远远大于正常的强过流时，过流保护方案将电流上限设置为额定电流的1.1倍。例如基于IGBT的逆变器，最大电流限制由IGBT的载流能力决定，许多可用的商业逆变器都采用1.1p.u.的值。电流限制是在LVRT期间使用上述限制施加的，通过指定参考电流的d-q分量来控制。通过限流器的电流仍然表现为正弦波，不影响系统的运行。限流器控制框图如图6所示。2X2XX2X2XXmaxIqImaxIdI+maxdIminqIdipVdipVmaxI011maxI0图6 限流器控制电路【20】第45卷 第08期 2023-083.3 无功补偿参考调度考虑故障条件下微电网注入的无功功率，需要将电力系统的负荷分配和潮流作为一个整体来考虑，而这些问题往往取决于调度中心的决策。作为电网中受调度的模块，微电网在故障状态下的任务不仅限于保证自身稳定运行能力，还要具有无功补偿的功能。微电网的继电保护应包括可切换的无功补偿模式。当没有接收到调度信号时，控制策略只需在LVRT期间维持自身并网运行，然后将微电网切换为孤岛运行。而在接收到电网的调度信号后，改变为向外部配电网注入无功电流来补偿无功功率。4 算例分析本文通过一个典型的微电网模型对所提出的微电网继电保护方案进行了验证。微电网拓扑结构如图7所示。负载1负载2负载3负载7柴油发电机负载6负载5负载4光伏S1S2B1B2B3B4B7B6B5M1F1F2图7 微电网拓扑结构M1母线是微电网的并网位置。微电网内部有一台1.74MW光伏DG、一台5.5MW柴油发电机和七个不同的负载。此外，在微电网内部和外部有两个故障点F1和F2。在RTDS和Matlab/Simulink上对此系统进行了仿真。继电保护方案的可靠性将通过一个发生在外部配电网侧故障的例子来证明。故障发生前后单相接地短路点的三相电压、电流波形如图8所示。(a)电压波形(b)电流波形图8 单相接地故障电压、电流波形故障检测的输出信号在故障发生时变化如图9所示，检测信号3是信号1、2作用下的结果。可以看出，当HDU2357达到阈值时，信号1会输出一个阶跃变化，当根据阻抗继电器的输出判断出故障在微电网之外时，信号2会输出一个阶跃变化。信号3用于启动LVRT，根据LVRT的要求，经过一段时间后，如果仍检测到故障，微电网将断开与外部配电网的连接，转入孤岛运行。图9 故障检测的瞬态波形当检测到不对称的电压下降并看到信号1的阶跃变化第45卷 第08期 2023-08【21】时，增强型PLL调整输入信号以稳定输出相位信息。图10显示了增强型PLL收到故障标志后的工作情况。图10 故障前后增强型PLL的输出正弦波形可以看出，故障发生后，锁相环失去电压相位，增强型PLL将输入相位切换为正常相位，继续稳定相位输出。切断与外部配电网的连接一段时间后，微电网将尝试重合闸一次，如果条件允许，微电网将重新并网运行。图11显示了重合闸期间断路器两侧之间的电压差和相位角差的变化。当电压、频率和相位角满足要求时，断路器成功合闸。(a)电压差变化(b)相角差变化图11 重合闸期间电压差、相角差的波形5 结语本文提出了一种微电网继电保护方案，包括故障检测和LVRT方案。为了保证检测过程有足够的响应时间，采用了基于谐波足迹的短路故障检测方法。结合阻抗继电器，大致定位故障源，确定采取的保护动作。采用增强型PLL为故障控制提供稳定相位，并利用限流器减小短路电流的冲击，使设备能够在故障状态下运行。考虑到微电网的稳定功能和自身的保护，LVRT的设计需要在故障发生后保持短时间的稳定运行。仿真结果表明，故障检测可以在几毫秒内完成，整个保护方案性能良好。参考文献：1 李冰,李岚,王浩,等.一种改善直流微电网负荷电流分配的下垂控制J.电力科学与技术学报,2022,37(1):48-54.2 景柳铭,王一博,赵通,等.考虑光伏低电压穿越特性的交流微电网保护方法J.电力自动化设备,2022,42(5):54-60.3 张伟亮,张辉,支娜,等.放射直流微电网短路故障保护策略J.电力自动化设备,2021,41(5):203-209.4 李越宇,喻锟,曾祥君,等.基于多频导纳测量的配电网接地故障辨识方法J.电力科学与技术学报,2022,37(1):122-129.5 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