張 蕊 顧和榮

（河北省電力電子與電力傳動重點實驗室（燕山大學），河北 秦皇島 066000）

微電網不對稱故障模式下IBDG運行特性及無畸變限流保護研究

張 蕊 顧和榮

（河北省電力電子與電力傳動重點實驗室（燕山大學），河北 秦皇島 066000）

微電網安全可靠的運行離不開精確地控制和保護。由于微電網中微電源自身的特點，使孤島微電網中的電氣量的變化在故障情況下與傳統(tǒng)大電網有很大的差別。因此，研究不同故障情況下 IBDG的運行特性以及它們對微電網系統(tǒng)故障特性的影響至關重要。本文研究了孤島微電網不對稱故障模式下 IBDG的運行特性，對電氣量的變化做出了定性分析。在不對稱故障情況下針對傳統(tǒng)的限流造成的電壓電流畸變，采用無畸變限流方法，減少系統(tǒng)中的諧波分量。利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了由三臺逆變器組成的微電網的仿真模型，設置故障參數并進行仿真研究，驗證對微電網故障情況下IBDG的運行特性及無畸變限流理論分析的正確性。

孤島微電網；故障模式；IBDG特性；無畸變限流

隨著微電網給越來越多的用戶供電，為了滿足用戶的供電需求，微電網的供電可靠性、故障檢測、故障保護以及故障后的快速恢復供電的研究變得迫在眉睫。微電網安全穩(wěn)定的運行離不開靈活可靠的控制系統(tǒng)與保護。目前對于微電網控制的研究已經取得了許多成果。相比而言，對微電網故障分析及保護的研究還有很多的空白和不足。分布式電源在微電網故障時輸出特性的差異，影響著微電網自身的穩(wěn)定性與安全性。并網運行或者孤島運行也會對微電網故障特性產生很大影響。為了對孤島運行的微電網發(fā)生故障時的故障特性有更清晰和全面的認識，需要了解微電網故障情況下IBDG的運行特性。故而本文針對孤島微電網在不同的故障模式情況下，IBDG的運行特性進行了詳細的分析，為孤島微電網故障情況下的保護提供理論依據。

目前對微電網故障特性及保護的研究多集中在并網模式。在并網模式下，IBDG多采用PQ控制，現在已有許多學者對此類IBDG的運行特性及微電網的故障特性進行了分析。其中，文獻[1]將 IBDG等值為恒定電壓源與恒定阻抗串聯(lián)模型。文獻[2]將IBDG等值為變化的電壓源和恒定阻抗串聯(lián)模型。文獻[3]主要分析并網時的IBDG的故障響應。指出微電網故障情況下IBDG的運行特性與其控制策略有關。不能將IBDG等值模型等效為常規(guī)電源，忽略了其控制策略，這樣會造成微電網故障分析的局限性。文獻[4-5]分析了并網模式的DG的控制策略。針對DG的故障穿越行為建立了DG壓控電流源的等值模型，可以較真實地體現出DG在故障情況下的運行特性。精確給出了含DG的配電網的對稱故障和相間短路故障的分析方法。但是文獻[4]和文獻[5]的分析僅適用于含單個 IBDG的配電網故障分析。文獻[6]在文獻[4-5]的基礎上，分析了含多個DG的配電網的故障分析方法。考慮各個IBDG之間的耦合以及PCC處的故障電壓與IBDG故障電流之間的關系，列出節(jié)點電壓方程，并用迭代方法求解。文獻[7]研究了微電網的故障穿越策略，并在此基礎上分析了IBDG的故障電流特性及微電網故障特性分析。

目前對于微電網運行于孤島模式的故障分析較少。文獻[8]針對微電網不同的控制方式，分析了對稱故障情況下，故障電流受限、頻率偏移及微電源阻抗變化對保護的影響。同時也分析了各種情況下不同保護方式是否能正確動作。文獻[9]主要研究含V/f控制的DG的微電網的故障特性。充分考慮逆變器控制策略的影響，從理論出發(fā)分析對稱故障和不對稱故障情況下DG的運行特性，并推導出DG的故障等值模型。提出微電網故障分析的解析方法，即利用DG故障等值模型，列出微電網的故障方程組，求取微電網孤島運行時的故障穩(wěn)態(tài)電流。但是文獻[9]采用的控制是電壓單環(huán)，沒有考慮電流的限制。文獻[10]分析了單臺 dq0坐標系控制的三相四線制逆變器組成的孤島微電網的故障響應。文獻中介紹了怎樣根據逆變器的控制及電流限制來獲得逆變器的故障模型。并指出對稱故障期間，整個微電網可以等效為一個電流源與阻抗并聯(lián)的形式。文獻[11]指出逆變器的控制策略、參考坐標系以及電流的限制都會影響逆變器故障情況下的運行特性，尤其是在不對稱故障的情況下。針對 dq0坐標系和 abc坐標系控制下的逆變器，研究了其在微電網發(fā)生不對稱故障時的等值模型。

從故障保護角度出發(fā)，文獻[12]利用正序故障分量電流幅值差動保護作為阻抗角保護判據的啟動判據，構成了一套微電網外部短路故障保護方案。無需考慮負荷電流和故障電阻的影響，克服了微電網故障時短路故障電流小以及潮流雙向流動的問題。文獻[13]表明在微電源的出口處安裝 FCL，對其故障暫態(tài)都能起到很好的抑制作用。

針對故障暫態(tài)過程中的電能質量問題，文獻[14]提出一種將二次電壓控制的思想引入DG的本地控制，大大改善了故障時的電壓質量。

本文針對微網孤島模式的故障分析了IBDG的運行特性，主要包括電壓、電流以及功率之間的關系。進而對微電網的不對稱相間故障的基波正序電壓、電流和基波負序電壓、電流隨故障阻抗的變化情況進行研究。最后針對控制環(huán)節(jié)采用無畸變限流方法，驗證了限流方法的有效性，大大減少不對稱故障暫態(tài)過程帶來的波形畸變和電能質量問題。具有一定的實用價值。通過對微電網故障特征分析與研究為微電網保護和電能質量的研究提供理論基礎。

1 微電網不對稱故障特性分析

孤島微電網由于沒有大電網的支撐，儲能有限。對于低壓微電網，當微電網中任意一點發(fā)生嚴重故障后，IBDG輸出電壓將迅速跌落，會使系統(tǒng)中的IBDG全部脫網運行，造成微電網崩潰。即使快速切除故障，也會對微電網的穩(wěn)定性造成影響。針對這種情況，應采取措施使IBDG在發(fā)生嚴重故障時，不脫網運行。

當發(fā)生三相不對稱故障時，不對稱相量可以由對稱分量法分解為正序、負序和零序分量。本文微電網由于采用三相三線制，沒有零序通道，故將三相電壓、電流分解為正序和負序分量。本文的分析主要以基波分量為主，因此下文提到的正序電壓、電流及負序電壓、電流均指的是其基波分量。對稱相量法通常取A相作為基準項，其對稱分量與三相向量之間的關系為

式中，操作數α=ej120°，并有1+α+α2=0，α3=1。

以BC相間故障為例，電路如圖2所示。

當發(fā)生不對稱故障時，逆變器的輸出電壓和電流均含有正序分量和負序分量，將它們轉換到兩相dq旋轉坐標系下，采用電壓d軸定向。

圖1 相間故障時的三相電路

逆變器的功率計算公式如下：

由式（3）和式（4）可以看出，當微電網發(fā)生不對稱故障時，逆變器的有功和無功功率存在2倍頻波動。當有功功率和無功功率有2倍頻波動時，DG的頻率和電壓給定值也有 2倍頻波動，不過很小，暫時忽略。

當 BC相之間發(fā)生故障時，故障處的電壓電流關系如下式所示：

根據式（1）和式（5）轉化為序分量表達式為

忽略DG的頻率和電壓給定值微小的2倍頻波動，則正序和負序的序網絡結構圖如圖2所示。

圖2 序網絡結構圖

由式（6）可知，兩相相間故障時，不存在零序網絡。因此可以根據此式得出復合序網的結構圖，如圖 3所示。圖中 Zline1=Zline2=Zline和 Zload1=Zload2=Zload。

圖3 兩相相間故障的復合序網

當電流未達到限幅值時，由于正序電壓跟隨給定，負序電壓增大，正序和負序電流也增大，由式（3）和式（4）可知逆變器輸出功率增大。

當DG的輸出電流有一相達到限幅值時，限流環(huán)節(jié)作用，使DG的任何一相電流不超過限幅值。當電流達到限幅值后，DG不能滿足微電網的能量需求，使DG輸出電壓正序分量無法跟隨給定而下降。

微電網結構及故障位置分布圖如圖4所示。

當發(fā)生F1類型故障時，多個DG構成的微電網相當于把每個DG的容量以及所允許電流值疊加起來構成一個等效DG。每個DG的運行特性與前面所述的一臺DG的運行特性相同。它們的序網絡等效結構圖如圖5所示。

圖4 微電網結構及故障位置分布圖

圖5 F1故障序網絡等效結構圖

每一臺DG的正序電壓和電流、負序電壓和電流以及故障處的正負序電壓和電流可以分別計算，然后應用疊加定理疊加。不同控制方式下微電網F1不對稱故障情況的故障特性見表1。

表1 不同控制方式下微電網F1不對稱故障特性

當發(fā)生F2類型故障或F3類型故障時，每個DG的運行特性與前面所述的一臺 DG的運行特性相同，它們的序網絡等效結構圖如圖6所示。

圖6 F2或F3故障序網絡等效結構圖

依據疊加定理，可以推算出各DG的正序電壓和電流、負序電壓和電流以及故障處的正負序電壓和電流。不同控制方式下微電網F2和F3不對稱故障情況的故障特性見表2。

表2 不同控制方式下微電網F2和F3不對稱故障情況的故障特性

2 DG無畸變限流環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的限流方法如圖7所示。在dq旋轉坐標系下介紹其原理：計算此時電流矢量的幅值，并與電流限制的最大值 Imax做比較。如果計算出的電流矢量的幅值小于 Imax，則電流未達到電流限幅值，限流環(huán)節(jié)不起作用。如果計算出的電流矢量的幅值大于 Imax，則將超出電流限幅值的電流限制在電流限幅值，即Imax。

圖7 傳統(tǒng)限流方法

在dq坐標系下電流矢量的幅值的軌跡如圖8所示。實線圓 1代表電流的限幅值 Imax，過原點帶箭頭的直線代表電流矢量的幅值。在對稱故障情況下，如果電流達到限幅值，限流環(huán)節(jié)起作用使電流的幅值限制在 Imax，即使逆變器工作在恒流模式。在不對稱故障情況下，由于負序分量的存在，使d軸和q軸出現2倍頻波動，因此在dq坐標系下電流矢量的幅值軌跡如虛線圓2包圍的圓。采用傳統(tǒng)的電流限制方法后，電流矢量的幅值軌跡如虛線橢圓3包圍的曲線。該方法將會使電流出現削頂的現象，從而使電壓電流中諧波含量大大增加，嚴重影響電能質量。

圖8 限流的波形曲線

對于采用傳統(tǒng)限流環(huán)節(jié)的 DG，當電流超過限幅值后，電流出現削頂現象。故障阻抗越小，削頂越嚴重，如圖 9所示中的曲線 1、2、3。其中，電流削頂越嚴重，提取出的基波分量越大。

圖9 傳統(tǒng)電流限幅后電流波形

為了解決電流削頂的問題，本文采用無畸變限流方法。原理如圖10所示，即找出電流矢量幅值的最大值，并與電流限制的最大值 Imax做比較。如果電流矢量的幅值的最大值小于 Imax，則電流未達到電流限幅值，限流環(huán)節(jié)不起作用。如果電流矢量的幅值的最大值大于 Imax，則使電流成比例的減小，從而使電流保持正弦波形。采用無畸變限流方法的電流矢量軌跡如圖9中的虛線圓4所示。

圖10 無畸變限流方法

3 微電網不對稱故障仿真

為了驗證微電網故障情況下IBDG運行特性理論分析的正確性，使用Matlab/Simulink軟件搭建微電網仿真模型，通過故障模塊設置故障參數，然后運行仿真獲取仿真結果。其中，微電網由3臺容量相同的 DG并聯(lián)運行組成。三臺逆變器容量均為5000W；線路阻抗不等，分別為 0.64Ω/0.264mH、0.77Ω/0.317mH和0.96Ω/0.396mH。設定逆變器的最大功率為5000W，并且電流限幅值取額定電流幅值的 1.5倍，即電流限幅值為 15A。微電網采用的控制方法為基于負載電壓反饋的下垂控制方法。本文研究的微電網不對稱故障為相間故障，仿真以 BC相故障為例。并且針對傳統(tǒng)限流和無畸變限流兩種限流方法，分別做了仿真。

主電路和控制電路的仿真參數分別見表 3、表4。

表3 主電路參數

表4 控制電路參數

圖11 不對稱故障情況下電壓、電流及功率波形

從電壓電流波形圖中可以看出，IBDG的電壓電流均三相不對稱；并且 B、C兩相電壓降低，電流升高，A相電壓電流略升高。故障后，微電網的有功和無功功率均含有2倍頻波動，功率的直流分量增加，并且故障前后有功和無功功率均分。

圖12為不對稱故障情況下電壓、電流序分量波形圖，并且故障阻抗分別為 Rf=10Ω和 Rf=30Ω。得出如下結論：微電網發(fā)生不對稱故障，并且電流未達到限幅值時，隨著故障阻抗的減小，電壓正序分量跟隨給定，負序分量增加；電流正序分量和負序分量均增加；有功功率和無功功率皆均分，并且含有2倍頻分量；頻率中也含有較小的2倍頻分量。

圖12 不對稱故障情況下電壓、電流序分量波形

圖13 不對稱故障情況下頻率波形

采用傳統(tǒng)限流方法的不對稱故障仿真波形如圖14—圖16所示。不對稱故障發(fā)生在0.3s，故障阻抗為Rf=0.01Ω。

圖14 不對稱故障情況下電壓、電流及功率波形

從電壓電流波形圖中可以看出，不對稱故障采用傳統(tǒng)限流方法時，IBDG的電流出現明顯的削頂現象，并且電流最大相的電流限制在 15A。由于這個原因電壓電流均含有多次諧波，波形均有畸變。由有功和無功功率波形可以看出，故障后，微電網的有功和無功功率均含有2倍頻波動，功率的直流分量降低，并且故障后有功功率不均分。

圖15為不對稱故障情況下電壓、電流序分量波形圖，并且故障阻抗分別為Rf=0.01Ω和Rf=1Ω。圖16為不對稱故障情況下頻率波形圖。

圖15 不對稱故障情況下電壓、電流序分量波形

圖16 不對稱故障情況下頻率波形

采用無畸變限流方法的不對稱故障仿真波形如圖 17—圖19所示。不對稱故障發(fā)生在 0.3s，故障阻抗為Rf=0.01Ω。

圖17 不對稱故障情況下電壓、電流及功率波形

由圖17可知：從電壓電流波形圖中可以看出，不對稱故障采用無畸變限流方法時，IBDG的電壓、電流為正弦波，并且電流最大相的電流限制在15A。由有功和無功功率波形可以看出，故障后，微電網的有功和無功功率均含有2倍頻波動，功率的直流分量降低，并且故障后有功功率不均分。

圖18為不對稱故障情況下電壓、電流序分量波形圖，并且故障阻抗分別為Rf=0.01Ω和Rf=1Ω。

由電壓正序分量波形圖可以看出，在故障電流限幅時，隨著故障阻抗的變小，電壓正序分量跌落增大。由電壓負序分量波形圖可以看出，在故障電流限幅時，隨著故障阻抗的變小，電壓負序分量增加，并且負序分量較大。由電流正序分量波形圖可以看出，隨著故障阻抗的變小，電流正序分量略變小。由電流負序分量波形圖可以看出，在故障電流限幅時，負序電流增長較慢；并且隨著故障阻抗的變小，電流正序分量略微增加。

圖18 不對稱故障情況下電壓、電流序分量波形

圖19所示為不對稱故障情況下頻率波形圖。

圖19 不對稱故障情況下頻率波形

經過以上的仿真和分析，總結見表5。

表5 不對稱故障仿真結果匯總表

4 結論

本文針對孤島微電網發(fā)生不對稱故障模式IBDG的運行特性和故障特性進行了分析與研究。包括電壓、電流以及功率之間的關系；不對稱相間故障的基波正序電壓、電流和基波負序電壓、電流隨故障阻抗的變化情況進行研究。最后針對傳統(tǒng)的限流造成的電壓電流畸變，采用一種無畸變限流方法。通過仿真驗證了無畸變限流方法的有效性，大大減少了不對稱故障造成的波形畸變，提高電能質量，為以后微電網孤島故障保護和電能質量的研究提供一定的理論基礎。

通過不對稱故障時傳統(tǒng)限流控制的改進可以起到一定改善電壓電流畸變的效果?？梢钥闯龉收蠒r系統(tǒng)的保護控制與輸出電能質量是有沖突的。但要有效轉化這種矛盾在微網系統(tǒng)得到保護的前提獲得較好輸出波形就需要更完善的控制策略（不只限定對單臺微源的改進控制，可能是多臺微源之間的協(xié)調控制策略）能夠使系統(tǒng)“躲過”保護限制仍能正常運行，即容錯運行。基于容錯運行能力的孤島微網系統(tǒng)控制策略研究是下一步的研究內容。研究思路主要有以下幾點：

1）研究基于容錯能力的多微源間協(xié)調控制策略。故障時通過微源間分配的功率大小、流向控制，使功率流可以“繞過”故障點在微源之間形成循環(huán)閉合流動回路。這樣就可以“躲過”保護而延長正常運行時間。

2）上面是單純從設計協(xié)調控制策略角度出發(fā)。也可在故障時考慮加入額外的保護電路。此時加入的保護電路（可以改進完善構建成硬件容錯拓撲）起到解決保護與控制間的“沖突”問題。

3）將容錯硬件拓撲設計與微源容錯協(xié)調控制策略相結合，從整個系統(tǒng)出發(fā)構建容錯系統(tǒng)模型提高系統(tǒng)運行可靠性和故障穿越能力。

隨著研究地深入，故障容錯運行技術將會是支撐未來微網發(fā)展和建設堅強智能微網的關鍵內容。

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Research on Operation Characteristics of IBDG under the Asymmetric Fault Mode of Micro-grid and Current Limiting Protection Distortionless

Zhang Rui Gu Herong
(Hebei Province Key Laboratory of Electrical Engineering Power Electronics and Power Transmission (Yanshan University),Qinhuangdao,Hebei 066000)

Safe and reliable operation of microgrid cannot do without precise control and protection.Due to the characteristics of the microsources of microgrid,the changes of the electric parameters of isolated microgrid under fault condition have a big difference with the traditional power grid.So it is essential to study the operation characteristics of IBDG under different fault conditions and their influence on the fault characteristics of microgrid system.This paper studied the operation characteristics of IBDG under asymmetrical fault modes of isolated microgrid,and the variation of the electric quantity is analyzed qualitatively.In the case of asymmetric fault,the comparison and analysis are made for the different current limiting methods.The analysis shows that the method of distortion-free current limitation can greatly reduce the harmonic component in the system.On the basis of analyzing the operation characteristics of IBDG under the fault conditions of microgrid,the fault characteristics of microgrid are also analyzed simply.a simulation model of microgrid made up of three inverters is established by using Matlab/Simulink simulation software,setting up the fault parameters and starting simulation,to verify the correctness of the theoretical analysis of the operation characteristics of IBDG and distortion-free current limitation under the fault conditions of microgrid.

island micro-grid;failure mode;IBDG features;distortion-free current limitation

張 蕊（1992-），女，河北省邯鄲市人，碩士研究生，研究方向為微電網運行及其控制、微網系統(tǒng)容錯控制技術。