吳智富

（深圳市英大科特技術有限公司，廣東 深圳 518108）

0 引言

分布式電源是微網(wǎng)結構的重要組成部分，由分布式電源中含有的分布式光伏交流器以及儲能變流器造成的微網(wǎng)故障問題，主要是由于電網(wǎng)電壓跌落時期儲能變流器輸出的故障電流導致的。通過對微網(wǎng)故障特征的分析，使微網(wǎng)得到全面的檢查，提高微網(wǎng)工作的可靠性。微網(wǎng)工作狀態(tài)具有較高的需求，對供電質量具有一定的影響，做好微網(wǎng)故障的排除工作，能夠快速地恢復到正常工作狀態(tài)，對微網(wǎng)形成有效的保護策略。

1 微網(wǎng)的基本構成

1.1 系統(tǒng)構成

微網(wǎng)的組成較為復雜，對分布式電源具有較高的要求，需要合理對分布式電源進行設計，并通過對微網(wǎng)的組成進行分析，使微網(wǎng)能夠呈現(xiàn)完善的結構。在分布式光伏設計中，微網(wǎng)結構起到了至關重要的作用，應保證微網(wǎng)結構的合理性，使結構方面能夠形成分布式狀態(tài)，有助于微網(wǎng)分布式電源的穩(wěn)定工作。在微網(wǎng)的基本結構中，主要由以下四個單元構成：①光伏發(fā)電單元。采用光伏發(fā)電的形式，將太陽能轉化為電能，可以有效地與發(fā)電裝置進行結合，提高光伏發(fā)電的效率。②儲能單元。通過電流器將蓄電池接入微網(wǎng)，使儲能單元具有良好的儲能狀態(tài)，可以實現(xiàn)電能的有效存儲，保障微網(wǎng)功率的穩(wěn)定性。③負荷單元。負荷單元需要換流器的參與，使直流或交流系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，防止供電功率發(fā)生較大的變化，促進電壓的穩(wěn)定控制。④聯(lián)網(wǎng)換流器。用于實現(xiàn)主網(wǎng)的控制，對微網(wǎng)中的直流功率進行補足，使微網(wǎng)系統(tǒng)在功率方面處于平衡狀態(tài)，確保工作狀態(tài)的穩(wěn)定性[1]。

1.2 網(wǎng)絡結構

1.2.1 輻射型網(wǎng)絡結構

輻射形網(wǎng)絡結構可以實現(xiàn)線路的交匯，使線路能夠交匯在同一個節(jié)點，這樣便于對網(wǎng)絡的整體進行控制，提高系統(tǒng)運行的靈活性。輻射型網(wǎng)絡便于故障的處理，當發(fā)生故障后，可以對故障支路進行切斷，以此來避免對其余線路造成影響，使故障能夠得到有效地處理。輻射型網(wǎng)絡的構成較為簡單，在線路維護方面較為方便，但母線故障的處理效果較差，一旦發(fā)生故障，將會造成整片支路的癱瘓，因而輻射型網(wǎng)絡結構在母線方面需要嚴格處理，提高輻射網(wǎng)絡的工作效率。

1.2.2 環(huán)型網(wǎng)絡結構

環(huán)形網(wǎng)絡結構呈現(xiàn)為環(huán)狀，對微網(wǎng)具有較強的保護能力，使微網(wǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的運行狀態(tài)。環(huán)型網(wǎng)絡線路的重點在于斷路器的使用，微網(wǎng)正常運行狀態(tài)下，斷路器處于接通狀態(tài)，微網(wǎng)能夠穩(wěn)定進行通電。由于采用環(huán)型網(wǎng)絡，故每條線路上需要配置一個斷路器，將會增加斷路器資源的消耗，會增加一定數(shù)量的成本。在環(huán)型網(wǎng)絡的作用下，可以避免某條支路出現(xiàn)故障，環(huán)路之間可以相互形成保護，保障微網(wǎng)能夠正常工作。

1.2.3 中心環(huán)形網(wǎng)絡結構

中心環(huán)型網(wǎng)絡結構具有輻射型和環(huán)型網(wǎng)絡結構的優(yōu)勢，使兩者的優(yōu)勢能夠形成互補，使微網(wǎng)運行更加的穩(wěn)定。通過環(huán)形網(wǎng)絡，可以有效地解決母線故障問題，使母線能夠完善地工作，保障母線故障能夠得到及時處理。中心環(huán)型網(wǎng)絡兼具靈活控制的特點，可以實現(xiàn)支路電流的快速切斷，使故障線路能夠得到有效的隔離。在選擇網(wǎng)絡結構時，應根據(jù)實際情況進行考慮，結合經(jīng)濟成本、微網(wǎng)需求等，選擇適合的網(wǎng)絡形式，保障微網(wǎng)結構的合理性。

2 儲能變流器運行分析

2.1 有源濾波器分析

2.1.1 特征諧波分析

換流站交流側會產(chǎn)生諧波，影響微網(wǎng)的正常運行。換流站諧波具有以下特點：①交流電壓呈現(xiàn)為三相對稱結構，處于平衡狀態(tài)時不會產(chǎn)生諧波分量，因而對諧波進行平衡控制較為重要，需要促使諧波處于平衡狀態(tài)。②換流器直流側存在大電感，可以一直諧波分量的產(chǎn)生，保障直流電壓的穩(wěn)定性。③換流閥具有穩(wěn)定的觸發(fā)角，并且觸發(fā)角可以保持恒定的狀態(tài)，有助于微網(wǎng)供電的穩(wěn)定控制。④三相中換向電感型號相同，意味著三者的換向時間非常接近，有助于換向諧波的抑制。因此，需要合理地對換流器進行使用，對諧波的產(chǎn)生進行控制，降低諧波對交流側的影響，保障諧波電流具有良好的相位關系，對諧波的產(chǎn)生進行抵消[2]。

2.1.2 有源濾波系統(tǒng)構成

有源濾波系統(tǒng)的構成較為復雜，包括換流閥、變壓器、濾波器等，需要各個結構穩(wěn)定工作才能起到濾波效果。在電容（C）和電感（L）的作用下，可以起到無源濾波的效果，降低開關周圍諧波的干擾，對諧波具有較強的抗性，位置微網(wǎng)電流的穩(wěn)定性。同時，濾波器可以與電容結構并聯(lián)，形成有源濾波結構，可以提高二極管（D）的蓄流能力，保障電流供應的穩(wěn)定性，降低有源濾波器對微網(wǎng)的影響。

2.1.3 諧波電流控制

在儲能變流器微網(wǎng)線路中，需要做好諧波電流的控制工作，提高微網(wǎng)的運行效果。諧波電流控制過程中，首先，需要對諧波進行檢測，一般通過無功功率理論來實現(xiàn)，可以有效地處三相電流進行識別，提高微網(wǎng)線路的檢測效果。在低通濾波的作用下，能夠實現(xiàn)基波分量的檢測，進而確定微網(wǎng)的諧波影響。其次，需要做好電容電壓控制工作，將電容作為有源濾波器的存儲單元，可以保障諧波控制的穩(wěn)定性，使有源濾波器能夠更加穩(wěn)定地工作。在控制過程中，電容兩端電壓需要保持穩(wěn)定，使電容能夠穩(wěn)定地工作，避免電壓發(fā)生較大的波動，提高電壓的控制效果，進而降低有源濾波器的損耗。電容電壓可采用PI 控制形式，將PI 控制器引入直流分量控制中，使微網(wǎng)具有良好的控制條件，使電容電壓能夠保持恒定，使電容具有良好的工作狀態(tài)。最后，需要注重控制策略的應用，使有源濾波的控制更加的完善，提高濾波的控制效果。在電壓傳感器的作用下，可以得到正弦信號sinωt、余弦信號cosωt、電容電壓等，可以為電容電壓的PI 控制過程提供依據(jù)，提高諧波電流控制的可靠性，實現(xiàn)良好的諧波控制效果。

2.2 有源濾波器設計

2.2.1 DSP 芯片結構

有源濾波器采用數(shù)字信號處理技術（Digital signal processing, DSP）芯片進行控制，具有較強的抗干擾能力，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的控制效果。DSP 為16 位控制芯片，由16 位隨機存取存儲器（random access memory, RAM）實現(xiàn)控制，有著良好的工作性能，使有源濾波器能夠正常工作。DSP 在A/D 轉換方面具有較高的轉換效率，能夠有效地對微網(wǎng)運行狀態(tài)進行采集，使線路具有良好的工作效率，使串行外設接口（SPI）得到正確的應用。在A/D 轉換時間方面，可以設定為500ns，進而實現(xiàn)實時采集的功能，提高微網(wǎng)狀態(tài)檢測的效率。DSP 具有豐富的引腳，有助于微網(wǎng)輸入輸出的控制，并且可以與串行周邊SPI 接口相結合，使芯片具有較高的控制效率，使線路能夠穩(wěn)定地工作，提高對控制場所的適應性。

2.2.2 硬件結構

有源濾波器需要具有完善的硬件結構，使其具有硬件電路的支持，實現(xiàn)良好的硬件設計基礎。為了提高有源濾波的控制效果，硬件結構采用雙DSP 進行設計，使諧波信號具有良好的檢測狀態(tài)。DSP1 用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的預處理，通過A/D 轉換器對數(shù)據(jù)進行采集，便于RAM 對數(shù)據(jù)進行處理，保障數(shù)據(jù)能夠實現(xiàn)有效地轉換。DSP2 承擔著信號處理功能，對數(shù)據(jù)處理的所需參數(shù)進行計算，如數(shù)字諧波、無功電流等，為諧波電流的控制提供數(shù)據(jù)支持，使控制措施更加的完善。在雙端口RAM的作用下，可以實現(xiàn)兩個DSP 之間的連接，為數(shù)據(jù)交換提供傳遞的通道，提高對數(shù)據(jù)的處理效果[3]。

2.2.3 濾波器實現(xiàn)

濾波器采用DSP 進行實現(xiàn)，可以實現(xiàn)數(shù)字濾波的功能，只保留有效的波形，使諧波信號能夠及時得到濾除。諧波信號一般采用低通濾波方式進行處理，對諧波分量進行控制，使諧波能夠滿足濾除的條件，降低微網(wǎng)中諧波的存在。為了提高諧波濾除的穩(wěn)定性，需要濾波器的設計工作，對濾波器的頻率特性進行分析，使濾波器能夠充分地發(fā)揮作用。濾波器的頻率特定如式（1）所示。

3 微網(wǎng)故障分析

3.1 電流下垂控制及其功角失穩(wěn)現(xiàn)象

在市場對電能需求不斷擴大的情況下，微網(wǎng)作為一種新型的電網(wǎng)發(fā)電和負荷系統(tǒng)，要想滿足電能的供應需求，需要提高對微網(wǎng)故障問題的重視程度。通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，微網(wǎng)在實際運行中會受到電壓電網(wǎng)的影響而出現(xiàn)故障的情況。造成這種故障情況的主要原因，就是由于電壓電網(wǎng)在運行中會出現(xiàn)跌落的情況。而在這種情況下，微網(wǎng)中的分布式電源中含有的分布式光伏變流器或者儲能交流器會輸出故障電流，從而威脅整個微網(wǎng)結構的正常運行。而在對微網(wǎng)的這種故障進行處理時，還會由于功角失穩(wěn)現(xiàn)象的存在而阻礙故障保護工作的開展。為了能夠保障微網(wǎng)的正常運行，可以從滯環(huán)控制的角度對電流下垂控制的情況進行改進和優(yōu)化，用以保證微網(wǎng)故障時功角的穩(wěn)定狀態(tài)，為微網(wǎng)的故障檢測和維護提供更加便利的條件。

3.2 微網(wǎng)故障的特征

系統(tǒng)正常運行時，各個支路電流處于平衡狀態(tài)，儲能變流器可以實現(xiàn)穩(wěn)定的儲能，保障分布式光伏法發(fā)電的效率。當微網(wǎng)發(fā)生故障后，支路的平衡狀態(tài)將會被打破，負荷將會朝著短路點集中，引導支路電流的流向發(fā)生變化，對微網(wǎng)運行的安全性造成威脅。因而，微網(wǎng)電路對保護裝置具有較高的要求，需要對短路點進行準確識別，在平衡打破的瞬間發(fā)現(xiàn)故障點，同時將故障位置及時進行切斷，使環(huán)型微網(wǎng)故障能夠得到有效應對。

4 微網(wǎng)故障保護策略

4.1 電流差動保護

電流差動保護對微網(wǎng)故障具有較強的識別能力，能夠實現(xiàn)故障的有效區(qū)分，對故障及時采取應對措施。以環(huán)形微網(wǎng)為例，在應用電流差動保護后，可以有效地對微網(wǎng)中電流的矢量關系進行整合，提高對電流變化的判斷能力，及時采取保護措施。通常情況下，采用電流值與整定值比較的形式，將前者大于后者作為故障的判斷依據(jù)，這樣便構建了完整的故障檢測條件，使微網(wǎng)故障能夠得到準確的識別。同時，需要對電流的方向變化引起關注，使保護裝置能夠及時發(fā)生動作，使故障線路能夠立即得以排除，提高故障檢測的穩(wěn)定性，保障保護策略的執(zhí)行效果[4]。

4.2 微網(wǎng)故障的集中式保護

對于含有分布式光伏和儲能變流器的微網(wǎng)故障進行保護時，還可以采用集中式的保護措施，這種保護措施主要是建立在通信網(wǎng)絡以及保護配置基礎上的，在對微網(wǎng)中的這種故障進行調整時，首先需要與微網(wǎng)運行結構相匹配的通信網(wǎng)絡配置結構，然后將微網(wǎng)和底層設備的通信配置形成一個環(huán)網(wǎng)的冗余結構，并通過能量管理層的工控機來對微網(wǎng)的運行情況進行控制，在實時監(jiān)控微網(wǎng)運行狀態(tài)并記錄采樣信息之后，對微網(wǎng)的故障問題進行判斷，并將其與電網(wǎng)的跌落情況結合起來，對微網(wǎng)的故障方向進行判斷，在檢測到微網(wǎng)的運行故障之后，就可以對其進行及時的保護。

5 微網(wǎng)實驗測試

為了保證故障保護策略的有效性，需要微網(wǎng)故障進行模擬，采用實驗的方式對故障處理的有效性進行驗證，使故障能夠得到全面排除，降低故障問題對微網(wǎng)的影響，并且保障故障能夠快速地恢復。有源濾波器主要參數(shù)如下：電感L=10mH，電容C=2200μF，IGBT 耐壓值為1400V，電網(wǎng)電壓為220V。電容電壓采用PI 控制方式，Kp＝0.2，Ki＝0.15。采用上述參數(shù)對微網(wǎng)故障進行實驗，對電網(wǎng)電壓波形和電流波形進行分析，通過波形對微網(wǎng)的故障保護效果進行判斷。通過對實驗波形分析可知，波形中含有的諧波成分較少，在有源濾波器的作用下，可以將諧波成分進行濾除，使有效波形能夠保存下來，并且使微網(wǎng)電壓保持穩(wěn)定。由此可見，在保護策略的作用下，有源濾波器能夠發(fā)揮出重要作用，為微網(wǎng)創(chuàng)造良好的保護條件，保障光伏發(fā)電的效率。

6 結語

綜上所述，為了避免微網(wǎng)受到分布式電源中的分布式光伏和儲能變流器的影響而出現(xiàn)故障，需要做好故障特征的分析工作，注重網(wǎng)絡結構的應用，對微網(wǎng)的結構形式進行完善，使微網(wǎng)能夠更好地投入使用。在故障應對方面，需要注重差動保護和集中式保護方法的應用，建立完善的微網(wǎng)保護方式，使微網(wǎng)能夠正常地進行工作，提高微網(wǎng)的自我保護能力，進而保障供電狀態(tài)的穩(wěn)定性。