【正文】 不對(duì)稱故障 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路、兩相相間短路或兩相短路接地等類型的不對(duì)稱故障時(shí)，由于系統(tǒng)的對(duì)稱性受到破壞，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱的電流和電壓。 為了保障電力電子器件運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，在逆變器的控制裝置中，大都設(shè)有一個(gè)電流限制裝置。 1) 三相短路故障 當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于各相對(duì)稱，因此可簡(jiǎn)化為單相電路進(jìn)行分析。由于電容的儲(chǔ)能作用，直流側(cè)母線電 壓不易發(fā)生突變。 2) V/f 控制 通常 V/f 控制方式用于微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)的逆變電源。 相 位 控 制幅 值 控 制P W M 控 制幅 值 基 準(zhǔn)相 位 基 準(zhǔn)觸 發(fā) 脈 沖逆 變 橋 圖 25 逆變器的控制方案 逆變型分布式電源的控制方法 常見的微電源接口逆變器控制方法有恒功率 (PQ)控制和恒壓恒頻 (V/f)控制。其并網(wǎng)方式如圖 23所示。 （ 3） 傳統(tǒng)的保護(hù)由于分布式電源的接入受到嚴(yán)重的影響，每個(gè) DG 都可能增加故障電流大小。第三，所有 DG必須同步并提供微電網(wǎng)的頻率控制?？傊㈦娋W(wǎng)為能源的最佳利用提供了機(jī)會(huì)，可以根據(jù)不同的地區(qū)環(huán)境和不同的負(fù)荷需要合理的配置不同的發(fā)電單元以全面提高電能和熱能的使用效率 。 微 電網(wǎng) 的基本 結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，它包含的分布式電源包括光伏發(fā)電、微汽輪機(jī)以及燃料電池系統(tǒng)，連接在 A、 B 饋線中。 第二章介紹了微電源的分類， 著重介紹了逆變型分布式電源接口逆變器的控制策略 ，并 分別針對(duì)恒壓恒頻控制和恒功率控制這兩種逆變器控制策略下的分布式電源的故障輸出特性進(jìn)行了理論分析 第三章 用 MATLAB 軟件分別搭建微電網(wǎng)仿真模型，并用仿真算例驗(yàn)證了控制策略的 正確性， 研究了在故障電流達(dá)到故障限流之前逆變型分布式電源端口的輸出特性，并仿真給出了相應(yīng)的特征量變化 第四章基于以上理論分析及仿真結(jié)果，提出具體的微電網(wǎng)保護(hù)方案。但是這種方法成本過高，而且該裝置目前也在研究階段。文中將微電網(wǎng)劃分為 5個(gè)保護(hù)區(qū)，每個(gè)區(qū)之間裝設(shè)有三相電流互感器，中性線上設(shè)有三相和電流互感器。微電網(wǎng)中微電源的容量一般都很小，在孤島模式或兩種模式轉(zhuǎn)換過程中，操作或微電源波動(dòng)都可能會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)的暫態(tài)過程。 微電網(wǎng)的發(fā)展對(duì)我國來說具有重要意義：我國幅員遼闊 ，清潔能源布局分散、隨機(jī)和間歇。 3) 日本微電網(wǎng)的研究 由于一次能源的匱乏以及負(fù)荷需求的迅速增長(zhǎng)，日本十 分重視可再生能源在本國能源結(jié)構(gòu)中越來越多的利用。 國內(nèi)外 微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 各國對(duì)微電網(wǎng)的定義和研究方向 微電網(wǎng)解決了 DG高滲透率并網(wǎng)問題，并能充分發(fā)揮 DG的各種優(yōu)勢(shì)，成為了公共電網(wǎng)的有效補(bǔ)充和利用形式，自然受到世界各國越來越多的關(guān)注與支持，發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆? 為了充分發(fā)揮 DG的優(yōu)勢(shì)，減少 DG 對(duì)電網(wǎng)的沖擊及一些負(fù)面影響，盡最 大可能的實(shí)現(xiàn) DG 的效益和價(jià)值。 目前分布式發(fā)電機(jī)的數(shù)量在電力系統(tǒng)中占得比例越來越高，各國對(duì)利用清潔可再生能源發(fā)電的重視，促使了分布式發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā) 展。然而，分布式發(fā)電的隨機(jī)性、小容量、小慣性、低過載能力等缺點(diǎn)，以及分布式發(fā)電接入對(duì)大電網(wǎng)的影響等諸多因素都制約著分布式發(fā)電技術(shù)的推廣和實(shí)用 ， 微電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)就是為了解決這些難題 。同時(shí)，對(duì)于邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)安裝小型 DG 裝置，可以充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，避免因長(zhǎng)距離輸電而造成的損耗，從而有效提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。為了提 高微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和電能質(zhì)量，微電網(wǎng)中一般還包含電能存儲(chǔ)裝置，如飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級(jí)電容等。微電網(wǎng)內(nèi)部由微電源和負(fù) 荷組成，可以同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能；微電源產(chǎn)生的能量來自于內(nèi)部電力電子器件的轉(zhuǎn)換；并且提出了“即插即用”以及“對(duì)等”控制思路和設(shè)計(jì)方案，這成為了微電網(wǎng)概念中最早和最權(quán)威的概念。他們對(duì)微電網(wǎng)的研究方向主要設(shè)在對(duì)電能需求多樣化方面、能源利用率以及環(huán)保方面。微電源之間的距離可能很短，區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)電壓可能非常接近，這將造成所形成的故障判據(jù)的靈敏度不夠。因此，人們開始探索其它保護(hù)技術(shù)。 文獻(xiàn) 9提出了一種新的基于電壓擾動(dòng)量的方法，通過將逆變器接口采集到的三相交流電壓量從 abc 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到 dq 同步坐標(biāo)系下的直流量，并用與參考值的差值DISTV 判斷故障類型，當(dāng)微電網(wǎng)中有故障發(fā)生時(shí)，接口電壓將發(fā)生變化， DISTV 的值可能是從零到最大值的擺動(dòng)量、直流量和擺動(dòng)量的疊加或是恒定直流量三種形式，由此就可以判定出單相、兩相和三相故障中的哪種故障；并通過和相鄰繼電器的通信比較來判斷故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外。 總之，如何能確保微電網(wǎng)內(nèi)的保護(hù)在正常操作和擾動(dòng)下，可靠不動(dòng)作；在孤島和聯(lián)網(wǎng)不同運(yùn)行方式下，均對(duì)內(nèi)部故障及時(shí)作出正確判斷，并且在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)快速感知大電網(wǎng)側(cè)故障，同時(shí)能夠保證內(nèi)部保護(hù)的靈敏性、可靠性、選擇性和快速性。這類電源一般采用恒功率控制策略，即跟蹤目標(biāo)的最大功率輸出，通過并網(wǎng)逆變器控制電流波形和輸出功率，使其向電網(wǎng)輸送的功率與電動(dòng) 機(jī)或者光伏陣列所發(fā)出的最大功率相平衡，以保證可再生能源能夠達(dá)到最大的利用率。微電網(wǎng)的另一個(gè)特點(diǎn)是該分布式的網(wǎng)絡(luò)可以連接為一個(gè)環(huán)網(wǎng)，來提高系統(tǒng)的可靠性。 并 網(wǎng)時(shí)， DG 的 主要功能是提供電能并提供本地電壓和功率支撐，由于電力電子元件的使用， DG 還能產(chǎn)生可控的無功功率。由于孤島模式下微電網(wǎng)側(cè)的 PCC 終端電壓幅值，頻率和相角，可能與大電網(wǎng)側(cè)的終端值不同。控制方式既可以依靠本地信息，也可以借助于通信手段。 后文中將以上前兩種電源統(tǒng)稱為逆變器接口的分布式電源(InverterInterfaced Distributed Generators)，簡(jiǎn)稱 IBDG 。 下面就說明一下 PQ 控制的原理： PQ控制是通過有功和無功電流的調(diào)節(jié)，令其跟蹤參考電流而實(shí)現(xiàn)。但由于孤島容量有限，一旦出現(xiàn)功率缺額，必須要切除次要負(fù)荷才能保證重要負(fù)荷繼續(xù)工作。該圖顯示了發(fā)電機(jī)、直流升壓模塊可以用一個(gè)直流電壓源進(jìn)行取代。 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 46 頁 第 16 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ??? ???? ??? IUS ZIU Line3?? （ 26） 可見，由于故障后系統(tǒng)阻抗由（ LineLoad ZZ ? ）減小至 LineZ ，采用恒壓恒頻控制的IBDG 為了保證出口母線電壓 U不變將增大輸出電流 至 I，其輸出功率也會(huì)隨電流的增大而上升至 S?。 綜上所述，當(dāng)發(fā)生三相金屬性接地故障時(shí)，恒壓恒頻控制下 IBDG 的故障特性隨著故障嚴(yán)重程度的不同，可以分為三段定量關(guān)系： （ 1） 在輸出視在功率達(dá)到極限之前滿足： )(3 m a xm a x IISUIS ??? ， IBDG 表現(xiàn)為一恒壓恒頻電源，輸出功率隨電流的增大而增大。 在正常運(yùn)行的情況下，由于 IBDG 控制器中的 PWM 控制脈沖的發(fā)生是按對(duì)稱方式發(fā)送的，它產(chǎn)生波形的幅值和直流側(cè)的電容電壓有關(guān)。 直流側(cè)電容電壓在考慮電容電壓二倍頻波動(dòng)后表示為： )2(2 ????? wtUUU mdcC （ 210） 式中 dcU 為電容的直流分量， mU2 為二倍頻擾動(dòng)的電壓幅值， ? 為初相角。 I B D GLoa dZkAI? kBI? kCI?L ineZkkAU? kBU? kCU? 圖 210 BC 相間短路電路圖 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 共 46 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ +jXeqE? 1kU? 1Lin eZ 1L o a dZk+1U?1I 1kI? 1LI? jX 2kU? 2L i neZ 2L oa dZk+2U?2I? 2kI? 2LI? jX 0kU? 0L i neZ 0L oa dZk+0U?0I 0kI? 0LI? 圖 211 序網(wǎng)絡(luò)等效電路圖 BC 相間短路的邊界條件為 ?????????kCkBkCkBkAUUIII?????00 （ 212） 將式 (212)代入式 (28)，可以得到用序分量表示的短路邊界條件為： ?????????2121000kkkkkUUIII????? （ 213） 由上式可以看出，兩相相間短路時(shí)，沒有零序網(wǎng)絡(luò)，滿足此邊界條件的復(fù)合序網(wǎng)如圖 212 所示。 恒功率控制下 IBDG 的故障輸出特性分析 由于恒功率控制與恒壓恒頻控制不同，其目的是使 IBDG 輸出的恒定的有功功率和無功功率，不能夠維持系統(tǒng)的電壓和頻率，因此在孤島運(yùn)行下，恒功率控制的 IBDG 不能單獨(dú)帶負(fù)荷運(yùn)行，需要恒壓恒頻控制的 IBDG 配合為系統(tǒng)供電。. 33 IUZIS Lin e ?? （ 218） 可知，因?yàn)楣收?后的系統(tǒng)阻抗 由 （ LoadLine ZZ ? ）減小為 LineZ ， PQ 控制下的 IBDG將增大輸出電流 I 為 I? 來保 持輸出功率不變，同時(shí)，出口電壓 U降低為 U? 。 2) 不對(duì)稱故障 對(duì)于恒功率控制 IBDG 的不對(duì)稱短路故障分析，仍采用 節(jié)的結(jié)論，認(rèn)為三相對(duì) 稱調(diào)制控制的電壓源型逆變器是一個(gè)只含有基頻正序量的電壓源。 （ 2）當(dāng)輸出電流達(dá)到 IBDG 設(shè)定電流極限時(shí)滿足：fZIU ?? max39。 )(3 2. L oa dL ine ZZIjQPS ???? （ 217） 線路末端有三相金屬性接地故障發(fā)生時(shí)，逆變器出口端的電壓、電流和功率之間的關(guān)系如式 (218)。 同時(shí)， IBDG 出口保護(hù)安裝點(diǎn)的負(fù)序電壓為： L o a dL o a dL i n eL i n eL i n eL o a d ZjXZZZjXZ UjXZjXIU ?????? ?????? 222 2 122 ??? （ 216） 由于 IBDG 的逆變器出口對(duì)負(fù)序電壓短路，保護(hù)安裝點(diǎn)采集到的負(fù)序電壓是負(fù)序電流在連接電抗 X 上的壓降。實(shí)際的運(yùn)用中，通常采用硬件和軟件兩種方式來減小直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)：在控制環(huán)節(jié)中加入低通濾波器，在功率控制環(huán)中采用積分平均值的算法，都能夠有效的抑制二倍頻波動(dòng)電壓的幅值，減少 IBDG 輸出的負(fù)序和三次諧波分量，使其幅值的數(shù)量級(jí)與高次諧波接近。通常情況下，由 于 IBDG 直流側(cè)并聯(lián)的電容容量有限，不對(duì)稱電流的流過會(huì)對(duì)直流側(cè)的電壓產(chǎn)生影響。因此，在后續(xù)分析中，將主要針對(duì)第(1)段故障特性，假定恒壓恒頻控制的 IBDG 為一恒壓源。等效阻抗 fZ 越小，出口電壓越小，電流越 大。 逆 變 器 出 口sU?XU? I?L o a dL o a dL o a d jXRZ ??L i n eL i n eL i n e jXRZ ??I B D G 圖 29 IBDG 故障分析等效電路 圖 29中， sU 為逆變器出口電壓， U、 I 為保護(hù)安裝點(diǎn)電壓和電流， X、 LineZ 和 LoadZ分別為連接電抗、輸電線路和負(fù)載的等效阻抗。 P Q 計(jì) 算P IP IP IP I d q a b c三 角 載 波P W M d q a b cP IP I+EE r e fi di qQ r e f+Q+