零序非工頻分量注入式微電網(wǎng)接地故障保護(hù)方案

趙懷健，牟龍華，方重凱

（同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，分布式發(fā)電得到了迅速發(fā)展，而微電網(wǎng)作為一種將光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分布式電源接入電網(wǎng)的有效手段，能充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，成為了未來能源鏈的關(guān)鍵技術(shù)之一［1-4］。微電網(wǎng)既可以作為可控單元與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以作為自治系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，有助于電網(wǎng)故障時(shí)對(duì)重要負(fù)荷繼續(xù)供電，提高供電可靠性［5-7］。

微電網(wǎng)中大部分的分布式電源都是以逆變器為接口接入電網(wǎng)，由于逆變器開關(guān)器件的熱慣性較小，其能輸出的故障電流僅能達(dá)到額定電流的1.2～2倍，使得微電網(wǎng)在故障情況下的故障特征難以提?。?-9］，因此微電網(wǎng)的保護(hù)面臨著很大的挑戰(zhàn)。針對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)存在的問題，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)［10-11］提出了改進(jìn)的反時(shí)限過電流保護(hù)方案。其中，文獻(xiàn)［10］通過設(shè)置動(dòng)態(tài)參數(shù)并引入改進(jìn)的和聲搜索算法對(duì)整定值進(jìn)行優(yōu)化配置，能夠提升保護(hù)的選擇性和快速性；文獻(xiàn)［11］提出了多層級(jí)協(xié)同保護(hù)算法，根據(jù)差動(dòng)電流進(jìn)行故障分區(qū)，自適應(yīng)配置不同區(qū)域的保護(hù)參數(shù)。文獻(xiàn)［12-13］提出了自適應(yīng)保護(hù)的概念，該方法能同時(shí)滿足并網(wǎng)和孤島2 種運(yùn)行方式，但是需要隨著微電網(wǎng)狀態(tài)的改變不斷調(diào)整保護(hù)定值，實(shí)際應(yīng)用較為復(fù)雜。此外，文獻(xiàn)［14-16］提出了基于故障分量法的微電網(wǎng)保護(hù)方案，這些方案采用直接從故障參量中提取故障分量的方法，其幅值易受故障點(diǎn)過渡電阻的影響，不利于故障定位與切除，且由于微電網(wǎng)中的分布式電源輸出受限，對(duì)外表現(xiàn)為非線性，因此建立準(zhǔn)確的故障分量等效模型定量分析較為困難，仍有待進(jìn)一步完善。

本文結(jié)合計(jì)及控制策略的逆變型分布式電源IIDG（Inverter Interfaced Distributed Generator），建立了含多個(gè)IIDG 的微電網(wǎng)模型，并對(duì)各饋線上的接地故障特征以及發(fā)生故障時(shí)PQ 控制和V／f 控制IIDG 的輸出特性進(jìn)行了分析。根據(jù)疊加原理，建立了微電網(wǎng)的非工頻分量附加網(wǎng)絡(luò)，對(duì)不同位置發(fā)生接地故障時(shí)各母線及饋線上注入的非工頻故障分量進(jìn)行分析，提出了一種基于零序非工頻分量注入的微電網(wǎng)接地故障保護(hù)方案。最后，利用PSCAD／EMTDC仿真軟件建立了微電網(wǎng)的仿真模型，驗(yàn)證了所提信號(hào)注入控制及保護(hù)方案的有效性和可行性。

1 微電網(wǎng)模型的建立

根據(jù)IEEE 1547 標(biāo)準(zhǔn)以及美國(guó)電力可靠性技術(shù)方案解決協(xié)會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的定義［17］，并結(jié)合本文基于零序非工頻分量注入的保護(hù)原理，建立如圖1 所示的含有多個(gè)IIDG的微電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型。

圖1 含非工頻分量注入源的微電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型Fig.1 Simplified model of microgrid with off-nominal frequency components injection source

圖1 中：微電網(wǎng)通過公共連接點(diǎn)PCC（Point of Common Coupling）與配電網(wǎng)相連實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行；該微電網(wǎng)為三相三線制系統(tǒng)，通過升壓變壓器T 接入配電網(wǎng)，變壓器低壓側(cè)、負(fù)荷和不向微電網(wǎng)注入非工頻特征信號(hào)的IIDG 的中性點(diǎn)均不接地；Es為配電網(wǎng)電源電勢(shì)；IIDG1兼作非工頻分量信號(hào)注入源，主從控制的微電網(wǎng)中IIDG1采用V／f 控制；LD1—LD4均為三相對(duì)稱負(fù)荷；M0—M3、N1—N3、P1—P3、Q1—Q3分別為母線M、N、P、Q處的分支饋線開關(guān)；L1—L11為饋線，其中L1、L5、L7和L9為單端饋出線，與2 條母線相連的線路L2、L3和L6為聯(lián)絡(luò)線，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間的線路L11為并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線，L4、L8和L10為連接各IIDG的饋線。

基于非工頻分量信號(hào)注入的微電網(wǎng)保護(hù)方案整體流程如圖2 所示，其基本思路為：微電網(wǎng)發(fā)生故障后，信號(hào)注入啟動(dòng)檢測(cè)環(huán)節(jié)發(fā)出控制信號(hào)，使IIDG1立即向微電網(wǎng)注入頻率為f的特征信號(hào)，各開關(guān)處的保護(hù)裝置通過對(duì)該特征信號(hào)的檢測(cè)與分析，實(shí)現(xiàn)故障定位與故障切除。

圖2 微電網(wǎng)保護(hù)方案的簡(jiǎn)化流程圖Fig.2 Simplified flowchart of microgrid protection scheme

根據(jù)疊加原理和故障分量法［18-19］，可將圖1分解為工頻網(wǎng)絡(luò)和注入信號(hào)作用下的附加網(wǎng)絡(luò)，注入信號(hào)作用下的附加網(wǎng)絡(luò)如圖3 所示。圖中：Einj.f和Iinj.f分別為信號(hào)注入源的電壓和電流；ZIIDG1為注入源的等效阻抗；Zs為頻率f下的系統(tǒng)等值阻抗；Z1—Z4分別為負(fù)荷LD1—LD4及其所連饋線在頻率f下的等效阻抗；ZMN、ZMP、ZPQ為各聯(lián)絡(luò)線在頻率f下的等效阻抗；ZIIDG2和ZIIDG3分別為IIDG2和IIDG3及其所連饋線在頻率f下的等效阻抗；Is.f為流向配電網(wǎng)的非工頻電流；I1.f—I13.f分別為各母線各出口處的非工頻電流。設(shè)母線指向饋線的方向?yàn)殡娏鞯恼较颍瑒t各饋線故障電流的正方向如圖3中箭頭所示。

圖3 頻率為f 的微電網(wǎng)附加網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Additional network of microgrid under frequency f

2 注入特征信號(hào)的選擇

2.1 注入特征信號(hào)的選型

根據(jù)電路原理可知，在頻率為f的非工頻特征信號(hào)的作用下，配電網(wǎng)和僅輸出工頻量的V／f 控制的IIDG 均等效為短路。故若注入正序或負(fù)序特征頻率信號(hào)，則其將流向配電網(wǎng)或V／f 控制的IIDG，不利于故障定位與選相。

考慮注入頻率為f的零序特征信號(hào)：根據(jù)第1節(jié)的定義，圖1 中變壓器低壓側(cè)和IIDG 中性點(diǎn)均不接地，則配電網(wǎng)和V／f 控制的IIDG對(duì)于注入的零序特征電流均等效為開路。此時(shí)，基于注入零序特征信號(hào)的零序附加網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 頻率為f 的微電網(wǎng)零序附加網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Zero-sequence additional network of microgrid under frequency f

2.2 注入特征信號(hào)的頻率要求

由于IIDG 出口濾波器和測(cè)量互感器的限制，注入的特征信號(hào)的頻率應(yīng)滿足以下要求：

1）IIDG 出口處的低通濾波器的截止頻率一般為額定頻率的10 倍（即500 Hz）以上［20］，注入信號(hào)的頻率應(yīng)小于該截止頻率，一般將注入頻率的上限值設(shè)置為400 Hz；

2）由于電流互感器的激磁阻抗與電流頻率呈正相關(guān)關(guān)系，因此，為防止保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)，故障條件下，注入電流的頻率應(yīng)大于50 Hz，從而降低激磁電流，保證電流互感器始終工作在其線性區(qū)域；

3）考慮到故障發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生大量的整次諧波［21］，為了更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)故障定位與故障切除，注入信號(hào)的頻率不宜選擇50 Hz的整數(shù)倍。

3 注入特征信號(hào)的控制方案

3.1 信號(hào)注入的啟動(dòng)判據(jù)

為了避免注入信號(hào)對(duì)正常運(yùn)行的微電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，需設(shè)計(jì)信號(hào)注入的啟動(dòng)判據(jù)，確保僅在故障發(fā)生時(shí)向微電網(wǎng)注入特征信號(hào)。

由于正常運(yùn)行的微電網(wǎng)中不含零序通路，故可通過注入源施加零序電壓的方式進(jìn)行探測(cè)式檢測(cè)，即在正常運(yùn)行時(shí)，IIDG1持續(xù)向微電網(wǎng)施加一幅值較小、頻率為f的零序電壓。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，微電網(wǎng)中將出現(xiàn)零序通路，故當(dāng)IIDG1出口處的注入單元檢測(cè)到零序電流時(shí)，說明發(fā)生了接地故障，進(jìn)而向微電網(wǎng)注入幅值恒定、頻率為f的零序電流。

同時(shí)，利用IIDG1出口處的電壓降作為注入啟動(dòng)的補(bǔ)充判據(jù)。注入單元的啟動(dòng)檢測(cè)工作原理如圖5所示。圖中：If為IIDG1出口處測(cè)得的零序非工頻電流幅值；If.set為該單元的零序非工頻電流幅值的檢測(cè)閾值；UIIDG1為IIDG1出口處的工頻電壓幅值；UIIDG1.set為該單元的工頻電壓幅值的檢測(cè)閾值。

圖5 IIDG1出口處的注入單元的啟動(dòng)檢測(cè)原理圖Fig.5 Detection schematic of starting criterion of injection device at IIDG1

微電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)不含零序電流，但為降低裝置檢測(cè)精度的影響，不失一般性，將If.set整定為：

式中：UN和IN分別為系統(tǒng)的額定電壓和額定電流的幅值。

上述檢測(cè)方式采用了注入源的本地?cái)?shù)據(jù)，具有快速性，但對(duì)于發(fā)生在距離注入源較遠(yuǎn)處的故障的靈敏性不高，因此需增加后備檢測(cè)環(huán)節(jié)。如圖1 所示，后備檢測(cè)單元分別安裝在PCC 和IIDG2、IIDG3的出口處，其工作原理如附錄A圖A1所示。

類似地，對(duì)于負(fù)序電壓分量檢測(cè)環(huán)節(jié)，將能正確識(shí)別不對(duì)稱故障的負(fù)序電壓幅值的最小值Uset整定為0.01UN。當(dāng)檢測(cè)到的負(fù)序電壓U-≥Uset時(shí)，說明可能發(fā)生了非對(duì)稱性故障，該環(huán)節(jié)輸出邏輯“1”，否則輸出邏輯“0”。

由于上述檢測(cè)方式無法正確識(shí)別三相接地故障，因此另設(shè)一電壓幅值降落檢測(cè)環(huán)節(jié)，并將檢測(cè)閾值UM.set整定為0.9UN。當(dāng)實(shí)際檢測(cè)到的電壓幅值UM≤UM.set時(shí)，說明可能發(fā)生了三相接地故障，該環(huán)節(jié)輸出邏輯“1”，否則輸出邏輯“0”。

為了準(zhǔn)確檢測(cè)各類接地故障，上述2 個(gè)檢測(cè)環(huán)節(jié)的邏輯輸出需經(jīng)過一次“或”運(yùn)算后，作為檢測(cè)裝置的邏輯輸出。同時(shí)，在注入啟動(dòng)信號(hào)接收處應(yīng)另設(shè)一個(gè)“或”門處理各個(gè)檢測(cè)單元發(fā)出的邏輯信號(hào)，并將處理結(jié)果作為信號(hào)注入的啟動(dòng)判據(jù)。

由于該檢測(cè)單元含有邏輯運(yùn)算并依賴于系統(tǒng)的通信功能，必須經(jīng)過一定的時(shí)延才能將故障識(shí)別結(jié)果發(fā)送至注入源，故將其響應(yīng)時(shí)間作為后備檢測(cè)環(huán)節(jié)的時(shí)延，不再另設(shè)。

3.2 特征信號(hào)的注入控制

IIDG1接收到注入啟動(dòng)信號(hào)后，通過其輔助控制環(huán)節(jié)，控制IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值恒定、頻率為f的零序電流Iinj.f，輔助控制環(huán)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)如附錄A圖A2 所示。該控制環(huán)節(jié)采用準(zhǔn)PR 控制器對(duì)IIDG1輸出的工頻信號(hào)和特征信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立控制。通過準(zhǔn)PR 控制器，能夠以恒流的形式輸出零序特征信號(hào)，同時(shí)，工頻信號(hào)采用直流電壓外環(huán)和交流電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)IIDG1的工頻輸出，保持其總輸出功率不變。其中，準(zhǔn)PR 控制器［22］的傳遞函數(shù)GPR(s)可表示為：

式中：KP和KR分別為準(zhǔn)PR 控制器的比例系數(shù)和諧振系數(shù)；ωn為準(zhǔn)PR 控制器的工作頻率，一般設(shè)置為2πfrad／s；ωc為準(zhǔn)PR控制器的截止頻率，一般設(shè)置為2π rad／s。

4 故障的定位與切除

4.1 非工頻電流的注入與提取

當(dāng)注入啟動(dòng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生故障后，向兼作特征信號(hào)注入源的IIDG1的輔助控制環(huán)節(jié)發(fā)出注入啟動(dòng)信號(hào)，控制IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值恒定、頻率為f（f≠50 Hz，且f滿足2.2 節(jié)中對(duì)于注入頻率的要求）的零序電流。

此外，本文方案在各個(gè)保護(hù)安裝處均設(shè)置了數(shù)字保護(hù)繼電器，用于注入的非工頻電流的提取和保護(hù)的動(dòng)作與切除，其主要由電流互感器、抗混疊濾波器、采樣保持電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、傅里葉變換以及微處理器組成，如附錄A 圖A3所示。數(shù)字保護(hù)繼電器的核心是注入信號(hào)的提取，電流互感器提取故障電流后，經(jīng)由濾波及模／數(shù)轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，通過傅里葉變換分離出注入頻率的電流，最后經(jīng)微處理器處理后，實(shí)現(xiàn)故障定位與故障切除。為防止出現(xiàn)注入信號(hào)提取失敗的問題，可引入后備保護(hù)方案，以增強(qiáng)保護(hù)的可靠性。

4.2 聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生的故障

圖1 所示的微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)中，L2、L3和L6均為聯(lián)絡(luò)線。以L6上F1處發(fā)生故障為例，故障發(fā)生后，注入啟動(dòng)檢測(cè)單元檢測(cè)到微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生了故障，并通過輔助控制環(huán)節(jié)，控制IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值恒定、頻率為f的零序電流。此時(shí)，注入電流作用下的微電網(wǎng)部分等效網(wǎng)絡(luò)如附錄A 圖A4所示，其中聯(lián)絡(luò)線采用差動(dòng)保護(hù)方案。

為降低諧波及檢測(cè)精度對(duì)保護(hù)動(dòng)作的影響，需設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作閾值ε，一般整定為：

式中：Iinj.f為IIDG1向微電網(wǎng)注入的電流幅值。

因此，當(dāng)F1處發(fā)生故障時(shí)，L6上存在以下關(guān)系：

式中：I5.f和I6.f分別為線路L6左、右端提取到的頻率為f的電流幅值。式（5）表明，線路L6僅一端檢測(cè)到了注入電流，滿足差動(dòng)保護(hù)條件，兩端的保護(hù)均動(dòng)作。

對(duì)于線路L2，由于F1處故障位于其下游，兩端均可檢測(cè)到注入電流，且有：

式中：I2.f和I3.f分別為線路L2左、右端提取到的頻率為f的電流幅值，線路L2兩端不滿足差動(dòng)保護(hù)條件。

類似地，線路L3上有：

式中：I8.f和I9.f分別為線路L3左、右端提取到的頻率為f的電流幅值，線路L3兩端不滿足差動(dòng)保護(hù)條件。

本文方案對(duì)于聯(lián)絡(luò)線的保護(hù)基于差動(dòng)保護(hù)的思想，結(jié)合非工頻分量注入法，通過檢測(cè)和對(duì)比聯(lián)絡(luò)線兩端注入電流的幅值，得出保護(hù)判據(jù)：當(dāng)聯(lián)絡(luò)線兩端檢測(cè)到的注入電流的幅值相等時(shí)，說明該故障為區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作；當(dāng)聯(lián)絡(luò)線兩端檢測(cè)到的注入電流的幅值不相等時(shí)，說明該故障為區(qū)內(nèi)故障，線路兩端的保護(hù)均動(dòng)作。

4.3 單端饋出線上發(fā)生的故障

圖1 所示的微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)中，L1、L5、L7和L9均為單端饋出線，由于單端饋出線僅有一端安裝了保護(hù)裝置，前文所述差動(dòng)保護(hù)策略不再適用。以線路L5上F2處發(fā)生故障為例，故障發(fā)生后，注入啟動(dòng)檢測(cè)單元檢測(cè)到微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生了故障，并通過輔助控制環(huán)節(jié)，控制IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值恒定、頻率為f的零序電流。此時(shí)，注入電流作用下的微電網(wǎng)部分等效網(wǎng)絡(luò)如附錄A圖A5所示。

當(dāng)F2處發(fā)生故障時(shí)，線路L5上存在以下關(guān)系：

式中：I4.f為線路L5左端提取到的頻率為f的電流幅值。由于在發(fā)生故障時(shí)，大部分注入電流會(huì)流向短路點(diǎn)，而線路L5上檢測(cè)到的注入電流幅值大于動(dòng)作閾值，說明發(fā)生了區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動(dòng)作。此時(shí)，線路L1上有：

式中：I1.f為線路L1左端提取到的頻率為f的電流幅值。

由式（9）可知保護(hù)不動(dòng)作。同理可得，單端饋出線L7、L9上的保護(hù)均不動(dòng)作。

單端饋出線的保護(hù)判據(jù)總結(jié)如下：若在單端饋出線上檢測(cè)到了注入電流，則說明發(fā)生了區(qū)內(nèi)故障，保護(hù)動(dòng)作；否則為區(qū)外故障，保護(hù)不動(dòng)作。

另外，對(duì)于不向微電網(wǎng)注入非工頻電流的IIDG2和IIDG3所在的線路L10和L8而言，上述保護(hù)判據(jù)亦成立。

針對(duì)上述微電網(wǎng)內(nèi)部不同位置發(fā)生的故障，本文方案的保護(hù)判據(jù)都是基于故障相的故障特征建立的，因此不僅能夠?qū)崿F(xiàn)故障的定位與切除，還能根據(jù)各相電流是否滿足保護(hù)動(dòng)作條件實(shí)現(xiàn)故障選相。

4.4 注入的非工頻電流的流向

根據(jù)2.1節(jié)所述，微電網(wǎng)的并網(wǎng)變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，因此，當(dāng)在并網(wǎng)狀態(tài)下發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，非故障相注入的頻率為f的電流會(huì)流經(jīng)該變壓器并最終流向故障相。以F4處發(fā)生的A相接地故障為例，故障發(fā)生時(shí)，注入的頻率為f的電流的流向如附錄A 圖A6所示。因此，在發(fā)生不對(duì)稱接地故障時(shí)，故障相的故障特征會(huì)更加明顯，有助于故障定位與故障切除。

4.5 并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線上發(fā)生的故障

根據(jù)4.4 節(jié)所述，對(duì)于并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線L11而言，在微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，無論F3處是否發(fā)生故障，只要微電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)生不對(duì)稱接地故障，非故障相的注入電流都會(huì)流經(jīng)該聯(lián)絡(luò)線路，因此4.3節(jié)中的保護(hù)策略無法適用于F3處發(fā)生故障的情況。

F3處發(fā)生A 相接地故障時(shí)注入電流的流向如附錄A 圖A7 所示，故障發(fā)生時(shí)，并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線L11上存在以下關(guān)系：

式中，I0.f=|IA.f+IB.f+IC.f|，I0.f為PCC 處保護(hù)裝置提取到的頻率為f的三相電流相量IA.f、IB.f、IC.f和的幅值。

F3處發(fā)生故障時(shí)，并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線L11上產(chǎn)生零序通路，PCC 處保護(hù)裝置將會(huì)檢測(cè)到注入的三相非工頻電流相量和的幅值I0.f滿足判據(jù)式（10），說明并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線L11上發(fā)生故障，保護(hù)動(dòng)作。相對(duì)應(yīng)地，如附錄A圖A6 所示，當(dāng)并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線L11未發(fā)生接地故障時(shí)，該線路上不存在零序通路，PCC 處保護(hù)裝置檢測(cè)到的三相非工頻電流相量和的幅值I0.f為0，保護(hù)不動(dòng)作。

5 仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖1 所示拓?fù)?，在PSCAD／EMTDC 軟件中搭建了含有多個(gè)IIDG 的微電網(wǎng)等效模型。并網(wǎng)運(yùn)行模式下，IIDG1—IIDG3均采用PQ 控制策略；而在孤島運(yùn)行模式下，將IIDG1切換至V／f 控制策略，以支撐微電網(wǎng)內(nèi)部的電壓和頻率。

上述微電網(wǎng)模型經(jīng)10 kV/35 kV 升壓變壓器連接到大電網(wǎng)，系統(tǒng)容量為100 MV·A。LD1—LD4均為三相負(fù)荷，分別為600+j50、650+j50、300+j20、600+j40 kV·A。IIDG1—IIDG3的有功參考功率分別設(shè)置為600、500、500 kW，最大并網(wǎng)點(diǎn)電流設(shè)為1.5倍的額定并網(wǎng)點(diǎn)電流，分別為70、55、55 A。注入的零序電流幅值為20 A，頻率為325 Hz。保護(hù)動(dòng)作閾值ε=2 A。

1）算例1：F1處發(fā)生單相接地故障（孤島運(yùn)行模式）。

t=0.5 s 時(shí)刻，圖1 中F1處發(fā)生A 相接地故障，接地電阻為5 Ω。故障發(fā)生后，IIDG1立刻向微電網(wǎng)注入幅值為20 A、頻率為325 Hz 的零序電流。此時(shí)，線路L6兩端檢測(cè)到的頻率為325 Hz 的電流幅值如附錄A 圖A8 所示。由圖A8（a）可知，線路L6左端檢測(cè)到的頻率為325 Hz 的三相電流穩(wěn)態(tài)幅值分別為23、5、4 A；由圖A8（b）可知，線路L6右端檢測(cè)到的三相電流穩(wěn)態(tài)幅值分別為11、5、4 A?？梢?，F(xiàn)1處發(fā)生A 相接地故障后，為零序電流提供了通路，由于短路點(diǎn)的存在，A 相注入的大部分頻率為325 Hz 的電流無法從線路L6左端流至右端，A 相兩端電流幅值之差為23-11=12（A）＞ε，符合4.2節(jié)中的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件。

作為對(duì)比，若不采用零序非工頻電流注入的方法，在上述故障發(fā)生時(shí)，線路L6兩端提取到的工頻零序電流幅值見附錄A 圖A9。其中，線路L6兩端提取到的工頻零序電流最大值分別為2.6、0.7 A，最大差值僅為2.6-0.7=1.9（A）。在這種情況下，提取到的工頻零序電流幅值及兩端差值均較小，易受檢測(cè)精度及接地電阻大小的影響，可靠性及靈敏度較低。

2）算例2：F1處發(fā)生兩相接地故障（并網(wǎng)運(yùn)行模式）。

t=0.5 s 時(shí)刻，F(xiàn)1處發(fā)生AB 兩相接地故障，接地電阻為100 Ω，IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值為20 A、頻率為325 Hz 的零序電流。此時(shí)，線路L6兩端檢測(cè)到的頻率為325 Hz的電流幅值如圖6所示。

圖6 F1處發(fā)生AB兩相接地故障時(shí)，線路L6兩端的注入電流幅值Fig.6 Injection current amplitude at two ends of L6 when AB-G fault occurs at F1

由圖6（a）可知，線路L6左端檢測(cè)到的325 Hz 的三相電流穩(wěn)態(tài)幅值分別為10.1、10.1、2.3 A；由圖6（b）可知，線路L6右端檢測(cè)到的三相電流穩(wěn)態(tài)幅值均為2.3 A?？梢?，F(xiàn)1處發(fā)生AB 兩相接地故障后，為注入的零序電流提供了通路，且C 相注入電流經(jīng)由并網(wǎng)變壓器后分流至A、B 兩相。由于短路點(diǎn)的存在，A、B兩相注入的大部分325 Hz的電流無法從線路L6左端流至右端，A、B 兩相兩端電流幅值之差均為10.1-2.3=7.8（A）＞ε，符合4.2 節(jié)中的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作條件。

3）算例3：F2處發(fā)生單相接地故障（并網(wǎng)運(yùn)行模式）。

t=0.5 s 時(shí)刻，F(xiàn)2處發(fā)生A 相接地故障，接地電阻為0.1 Ω，IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值為20 A、頻率為325 Hz 的零序電流。此時(shí)，線路L5左端檢測(cè)到的頻率為325 Hz的電流幅值如圖7所示。

圖7 F2處發(fā)生A相接地故障時(shí)，線路L5左端的注入電流幅值Fig.7 Injection current amplitude at left end of L5 when A-G fault occurs at F2

由圖7 可知，線路L5左端檢測(cè)到的325 Hz 的三相電流穩(wěn)態(tài)幅值分別為55、0.5、0.5 A?？梢姡現(xiàn)2處發(fā)生A相接地故障后，為注入的零序電流提供了通路，由于故障時(shí)大部分故障電流流向短路點(diǎn)，且B、C 相注入電流經(jīng)由并網(wǎng)變壓器匯入A 相，線路L5左端的A 相電流幅值為55 A＞ε，符合4.3 節(jié)中的保護(hù)動(dòng)作條件。

此時(shí)，PCC 處保護(hù)裝置檢測(cè)到的頻率為325 Hz的三相電流相量和的幅值如附錄A 圖A10 所示。其中，PCC 處保護(hù)裝置檢測(cè)到的頻率為325 Hz 的三相電流相量和的幅值為0?？梢?，當(dāng)F2處發(fā)生A 相接地故障時(shí)，并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線L11上不存在零序通路，故檢測(cè)到的三相電流相量和的幅值為0，不符合4.5 節(jié)中的保護(hù)動(dòng)作條件。

4）算例4：F3處發(fā)生單相接地故障（并網(wǎng)運(yùn)行模式）。

作為對(duì)比，t=0.5 s時(shí)刻，F(xiàn)3處發(fā)生A相接地故障，接地電阻為0.1 Ω，IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值為20 A、頻率為325 Hz 的零序電流。此時(shí)，PCC 處保護(hù)裝置檢測(cè)到的頻率為325 Hz 的三相電流相量和的幅值如附錄A 圖A11 所示。其中，PCC 處保護(hù)裝置檢測(cè)到的325 Hz 的三相電流相量和的幅值為57 A?？梢?，當(dāng)F3處發(fā)生A 相接地故障時(shí)，并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線L11上存在零序通路，檢測(cè)到的三相電流相量和的幅值為57 A＞ε，符合4.5節(jié)中的保護(hù)動(dòng)作條件。

5）算例5：F2處發(fā)生三相接地故障（并網(wǎng)運(yùn)行模式）。

t=0.5 s 時(shí)刻，F(xiàn)2處發(fā)生三相接地故障，接地電阻為10 Ω，IIDG1向微電網(wǎng)注入幅值為20 A、頻率為325 Hz 的零序電流。此時(shí)，線路L5左端檢測(cè)到的頻率為325 Hz 的電流幅值如附錄A 圖A12 所示。圖中，線路L5左端檢測(cè)到的325 Hz 的三相電流穩(wěn)態(tài)幅值均為13.5 A。可見，F(xiàn)2處發(fā)生三相接地故障后，為注入的零序電流提供了通路，由于故障時(shí)大部分故障電流流向短路點(diǎn)，線路L5左端的三相電流幅值均為13.5 A＞ε，符合4.3節(jié)中的保護(hù)動(dòng)作條件。

上述仿真結(jié)果表明，本文方案能夠正確識(shí)別微電網(wǎng)中可能發(fā)生的各類接地故障，能夠正確選出內(nèi)部故障的故障相，且通信帶寬要求低。同時(shí)，保護(hù)動(dòng)作閾值能夠同時(shí)適用于并網(wǎng)和孤島2 種運(yùn)行模式，具有良好的可靠性與適應(yīng)性。

6 結(jié)論

本文提出了一種新的基于零序非工頻分量注入的微電網(wǎng)接地故障保護(hù)方案，建立了注入頻率下的微電網(wǎng)等效模型，通過對(duì)微電網(wǎng)中故障特征的分析，得出了如下結(jié)論：以注入的零序非工頻電流作為微電網(wǎng)故障特征，對(duì)于微電網(wǎng)中可能發(fā)生的各類接地故障均能起到保護(hù)作用。且由于保護(hù)判據(jù)與微電網(wǎng)運(yùn)行模式無關(guān)，因此該方案能夠同時(shí)適用于微電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島2 種運(yùn)行模式，無需跟隨微電網(wǎng)運(yùn)行模式的切換進(jìn)行保護(hù)策略的調(diào)整，兼顧了保護(hù)方案的可靠性與簡(jiǎn)潔性。通過PSCAD／EMTDC 進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了方案的可行性。

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