利用储能辅助控制提升混合微电网故障条件下的运行可靠性

《Journal of Energy Storage》：Enhancing operational reliability of hybrid microgrids under fault conditions using energy storage–assisted control

　　

**摘要**

确保基于变换器的孤岛型交流/直流混合微电网在故障条件下的运行可靠性，仍然是一个重大挑战。这是由于储能系统（ESSs）作为分布式发电单元接入时，其交接口变换器产生的有限故障电流贡献以及复杂的相互作用所致。特别是，由储能系统实现的基于变换器的分布式发电机（CBDGs）和互联变换器（ICs）之间失配的下垂特性所产生的次谐波故障电流，会严重降低传统基于电流的保护方案的可靠性。此外，基于储能接口的CBDGs固有的低故障电流水平通常导致交流微电网中继电器配合不当。为解决这些挑战，本文提出了一种专为基于变换器的孤岛型混合微电网设计的新型无通信保护策略。该方案的核 心贡献在于：在基于ESS的CBDGs和ICs的控制中嵌入的虚拟阻抗故障限流器（VI-FLs）协调激活，同时抑制次谐波故障分量并以面向保护的方式调节故障电流水平。在此基础上，提出了一种基于倒时限导纳的保护框架，以实现混合微电网交流侧的最优保护配合（OPC）。在修改后的IEEE 33节点孤岛型混合微电网上的仿真结果表明，所提出的策略成功实现了硬接地故障和高达10 Ω高阻故障的最优保护配合，同时有效抑制了次谐波故障电流。该框架减少了继电器动作时间，提高了配合裕度，并通过维持稳定的电压和频率恢复特性增强了故障穿越性能。因此，所提出的无通信保护框架在不依赖通信基础设施的情况下，显著提高了混合交流/直流微电网保护的选择性、速度和可靠性。

**引言**

传统电力设施造成的环境影响日益需要减少，同时对现场备用发电机需求的增长，为可再生能源的整合铺平了道路。这种整合满足了日益增长的电力需求，并提高了电力系统的可靠性[1]。最近，微电网作为一种满足不断增长能源需求同时最大限度减少环境影响的有前景的解决方案应运而生。交流微电网已被广泛研究和实施，使其部署具有成熟的解决方案。相比之下，直流微电网因其更好的电能质量、更高的效率和适应各种应用（如可再生能源系统和电动汽车）而日益普及。通过将直流和交流微电网的优势相结合，混合交流/直流微电网提供了具有韧性、灵敏性和选择性的电力系统运行[2]。

混合交流/直流微电网具有双向功率流动，并以并网或孤岛运行模式工作。它可以容纳基于同步机和基于变换器的分布式发电机（SBDGs和CBDGs）。此外，它由一个或多个直流和交流子电网组成，通过使用背靠背互联变换器（ICs）相互连接[3]。下垂特性通常被基于储能系统（ESS）的CBDGs和ICs采用，以在孤岛微电网中分配负荷。尽管基于变换器的孤岛型混合微电网具有诸多优点，但由于基于ESS的CBDGs和ICs的控制器依赖硬限流器将故障电流限制在预定义值内，外环控制的动态性能可能会恶化[4]。因此，CBDGs和ICs的有限故障电流对保护配合产生不利影响，导致主保护和后备保护继电器之间的配合不当[5]。此外，基于电流的保护方案的性能因ICs和CBDGs的不同下垂特性在故障条件下产生的次谐波电流而受到损害。虽然次谐波故障电流先前已被用于差动保护，但它们在混合交流/直流微电网中对无通信继电器配合的抑制和影响尚未得到充分解决。

由于目前没有专门设计用于保护混合微电网交流侧的商用保护继电器，电流保护继电器（如过电流继电器（OCR）、距离继电器和差动继电器）是潜在的可考虑替代方案[6]。配电线路的较短长度可能使距离继电器在保护混合微电网交流侧时无效[7]。差动继电器对通信链路的要求使其成为保护混合微电网的经济性较差的选择[8]。此外，过电流继电器（OCR）是一种经济实惠的选择，可用于混合微电网的交流侧。然而，必须解决上述与OCR相关的问题。

此外，还有其他被动保护方案已开发用于保护交流微电网[9]-[13]。这些方案是欠压继电器与方向功能[9]、行波[10]、[11]、电流分量的小波分解[12]以及正序母线电压与线路电流之间的相移角[13]的组合。然而，实施这些技术的主要困难在于准确选择阈值设置和特征，以在各种系统异常情况下有效区分故障和正常运行场景。

最近，出现了针对交流基于变换器的孤岛微电网的主动保护方案，利用CBDG控制器在故障事件中创建独立且可区分的条件[14]、[15]。在文献[16]、[17]中，包括第3、5和7次谐波在内的谐波电流分量从位于基于变换器的孤岛微电网不同位置的一组CBDGs中注入。在文献[18]中，在故障条件下将第3次谐波电流分量注入基波电流。在文献[19]中，利用软电流限流器在故障条件下注入次谐波。虽然这些方案[14]-[19]具有显著优势，但也存在一定的局限性。例如，非线性负荷产生的谐波电流可能会对其性能产生不利影响。

直流微电网因其高效的供电能力和整合可再生能源的能力而广受欢迎。文献中采用了各种保护算法来高效保护直流微电网，如单位保护[20]、[21]、增强差动保护[22]、[23]、线路电流变化率[24]、[25]、小波分解[26]和距离保护[27]。此外，被动元件[28]和短时傅里叶变换[29]的使用也被纳入了一些现有算法中，以检测高阻故障。

对于混合微电网保护，据作者所知，目前仅有少数专门针对混合微电网保护的保护算法[30]、[31]。在文献[30]中，提出了一种综合方法，涵盖仅针对并网混合微电网的故障检测和定位。此外，它在交流侧使用系统频率下的阻抗测量，在直流侧使用预定频率。然而，由于其基于迭代程序，其有效性可能受到收敛问题的限制。此外，其实用实现需要在每条直流线中串联电感和并联电感电容组合，这可能带来可行性挑战。此外，由于AC和DC侧均未通过IC互连，IC的影响未予考虑。在文献[31]中，提出了一种次谐波电流差动继电器，利用故障线路两端测量的次谐波电流分量的变化。这些分量源自ICs和CBDGs基于下垂的空载频率极限波动。该方案利用此特征检测和隔离交流子电网的内部故障，从而提高系统可靠性。然而，该方法依赖通过差动保护原理进行的互联变换器相互作用，需要线路端点之间的专用通信基础设施。这种依赖增加了实施复杂性，可能限制方案的实际部署。此外，与文献[31]采用的基于通信的差动保护理念不同，本文提出的框架通过协调VI-FL控制抑制次谐波故障电流本身，并实现无通信的继电器配合。因此，本文方法的主要目标不是在动作速度方面优于差动保护方案，而是提供一种适用于孤岛型混合交流/直流微电网的更简单且不依赖通信的保护框架。需要注意的是，本文开发的方案专注于保护混合微电网的交流侧，而混合微电网的直流侧可以由文献[24]-[29]中的现有算法之一保护。由于所提出的VI-FL最小化了IC在故障条件下的交流故障电流贡献，交流侧保护和直流侧保护机制之间的相互作用减少，允许两个保护系统独立运行。

在文献[32]、[33]、[34]中，CBDGs的控制器在故障条件下采用虚拟阻抗故障限流器（VI-FLs）来限制故障电流并解决交流基于变换器的孤岛微电网的最优保护配合（OPC）问题。虽然VI-FLs已被有效用于交流基于变换器的孤岛微电网以提高OPC[32]-[34]，但将其直接扩展至混合交流/直流微电网在文献中尚未得到充分解决。现有的VI-FL方案是在假设同质下垂特性和纯交流网络动态的条件下开发的。然而，在混合交流/直流微电网中，具有本质上不同下垂控制目标的CBDGs和ICs并存，导致故障条件下产生次谐波故障电流。这些次谐波显著降低了继电器选择性和配合度，使传统VI-FL保护策略失效。此外，先前的工作既未考虑为CBDGs和ICs进行VI-FL的协调设计，也未研究其在混合配置中对次谐波抑制和继电器性能的影响。

本文通过提出一种自适应下垂控制框架来弥补这些空白，其中为CBDGs和ICs联合设计了VI-FLs。通过最小化ICs的故障电流贡献并在故障条件下保持CBDGs的电压源行为，由失配下垂特性产生的次谐波分量得到有效抑制，从而恢复可靠的继电器运行。在此基础上，为孤岛型混合微电网的交流侧开发了基于倒时限导纳特征（ITAC）的保护方案，并将OPC问题表述为受约束的非线性优化问题，以最小化总继电器动作时间。表1总结了所提出方法与现有VI-FL保护方案的区分特征。表1提供了现有方法与所提出方法在功能、保护理念、通信需求和所解决的保护挑战方面的定性比较。由于所比较的方法基于不同的保护原理、基准系统和微电网配置，因此继电器动作时间和配合裕度的直接定量基准比较并不总是有意义的。所提出方案的有效性在修改后的IEEE 33节点孤岛型混合微电网上进行了验证。

需要强调的是，本文工作的新颖性不在于任何单一组成部分，而在于为CBDGs和ICs的协调VI-FL设计、次谐波故障电涌抑制、基于ITAC的最优保护配合以及馈线重新分类的统一无通信保护框架的整合。这种整合实现了多重保护效益，包括改善继电器配合、减少继电器安装需求以及在变换器主导的故障条件下增强保护可靠性。本文的主要贡献总结如下：

• 针对孤岛型混合交流/直流微电网中CBDGs和ICs的基于协调VI-FL的自适应下垂控制策略，在有效限制故障电流的同时保持CBDGs的电压源行为。
• 针对ICs的修改下垂特性，最小化其故障电流贡献，从而抑制由失配下垂动态引起的次谐波故障电流。
• 针对交流子电网的基于ITAC的保护方案，并将OPC问题表述为受约束的非线性规划问题以最小化总继电器跳闸时间。
• 馈线分类标准，将仅由IC产生的故障电流供电的线路视为辐射状馈线，通过仅需在单端安装继电器来减少保护硬件。

本文结构如下。第2节研究CBDGs和ICs控制器在故障条件下的性能。第3节介绍所提出的VI-FL方案，第4节阐述OPC问题的构建。第5节呈现结果，第6节提供讨论和局限性。最后，第7节总结全文。

**片段部分**

**CBDGs和ICs在故障条件下的性能**

本节分析了CBDGs和ICs在正常运行条件和故障事件下的动态行为。在本研究中，所有CBDGs均使用ESS实现，并作为构网型变换器运行。因此，CBDG指基于ESS接口的变换器型电源。CBDGs和ICs代表基于变换器的电力电子设备，而VI-FL是嵌入其控制器中的控制功能。

保护继电器构成独立的保护层

**自适应VI-FL的设计**

自适应VI-FL的设计旨在解决混合交直流微网中的独特保护挑战，其中基于储能系统（ESS）的逆变式分布式发电机（CBDG）和接口变换器（IC）在不同下垂控制目标下运行。与纯基于电流或固定虚拟阻抗的限流器不同，所提出的电压-阻抗下垂结构能够在保持电压源特性的同时实现协调的故障电流限制，这对于维持混合配置中的保护选择性和配合至关重要。

**基于ITAC的最优保护配合（OPC）**

采用ITAC来实现孤岛混合微网交流侧的最优保护配合。OPC问题被推导为带约束条件的非线性规划问题。目标函数设计为最小化系统中所有继电器的总动作时间。选择ITAC而非传统过电流继电器（OCR）或基于阻抗的特性，是受转换器主导的混合微网故障行为所驱动的。在这些系统中，故障电流被有意地……

**性能评估**

所提出的VI-FL自适应下垂控制的性能在改进版的IEEE 33节点混合微网上进行评估，如图16所示。图16中所示的改进版IEEE 33节点混合微网是通过保留原始IEEE 33节点配电馈线作为交流子网，并通过连接在18号和33号节点的接口变换器集成两个直流子网而开发的。三个基于储能系统的逆变式分布式发电机连接在图16所示的位置。交流线路和负载数据采用自文献[47]……

**讨论**

所提出的无通信保护方案集成了VI-FL和ITAC，与基于逆变器的混合交直流微网的传统保护方法相比，提供了显著改进。通过利用VI-FL，逆变式分布式发电机和接口变换器的故障电流被有效限制，缓解了通常会损害传统基于电流的保护方案的间谐波电流。ITAC通过同时依赖电压和电流测量值进一步提高了保护性能……

**结论**

本文提出了一种混合交直流微网保护的创新解决方案，克服了基于硬限幅器控制方案的局限性。所提出的方法利用VI-FL来限制使用储能系统实现的逆变式分布式发电机和接口变换器的故障电流贡献。此外，它还旨在消除会降低基于电流的保护方案有效性的间谐波故障电流。VI-FL的设计旨在保持……

**CRediT作者贡献声明**

Ahmed M. Abdelemam：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、资源、方法学、调查研究、形式化分析、数据整理、概念化。Ahmed Saber：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、验证、软件、方法学、调查研究。Salman Habib：写作——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、调查研究。Hatem Zeineldin：写作——审阅与编辑、验证、监督、……

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

作者衷心感谢沙特阿卜杜拉国王法赫德石油矿业大学智能交通与物流跨学科研究中心在资助项目编号INML 2631下提供的资金支持。

Ahmed M. Abdelemam | Ahmed Saber | Salman Habib | Hatem Zeineldin | Ahmed Al-Durra | Ehab F. El-Saadany

沙特阿卜杜拉国王法赫德石油矿业大学智能交通与物流跨学科研究中心（IRC-SML），沙特阿拉伯达兰31261