1、 微电网并离网控制策略研究及实现 任洛卿，唐成虹，王劲松，黄琦 南瑞 集团 公司 （国网电力科学研究院） , 江苏省南京 市 211106 The Research and Implementation of Micro-grids Grid-connected fast fault detection; pattern recognition; coordinated control strategy 摘要 : 本文对 微电网 组成结构及运行模式进行分析研究 ，提出 了故障快速检测和运行模式识别的微电网并离网控制策略方案。故障快速检测以 改进的 半波傅里叶计算为基础，通过对微电网特征量的快速
2、保护运算，实现故障的快速检测。 微电网 并 离网平滑切换控制 实现 方法， 将 微电网特征量 以 逻辑表达式 的形式进行描述， 通过 读取 微电网特征变量 实时 值，识别出微电网当前运行模式 ， 实现微电网 并 离网 平滑 切换。目前该方法已经成功应用于鹿西岛微电网示范工程。 关键词 : 微电网；故障快速检测；模式识别；协调控制策略 1 引言 微电网 由 分布式发电 、负荷、储能 等 部分组成，一般与中低压配电网相连，是一种可以运行在并网模式或离网模式的小型配电网系统。随着分布式发电技术的发展，分布式电源数量快速增长。智能微电网作为智能电网的重要部分，能灵活有效地运用分布式发电和储能设备，达到
3、 最大化接纳分布式电源、节能降耗、提高供电质量 的目的 1，因此微电网 是处理大规模分布式发电接入电网的必然选择，微电网技术的发展对未来坚强 电网 的 发展 起着至关重要的作用 2-3。 微电网有并网和离网两种状态。当电网发生故障时，微电网可离网运行，进入独立的孤岛状态。然而在微电网的发展中，微电网的运行控制 尤其是并离网切换控制具有一定的难度。当电网发生故障时，分布式发电和储能设备的电力输出与实际负荷的电力需求很可能不平衡，造成大量电能缺额或电能过剩。此时需要迅速进行判断并进行相应的调节控制，使微电网能够平滑切换至离网状态运行。 现有的 微电网 并离网 切换控制装置 一般是 针对特定并网方式
4、设计， 而 离网控制操作过程 需要人工参与 4-6，无法自动适应微电网运行方式， 很难做到 并 离网 平滑 切换控制。 因此， 研究 微电网 并 离网 平滑 切换控制 策略实现 方法 7-12是保证微电网安全高效运行的迫切需求。 本文对智能微电网的并离网控制策略进 行了研究，提出了包括基于快速保护运算的故障检测技术和基于模式自识别的协调控制方法。这些新技术组成的微电网并离网控制策略，使微电网可以在并网和离网模式间实现平滑切换，同时保证重要负荷的持续供电。 2 快速故障检测技术 快速的故障判断是微电网的并离网切换控制的重要基础，而更快速的故障判断需要在更短时间内完成保护量的运算。 传统的全波傅里
5、叶变换是电力系统中经常使用的保护计算方法。 传统计算方法公式如下： )2s in (4 2 10 NN nn NnxNa )2c o s (4 210NN nn NnxNb 传统的保护运算在消除谐波方面有较好的效果，但是因为需要一个周期的数据窗，计算较为耗时。为了满足快速检测 故障的需求 , 我们提出将一种改进型的半波运算的方法运用于微电网故障检测。 半波傅里叶计算公式如下： tdttxTa Tn 20 s in)(4 tdttxTb Tn 20 co s)(4 半波运算数据窗为每周期数据点的一半，速度很快。基于该技术的算法能够比传统的全波算法更迅速地计算出保护量，从而更快速地检测到故障的发生
6、，为并离网状态切换的控制和处理提供有利条件。 3 微电网协调控制方法及实现 3.1 微电网运行模式的识别技术及实现 微电网中存在各种不同的运行模式和组网结构，在一些大规模微电网中还包括多个子微网，要对微电网进行协调控制，首先要实现运行模式的识别。 微电网 运行 模式识别 的基础 是网内各节点当前特征量的反映。通过建立逻辑表达式对所有特征量进行逻辑运算和判断，可以得知微电网当前各节点的运行状态以及微电网当前的运行模式。 下面以 图 1 所示的一种有较强代表性的微电网系统为例， 说明微电网 运行 模式识别的 运算 过程。 子 微 网 1储能风机发电光伏发电负荷储能光伏发电风机发电负荷K G 1K
7、G 3K G 2电 网I母I I母子 微 网 2图 1 微电网一次拓扑图 图 1 所示的 微电网由两个子微网组成，标示为子微网 1、子微网 2。其运行方式有四种，分别是 运行模式 1：子微网 1 单独并网运行。 运行模式 2：子微网 2 单独并网运行。 运行模式 3：两子微网组成大微网，并网运行。 运行模式 4：两子微网组成大微网， 离网运行。 图中 ,子微网 1 与子微网 2 之间的 KG3 开关处于合位，子微网 1 的并网点 KG1 处于合位，子微网 2 的并网点 KG2 处于分位，显示当前微电网正处于两子微网组成大微网，并网运行的运行模式 3。 根据 微电网 测控 装置采集的 微电网运行
8、 数据对微电网的各个特征变量进行定义 ，将并网点 n 位置定义为 S(n)，并网点 n 电压信号定义为 U(n)，并网点 n 电流信号定义为 I(n)，并网点 n 有功功率为P(n)。 将定义好的各特征变量代入逻辑表达式中以进行运算。采用三元式 作为微电网逻辑 运 算代码 的表达形式 。 三元式 作为一种中间代码形式， 更接近目 标代码 ，更有助于优化微电网模式识别效率13-14。 三元式 的一般形式为： (op， arg1， arg2)。其中， op 为一个运算符 ， arg1、 arg2 是其 运算对象 ，可以是变量、常数或系统定义的临时变量名。 微电网模式控制器 将 各种运行模式 的逻辑
9、四则表达式读取到三元式数据结构中 ,得到其逻辑结构图，可以更直观地对识别方法进行展现。运行模式 3 的结构图如图 2 所示。 &S 1S 3S 2&P 10I 20 . 0 1&U 33 5 0r e s u l t图 2 运行方式判断逻辑结构图 微电网模式控制器在运行过程中持续对该 结构进行 计算 ， 如 计算结果为真 ， 则 判定 微电网运行于模式 3， 如计算结果为假，则说明微电网并 不运行于模式 3，此时控制器自动对其他运行模式的结构进行遍历计算，直至找到当前运行模式，则 完成了 微电网 运行 模式的智能识别 。 除了运行模式的识别，改变运行模式的运行判据也表达为该形式。通过选择性地加
10、入离网触发信号 Trip(n)、并网信号 Close(n)、有压 VTG(n)、无流 (NoI(n)等相关的触发特征量，对微电网并网运行稳态、离网稳态、需要并转离、需要离转并等状态的运行判据进行遍历计算。 当相应判据的计算结果为真时，表明需要对运行模式作出相应的调整改变。 3.2 微电网控制策略的实现 要实现微电网并离网 的控制策略，前提是对要控制的微电网进行结构分析，通过采集和计算相应的物理特征量和对网内设备进行建模，实现微电网运行模式的识别。然后按照不同模式下的并离网控制方法给每种微电网运行模式编写对应的并离网控制策略。通过适当的控制策略的执行，实现微电网并离网平滑控制。 微电网协调控制模
11、型包含两个部分：逻辑设备模型和并离网操作策略。 逻辑设备模型包含了接入模式控制器的各个逻辑设备参数及其各逻辑设备间的连接关系，而并离网控制策略则包括运行模式识别判据和离网控制操作步骤两个部分。 微电网模式控制器运行后，载入编辑好的并离网 控制模型及其控制策略，并按图 3 流程进行协调控制。 采 集 网 内 各 特 征 量代 入 三 元 式 逻 辑 运 算确 定 当 前 运 行 模 式YESNO执 行 对 应 控 制 流 程有 对 应 触 发量 ？图 3 协调控制流程 下面以典型的离网控制流程为例，说明协调控制流程的实际运行方式。 微电网模式控制器接收到外部的离网命令或者触发被动离网的特征量，进
12、入离网控制流程。控制器根据当前运行模式，计算出并网点交换功率值和微电网当前功率盈缺情况。 如果微电网功率盈余，则制定计划切除部分分布式电源；如果微电网功率短缺，则制定计划切除部分负荷，最终使得微电网功率达到平衡。 微电网功率平衡后，模式控制装置通过通讯报文下发模式切换命令，使当前的主 PCS 从恒功率控制模式 (P/Q)切换到恒电压恒频率（ V/F）控制模式，作为微电网离网运行的电压源和频率源。再通过通讯报文下发并网点跳闸指令，实现并网转离网，操作过程如图 4 所示。 离 网触 发 量 ？是否计 算 并 网 点交 换 功 率功 率 过 剩 功 率 短 缺平 衡是 否 平 衡 是 否 平 衡是否
13、是否正 常 运 行按 策 略切 除 电 源按 策 略切 除 负 荷主 P C S P / Q - V / F并 网 点跳 闸图 4 离网控制流程 根据上面提到的协调控制策略 ,功率平衡控制技术可以调整分布式发电和储能的输出功率 , 通过通信机制对负荷进行调控。通过微电网运行模式识别和快速协调控制方法的结合使用，保证了并离网操作的平滑性，实现了微电网并离网的平滑切换控制。 4 实例分析 本文以国家 863 项目浙江鹿西岛微电网示范工程现场的一次离网试验过程为例，对本协调控 制策略进行验证。鹿西岛微电网工程的一次主接线图如图 5 所示。 3 5 k V 母 线8 M V A1 0 k V 母 线3
14、 5 k V 鹿 西 变 电 站4 号储 能系 统光 伏发 电系 统I母昌华线7 8 0 k W风 机II母大 门 变 电 站东臼线隧道分支线口筐分支线1 号储 能系 统2 号储 能系 统3 号储 能系 统K G 1K G 3K G 2图 5 鹿西岛一次主接线图 离网前微电网运行状态为：并网开关 KG1 合位，并网开关 KG2 分位，并网开关 KG3 合位。 通过前期建模，微电网模式控制器内已载入该微电网的相关协调控制策略。利用故障快速检测技术，微电网模式控制器获得各特征量的实时采样值，并判断当前是否有故障发生。同时，经过对逻辑式的遍历计算，已经正确识别出微电网当前处于大微网并网运行状态，主
15、PCS 为 PCS3。 在微电网模式控制器接收到 KG1离网命令后，进入离网协调控制流程： 首先，控制器 通过及时获取计算当前并网点是否处于功率平衡状态，并采取相应的切除负荷或分布式发电的措施，使功率达到平衡。 其次，调取当前运行方式的离网控制策略，即给主 PCS 发 P/Q 转 V/F 指令，使其从恒功率模式转为恒电压模式。 最后，向当前并网点 KG1 发出离网跳闸指令，实现平滑离网。 KG1 接收到跳闸命令，完成离网操作，离网后PCS3 切换为 V/F 模式运行，作为微电网的频率源。离网后微电网运行状态如图 6 所示。 3 5 k V 母 线8 M V A1 0 k V 母 线3 5 k
16、V 鹿 西 变 电 站4 号储 能系 统光 伏发 电系 统I母昌华线7 8 0 k W风 机II母大 门 变 电 站东臼线隧道分支线口筐分支线1 号储 能系 统2 号储 能系 统3 号储 能系 统K G 1K G 3K G 2图 6 离网后运行状态图 对现场离网结果和离网过程的有功和无功功率曲线进行分析，可以得出结论：离网过程中电压保持平稳； PCS1 始终以恒功率模式运行，功率保持不变； PCS3 作为主 PCS，切换后转成 V/F 模式运行，作为微网的电压源和频率源，保持系统功率平衡和电压稳定，整个并离网切换过程迅速、平滑。 4 结语 本文提出了一种故障快速检测和模式识别的微电网并离网控制
17、策略方案及实现方法。该方法采用改进的半波傅里叶运算以提高保护运算速度，实现故障快速检测，并以三元逻辑表达式作为微电网模式识别方法，实现运行模式识别和协调控制，实现了微电网并离 网的平滑切换控制。该方法在鹿西岛微电网示范工程中得到了成功的应用，有效的降低了微电网并离网操作对用户造成的冲击，提高了电网运行的稳定性和可靠性。 参 考 文 献 1 盛建科 ,曾嵘 ,年珩 ,等 .新能源分布式发 电系统 并网与离网运行的柔性切换技术 J.大功率变流技术 , 2012(2):30-34. SHENG jianke, ZENG rong, NIAN Heng, et al. Flexible switchi
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