1、安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 1 页装订线微电源故障输出特性和微电网保护方案初探摘要分布式发电不仅具有环保、效率高、安装地因地制宜等优点，而且可节省长距离输电线路的投资成本和损耗，保障在大电网发生意外停电时，能够提供基本的能源供应。然而，分布式发电的随机性、小容量、小惯性、低过载能力等缺点，以及分布式发电接入对大电网的影响等诸多因素都制约着分布式发电技术的推广和实用，微电网技术的出现就是为了解决这些难题。本文首先对逆变型分布式电源的工作原理以及控制策略进行了理论分析，并在此基础上分别详细分析了在 PQ 控制以及 VF 控制下逆变型分布式电源的故障输出特性，并在 Matl
2、ab/Simulink 仿真环境下进行仿真，验证了控制策略的有效性以及故障输出特性分析的正确性。最后阐述了微电网的配置、保护层次和逻辑，以及基于全局信息的集中式保护方案。关键词：逆变型分布式电源，故障输出特性，微电网，仿真，保护方案安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 2 页装订线ABSTRACTThe Distributed Generation（DG）is eco-friendly, high efficiency and has advantage in installation location of localization. Moreover, it can red
3、uce the transmission and distribution line loss, lower the operation cost, guarantee basic energy supply when the power grid power has malfunction. However, there also some disadvantages for the distributed power generation, such as randomness, small capacity, small inertia, low overload ability, th
4、e influence of Distributed Generation access to power grid and so on.Many factors restrict the application and promotion of distributed power generation technology.The emergence of micro-grid technology is to solve these problems.Firstly ,the works and control strategies of Distributed Generation ar
5、e analyzed theoretically,And on the basis of this analysis，the output failure characteristics on the PQ power control,V/F control of the inverter Distributed Generation are analyzed in detail.And runs a simulated modeling test under the simulation environment of Matlab/Simulink software,verify the e
6、ffectiveness of the control strategy,and the accuracy of output failure characteristics analysis.Finally elaborated the level of protection device and the protection logic of the microgrid,and centralized protection program on the basis of global information. Key words: Distributed Generator, Output
7、 failure characteristics, Microgrid,Simulation, Protection program安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 3 页装订线目录摘要 .1ABSTRACT .2第一章 绪论 .41.1 课题的背景和意义 .41.2 国内外微电网的研究现状 .51.2.1 各国对微电网的定义和研究方向 .51.2.2 微电网保护的研究现状 .61.3 本文研究主要内容 .8第二章 微电网的控制策略及故障特性分析 .92.1 微电网的结构特点 .92.2 微电源的分类及控制原理 .112.2.1 微电源的分类 .112.2.2 逆变型分布式
8、电源的工作原理 .112.2.3 逆变型分布式电源的控制方法 .122.3 逆变型分布式电源的故障输出特性分析 .142.3.1 逆变型分布式电源的模型简化 .142.3.2 恒压恒频控制下 IBDG 的故障输出特性分析 .152.3.3 恒功率控制下 IBDG 的故障输出特性分析 .202.4 本章小结 .22第三章 微电源故障特性研究 .233.1 PQ 和 V/F 控制模型搭建 .233.2 控制策略仿真算例 .243.3 IBDG 的故障暂态仿真 .263.3.1 恒压恒频控制下 IBDG 的故障输出仿真 .263.3.2 恒功率控制下 IBDG 的故障输出仿真 .293.4 本章小结
9、 .33第四章 微电网的保护 .344.1 基于电流序分量的保护方法 .344.2 保护的层次和逻辑 .354.2 基于全局信息的集中式保护 .364.2.1 微电网内的保护配置 .374.2.2 集中式保护方案的实现基础 .384.3 孤岛检测与保护分析 .394.4 本章小结 .41总结 .42致谢 .43参考文献 .44安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 4 页装订线第一章 绪论1.1 课题的背景和意义随着经济和科学技术的大力发展，大电网在过去数十年里发展迅猛，成为电力供应的主要渠道。然而，这些集中式供电的大电网也存在一些弊端和不足，特别是近几年来，接连几次发生了世界范
10、围内的大面积停电事故以后，大电网的脆弱性充分地暴露出来，特别是在发生自然灾害、电网事故的紧急情况下，军工、医院、金融等系统突然断电造成的不仅仅是经济损失，还会危及社会的安全和稳定。目前分布式发电机的数量在电力系统中占得比例越来越高，各国对利用清洁可再生能源发电的重视，促使了分布式发电技术的迅猛发展。所谓的分布式发电(Distributed Generation, DG)，通常是指采用各种分散存在的清洁能源，包括风能、太阳能、小型水能等可再生能源进行发电供能。分布式发电具有灵活性特点，可以在峰谷电价下启动，减小电费支出。同时，对于边远贫困地区安装小型 DG 装置，可以充分利用当地资源，避免因长距
11、离输电而造成的损耗，从而有效提高系统的可靠性与稳定性。分布式发电还具有很强的机动性，具有投资少和见效快的特点，从而弥补了大电网在稳定性与安全性方面的不足。当地震、洪水、冰灾等自然灾害或者人为破坏等突发灾难而导致大电网崩溃时，分布式发电能够继续对重要用户进行供电，从而避免因大范围停电给国家重要部门带来的损害。分布式发电虽然具有很多优点，但是本身也存在许多缺点，例如，分布式电源控制困难和单机接入成本高等；另外，分布式电源与大电网相比是不可控源，而且对电网及用户造成了巨大冲击，对系统的运行、电能质量、保护可靠性等都带来不利影响，使得并网的规模受到限制。因此电网往往采取隔离和限制的方式来处理分布式电源
12、的接入，从而削弱了分布式发电效能的利用。为了充分发挥 DG 的优势，减少 DG 对电网的冲击及一些负面影响，尽最大可能的实现 DG 的效益和价值。在本世纪初专家们提出了微电网(Micro-grid)的概念，微电网也称为微网，是指通过电力电子器件把以可再生能源为主的分布式电源连接起来，结合能量转换装置、监控系统、保护等技术而成带动相关负荷的微型发配电系统，能够提供电能和热量，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，同时还满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求，既可以并网运行也可以孤岛运行的微型电网。微电网中的电源也称为微电源(Micro-Generator, MG)，主要有水力发电、
13、风力发电、光伏发电等。为了提高微电网运行的可靠性和电能质量，微电网中一般还包含电能存储装置，如飞轮储能系统、超导电磁储能系统、超级电容等。微电源和储能系统安装在用户侧，具有低成本、低污染等特点。安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 5 页装订线微电网的引入，对传统中低压配网的保护带来了挑战：原本辐射状线路的单向潮流方向可能变成双向，传统分布式系统保护可能由于微电网内结构变化而退出。同时，电力电子器件在 DG 中的使用，使得故障电流幅值通常只有额定电流的 2-3 倍。微电网在并网运行和孤岛运行下均应能够响应于故障，做到大电网侧故障不动作，网内故障时迅速正确响应，成为了微电网保护的
14、关键和难点。1.2 国内外微电网的研究现状1.2.1 各国对微电网的定义和研究方向 微电网解决了 DG 高渗透率并网问题，并能充分发挥 DG 的各种优势，成为了公共电网的有效补充和利用形式，自然受到世界各国越来越多的关注与支持，发展潜力十分巨大。1) 美国微电网的研究 美国是最早提出微电网概念的国家。1999 年，美国电气可靠性技术解决方案协会(CERTS)首次并较完整的将微电网定义为：微电网相对大电网来说是一个单一受控单元，可以为用户提供高质量电能和用电安全需求。微电网内部由微电源和负荷组成，可以同时产生电能和热能；微电源产生的能量来自于内部电力电子器件的转换；并且提出了“即插即用”以及“对
15、等”控制思路和设计方案，这成为了微电网概念中最早和最权威的概念。目前美国已经对微电网的建模与仿真、保护与控制以及经济运行等方面理论进行了分析，并逐步形成了相关的管理政策和法规；同时，美国政府将建设“电网现代化”建设与微电网结合，将以后研究和发展的重点放在为重要负荷供电可靠性提高、满足用户多样化用电需求、实现智能化、降低成本等。2) 欧盟微电网的研究 欧盟微电网研究机构将微电网定义为：配有储能装置的；使用一次能源，经过电力电子器件对能量控制和转换；可冷、热、电三联供；集中多种微型分布式发电装置。欧盟将电力系统的发展方向定为“智能电网”的方向，而微电网本身的智能化、能量利用的多元化以及环境友好等优
16、势，已经成为了他们研究的重点。目前，在多国建设的不同规模的实验项目上已经对微网的运行、控制、通信、保护及安全等理论进行了验证，并且将后期的研究工作定为建设示范工程、更先进的控制策略、DG 大规模接入以及由传统电网向智能电网过渡等方面。3) 日本微电网的研究 由于一次能源的匮乏以及负荷需求的迅速增长，日本十分重视可再生能源在本国能源结构中越来越多的利用。微电网能极大发挥分布式电源效能的理念促使了微电网在日本的飞速发展。日本的微电网定义为：根据客户需求，在部分特殊区域装设分布式能源的小型系统，为其提供电能和热能。他们对微电网的研究方向主要设在对电能需求多样化方面、能源利用率以及环保方面。目前日本政
17、府已经与国家重安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 6 页装订线点科研室、国内高校、相关企业合作，在新能源利用与可再生能源的使用以及微电网发展方面取得了不错的成果。4) 微电网在我国的研究和发展结合我国电网现状和发展趋势，参考国外微电网定义的特点，我国将微电网定义为：微电网是一种基于传统电源的独立控制系统，通过本地分布式能源或者中、小型发电机较大规模的优化配置，向周围负荷提供热能、电能的特殊电网；在充分满足用电客户对电能质量和供电安全要求的基础上，通过利用内部电源和负荷的可控性，实现微电网联网运行和孤岛运行的自治；微电网对大电网表现为一个可控的整体单元，可以平滑实现并网、孤岛的
18、切换。国家 863 和 973 项目中都开设了微电网研究课题。广州、内蒙古、北京等地已经通过引入国外技术建成了近 10 座微网示范系统。微电网的发展对我国来说具有重要意义：我国幅员辽阔，清洁能源布局分散、随机和间歇。微电网可将分散的 DG 整合，最大化接纳分布式能源；可解决偏远农村无电或缺电问题，对逐步实现社会主义新农村的电气化问题提供解决方式；多种互补式能源同时提供冷、热、电能，加上储能单元的调节控制，对提高我国能源利用效率，减轻环境污染具有重大意义；面临地震、洪水、飓风等自然灾害时，微电网的加入能够提高电网抗灾能力，保证不间断供电；微电网的在线实时监控和预警能力，对改善供电可靠性，满足不同
19、用户电能质量需求具有重大意义。1.2.2 微电网保护的研究现状通常情况下，低压配电网呈单电源辐射状结构，微电网中由于多个分布式电源的引入，潮流双向流通，使得短路电流的整定计算变得更加复杂。微电源之间的距离可能很短，区内和区外故障时电压可能非常接近，这将造成所形成的故障判据的灵敏度不够。文献 3研究了通过电力电子器件接入电网的分布式电源的控制和保护问题，详细分析了在网络不同运行模式下微电源的不同控制方式和对保护的影响问题。文献4利用动态仿真很好地回避建立系统阻抗矩阵的问题，并且分析了带逆变器并网的DG 给配网继电保护带来的影响，并得出结论：经逆变器的 DG 并网对系统的影响并不十分明显。文献 5
20、研究了孤岛运行下的微电网在失去配电网容量支撑时，由于分布式电源自身容量较小，其故障特性与并网运行时差别很大的问题。文献 6通过仿真验证了微电网的故障电流一般情况下远远小于主电网的故障电流，传统的电流保护无法应对微电网保护的特殊性。微电网中微电源的容量一般都很小，在孤岛模式或两种模式转换过程中，操作或微电源波动都可能会出现较长的暂态过程。总之，DG 并网给微电网保护带来了一系列问题。由于联网时短路容量大，多个DG 接入点不同或是故障类型不确定，引起故障电流方向多变和保护整定困难；另外一点就是包括光伏电池、燃料电池这类逆变型电源，由于内部热过载能力较低，输出电流一般被限制为额定电流的 2-3 倍，
21、很难利用故障电流进行故障定位。因此，安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 7 页装订线人们开始探索其它保护技术。一种方法是针对孤岛下电流大小不足以使传统过流保护装置动作而使用储能系统为微电网提供故障电流；另一种方法是提取新的不受这两种特点影响的故障特征量来检测故障并动作于保护，使微电网稳定运行。文献 7通过控制故障 DG 接口逆变器的直流侧电压，改变故障时的输出电流。也有学者提出安装补偿性电流源的方法，但是这种方案要根据不同的网络运行状态开启或关闭，所以高度依赖于孤岛检测技术和补偿性电流源的可靠性操作,这种方法是不经济的。文献 8提出了一种在孤岛和并网下相同的保护策略。文中将微
22、电网划分为 5 个保护区，每个区之间装设有三相电流互感器，中性线上设有三相和电流互感器。针对单相接地故障和相间故障，提出对称分量法和差分电流法相结合的保护策略，过电流保护作为后备。但这种策略无法检测三相短路故障，对复杂结构的微电网通用性不高。文献 9提出了一种新的基于电压扰动量的方法，通过将逆变器接口采集到的三相交流电压量从 abc 坐标系转换到 dq 同步坐标系下的直流量，并用与参考值的差值判断故障类型，当微电网中有故障发生时，接口电压将发生变化， 的值可DISTV DISTV能是从零到最大值的摆动量、直流量和摆动量的叠加或是恒定直流量三种形式，由此就可以判定出单相、两相和三相故障中的哪种故
23、障；并通过和相邻继电器的通信比较来判断故障发生在区内还是区外。该方法避开了运行方式带来的故障电流差异，但是不适合单相跳闸。文献 10使用继电器监测逆变型电源端口输出的电压，通过对电压的离散傅里叶变换和谐波畸变率分析，判断故障相和故障位置。实现技术难点就是 THD 门槛值的设定和通信的同步，对包含多个 DG 的微电网实现困难。文献 11设计了一种新式继电器用来应对微电网孤岛下逆变型电源的限流导致的微电网孤岛运行下故障电流小的问题。但是这种方法成本过高，而且该装置目前也在研究阶段。微电网保护的快速性也是尤为重要的，当微网馈线上直接联有旋转电机时，必须保证用户侧的保护足够快速的动作来减少故障电压跌落
24、的持续时间，尤其是保证孤岛运行时的微网在故障清除后稳定运行。因此，从微电网的稳定运行角度来看，保护的快速响应能力和在网络结构发生变化后的同步能力是十分重要的。总之，如何能确保微电网内的保护在正常操作和扰动下，可靠不动作；在孤岛和联网不同运行方式下，均对内部故障及时作出正确判断，并且在联网运行时快速感知大电网侧故障，同时能够保证内部保护的灵敏性、可靠性、选择性和快速性。配电网中传统的电压电流保护显然已经无法满足微电网保护的特殊要求，国内外的研究也刚刚起步，还有很多难题没有攻克，缺少一种行之有效的保护策略。针对以上情况，本文分析了微电网继电保护中应调整的对策。最后，分析了微电网主要的保护情况。 安
25、徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 8 页装订线1.3 本文研究主要内容第一章概述了微电网技术的背景和结构特点，介绍了微电网保护的研究现状，并阐述了本课题的研究意义。第二章介绍了微电源的分类，着重介绍了逆变型分布式电源接口逆变器的控制策略，并分别针对恒压恒频控制和恒功率控制这两种逆变器控制策略下的分布式电源的故障输出特性进行了理论分析第三章用 MATLAB 软件分别搭建微电网仿真模型，并用仿真算例验证了控制策略的正确性，研究了在故障电流达到故障限流之前逆变型分布式电源端口的输出特性，并仿真给出了相应的特征量变化第四章基于以上理论分析及仿真结果，提出具体的微电网保护方案。安徽工业
26、大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 9 页装订线第二章 微电网的控制策略及故障特性分析微网内的微源种类多样，包括微型燃气轮机、风机、燃料电池、光伏电池和储能电容器等，其工作特性也各不相同。比如对于微型燃气轮机和燃料电池而言，其出力可以人为干预调节，既可以对有功无功进行控制，也可以实现电压频率控制，在微网孤岛时提供网内电压和频率支撑，属于非间歇式微源；而对于风能、太阳能等发电形式，其输出具有波动性和间歇性特点，输出功率受天气影响很大。这类电源一般采用恒功率控制策略，即跟踪目标的最大功率输出，通过并网逆变器控制电流波形和输出功率，使其向电网输送的功率与电动机或者光伏阵列所发出的最大功率相
27、平衡，以保证可再生能源能够达到最大的利用率。本章首先详细介绍微电网的结构特点和微电源的分类，针对微电网中通常采用的逆变型分布式电源的工作原理和特点不同，区分采用不同的控制策略，进而搭建微电网的模型，对不同控制策略下的逆变型分布式电源的故障进行理论分析。2.1 微电网的结构特点从结构上看，微电网是一个带有多个负载及 DG 的微型电力系统，通过一个能量管理系统、灵活交流输电系统控制装置(例如，功率潮流控制器，电压控制器等)以及保护装置构成。微电网自身可以是直流或者交流网络，交流微电网可以是一个单相或是三相的系统。它可以被连接到一个低压或者中压的配电网中。微电网的基本结构如图 2-1 所示，它包含的
28、分布式电源包括光伏发电、微汽轮机以及燃料电池系统，连接在 A、B 馈线中。微电网和大电网之间的连接是由公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)处的分断设备(通常为一个静态转换开关)来保证一旦大电网故障时的快速断开。更简单的说，微电网可以看做是一个包含了电源和控制设施的分布式系统，能量管理系统作为微电网的控制中心，内部包含了保护设备的配合以及电能质量监控管理，来保证微电网的可靠操作以及对大电网需求的响应。微电网的另一个特点是该分布式的网络可以连接为一个环网，来提高系统的可靠性。由于 DG 更接近负荷，燃料电池及微汽轮机之类的电源就可以作为热电联产的电源来提高能源的
29、利用率。加装了蓄电池的燃料电池可以产生可控的输出功率来满足大电网或者负荷切换瞬间的需求。风力发电及光伏发电通常有来自风机和太阳能电池板的最大功率跟踪(Maximum Point of Power Tracking, MPPT)。同样，加装了储能单元的风机和太阳能发电系统能够产生可控的输出功率来满足发电和负荷的需要。总之，微电网为能源的最佳利用提供了机会，可以根据不同的地区环境和不同的负荷需要合理的配置不同的发电单元以全面提高电能和热能的使用效率。安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书共 46 页 第 10 页装订线A、B 两条馈线当大电网侧发生故障时，也可以实现与大电网断开后的独立运行，因此可以
30、满足对可调节负荷或敏感负荷的不间断本地供电；C 馈线上一般连接用电要求不高的非敏感负荷，通常是由大电网直接供电。能量管理器ABC微电网调度变压器P C C微型燃气轮机可调节负荷热负荷敏感负荷光伏电池潮流控制器保护协调器分隔器（ 断路器 ）静态开关燃料电池非敏感负荷断路器图 2-1 微电网的基本结构微电网的运行方式主要有两种：并网模式和孤岛模式。并网时，DG 的主要功能是提供电能并提供本地电压和功率支撑，由于电力电子元件的使用，DG 还能产生可控的无功功率。这样能够降低线路损耗，提高整个系统的效率。微电网的能量管理系统可以单独控制每一个 DG 的有功和无功参考值，例如光伏和风力发电之类的 DG也
31、可以由 MPPT 跟踪控制输出最大的功率。另一个运行模式是孤岛运行，它是在微电网从大电网断开后(例如，当大电网断电时)持续为本地负荷提供电能的运行方式，保证孤岛能稳定运行，其内部 DG 的控制需要满足以下三个需求：第一，所有 DG 供能总和应能满足网内负荷需要，由此可以避免 DG 间通过容量大小分担负荷而造成的设备损坏。第二，有 DG 能够采用电压控制来保证所有线路电压值在范围内。第三，所有 DG 必须同步并提供微电网的频率控制。根据两种运行模式下的不同的控制方法，为保证微电网的正常运行，每个 DG 都带有快速可靠的孤岛检测技术也十分重要。为保证故障清除后微电网重新稳定并入大电网，微电网还需要有再同步技术。由于孤岛模式下微电网侧的 PCC 终端电压幅值，频率和相角，可能与大电网侧的终端值不同。所以，在闭合开关前就需要采用再同步技术，再同步技术是为了保证重新联网时的平滑过渡。最后，保护是微电网另一个十分重要的问题。无论是大电网侧或是微电网内部发生故障，微电网都需要能够快速响应于新的保护方案以及配合方法，这是因为：（1）传统的分布式系统保护可能由于微电网的放射状结构发生变化而退出。（2）电力电子器件在 DG 中的使用，限流幅值通常只有额定电流的 2-3 倍，传
