微電網(wǎng)多級保護(hù)與控制的實現(xiàn)及優(yōu)化分析

楊湛曄，毛建容，馬紅偉，周逢權(quán)，傅美平

（許繼集團(tuán)智能電網(wǎng)研究中心，北京100085）

作為普及新能源的一種方式，微電網(wǎng)將在未來電網(wǎng)中扮演至關(guān)重要的角色。微電網(wǎng)是由分布式發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備及負(fù)荷組成，可與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也能脫離配電網(wǎng)獨立運(yùn)行的小型配電系統(tǒng)。由于分布式發(fā)電設(shè)備的特點和儲能設(shè)備的使用，微電網(wǎng)的保護(hù)控制亟需考慮一些新因素［1，2］。

1 微電網(wǎng)多級保護(hù)與控制體系

微電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生故障分為系統(tǒng)內(nèi)故障和系統(tǒng)外故障，無論是發(fā)生系統(tǒng)內(nèi)故障還是系統(tǒng)外故障，都要迅速切除微電網(wǎng)與外界電網(wǎng)的聯(lián)系，以免事故擴(kuò)大。

微電網(wǎng)內(nèi)部故障分為：微電網(wǎng)與配電網(wǎng)接口故障，微電網(wǎng)支路故障，微電網(wǎng)儲能設(shè)備、分布式發(fā)電設(shè)備、負(fù)荷故障等。分布式發(fā)電設(shè)備和儲能設(shè)備的接入位置、容量等也會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定造成影響，需分類區(qū)別保護(hù)，因此針對微電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性提出了相互配合的三層微電網(wǎng)保護(hù)控制體系［3，4］。

微電網(wǎng)保護(hù)包括設(shè)備級保護(hù)、內(nèi)部支路級保護(hù)、系統(tǒng)級保護(hù)，見圖1，三級保護(hù)之間需要及時通信和配合動作。

圖1 微電網(wǎng)多級保護(hù)控制體系示意Fig.1 Schematics of multi－step protection control in micro－gird

1.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護(hù)

微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護(hù)包括對微電網(wǎng)公共連接點PCC（point of common coupling）處的電壓、電流的采樣與計算，實時進(jìn)行過壓、欠壓、過頻、欠頻、過載、短路等基本保護(hù)。

微電網(wǎng)系統(tǒng)級孤島檢測要求在微電網(wǎng)與配電網(wǎng)公共連接點處檢測微電網(wǎng)工作狀態(tài)。孤島一旦產(chǎn)生，將會危及電網(wǎng)輸電線路上維修人員的安全；影響配電系統(tǒng)保護(hù)開關(guān)的動作程序，沖擊電網(wǎng)保護(hù)裝置；影響傳輸電能質(zhì)量，電力孤島區(qū)域的供電電壓與頻率將不穩(wěn)定；當(dāng)電網(wǎng)供電恢復(fù)后會造成相位的不同步；單相分布式發(fā)電系統(tǒng)會造成系統(tǒng)三相負(fù)載欠相供電。因此孤島檢測的準(zhǔn)確性及與支路級保護(hù)、設(shè)備級保護(hù)的信息互通的實時性直接關(guān)系到微電網(wǎng)的穩(wěn)定。檢測中為了減弱對微電網(wǎng)產(chǎn)生的擾動，微電網(wǎng)系統(tǒng)級孤島檢測通常采用被動檢測法。

微電網(wǎng)離網(wǎng)獨立運(yùn)行期間，因分布式發(fā)電的不穩(wěn)定性，可能會產(chǎn)生電壓頻率降低、升高現(xiàn)象，且一旦波動范圍超越調(diào)節(jié)范圍，則可根據(jù)需求，實施切除負(fù)荷或分布式發(fā)電設(shè)備。可細(xì)分為離網(wǎng)低頻減載、離網(wǎng)低壓減載、離網(wǎng)過頻解列、離網(wǎng)過壓解列。

微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護(hù)需對內(nèi)部負(fù)荷分類，區(qū)分重要負(fù)荷和非重要負(fù)荷，在發(fā)生孤島微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行后，能切除部分非重要負(fù)荷，以維持重要負(fù)荷的不斷電運(yùn)行。微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行后，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)外故障解除后，系統(tǒng)級微電網(wǎng)能夠比較內(nèi)外電壓幅值頻率等，條件滿足就并網(wǎng)運(yùn)行，保證分布式發(fā)電能源的充分利用和非重要負(fù)荷的供電穩(wěn)定性。

同時，由于微電網(wǎng)潮流的雙向流動性，為確保保護(hù)動作的可靠性，需考慮方向性電流保護(hù)。

1.2 微電網(wǎng)內(nèi)部支路保護(hù)

微電網(wǎng)支路級保護(hù)主要負(fù)責(zé)微電網(wǎng)內(nèi)部支路上的電壓、電流進(jìn)行采樣和計算，對負(fù)荷支路、儲能設(shè)備支路、發(fā)電設(shè)備支路及混合支路進(jìn)行獨立保護(hù)。支路級保護(hù)通常采用傳統(tǒng)過流保護(hù)、過壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、漏電保護(hù)、不平衡保護(hù)等。

1.3 微電網(wǎng)設(shè)備級保護(hù)

微電網(wǎng)設(shè)備級保護(hù)主要針對分布式發(fā)電、儲能設(shè)備及電力電子控制器件，通常具有過壓、欠壓、過載、短路、過熱保護(hù)等功能。另外針對不同設(shè)備及特定使用環(huán)境，衍生了一些其他保護(hù)功能，如直流發(fā)電設(shè)備、蓄電池的自動穩(wěn)壓、反接保護(hù)和市電切換等……當(dāng)電壓在欠壓點和過壓點之間波動，負(fù)載在額定功率內(nèi)變化時，設(shè)備能自動穩(wěn)壓輸出。反接保護(hù)功能能有效避免直流供電設(shè)備的正負(fù)極接線故障，以免損壞蓄電池和設(shè)備。在蓄電池欠壓或逆變出現(xiàn)故障的狀態(tài)下，設(shè)備可將負(fù)載自動切換到市電供電，保障了系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。在逆變正常工作后，又會自動切換到逆變供電［5，6］。

2 試點項目介紹

河南分布式光伏發(fā)電及微電網(wǎng)運(yùn)行控制試點工程是國內(nèi)首個包含光伏發(fā)電、電力儲能，并具有微電網(wǎng)特性的試點工程，該項目以河南財政稅務(wù)高等?？茖W(xué)校屋頂380kW光伏項目為依托結(jié)合開展，由380kW光伏發(fā)電系統(tǒng)、2×100kW／100kW·h磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)、約34路用電負(fù)荷、微電網(wǎng)控制和保護(hù)單元構(gòu)成光儲聯(lián)合微電網(wǎng)系統(tǒng)，可實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)到離網(wǎng)，離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑過渡。圖2展示了試點項目的三級保護(hù)控制體系。

圖2 試點項目接線圖示Fig.2 Wiring diagram of the project

3 微電網(wǎng)試點項目試驗流程及分析

微電網(wǎng)目前已運(yùn)行8個多月，通過多方機(jī)構(gòu)認(rèn)證。圖3展示了驗證保護(hù)與控制功能的試驗流程。

圖3 微電網(wǎng)試點項目試驗流程Fig.3 Flow chart for the project

在微電網(wǎng)并網(wǎng)正常運(yùn)行，斷開微電網(wǎng)入口處10kV斷路器，微電網(wǎng)從并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣聧u離網(wǎng)運(yùn)行。離網(wǎng)后系統(tǒng)級保護(hù)和設(shè)備級保護(hù)檢測到孤島發(fā)生，設(shè)備級保護(hù)作用短暫停止對微電網(wǎng)負(fù)荷供電，系統(tǒng)級保護(hù)執(zhí)行切除微電網(wǎng)380V斷路器動作，同時切除設(shè)定的分布式發(fā)電設(shè)備或負(fù)荷，以維持微電網(wǎng)離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4展示了微電網(wǎng)離網(wǎng)瞬間的電壓波動情況。進(jìn)入離網(wǎng)孤島狀態(tài)后，微電網(wǎng)啟動主控儲能設(shè)備或主控旋轉(zhuǎn)電源，通過離網(wǎng)能量控制的調(diào)度，合理投入或切除分布式發(fā)電，調(diào)節(jié)儲能設(shè)備出力，逐步恢復(fù)部分微電網(wǎng)負(fù)荷供電，維持離網(wǎng)后微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，如圖5所示。

圖4 微電網(wǎng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)電壓波形Fig.4 Voltage waveform of micro－grid from grid－connection to off－grid

試驗執(zhí)行合10kV斷路器動作，微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護(hù)執(zhí)行自動同期并網(wǎng)動作，自動合380V斷路器，恢復(fù)微電網(wǎng)所有負(fù)荷的供電。

由圖6波形可看出，當(dāng)微電網(wǎng)由離網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)入并網(wǎng)狀態(tài)時，380V母線電壓瞬間跌落后立即恢復(fù)正常，光伏逆變器實現(xiàn)了低電壓穿越，保證了光伏不間斷發(fā)電，同時儲能系統(tǒng)在擾動后也恢復(fù)了正常工作，實現(xiàn)了微電網(wǎng)系統(tǒng)由離網(wǎng)到并網(wǎng)的平滑切換。

圖5 微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行電壓波形Fig.5 Voltage waveform of micro－grid under off－grid condition

圖6 微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)電壓波形Fig.6 Voltage waveform of micro－grid from off－grid to grid－connection

圖7為微電網(wǎng)試點項目并離網(wǎng)切換試驗全過程電壓趨勢圖。

試驗表明：該項目能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有合理控制微電網(wǎng)的并離網(wǎng)切換，控制和調(diào)整分布式發(fā)電設(shè)備出力和儲能設(shè)備的充放電，維持微電網(wǎng)離網(wǎng)能量平衡，在微電網(wǎng)交換功率較大時準(zhǔn)確檢測出孤島發(fā)生，并及時同期并網(wǎng)等微電網(wǎng)系統(tǒng)級、支路級、設(shè)備級保護(hù)功能，同時也發(fā)現(xiàn)下述問題。

問題1 微電網(wǎng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)期間，由于受分布式發(fā)電設(shè)備的特性限制，出現(xiàn)了短暫停電現(xiàn)象；

問題2 微電網(wǎng)并網(wǎng)期間，分布式發(fā)電設(shè)備發(fā)電與負(fù)荷用電供求平衡，即公共連接點交換功率較小時，孤島檢測不準(zhǔn)確；

問題3 微電網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)電壓與微電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)離網(wǎng)電壓差距明顯，勢必會影響各級保護(hù)動作。

圖7 并離網(wǎng)切換全過程電壓趨勢Fig.7 Voltage variation during the whole process of grid－connection／off－grid

4 解決措施

4.1 微電網(wǎng)內(nèi)部通訊建設(shè)

微電網(wǎng)建設(shè)充分利用分布式發(fā)電能源，是智能電網(wǎng)建設(shè)的一個重要方面；同時微電網(wǎng)面向用戶，連接電網(wǎng)監(jiān)控和終端用電、發(fā)電、儲能設(shè)備，故障保護(hù)、節(jié)能控制、高效利用都強(qiáng)調(diào)電網(wǎng)各大小部分之間的配合和協(xié)調(diào)，而當(dāng)前微電網(wǎng)采用的通訊架構(gòu)基本無法實現(xiàn)微電網(wǎng)納入智能電網(wǎng)中的基本作用，所以在微電網(wǎng)通信網(wǎng)建設(shè)方面有很大發(fā)展空間。

隨著因特網(wǎng)協(xié)議是IPV4的升級換代、光纖通信的普及、電力寬帶的建設(shè)、3G／4G及其他無線技術(shù)的成熟，微電網(wǎng)的建設(shè)必將打破瓶頸制約，進(jìn)入飛速發(fā)展的時代。

4.2 微電網(wǎng)孤島檢測原理及解決方案

如圖8所示，并網(wǎng)運(yùn)行時，電網(wǎng)和逆變電源在公共耦合點（PCC）處連接，共同為負(fù)載提供功率，可得到：

圖8 分布式發(fā)電（DG）與系統(tǒng)并網(wǎng)的示意Fig.8 Diagram of distribution generation and system grid－connection

其中：VPCC為公共耦合點（PCC）的電壓；P、Q為逆變電源有功、無功輸出；Pload、Qload為負(fù)載所消耗的有功、無功；ΔP、ΔQ為電網(wǎng)提供的有功、無功。

進(jìn)一步可得：

非計劃孤島產(chǎn)生后，主系統(tǒng)不再向孤島供入能量，逆變電源的功率輸出不會瞬間變化，因此在孤島形成的瞬間，孤島內(nèi)部一般會產(chǎn)生功率缺額，即（ΔP≠0，ΔQ≠0），致使PCC點電壓、頻率發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)負(fù)載與電源的功率不匹配程度足夠大時，則可引起電壓、頻率超限，從而檢測出孤島。

基于微電網(wǎng)孤島檢測原理，孤島檢測有被動檢測、主動檢測、通信檢測三大類檢測方法。被動檢測適用于低滲透率、弱受端微電網(wǎng)系統(tǒng)。主動檢測法通過在分布式發(fā)電設(shè)備或儲能逆變器的控制信號中加入很小電壓、電流或相位擾動信號，并網(wǎng)運(yùn)行時，由于受電網(wǎng)鉗制，擾動信號作用很??；當(dāng)發(fā)生孤島時，擾動信號的作用就較明顯，可通過檢測PCC點系統(tǒng)的響應(yīng)，判斷是否有孤島發(fā)生。開關(guān)狀態(tài)檢測方法是依靠通信的方式檢測開關(guān)狀態(tài)，與DG（distributed generation）類型無關(guān)，對于單個或多個逆變器的孤島檢測都有效，也不會對電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成干擾。

孤島檢測方法有效性指標(biāo)就是檢測盲區(qū)和多DG的擾動。三種檢測方案各有利弊，主動檢測盲區(qū)相對較小，但是對電網(wǎng)有干擾，有可能擾動不同步，且不適用于多DG；被動檢測的盲區(qū)較大且定值難以確定；隨著微電網(wǎng)通信的發(fā)展，基于有線、無線高效通信技術(shù)，且配合主動、被動檢測方法的孤島檢測新方法必定能夠把孤島檢測的準(zhǔn)確性提到一個新的臺階［7～11］。

4.3 平滑并網(wǎng)、平滑離網(wǎng)

微電網(wǎng)在工作狀態(tài)下，需要對當(dāng)前微電網(wǎng)內(nèi)部分布式電源工作情況、儲能裝置充放電情況、負(fù)荷情況、微電網(wǎng)與配電網(wǎng)公共連接點（PCC）處交換功率等電壓、電流、有功、無功進(jìn)行實時監(jiān)測，制定離網(wǎng)和并網(wǎng)狀態(tài)下兩套最優(yōu)控制模式，一旦微電網(wǎng)發(fā)生并網(wǎng)或離網(wǎng)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可根據(jù)最優(yōu)控制模式調(diào)整負(fù)荷、分布式發(fā)電出力、儲能設(shè)備充放電等，實現(xiàn)并離網(wǎng)裝換的平滑、無縫過渡。

微電網(wǎng)平滑離網(wǎng)的關(guān)鍵：①離網(wǎng)后單個有獨立運(yùn)行能力的DG（或單元組）基于就近、功率匹配及所有權(quán)統(tǒng)一等原則與周邊的負(fù)荷構(gòu)成功率平衡區(qū)域，是孤島運(yùn)行的最小單元，保證重要負(fù)荷的不間斷供電；②穩(wěn)定運(yùn)行的孤島微電網(wǎng)能啟動不能獨立運(yùn)行的DG，并通過負(fù)荷分析不斷擴(kuò)大供電范圍，組成多DG、多負(fù)荷孤島微電網(wǎng)，既能幫助排除微電網(wǎng)內(nèi)故障，又能極大化分布式能源的利用。

微電網(wǎng)平滑并網(wǎng)的關(guān)鍵：①兩端壓差必須接近零；②并網(wǎng)時電流必須從大電網(wǎng)流向微電網(wǎng)。

4.4 微電網(wǎng)并網(wǎng)、離網(wǎng)保護(hù)定值的區(qū)別

在并網(wǎng)條件下，微電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生故障時的故障特性與傳統(tǒng)故障特性類似。但由于多分布式電源的存在，使得故障點存在雙端電源向故障點供電的情況，所以并網(wǎng)條件下保護(hù)配置方案應(yīng)考慮短路電流方向及大小的改變。同時在并網(wǎng)條件下發(fā)生故障時，不論是微電網(wǎng)側(cè)還是配網(wǎng)側(cè)故障，都以斷開微電網(wǎng)為先，以避免由于微電網(wǎng)的加入使故障特性復(fù)雜化，影響重合閘的策略等。

在孤島離網(wǎng)條件下，由于分布式電源的特殊性，其短路容量較小，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障點的短路電流相對較小，對稱故障下保護(hù)安裝處的相電壓跌落明顯，不對稱故障下保護(hù)安裝處測得的負(fù)序電壓和負(fù)序電流將會明顯增大。所以，在孤島條件下饋線上的保護(hù)配置必須做出相對調(diào)整。

由于微電網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島條件下不同的故障特性，微電網(wǎng)保護(hù)必須依據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)改變保護(hù)策略，這是基于本地信息量保護(hù)裝置所不具備的能力，因而需在保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上建立一個監(jiān)管系統(tǒng)，依據(jù)微電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整微電網(wǎng)保護(hù)配置。

5 結(jié)語

在河南分布式光伏發(fā)電及微電網(wǎng)運(yùn)行控制試點工程的建設(shè)及調(diào)試過程中，驗證了微電網(wǎng)保護(hù)控制設(shè)計方案的細(xì)節(jié)，總結(jié)了微電網(wǎng)建設(shè)的實踐經(jīng)驗，促進(jìn)了微電網(wǎng)的發(fā)展。

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