交流微電網(wǎng)實驗平臺測控保護的設(shè)計

林小峰，王江偉，劉　斌，宋春寧，宋紹劍，黃　曾

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

交流微電網(wǎng)實驗平臺測控保護的設(shè)計

林小峰，王江偉，劉斌，宋春寧，宋紹劍，黃曾

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

微電網(wǎng)作為有效整合了分布式發(fā)電、能量變換器、綜合負載和測控保護系統(tǒng)的小型發(fā)配電系統(tǒng)，具有運行方式靈活、環(huán)保、能量效率高的優(yōu)點。為了能對微電網(wǎng)的運行特性及保護進行理論和實驗的研究，設(shè)計了一個低壓交流微電網(wǎng)實驗平臺測控保護系統(tǒng)，使用LABVIEW軟件編寫監(jiān)控系統(tǒng)。平臺具有用電信息的自動采集和開關(guān)設(shè)備遠程控制的功能，改良傳統(tǒng)繼電保護，實現(xiàn)可再生能源、儲能與傳統(tǒng)配電網(wǎng)安全可靠的混合運行。

三相交流微電網(wǎng)；分布式電源；并網(wǎng)運行；孤島試驗；孤島運行

電能是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的基石，傳統(tǒng)能源枯竭與環(huán)境問題，綠色低碳排能源成為關(guān)注焦點，極大促進了可再生能源的發(fā)展。為了充分利用新能源的優(yōu)勢，國際上電網(wǎng)具有可再生能源集中式和分布式發(fā)電配合、智能配電網(wǎng)與微電網(wǎng)配合的發(fā)展趨勢，微電網(wǎng)成為電力領(lǐng)域研究熱點之一［1］。

微電網(wǎng)可以有效整合可再生能源發(fā)電的優(yōu)勢，具有運行方式靈活、操作界面友好、環(huán)保、線損小等優(yōu)點。微電網(wǎng)可運行于并網(wǎng)模式，提高可再生能源的利用效率和經(jīng)濟性；也可運行于孤島模式，作為一個有效的互補電網(wǎng)，保障用戶供電可靠性和滿足偏遠地區(qū)電力需求［2-5］。分布式電源的間歇性與隨機性，微電網(wǎng)潮流方向與傳統(tǒng)輻射型配電網(wǎng)有較大區(qū)別，使得微電網(wǎng)運行方式靈活多變，同時影響傳統(tǒng)保護的靈敏度［5-7］。

本文設(shè)計一個380 V三相交流微電網(wǎng)實驗平臺測控保護系統(tǒng)，具有自動采集監(jiān)控功能，實現(xiàn)微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行模式和孤島運行的狀態(tài)監(jiān)控，并提供系統(tǒng)層和設(shè)備層保護。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微電網(wǎng)實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1　交流微電網(wǎng)實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

1.1電氣主接線及配置

實驗平臺采用三相四線制單母線結(jié)構(gòu)，運行電壓為380 V，頻率50 Hz，由交流微電網(wǎng)測控保護系統(tǒng)、電源及負載支路構(gòu)成。各支路配置如下：

（1）并網(wǎng)隔離變壓器支路，通過并網(wǎng)開關(guān)QF1實現(xiàn)并網(wǎng)運行，隔離變壓器容量為50 kVA，YNyn0，380 V/380 V.

（2）可編程電源支路，額定功率18 kW，輸出三相電壓大小相位均可調(diào)，可作為不平衡、欠壓和頻率過低等孤島試驗的主電源。

（3）負載支路，分為三相可編程負載與三相負載支路。三相可編程負載為微電網(wǎng)三相主負載，采用電阻、RLC并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有功功率額定33 kW，額定感性無功功率33 kvar，額定容性無功功率33 kvar，支路最大視在功率為46.67 kVA.三相負載支路為實際負載，可靈活接入。

（4）單相支路，用于不平衡負載實驗，A相與單相RLC負載連接，C相與電動車實驗平臺連接，B相位備用。

（5）單相光伏支路，A相為單晶硅光伏逆變器，B相為多晶硅光伏逆變器，C相為薄膜電池光伏逆變器，用于不平衡光伏發(fā)電能量優(yōu)化配置實驗。

（6）儲能電池支路，微電網(wǎng)實驗平臺主要的儲能單元，三相DC/AC逆變器通過隔離變壓器并聯(lián)至微電網(wǎng)母線，隔離變壓器為8 kVA，YNyn0，175 V/380 V.

（7）三相光伏支路，分為多晶硅光伏支路和薄膜電池光伏支路，隔離變壓器為5 kVA，YNyn0，175 V /380 V，用于不同類型光伏能量合理分配研究。

1.2測控保護系統(tǒng)

測控保護系統(tǒng)由電氣二次回路、通信和監(jiān)控系統(tǒng)組成，電氣二次回路主要由測量及計量回路、斷路器及單相接觸器控制和狀態(tài)指示回路組成。

監(jiān)控系統(tǒng)使用LABVIEW軟件編寫程序，通過RS485通信以及開關(guān)信號的發(fā)送與接收，完成電參數(shù)的采集和系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)視，通過設(shè)置保護整定值實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)層的保護，對不同模式下的微電網(wǎng)安全運行發(fā)揮著重要作用。

1.3實驗平臺運行模式

實驗平臺可運行于并網(wǎng)模式、孤島試驗?zāi)Ｊ?、孤島運行模式和不平衡運行模式：

（1）并網(wǎng)運行模式：QF1合位、QF2分位、微電網(wǎng)實驗平臺處于并網(wǎng)運行模式，以外電網(wǎng)的電壓V和頻率f為參考，三相DC/AC逆變器處于恒功率PQ控制模式，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定逆變器輸出有功功率P和無功功率Q.單相光伏支路以MPPT模式運行，RLC單相負載和電動車動力系統(tǒng)以設(shè)定值運行。當(dāng)微電網(wǎng)出現(xiàn)功率缺額時，外電網(wǎng)向微電網(wǎng)輸送功率，微電網(wǎng)并網(wǎng)節(jié)點以負載方式運行；當(dāng)微電網(wǎng)出現(xiàn)功率過剩時，微電網(wǎng)向外電網(wǎng)發(fā)出功率，微電網(wǎng)并網(wǎng)節(jié)點以電源方式運行。

（2）孤島試驗?zāi)Ｊ剑篞F1分位、QF2合位、微電網(wǎng)以可編程交流電源為主電源，可進行孤島檢測試驗。

（3）孤島運行模式：QF1分位、微電網(wǎng)實驗平臺處于孤島運行模式，三個逆變器孤島并聯(lián)運行，此時儲能電池DC/AC作為主電源以恒壓恒頻V/f工作模式運行，為光伏DC/AC提供電壓V和頻率f為參考，光伏逆變器作為從電源運行于恒功率PQ控制模式。

（4）不平衡模式：在并網(wǎng)和孤島運行模式下，都可以進行三相不平衡實驗。單相電源、單相負載可組合接入微電網(wǎng)實驗平臺，同時可編程交流負載和可編程交流電源均設(shè)定不平衡參數(shù)，研究不平衡電源、負載條件下的微電網(wǎng)運行狀況。

2　電氣部分設(shè)計

交流微電網(wǎng)實驗平臺母線為鍍鋅銅排，三相四線制，各支路電氣部分包含開關(guān)器件和測量元件。

2.1開關(guān)設(shè)備控制回路

斷路器QF1-QF9選用正泰電器NM8系列塑料外殼式斷路器，型號為NM8-100S；C1-C6為單相接觸器，型號為正泰電器NCH8-40/40.斷路器及接觸器二次回路與控制狀態(tài)繼電器連接，具有遠控和狀態(tài)顯示功能。斷路器控制及狀態(tài)回路設(shè)計見圖2.

圖2　斷路器控制及狀態(tài)回路圖

斷路器電動操作機構(gòu)用于分合閘控制，監(jiān)控系統(tǒng)通過上位機接線板卡ADAM-3962，發(fā)送開關(guān)信號至斷路器合閘控制繼電器KA和合閘控制繼電器KB，繼電器勵磁后相應(yīng)觸點閉合，電動操作機構(gòu)工作，實現(xiàn)斷路器遠控分合閘操作。輔助和故障觸點用于反應(yīng)斷路器運行狀態(tài)，當(dāng)斷路器處于合位時，狀態(tài)繼電器KC勵磁，監(jiān)控系統(tǒng)接收合閘狀態(tài)信號并顯示斷路器合位；當(dāng)短路或過載引起斷路器脫扣時，故障繼電器KD勵磁，監(jiān)控系統(tǒng)顯示電氣故障報警。

2.2測量及計量回路

測量及計量回路主要由多功能電力儀表PT1-PT9和電網(wǎng)電壓相位采集模塊完成各電參數(shù)采集與測量。

PT1和PT2型號為正泰電器PD7777-8SK4，PT3-PT9型號為PD666-8S4.多功能電力儀表具有可編程測量、顯示、數(shù)字通訊等多種功能，主要用于對電力網(wǎng)絡(luò)的電壓、電流、頻率、有功功率、功率因數(shù)等參數(shù)進行測量與分析，然后通過RS485數(shù)據(jù)接口與監(jiān)控系統(tǒng)通訊，從而實現(xiàn)電量數(shù)據(jù)的顯示與遠程傳輸。

儀表與電流互感器CT1-CT9串聯(lián)測量電流參數(shù)，電壓參數(shù)可用多功能儀表直接測量。電流互感器選用的BH-0.66型塑料殼電流互感器，為保證測量精度，各支路電流互感器配置如表1所示。

表1　電流互感器配置

電網(wǎng)電壓相位采集模塊主要檢測外部電網(wǎng)參數(shù)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供外電網(wǎng)電壓、頻率和相位參考量，用于并網(wǎng)和孤島模式切換的控制。

3　測控保護系統(tǒng)

微電網(wǎng)實驗平臺測控保護系統(tǒng)整合測量、控制、保護和故障分析功能，具有測量精度高、可靠性高和界面友好的特點。

測量功能由母線各出線多功能電力儀表、電網(wǎng)電壓相位采集模塊、逆變器和負載自身的采集單元構(gòu)成，監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485通信實時顯示實驗平臺基本信息。

控制是測控保護系統(tǒng)重要功能，監(jiān)控系統(tǒng)通過RS485通信和開關(guān)信號，完成各支路投切操作，同時電源負載按指定方式運行，實現(xiàn)并網(wǎng)運行模式、孤島試驗?zāi)Ｊ健⒐聧u運行模式和不平衡模式的協(xié)調(diào)控制與平滑切換。

保護和故障分析是安全可靠運行的重要功能，系統(tǒng)保護分為軟件保護和硬件保護。監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送跳閘信號作為系統(tǒng)的軟件保護；硬件保護包括斷路器電磁脫扣單元、熱脫扣單元以及逆變器自身保護，監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓時硬件保護依然有效。微電網(wǎng)實驗平臺設(shè)計為負載保護、電源支路保護、母線保護和并網(wǎng)開關(guān)保護。微電網(wǎng)實驗平臺保護時序如圖3所示。

圖3　微電網(wǎng)實驗平臺保護時序圖

斷路器電磁脫扣可在1個周期內(nèi)完成跳閘，可作為電流保護I段，過熱脫扣作為電流保護III段，監(jiān)控系統(tǒng)整定電流保護II段可實現(xiàn)三段式電流保護。逆變器自身硬件保護可瞬間關(guān)斷，作為微電源主保護。母線后備保護由監(jiān)控系統(tǒng)整定，低壓保護整定值為0.3 Un，時限為500 ms；電能質(zhì)量整定值為0.7 Un，時限為1 s，以保護母線和設(shè)備安全。

孤島保護是微電網(wǎng)特有的保護方式，在并網(wǎng)模式時，逆變器均處于恒功率PQ模式。當(dāng)故障發(fā)生于微電網(wǎng)外部并且滿足孤島運行要求時，孤島保護動作，并網(wǎng)開關(guān)QF1跳閘，儲能電池逆變器從恒功率PQ模式切換為恒壓恒頻V/f工作模式，微電網(wǎng)孤島運行，提高了供電的可靠性。

微電網(wǎng)實驗平臺成品圖見圖4，監(jiān)控系統(tǒng)界面見圖5.

圖4　交流微電網(wǎng)實驗平臺

圖5　交流微電網(wǎng)實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng)界面

4　結(jié)束語

本文設(shè)計了一個交流380 V微電網(wǎng)實驗平臺的測控保護系統(tǒng)，制定了不同類型電源和負載靈活接入的多種運行方案，完成電氣主接線、開關(guān)控制及狀態(tài)回路、測量及計量回路的設(shè)計。使用LABVIEW軟件編寫監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合硬件保護和軟件保護的特點，改良傳統(tǒng)繼電保護，整定了一套保護方案，可提供微電網(wǎng)實驗平臺在并網(wǎng)運行模式、孤島試驗?zāi)Ｊ?、孤島運行模式和不平衡模式的保護，實現(xiàn)微電網(wǎng)實驗平臺的遙信、遙控、狀態(tài)監(jiān)測和保護等功能，為實驗平臺的可再生能源、儲能與傳統(tǒng)配電網(wǎng)安全可靠的混合運行提供保證。

［1］周孝信，魯宗相，劉應(yīng)梅，等.中國未來電網(wǎng)的發(fā)展模式和關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國電機工程學(xué)報，2014，（29）:4999-5008.

［2］楊新法，蘇劍，呂志鵬，等.微電網(wǎng)技術(shù)綜述［J］.中國電機工程學(xué)報，2014，（01）:57-70.

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The Design ofMonitor and Protection System For AC Three-phase Micro-grid Experiment Platform

LIN Xiao-feng，WANG Jiang-wei，LIU Bin，SONG Chun-ning，SONG Shao-jian，HUANG Zeng
（School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi530004，China）

Micro-grid as a small power system effective integration of the distributed generations，energy conversion devices，composite load，monitor and protection system，has advantages in flexible operation mode，environmental protection，high energy efficiency.Aiming at conduct theoretical and experimental research on the operating characteristic and protection of the micro-grids，in this paper，a protecting and control system for a 380V AC Three-phase micro-grid experiment platform provided with communication and remote sensing devices is designed.The monitoring system is programmed by the LABVIEW software.Through automatic electrical information acquisition and circuit-breaker remote control system，combined with improving traditional relay protection strategy，ensure renewable energy sources，energy storage and the traditional distribution network hybrid operation in a safe，reliable way.

three-phase micro-grid；distributed generation；grid-connected operation；islanded experiment；islanded operation

TM 727

A

1672-545X（2016）06-0060-04

2016-03-30

作者介紹：林小峰（1955-），男，廣西陸川人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為新能源換轉(zhuǎn)與控制，微電網(wǎng)控制與運行；王江偉（1985-），男，廣西大化人，研究生，研究方向為新能源換轉(zhuǎn)與控制；劉斌（1982-），男，湖南會同人，博士，講師，研究方向為電力電子與變流技術(shù)，新能源換轉(zhuǎn)與控制；宋紹劍（1970-），男，廣西象州人，碩士，教授，研究生導(dǎo)師，研究方向為電動汽車能量換轉(zhuǎn)與控制；宋春寧（1969-），男，廣西隆安人，碩士，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向為多元儲能和能源管理系統(tǒng)；黃曾（1989-），男，廣西全州人，研究生，研究方向為新能源換轉(zhuǎn)與控制。