含分布式光伏及儲(chǔ)能變流器的微網(wǎng)故障研究

吳智富

（深圳市英大科特技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518108）

0 引言

分布式電源是微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由分布式電源中含有的分布式光伏交流器以及儲(chǔ)能變流器造成的微網(wǎng)故障問(wèn)題，主要是由于電網(wǎng)電壓跌落時(shí)期儲(chǔ)能變流器輸出的故障電流導(dǎo)致的。通過(guò)對(duì)微網(wǎng)故障特征的分析，使微網(wǎng)得到全面的檢查，提高微網(wǎng)工作的可靠性。微網(wǎng)工作狀態(tài)具有較高的需求，對(duì)供電質(zhì)量具有一定的影響，做好微網(wǎng)故障的排除工作，能夠快速地恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，對(duì)微網(wǎng)形成有效的保護(hù)策略。

1 微網(wǎng)的基本構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

微網(wǎng)的組成較為復(fù)雜，對(duì)分布式電源具有較高的要求，需要合理對(duì)分布式電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)微網(wǎng)的組成進(jìn)行分析，使微網(wǎng)能夠呈現(xiàn)完善的結(jié)構(gòu)。在分布式光伏設(shè)計(jì)中，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)起到了至關(guān)重要的作用，應(yīng)保證微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性，使結(jié)構(gòu)方面能夠形成分布式狀態(tài)，有助于微網(wǎng)分布式電源的穩(wěn)定工作。在微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)中，主要由以下四個(gè)單元構(gòu)成：①光伏發(fā)電單元。采用光伏發(fā)電的形式，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，可以有效地與發(fā)電裝置進(jìn)行結(jié)合，提高光伏發(fā)電的效率。②儲(chǔ)能單元。通過(guò)電流器將蓄電池接入微網(wǎng)，使儲(chǔ)能單元具有良好的儲(chǔ)能狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)電能的有效存儲(chǔ)，保障微網(wǎng)功率的穩(wěn)定性。③負(fù)荷單元。負(fù)荷單元需要換流器的參與，使直流或交流系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，防止供電功率發(fā)生較大的變化，促進(jìn)電壓的穩(wěn)定控制。④聯(lián)網(wǎng)換流器。用于實(shí)現(xiàn)主網(wǎng)的控制，對(duì)微網(wǎng)中的直流功率進(jìn)行補(bǔ)足，使微網(wǎng)系統(tǒng)在功率方面處于平衡狀態(tài)，確保工作狀態(tài)的穩(wěn)定性[1]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2.1 輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

輻射形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)線路的交匯，使線路能夠交匯在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣便于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整體進(jìn)行控制，提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。輻射型網(wǎng)絡(luò)便于故障的處理，當(dāng)發(fā)生故障后，可以對(duì)故障支路進(jìn)行切斷，以此來(lái)避免對(duì)其余線路造成影響，使故障能夠得到有效地處理。輻射型網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，在線路維護(hù)方面較為方便，但母線故障的處理效果較差，一旦發(fā)生故障，將會(huì)造成整片支路的癱瘓，因而輻射型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在母線方面需要嚴(yán)格處理，提高輻射網(wǎng)絡(luò)的工作效率。

1.2.2 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為環(huán)狀，對(duì)微網(wǎng)具有較強(qiáng)的保護(hù)能力，使微網(wǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)線路的重點(diǎn)在于斷路器的使用，微網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，斷路器處于接通狀態(tài)，微網(wǎng)能夠穩(wěn)定進(jìn)行通電。由于采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，故每條線路上需要配置一個(gè)斷路器，將會(huì)增加斷路器資源的消耗，會(huì)增加一定數(shù)量的成本。在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的作用下，可以避免某條支路出現(xiàn)故障，環(huán)路之間可以相互形成保護(hù)，保障微網(wǎng)能夠正常工作。

1.2.3 中心環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

中心環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有輻射型和環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使兩者的優(yōu)勢(shì)能夠形成互補(bǔ)，使微網(wǎng)運(yùn)行更加的穩(wěn)定。通過(guò)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，可以有效地解決母線故障問(wèn)題，使母線能夠完善地工作，保障母線故障能夠得到及時(shí)處理。中心環(huán)型網(wǎng)絡(luò)兼具靈活控制的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)支路電流的快速切斷，使故障線路能夠得到有效的隔離。在選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行考慮，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本、微網(wǎng)需求等，選擇適合的網(wǎng)絡(luò)形式，保障微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性。

2 儲(chǔ)能變流器運(yùn)行分析

2.1 有源濾波器分析

2.1.1 特征諧波分析

換流站交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生諧波，影響微網(wǎng)的正常運(yùn)行。換流站諧波具有以下特點(diǎn)：①交流電壓呈現(xiàn)為三相對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，處于平衡狀態(tài)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生諧波分量，因而對(duì)諧波進(jìn)行平衡控制較為重要，需要促使諧波處于平衡狀態(tài)。②換流器直流側(cè)存在大電感，可以一直諧波分量的產(chǎn)生，保障直流電壓的穩(wěn)定性。③換流閥具有穩(wěn)定的觸發(fā)角，并且觸發(fā)角可以保持恒定的狀態(tài)，有助于微網(wǎng)供電的穩(wěn)定控制。④三相中換向電感型號(hào)相同，意味著三者的換向時(shí)間非常接近，有助于換向諧波的抑制。因此，需要合理地對(duì)換流器進(jìn)行使用，對(duì)諧波的產(chǎn)生進(jìn)行控制，降低諧波對(duì)交流側(cè)的影響，保障諧波電流具有良好的相位關(guān)系，對(duì)諧波的產(chǎn)生進(jìn)行抵消[2]。

2.1.2 有源濾波系統(tǒng)構(gòu)成

有源濾波系統(tǒng)的構(gòu)成較為復(fù)雜，包括換流閥、變壓器、濾波器等，需要各個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定工作才能起到濾波效果。在電容（C）和電感（L）的作用下，可以起到無(wú)源濾波的效果，降低開(kāi)關(guān)周?chē)C波的干擾，對(duì)諧波具有較強(qiáng)的抗性，位置微網(wǎng)電流的穩(wěn)定性。同時(shí)，濾波器可以與電容結(jié)構(gòu)并聯(lián)，形成有源濾波結(jié)構(gòu)，可以提高二極管（D）的蓄流能力，保障電流供應(yīng)的穩(wěn)定性，降低有源濾波器對(duì)微網(wǎng)的影響。

2.1.3 諧波電流控制

在儲(chǔ)能變流器微網(wǎng)線路中，需要做好諧波電流的控制工作，提高微網(wǎng)的運(yùn)行效果。諧波電流控制過(guò)程中，首先，需要對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)，一般通過(guò)無(wú)功功率理論來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以有效地處三相電流進(jìn)行識(shí)別，提高微網(wǎng)線路的檢測(cè)效果。在低通濾波的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)基波分量的檢測(cè)，進(jìn)而確定微網(wǎng)的諧波影響。其次，需要做好電容電壓控制工作，將電容作為有源濾波器的存儲(chǔ)單元，可以保障諧波控制的穩(wěn)定性，使有源濾波器能夠更加穩(wěn)定地工作。在控制過(guò)程中，電容兩端電壓需要保持穩(wěn)定，使電容能夠穩(wěn)定地工作，避免電壓發(fā)生較大的波動(dòng)，提高電壓的控制效果，進(jìn)而降低有源濾波器的損耗。電容電壓可采用PI 控制形式，將PI 控制器引入直流分量控制中，使微網(wǎng)具有良好的控制條件，使電容電壓能夠保持恒定，使電容具有良好的工作狀態(tài)。最后，需要注重控制策略的應(yīng)用，使有源濾波的控制更加的完善，提高濾波的控制效果。在電壓傳感器的作用下，可以得到正弦信號(hào)sinωt、余弦信號(hào)cosωt、電容電壓等，可以為電容電壓的PI 控制過(guò)程提供依據(jù)，提高諧波電流控制的可靠性，實(shí)現(xiàn)良好的諧波控制效果。

2.2 有源濾波器設(shè)計(jì)

2.2.1 DSP 芯片結(jié)構(gòu)

有源濾波器采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)（Digital signal processing, DSP）芯片進(jìn)行控制，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制效果。DSP 為16 位控制芯片，由16 位隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（random access memory, RAM）實(shí)現(xiàn)控制，有著良好的工作性能，使有源濾波器能夠正常工作。DSP 在A/D 轉(zhuǎn)換方面具有較高的轉(zhuǎn)換效率，能夠有效地對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，使線路具有良好的工作效率，使串行外設(shè)接口（SPI）得到正確的應(yīng)用。在A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間方面，可以設(shè)定為500ns，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集的功能，提高微網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)的效率。DSP 具有豐富的引腳，有助于微網(wǎng)輸入輸出的控制，并且可以與串行周邊SPI 接口相結(jié)合，使芯片具有較高的控制效率，使線路能夠穩(wěn)定地工作，提高對(duì)控制場(chǎng)所的適應(yīng)性。

2.2.2 硬件結(jié)構(gòu)

有源濾波器需要具有完善的硬件結(jié)構(gòu)，使其具有硬件電路的支持，實(shí)現(xiàn)良好的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。為了提高有源濾波的控制效果，硬件結(jié)構(gòu)采用雙DSP 進(jìn)行設(shè)計(jì)，使諧波信號(hào)具有良好的檢測(cè)狀態(tài)。DSP1 用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，便于RAM 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保障數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)有效地轉(zhuǎn)換。DSP2 承擔(dān)著信號(hào)處理功能，對(duì)數(shù)據(jù)處理的所需參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如數(shù)字諧波、無(wú)功電流等，為諧波電流的控制提供數(shù)據(jù)支持，使控制措施更加的完善。在雙端口RAM的作用下，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)DSP 之間的連接，為數(shù)據(jù)交換提供傳遞的通道，提高對(duì)數(shù)據(jù)的處理效果[3]。

2.2.3 濾波器實(shí)現(xiàn)

濾波器采用DSP 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波的功能，只保留有效的波形，使諧波信號(hào)能夠及時(shí)得到濾除。諧波信號(hào)一般采用低通濾波方式進(jìn)行處理，對(duì)諧波分量進(jìn)行控制，使諧波能夠滿足濾除的條件，降低微網(wǎng)中諧波的存在。為了提高諧波濾除的穩(wěn)定性，需要濾波器的設(shè)計(jì)工作，對(duì)濾波器的頻率特性進(jìn)行分析，使濾波器能夠充分地發(fā)揮作用。濾波器的頻率特定如式（1）所示。

3 微網(wǎng)故障分析

3.1 電流下垂控制及其功角失穩(wěn)現(xiàn)象

在市場(chǎng)對(duì)電能需求不斷擴(kuò)大的情況下，微網(wǎng)作為一種新型的電網(wǎng)發(fā)電和負(fù)荷系統(tǒng)，要想滿足電能的供應(yīng)需求，需要提高對(duì)微網(wǎng)故障問(wèn)題的重視程度。通過(guò)前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，微網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到電壓電網(wǎng)的影響而出現(xiàn)故障的情況。造成這種故障情況的主要原因，就是由于電壓電網(wǎng)在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)跌落的情況。而在這種情況下，微網(wǎng)中的分布式電源中含有的分布式光伏變流器或者儲(chǔ)能交流器會(huì)輸出故障電流，從而威脅整個(gè)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行。而在對(duì)微網(wǎng)的這種故障進(jìn)行處理時(shí)，還會(huì)由于功角失穩(wěn)現(xiàn)象的存在而阻礙故障保護(hù)工作的開(kāi)展。為了能夠保障微網(wǎng)的正常運(yùn)行，可以從滯環(huán)控制的角度對(duì)電流下垂控制的情況進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，用以保證微網(wǎng)故障時(shí)功角的穩(wěn)定狀態(tài)，為微網(wǎng)的故障檢測(cè)和維護(hù)提供更加便利的條件。

3.2 微網(wǎng)故障的特征

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，各個(gè)支路電流處于平衡狀態(tài)，儲(chǔ)能變流器可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的儲(chǔ)能，保障分布式光伏法發(fā)電的效率。當(dāng)微網(wǎng)發(fā)生故障后，支路的平衡狀態(tài)將會(huì)被打破，負(fù)荷將會(huì)朝著短路點(diǎn)集中，引導(dǎo)支路電流的流向發(fā)生變化，對(duì)微網(wǎng)運(yùn)行的安全性造成威脅。因而，微網(wǎng)電路對(duì)保護(hù)裝置具有較高的要求，需要對(duì)短路點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，在平衡打破的瞬間發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，同時(shí)將故障位置及時(shí)進(jìn)行切斷，使環(huán)型微網(wǎng)故障能夠得到有效應(yīng)對(duì)。

4 微網(wǎng)故障保護(hù)策略

4.1 電流差動(dòng)保護(hù)

電流差動(dòng)保護(hù)對(duì)微網(wǎng)故障具有較強(qiáng)的識(shí)別能力，能夠?qū)崿F(xiàn)故障的有效區(qū)分，對(duì)故障及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。以環(huán)形微網(wǎng)為例，在應(yīng)用電流差動(dòng)保護(hù)后，可以有效地對(duì)微網(wǎng)中電流的矢量關(guān)系進(jìn)行整合，提高對(duì)電流變化的判斷能力，及時(shí)采取保護(hù)措施。通常情況下，采用電流值與整定值比較的形式，將前者大于后者作為故障的判斷依據(jù)，這樣便構(gòu)建了完整的故障檢測(cè)條件，使微網(wǎng)故障能夠得到準(zhǔn)確的識(shí)別。同時(shí)，需要對(duì)電流的方向變化引起關(guān)注，使保護(hù)裝置能夠及時(shí)發(fā)生動(dòng)作，使故障線路能夠立即得以排除，提高故障檢測(cè)的穩(wěn)定性，保障保護(hù)策略的執(zhí)行效果[4]。

4.2 微網(wǎng)故障的集中式保護(hù)

對(duì)于含有分布式光伏和儲(chǔ)能變流器的微網(wǎng)故障進(jìn)行保護(hù)時(shí)，還可以采用集中式的保護(hù)措施，這種保護(hù)措施主要是建立在通信網(wǎng)絡(luò)以及保護(hù)配置基礎(chǔ)上的，在對(duì)微網(wǎng)中的這種故障進(jìn)行調(diào)整時(shí)，首先需要與微網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)相匹配的通信網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，然后將微網(wǎng)和底層設(shè)備的通信配置形成一個(gè)環(huán)網(wǎng)的冗余結(jié)構(gòu)，并通過(guò)能量管理層的工控機(jī)來(lái)對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行情況進(jìn)行控制，在實(shí)時(shí)監(jiān)控微網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)并記錄采樣信息之后，對(duì)微網(wǎng)的故障問(wèn)題進(jìn)行判斷，并將其與電網(wǎng)的跌落情況結(jié)合起來(lái)，對(duì)微網(wǎng)的故障方向進(jìn)行判斷，在檢測(cè)到微網(wǎng)的運(yùn)行故障之后，就可以對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的保護(hù)。

5 微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了保證故障保護(hù)策略的有效性，需要微網(wǎng)故障進(jìn)行模擬，采用實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)故障處理的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，使故障能夠得到全面排除，降低故障問(wèn)題對(duì)微網(wǎng)的影響，并且保障故障能夠快速地恢復(fù)。有源濾波器主要參數(shù)如下：電感L=10mH，電容C=2200μF，IGBT 耐壓值為1400V，電網(wǎng)電壓為220V。電容電壓采用PI 控制方式，Kp＝0.2，Ki＝0.15。采用上述參數(shù)對(duì)微網(wǎng)故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)電網(wǎng)電壓波形和電流波形進(jìn)行分析，通過(guò)波形對(duì)微網(wǎng)的故障保護(hù)效果進(jìn)行判斷。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)波形分析可知，波形中含有的諧波成分較少，在有源濾波器的作用下，可以將諧波成分進(jìn)行濾除，使有效波形能夠保存下來(lái)，并且使微網(wǎng)電壓保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，在保護(hù)策略的作用下，有源濾波器能夠發(fā)揮出重要作用，為微網(wǎng)創(chuàng)造良好的保護(hù)條件，保障光伏發(fā)電的效率。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了避免微網(wǎng)受到分布式電源中的分布式光伏和儲(chǔ)能變流器的影響而出現(xiàn)故障，需要做好故障特征的分析工作，注重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，對(duì)微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行完善，使微網(wǎng)能夠更好地投入使用。在故障應(yīng)對(duì)方面，需要注重差動(dòng)保護(hù)和集中式保護(hù)方法的應(yīng)用，建立完善的微網(wǎng)保護(hù)方式，使微網(wǎng)能夠正常地進(jìn)行工作，提高微網(wǎng)的自我保護(hù)能力，進(jìn)而保障供電狀態(tài)的穩(wěn)定性。