微电网运行与控制4

1、2014-2015学年 第一学期5/28/20221第一章第一章 微电网概述微电网概述第二章第二章 微电网组成元件微电网组成元件第三章第三章 微电网基本控制方法微电网基本控制方法第四章第四章 微电网多代理优化控制方法微电网多代理优化控制方法第五章第五章 微电网保护微电网保护5/28/202225.1 DG5.1 DG对传统保护的影响对传统保护的影响5.2 DG5.2 DG故障电流特性故障电流特性5.3 5.3 孤岛保护孤岛保护5/28/20223 一、传统电力系统的故障分析一、传统电力系统的故障分析 二、典型控制策略下二、典型控制策略下DG输出特性分析输出特性分析 三、三、DG故障电流特性分析

2、故障电流特性分析 四、微电网故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析5/28/20224（1）短路故障类型）短路故障类型 5/28/20225危害最危害最大大发生频发生频率最高率最高（2）对称分量法）对称分量法 5/28/20226（2）对称分量法）对称分量法 5/28/20227（3）三相短路分析）三相短路分析 5/28/20228（4）单相接地短路分析）单相接地短路分析 5/28/20229边界条件边界条件（4）单相接地短路分析）单相接地短路分析 5/28/202210 一、传统电力系统的故障分析一、传统电力系统的故障分析 二、典型控制策略下二、典型控制策略下DG输出特性分析输出特性分析

3、 三、三、DG故障电流特性分析故障电流特性分析 四、微电网故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析5/28/202211 回顾回顾（1）VF控制控制5/28/202212（2）PQ控制控制（1）分布式电源限流控制器）分布式电源限流控制器5/28/202213限流公式：限流公式：Dq坐标系控制器限流坐标系控制器限流（2）PQ控制逆变器输出特性控制逆变器输出特性5/28/202214PQ 控制方法控制方法（2）PQ控制逆变器输出特性控制逆变器输出特性5/28/202215电网发生故障时，存在两种输出状态电网发生故障时，存在两种输出状态1)正序电流未达到保护限值正序电流未达到保护限值DG维持恒功率

4、状态维持恒功率状态2）正序电流负载达到饱和限值）正序电流负载达到饱和限值或DG运行在恒正序电流输出状态运行在恒正序电流输出状态（2）VF控制逆变器输出特性控制逆变器输出特性5/28/202216dq坐标系下的坐标系下的VF控制策略控制策略（2）VF控制逆变器输出特性控制逆变器输出特性5/28/202217电网发生故障时，电网发生故障时，VF控制逆变器存在两控制逆变器存在两种状态种状态1)正序电流未达到保护限值正序电流未达到保护限值DG运行在恒压恒频运行在恒压恒频2）正序电流负载达到饱和限值）正序电流负载达到饱和限值DG运行在恒正序电流输出状态运行在恒正序电流输出状态系统失去稳定系统失去稳定 一

5、、传统电力系统的故障分析一、传统电力系统的故障分析 二、典型控制策略下二、典型控制策略下DG输出特性分析输出特性分析 三、三、DG故障电流特性分析故障电流特性分析 四、微电网故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析5/28/2022185/28/202219（1）对称故障时的分析）对称故障时的分析（2）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析分成两种故障情况：分成两种故障情况：简单含简单含DG的双端供电网络的双端供电网络5/28/202220（1）对称故障时的分析）对称故障时的分析PQ控制的控制的DG电源特性：电源特性：1)正序电流未达到保护限值正序电流未达到保护限值DG维持恒功率状态维持恒功

6、率状态2）正序电流负载达到饱和限值）正序电流负载达到饱和限值或DG运行在恒正序电流输出状态运行在恒正序电流输出状态5/28/202221（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析对称分量法对称分量法正序图正序图负序图负序图零序图零序图5/28/202222（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析Eg.系统侧电源电压为系统侧电源电压为0.4kV,0.4kV,内阻抗内阻抗XsXs为为0.0160.016。线路长度为。线路长度为1km,1km,线路单位长度线路单位长度正序阻抗及负序阻抗为正序阻抗及负序阻抗为0.253+j0.0720.253+j0.072。逆变器采用逆变器采用VFVF控制，相电

7、压为控制，相电压为0.23kV,0.23kV,内阻抗内阻抗XinvXinv为为0.0160.016欧姆，电流饱和值欧姆，电流饱和值为为1.44kA1.44kA线路中点发生线路中点发生BCBC相金属短接故障相金属短接故障5/28/202223（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析负序图负序图零序图零序图Eg.5/28/202224（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析负序图零序图DG采用采用VF控制策略：控制策略：或或1、故障电流未达到饱和值、故障电流未达到饱和值2、故障电流达到饱和值、故障电流达到饱和值5/28/202225（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析故障发生在线路

8、中点故障发生在线路中点5/28/202226（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析逆变器输出三相电流逆变器输出三相电流系统侧输出三相电流系统侧输出三相电流5/28/202227（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析故障发生在距离逆变电源故障发生在距离逆变电源0.2km处处5/28/202228（1）非对称故障时的分析）非对称故障时的分析逆变器输出三相电流逆变器输出三相电流系统侧输出三相电流系统侧输出三相电流 一、传统电力系统的故障分析一、传统电力系统的故障分析 二、典型控制策略下二、典型控制策略下DG输出特性分析输出特性分析 三、三、DG故障电流特性分析故障电流特性分析 四、微电网

9、故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析5/28/2022295/28/202230电网侧：额定容量电网侧：额定容量10MVA内电势为内电势为0.4kV，内阻抗，内阻抗0.016欧姆欧姆PQ逆变电源：额定容量逆变电源：额定容量0.5MVA,出口额定线电压出口额定线电压0.4kV,内阻抗为内阻抗为0.032欧姆，饱和电流值为欧姆，饱和电流值为1倍额定倍额定电流，有功参考值为电流，有功参考值为0.3MW和和0.1MVarVf逆变电源：额定容量逆变电源：额定容量0.5MVA,出出口额定线电压口额定线电压0.4kV,内阻抗为内阻抗为0.032欧姆，饱和电流值为欧姆，饱和电流值为1倍额定电流倍额定电流

10、线路阻抗正负序阻抗相等：线路阻抗正负序阻抗相等：0.253+0.072j/km,零序阻抗为零序阻抗为1.012+j0.289/km线路长度线路长度:L-Dis=1km,line_pq=2km, line_vf=2km5/28/202231(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真闭合开关闭合开关K1,K3,断开开关断开开关K2，构成，构成双端电源系统。双端电源系统。线路线路line_PQ发生三相短路故障发生三相短路故障5/28/202232(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真恒功率输出故障状态仿真结果恒功率输出故障状态仿真结果恒正序电流输出故障状态仿真结果恒正序电流输出故障状

11、态仿真结果5/28/202233(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生BC相间短路故障相间短路故障5/28/202234(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生BC相间短路故障相间短路故障续表续表5/28/202235(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生BC相间短路故障相间短路故障恒功率状态仿真结果（恒功率状态仿真结果（50%）发生故障）发生故障5/28/202236(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生BC相间短路故障相间短路故障恒正

12、序电流状态仿真结果（恒正序电流状态仿真结果（%5发生故障）发生故障）5/28/202237(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生A短路故障短路故障5/28/202238(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生A短路故障短路故障恒功率输出状态仿真图恒功率输出状态仿真图5/28/202239(1) PQ控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生A短路故障短路故障恒功率输出状态仿真图恒功率输出状态仿真图5/28/202240(1）PQ控制策略故障控制策略故障1、PQ 控制型逆变电源在系统故障后存在恒

13、功率输出和恒正序电流输出两种控制型逆变电源在系统故障后存在恒功率输出和恒正序电流输出两种输出状态，且具有明显的非线性特征。当输出状态，且具有明显的非线性特征。当 PQ 逆变电源运行在恒功率输出态时，逆变电源运行在恒功率输出态时，表现出以下两点特性：一是表现出以下两点特性：一是 PQ 逆变电源输出的正序电流值的大小随着故障点逆变电源输出的正序电流值的大小随着故障点到逆变电源出口母线距离的减小而逐渐增大，但都小于限幅电流极限值；二是到逆变电源出口母线距离的减小而逐渐增大，但都小于限幅电流极限值；二是故障后故障后 PQ 逆变电源主要保持有功功率输出恒定，无功功率输出相比于无功参逆变电源主要保持有功功

14、率输出恒定，无功功率输出相比于无功参考值略有降低。考值略有降低。2 、故障后，当、故障后，当 PQ 逆变电源输出的正序电流小于限幅电流极限值时，同一逆变电源输出的正序电流小于限幅电流极限值时，同一故障点处的三相故障电流是最大的，单相接地短路电流最小。反之，故障后当故障点处的三相故障电流是最大的，单相接地短路电流最小。反之，故障后当PQ 逆变电源运行在恒正序电流输出状态时，不对称故障的故障电流要大于同逆变电源运行在恒正序电流输出状态时，不对称故障的故障电流要大于同一点处三相故障时的故障电流。一点处三相故障时的故障电流。5/28/202241(2) VF控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真闭合开关

15、闭合开关K2,K3,断开开关断开开关K1，构成，构成双端电源系统。双端电源系统。线路线路line_VF发生三相短路故障发生三相短路故障5/28/202242(2) VF控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真故障故障1：三相短路：三相短路5/28/202243(2) VF控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真三相短路故障，恒压恒频运行状态三相短路故障，恒压恒频运行状态三相短路故障，恒压恒频运行状态三相短路故障，恒压恒频运行状态5/28/202244(2) VF控制逆变型控制逆变型电源仿真电源仿真故障故障2：BC相间短路相间短路5/28/202245(2) BC相间短路相间短路BC短路故障，恒压恒频运

16、行状态短路故障，恒压恒频运行状态5/28/202246(2) BC相间短路相间短路BC短路故障，恒压恒频运行状态短路故障，恒压恒频运行状态5/28/202247(2）VF控制故障控制故障A短路故障短路故障5/28/202248(2）VF控制故障控制故障A短路故障，恒压恒频运行状态短路故障，恒压恒频运行状态5/28/202249(2）VF控制故障控制故障A短路故障，正序电流保护仿真短路故障，正序电流保护仿真5/28/202250(2）VF控制策略故障控制策略故障1、V/F逆变电源在系统故障后存在两种运行状态，并具有明显的非线性特征。逆变电源在系统故障后存在两种运行状态，并具有明显的非线性特征。当

17、当 V/f 控制型逆变电源输出的正序电流未达到极限值时，控制型逆变电源输出的正序电流未达到极限值时，V/f 逆变电源能够维持逆变电源能够维持其端口电压和输出频率的稳定，即其端口电压和输出频率的稳定，即 V/f 逆变电源运行在恒压恒频率状态，且在逆变电源运行在恒压恒频率状态，且在该运行状态下该运行状态下V/f逆变电源输出的正序电流值大小随着故障点到逆变电源出口母逆变电源输出的正序电流值大小随着故障点到逆变电源出口母线线,距离的减小而增大；一旦距离的减小而增大；一旦 V/f 控制型逆变电源输出的正序电流达到极限值，控制型逆变电源输出的正序电流达到极限值，则其输出的正序电流值就不再随着故障距离的进一

18、步减小而变化，呈现出极强则其输出的正序电流值就不再随着故障距离的进一步减小而变化，呈现出极强的非线性特征，并在一定程度上抑制了的非线性特征，并在一定程度上抑制了 V/f 逆变电源在系统严重故障时提供故逆变电源在系统严重故障时提供故障电流的能力障电流的能力2 、当、当 V/f 控制型逆变电源运行在恒正序电流输出状态时，系统可能产生振控制型逆变电源运行在恒正序电流输出状态时，系统可能产生振荡现象。上述已说明，当荡现象。上述已说明，当 V/f 逆变电源输出的正序电流达到限幅电流极限值时，逆变电源输出的正序电流达到限幅电流极限值时，由于电源的频率支撑能力达到极限而导致频率跌落，不能与系统侧电源保持相由

19、于电源的频率支撑能力达到极限而导致频率跌落，不能与系统侧电源保持相位同步而引发振荡现象位同步而引发振荡现象2014-2015学年 第一学期5/28/202251第一章第一章 微电网概述微电网概述第二章第二章 微电网组成元件微电网组成元件第三章第三章 微电网基本控制方法微电网基本控制方法第四章第四章 微电网多代理优化控制方法微电网多代理优化控制方法第五章第五章 微电网保护微电网保护5/28/2022525.1 DG5.1 DG对传统保护的影响对传统保护的影响5.2 DG5.2 DG故障电流特性故障电流特性5.3 5.3 孤岛保护孤岛保护5/28/202253一、孤岛保护的相关基本概念一、孤岛保护

20、的相关基本概念二、孤岛检测方法二、孤岛检测方法三、孤岛检测盲区三、孤岛检测盲区5/28/2022545/28/2022554.IEEE 1547 孤岛检测标准孤岛检测标准5/28/2022561.孤岛效应孤岛效应p 孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时孤岛效应是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时,停电线路由停电线路由所连的并网发电装置继续供电所连的并网发电装置继续供电,并连同周围负载构成一个自给供电的并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛的现象。孤岛的现象。p 两类孤岛：计划孤岛、非计划孤岛两类孤岛：计划孤岛、非计划孤岛p 计划孤岛：因电网检修或优化运行要求计划孤岛：因电网检修或

21、优化运行要求,电网主动断开电网主动断开DG，而，而DG继继续向周围负载供电续向周围负载供电, 提高供电质量和可靠性。提高供电质量和可靠性。p 非计划孤岛：由于电网突发故障导致非计划孤岛：由于电网突发故障导致DG被动脱离电网，被动脱离电网，DG继续维继续维持向周围负载供电，属于不可以预料的事件持向周围负载供电，属于不可以预料的事件5/28/2022572.孤岛效应发生机理及危害孤岛效应发生机理及危害(1)、当自动开关、当自动开关C跳开时跳开时,DG1与其周与其周围负载一起形成孤围负载一起形成孤岛系统岛系统(2)、当熔断丝、当熔断丝F断开断开时时,DG3 其周围负载其周围负载一起形成孤岛系统一起形

22、成孤岛系统5/28/2022582.孤岛效应发生机理及危害孤岛效应发生机理及危害光伏并网发电系统的功率流向光伏并网发电系统的功率流向孤岛发生的充要条件孤岛发生的充要条件:（1）DG提供的有功与负载有功功率近似匹配提供的有功与负载有功功率近似匹配（2）DG提供的无功功率与负载的无功功率近似匹配提供的无功功率与负载的无功功率近似匹配5/28/2022592.孤岛效应发生机理及危害孤岛效应发生机理及危害孤岛效应产生的危害：孤岛效应产生的危害：（1）孤岛效应使电压及其频率失去控制）孤岛效应使电压及其频率失去控制,如果分布式发电系统中的发电装如果分布式发电系统中的发电装置没有电压和频率的调节能力且没有电

23、压和频率保护继电器来限制电压和频率置没有电压和频率的调节能力且没有电压和频率保护继电器来限制电压和频率的偏移的偏移,孤岛系统中的电压和频率将会发生较大的波动孤岛系统中的电压和频率将会发生较大的波动,从而对电网和用户设从而对电网和用户设备造成损坏；备造成损坏；（2）孤岛系统被重新接入电网时）孤岛系统被重新接入电网时,由于重合闸时系统中的分布式发电装置由于重合闸时系统中的分布式发电装置可能与电网不同步可能与电网不同步,可能使电路断路器装置受到损坏可能使电路断路器装置受到损坏,并且可能产生很高的冲并且可能产生很高的冲击电流击电流,从而损害孤岛系统中的分布式发电装置从而损害孤岛系统中的分布式发电装置,

24、甚至导致电网重新跳闸；甚至导致电网重新跳闸；（3）孤岛效应可能导致故障不能清除如接地故障或相间短路故障）孤岛效应可能导致故障不能清除如接地故障或相间短路故障,可可能损害电网设备能损害电网设备,并且干扰电网正常供电的自动或手动恢复；并且干扰电网正常供电的自动或手动恢复；（4）孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电）孤岛效应使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电,这会给相这会给相关人员如电网维修人员和用户带来电击的危险关人员如电网维修人员和用户带来电击的危险5/28/202260或或5/28/202261IEEE 1547 孤岛检测标准孤岛检测标准 上表适用于额定功率上表适用于额定

25、功率的发电装置的发电装置,对额定功率对额定功率30kW的发电装置的发电装置,电压和频率的范围以及孤岛效应检测时电压和频率的范围以及孤岛效应检测时间都是现场可调的。间都是现场可调的。 Vn指电网电压幅值的额定值指电网电压幅值的额定值 fn指电网电压频率的额定值。指电网电压频率的额定值。5/28/202262一、孤岛保护的相关基本概念一、孤岛保护的相关基本概念二、孤岛检测方法二、孤岛检测方法三、孤岛检测性能评价三、孤岛检测性能评价5/28/2022635/28/202264（1）通信方法）通信方法 该类方法利用通信手段在电网和该类方法利用通信手段在电网和DG之间建立联系，将电网开关实时之间建立联系

26、，将电网开关实时状态信息传递给状态信息传递给DG，进行孤岛判别。，进行孤岛判别。主要方法：主要方法：电力线载波电力线载波（ Power line carrier communication ，PLCC）方方法，法，断路器跳开信号（断路器跳开信号（Signal Produced by Disconnect ，SPD）方法）方法（2）、被动方法）、被动方法 被动法通过监测（被动法通过监测（Point of Common Coupling，PCC）节点电压参）节点电压参数，根据一个或多个参数是否超过阀值，进行孤岛判别。数，根据一个或多个参数是否超过阀值，进行孤岛判别。主要方法：主要方法：过过/欠压，

27、过欠压，过/欠频检测方法欠频检测方法（ over/under voltage protection OVP/UVP ， over/under frequency protection OFP/UFP ），），相位跳变方相位跳变方法法（ Phase jump detection ，PJD），），电压谐波含量变化孤岛检测方法电压谐波含量变化孤岛检测方法，等等（3）、主动方法）、主动方法 主动法通过在主动法通过在DG输出电流中注入主动扰动，当孤岛发生时，迫使输出电流中注入主动扰动，当孤岛发生时，迫使PCC节点电压某个参数或多个参数越限，进行孤岛判别节点电压某个参数或多个参数越限，进行孤岛判别主要方法

28、：滑模频率偏移方法，主动频率频率偏移方法，主要方法：滑模频率偏移方法，主动频率频率偏移方法，SANDY 频率偏频率偏移方法移方法5/28/202265（1）通信方法（）通信方法（PLCC方法）方法） 载波载波信号信号发生器在发生器在电力传输线上的产生一电力传输线上的产生一个低能量的信号，如果个低能量的信号，如果电力传输线断开，则电力传输线断开，则PLCC信号同时会消失，信号同时会消失，根据根据PLCC信号的有无信号的有无进行判别孤岛进行判别孤岛1）从电网传送到）从电网传送到DG；2）必须连续载波信）必须连续载波信号；号；3）由于变压器可能对高频信号进行衰）由于变压器可能对高频信号进行衰减，减，

29、PLCC通常采用低频载波信号通常采用低频载波信号5/28/202266（1）通信方法（）通信方法（ SPD方法方法 ）微波，电话线，网线，微波，电话线，网线，GPRS等通信手段，与等通信手段，与DG进行信息进行信息传输，使传输，使DG实时获取电网开实时获取电网开关信息，进行判别孤岛关信息，进行判别孤岛5/28/202267（1）被动方法（）被动方法（ 过过/欠压，过欠压，过/欠频检测方法欠频检测方法 ）根据根据PCC节点电压幅值或频率是否越超过阀值，进行孤岛判别。节点电压幅值或频率是否越超过阀值，进行孤岛判别。存在孤岛检测盲区存在孤岛检测盲区(non-detectionZone,NDZ )5/

30、28/202268（1）被动方法）被动方法(PJD）根据根据PCC节点电压幅值或频率节点电压幅值或频率是否越超过阀值，进行孤岛判是否越超过阀值，进行孤岛判别。别。检测逆变器端口电压和电流相位检测逆变器端口电压和电流相位是否突变来进行孤岛判别是否突变来进行孤岛判别检测逆变器端口电压和电流相位检测逆变器端口电压和电流相位是否突变来进行孤岛判别是否突变来进行孤岛判别NDZ:5/28/202269（1）被动方法）被动方法(谐波含量变化检测方法）谐波含量变化检测方法）分成两种：1）总谐波含量（）总谐波含量（total harmonic distortion，THD）变化判别方法；）变化判别方法； 当当D

31、G处于并网状态，处于并网状态，PCC节电压受电网电压钳制，总谐波含量节电压受电网电压钳制，总谐波含量（total harmonic distortion， THD ）较小，而一旦孤岛发生，）较小，而一旦孤岛发生，PCC节点电压的节点电压的THD将会增大将会增大 THD增大增大原因：原因：1）DG本身会产生谐波电流。由于负载阻抗高于电网阻抗，离网状态下，本身会产生谐波电流。由于负载阻抗高于电网阻抗，离网状态下，DG谐波电流引起的谐波电流引起的PCC节点电压畸变将大于并网状态节点电压畸变将大于并网状态2）由于线路中的非线性设备影响（如主变压器二次侧的磁滞），将导）由于线路中的非线性设备影响（如主变压器二次侧的磁滞），将导致致PCC节点节点THD含量增大含量增大2）高频特性谐波变化判别方法）高频特性谐波变化判别方法 当并网状态当并网状态/离网状态下，离网状态下，PCC节点电压高频特征谐波含量不同。节点电压高频特征谐波含量不同。采用离散小波分析的方法，分析其高频特征含量，根据高频特征谐波含采用离散小波分析的方法，分析其高频特征含量，根据高频特征谐波含量的大小进行孤岛判别量的大小进行孤岛判别 5/28/202270（2）主动方法）主动方法(阻抗测量方法）阻抗测量方法）并网逆变器输出电流并网逆变器输出电流多逆变器并联时，容易孤多逆变器并联时，容易孤岛检测失败岛检测失败5/28/202271