微网故障特性分析和保护原理研究优秀毕业论文 参考文献.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 微网故障特性分析和保护原理研究 姓名：梁明辉 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：张哲 2011-01-08 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 随着能源与环境问题的日益凸显， 如何提高风能、 太阳能等可再生能源的利用率， 实现社会和环境的可持续发展，已经成为电力事业发展的重中之重。为协调大电网和 分布式电源的矛盾，充分挖掘分布式能源为电网和用户带来的价值与效益，微网技术 作为一种利用分布式电源的有效形式受到了广泛关注。 微网是将微电源、储能装置、负荷及控制装置等结合，既能并网运行又能独立自 治运行的区域性电力系统。与传统的配电网不同，微网的结构不再是单一形式电源、 放射状，微网中潮流分布和短路电流分布也有了很大变化，使用传统的继电保护如过 流保护等将在故障识别与故障定位方面遇到很多困难，因此，研究新的适合于微网的 保护策略具有重大的现实意义。 本文将逆变器接口的微电源供能系统组成的微网作为研究对象，首先建立了微电 源的等值计算模型， 在此基础上利用 matlab/simulink 建立了微网的仿真平台， 对微网 在孤岛和联网两种运行模式下的故障特性进行了研究，从而为微网保护的原理研究和 特性分析提供指导。 微网经过联络线接入配电网，微网保护系统的研究涉及联络线保护和微网内部保 护两部分。在微网联络线的保护方面，论文首先探讨了影响微网孤岛及故障穿越运行 方式的几个因素，总结出了几种常见的微网与配电网隔离策略，并针对不同的隔离策 略，提出了与之相适应的联络线保护原理和方案。 在微网内部保护方面，对现有的微网保护策略进行了梳理和总结，并重点探讨了 低电压保护和电流差动保护两种保护策略，分析了它们的保护原理和实现方案，并对 其保护性能作出了评价。在此基础上，本文提出一种基于电流比相原理的保护方案， 该方案包括微网馈线保护和微电源保护两个可以相互配合的部分，在孤岛和联网两种 运行模式下都可适用， 并利用 matlab/simulink 对提出的保护方案进行了仿真验证， 对 其保护性能作了评价。 在本文的最后，对所做工作进行了总结，并指出了下一步研究的方向。 关键词：分布式发电 微网 故障特性 保护方案 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract with the energy and environmental issues become increasingly prominent，the issue how to increase the utilization of wind, solar and other renewable energy and to achieve the sustainable development of society and the environment, has become a top priority in the development of power industry. for the coordination of utility and distributed resource and to fully exploit the benefits which the distributed generation can bring to the users, the microgrid has received widespread attention as a valid form of distributed resource. microgrid is a regional power systim which combines the micro-source, energy storage, load and control devices together to form a single controllable unit. microgrid supplies electricity, heat and other products to users at the same time. different from the traditional distribution network, the structure of microgrid is no longer radical sources of single form. the distribution of power and current in microgrid has changed a lot. in this case the use of traditional protection such as over current protection in the fault identification and fault location has encountered many difficulties. therefore, the study of the new protection strategy for microgrid is of great practical significance. this paper studies microgrid consisting of micro-sources with inverter interface. firstly, a common micro-source equivalent model has been proposed, then the simulink modal of microgrid is established using matlab and the fault characteristics of microgrid in islanding and grid-connected mode is analyzed to provide guidance to the study on microgrid protection princeple and characteristic analysis. . microgrid connects with utility through the tie line, so the protection of microgrid can be divided into two parts through theoretical analysis: the protection for tie line and the protection for internal microgrid. for the protection of tie line, we first explores the impact factors of microgrid islanding mode and fault ride through mode when fault occurs, then summarize the common isolation strategy of microgrid and utility. on this basis, we propose corresponding tie line protection principles and programs for different isolation strategies. for the protection of internal microgrid, the existing microgrid protection strategy is collated and summarized in this paper. then this paper focuses on the low-voltage protection and current differential protection. the protection principle and implementation is anglicized and the protection performance is evaluated. on this basis, the paper presents 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii a protection scheme based on the current phase comparison which can be applied in both islanding microgrid and grid-connectting microgrid; the protection scheme consists of two parts: microgrid feeder protection and micro-source protection. the ordination mechanism between feeder protection and micro-source protection is studied. next, we verified the protection scheme using matlab/simulink and evaluated its protection performance. at the end of this dissertation, a systematical summary is given and further work to be studied is pointed out. keywords: distributed generation; microgrid; fault characteristics; protection program. 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 引言 能源是人类生存和发展的基础，电力作为最清洁便利的能源形式，是国民经济的 命脉。传统的煤炭、石油等一次能源是不可再生的，终归要走向枯竭1。随着能源危 机及环境问题的日益加剧，近年来在欧、美发达国家甚至包括一些发展中国家，开始 研究利用分布式清洁能源的高效、经济的新型电力技术分布式发电和微网。 分布式发电技术通过在配电网建立单独的发电单元，对重要负荷进行供电，并通 过功率调节器与外网进行能量交换。分布式发电通常利用的是太阳能、风能、生物质 能等可再生能源，以及天然气、氢气等环境友好型能源。与此对应出现了分布式储能 技术，即通过储能装置储存分布式电源的多余能量，如超导、超级电容器和飞轮等。 通过开展上述研究得到的系列成果，并结合电力系统用户对电能质量的要求，就逐步 形成了将上述技术综合在一起而形成的特殊电网形式微网。 我国引入微网的概念不久，微网和分布式发电、可再生能源发电等概念是密切相 关的，但至今还未有一个统一的、权威的定义。简单来说，微网是将微电源、储能装 置、负荷及控制装置等结合，形成一个单一可控的单元，同时向用户供给电和热等多 种产品。其中，微电源类型主要为分布式的可再生能源，单机发电容量不大，一般为 20kw10 mw；微网内的电压等级较低，一般为10 kv 或者380 v；微网既可独立脱 网运行，也可与配电网互联作联网运行。 微网中多个分布式电源及储能装置的接入，彻底改变了系统故障的特征，使故障 后电气量的变化变得十分复杂，传统的保护原理和故障检测方法将受到巨大影响，可 能导致无法准确地判断故障的位置；在微网正常并网运行的系统中，微网内部的电气 设备发生故障时，应确保故障设备切除后微网系统继续安全稳定地并网运行；在微网 外部的配电系统部分发生故障时，应在可靠定位与切除故障的前提下，确保微网在与 主网解列后继续可靠运行，并确保解列后的微网系统再故障时仍能够可靠切除故障元 件。微网接入配电系统带来的这些变化使保护的工作原理和动作逻辑均变得异常复 杂，传统继电保护方法无法满足要求，这已经成为限制分布式发电供能技术进一步发 展和应用的重要技术屏障2。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 因此，有必要研究微网在不同类型微电源（基于变流器的和传统旋转式）、不同 运行方式（孤岛和并网运行）、不同结构和容量等情况下各类故障的故障特征以及故 障特征的提取方法，并研究相应的保护策略，建立适合于微网运行方式的继电保护体 系。 1.2 微网保护的研究现状 目前，对微网保护的研究工作大多还处在理论探索阶段，且比较零散，缺乏较为 系统的研究。 在目前的文献中，对微网保护有较为系统的阐述的是由美国电气可靠性技术解决 方案联合会（certs-consortium for electric reliability technology solutions）发布的 white paper on protection issues of the microgrid concept （微网保护白皮书） 。在该 白皮书中，规定微网保护的主要问题有两个： （1）当微网与配电网联网运行时，若配 电网发生故障，决定微网是断开与配电网的连接作孤岛运行还是保持与配电网的连接 作故障穿越运行，如果要做孤岛运行，与配电网的隔离如何实现； （2）当微网孤岛运 行时，若内部发生故障，如何提供全面的、可靠的保护，确保能快速准确地识别并切 除故障。可将第一个问题视为联络线保护的任务，第二个问题视为微网内部保护的任 务。要解决这两个问题，必须首先搞清楚微网保护与传统保护的区别在哪里，而这就 需要理解微网在故障前、故障中、故障后的暂态过程，即要研究微网的故障特性3。 1.2.1 微网故障特性的研究现状 目前，有关微网故障特性的研究相对较少。文献4利用matlab/simulink建立了一 个含有风机、燃汽轮机、光伏等多种微电源和18条馈线的微网模型，对微网在联网和 孤岛两种模式下的故障进行了分析，并分别计算了故障电流，仿真结果表明传统的过 流保护在孤岛运行的微网中不再适用，必须研究新的不依赖于较高故障电流模值的保 护策略。 文献5通过理论推导和仿真验证两种手段分析了由单个逆变器接口微电源及其 所带负荷组成的微网的故障特性，其中该微电源所带逆变器采用双环加dq0配合的控 制方法。该文首先通过理论分析，提出了一种在微网故障时逆变器的等效模型，并利 用此模型推导出了微网故障时短路电流的计算方法， 然后在pscad中建立了微网的仿 真模型，对微网的故障特性进行了仿真验证。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 1.2.2 微网联络线保护的研究现状 在微网联络线保护方面，目前还没有专门的文献探讨故障情况下微网与配电网的 隔离原则。故障情况下微网究竟是断开与配电网的连接作孤岛运行，还是继续与配电 网互联作故障穿越运行，与微网与配电网的功率交换量、微网负荷的重要程度和配电 网的重合闸方式等因素有关。在有关分布式电源并网的标准ieee 1547中，规定当配 电网故障时分布式电源应尽快从配电网中分离出来，这主要是考虑到对分布式电源的 保护，而ieee 1547中有关微网的内容还有待完善6。semi f47标准中规定了敏感负 荷在故障情况下对微网隔离速度的要求，可以作为制订微网隔离原则时的参考，但总 的来说，微网与配电网的具体的隔离原则，还有待于微网相关标准的进一步完善。 1.2.3 微网故障提取方法的研究现状 在微网内部保护方面，主要有两个方面问题，（a）针对微网特殊的故障特性， 如何对故障进行检测和鉴别；（b）对不同的故障点，如何为微网中的馈线和微电源 提供充分的保护。 在微网故障的检测和鉴别方面，传统的过流保护是基于故障电流的较高的模值来 鉴别故障的，而当微网孤岛运行时，为了避开以电力电子变换器接口的微电源为主的 微网短路电流过小的问题，需要新的故障检测和鉴别方法。从目前的文献来看，主要 有以下几种思路： 其中一种方法是在微网中加入具有较高短路容量的电源（例如flywheel storage unit），这样传统的故障检测方法与保护机制就能继续在微网中使用7。然而，这需要 大量经济上的投资，并将使微网的安全运行依赖于这个高短路容量单元的正确运行， 而且当微网在联网模式与孤岛模式之间切换时，需要改变保护系统的设置。 另外一些不依赖于电流模值作为故障检测参数的方法主要有以下几种： （）在每条电缆上安装差动继电器，并在电缆的两端都装上电流测量装置。但 对于某些类型的故障，差动继电器无法检测到。在连接点处安装一种rail differential relay可以实现完全的保护，但耗费巨大。 （）当故障时，将微网切换到孤岛模式，并使用一种基于电流测量与变换的选 择性的保护方法8。对每个保护区域，配备一个差动继电器，并测量每相的电流。当 发生单相接地故障时，用差动电流装置和零序电流装置来保护系统；当发生两相故障 时，使用负序电流装置来保护。此方法对三相故障无效。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 （）考虑用电压测量装置来检测故障。由于含逆变器的分布式电源具有较低的 短路容量，孤岛模式下的微网如果发生故障，将会导致电压降落。文献9提出了一个 基于park变换的孤岛状态下的微网保护策略。但是，正如10所指出的，这种故障检 测方法依赖于逆变器的控制与输出电流的限制。 1.2.4 微网保护策略的研究现状 针对这些新的故障识别与提取方法，很多文献已经提出了相应的微网保护策略， 比较流行的有低电压保护和电流差动保护两种，将在本文的第四章详细阐述。下面先 对现有的微网保护策略做一个综述性的总结。 文献11提出了一个简单的保护策略：当微网发生故障时，并不断开与配电网的 连接，而依靠配电网提供的较高的故障电流和过流继电器来有选择性地清除故障；当 配电网发生故障时，微网将断开与配电网的连接，作孤岛运行；而当作孤岛运行的微 网内部发生故障时，被视为二次故障（second fault），为了避免出现危险的形势，微 网内的der（分布式电源）将断开（在某个时间延时之后）。这似乎是一个有效而花 费又不高的保护策略，尤其对于那些不含有重要负荷的小型微网。 文献12提出了另外一种策略，即在微网中加入具有较高短路容量的电源。前文 中已经指出，这种方法有一些缺点：例如，需要知道微网的运行状态（联网模式和孤 岛模式的保护设置不同），孤岛微网的安全运行依赖于所加入的高短路容量电源的正 常运转，造价较高等等。此策略的优点就是在微网的联网和孤岛两种运行状态下使用 了相同的保护原理，对于包含有较大的中心储能单元（有较高短路容量）的微网，这 种方法显得很适用。 文献13的保护策略用电压的改变作为尺度，来判断故障的位置（位于由特定继 电器保护的特定区域之内或者之外）。这种保护策略的缺点是：电压的改变取决于故 障本身，这意味着故障阻抗的较小变化也会导致电压改变的不同，使得保护的选择性 很难实现。为了补救这个缺陷，作者指出可以在不同的继电器之间加入通信连接。 文献14提出了一种基于电压测量的故障检测方法：所有的电压测量装置通过通 信系统相连，通过比较各个装置的不同的电压测量值，来判断故障发生的位置，最低 电压测量值所在的区域就是故障区域。可以看出，通信系统是这个保护策略中最重要 的部分之一，这在一定程度上降低了微网安全运行的可靠性与保护的选择性。 另一种思路是为每个分布式电源配备它自己的继电器，在没有通信的情况下运行 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 8。这种方法对单相接地故障和相间故障比较适用，它的故障检测依赖于各相电流与 中性点电流之和与零序电流；然而，它不能检测一些高阻故障；文献15提出了一种 电压保护策略：将分布式电源的相电压转换到dq0同步坐标系，然后与预先设定的参 考值相比较。若电压降落超过设定值，将启动断路器跳闸；如果微网中含有多个分布 式电源，不同dg的电压值将通过一条通信连接相比较，最低的电压所在的部分将被 跳闸。这种方法对高阻故障同样是无效的。另外一种保护策略在每条线上配备标准的 过流差动保护，并使用电压和频率保护作为后备保护5。这种方法实现技术要求高， 对某些高阻故障（hifs）的灵敏度也可能不足。以上所提到的几种保护策略都还是 只在较小的分布式系统中做过测试（只有很少几条馈线，分布式馈线之间的距离也不 确定）。 另外，已经有文献指出，在有方向问题存在的地方，可以用方向继电器代替过流 继电器。当检测到故障时，在分布式继电器动作之前，也可以将单个的dg跳闸16。 同样地，方向继电器也不能检测hifs，同时，切除分布式电源将降低对消费者提供服 务的可靠性。 还有文献提出，微网可以使用同步相位测量（synchronized phasor measurements） 技术来决定合适的孤岛与复位策略。然而，这些保护还在发展中，尚不完善16。 文献17提出可以通过监测分布式电源机端的电压扰动来实现对dg和相关保护 区域的保护（一个保护区域包括dg、本地负荷以及与微网相连的馈线）。该策略在 一个三相网络中进行了实验，证明了它应付各种不同故障（三相、相间、单相接地等） 的能力。如果微网中有多个分布式电源，有必要引入比较系统。由于各个分布式电源 之间的距离通常不是很长，且每个分布式电源都配备有继电器，可以在这些继电器之 间建立直接的通信联系。这样，一个保护区域内的保护装置要接收来自其它继电器发 来的参数信息， 并与本区域内的参数相比较， 以此来判断故障是发生在区内还是区外。 这种保护策略比较依赖于微网的网络结构以及保护区域的划分，对于实际中结构较为 复杂的微网，其保护功能可能会受到限制。 文献18提出了另一种保护策略，这个策略主要分为两个阶段：第一个阶段判断 故障类型，第二个阶段利用dg机端电压的thd（total harmonic distortion）来判断故 障发生的位置（位于哪个保护区域），当thd超过预设值时，相关的继电器跳闸，故 障区域被隔离，而微网的其余部分继续正常运行。此策略的难点在于thd的预设值既 要能分辨不同的故障类型，又要有足够的保护灵敏度。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 文献5讨论了在微网孤岛运行时，基于逆变器的dg的电压和频率的控制策略， 然后又为孤岛运行时的dg和线路提供了一种保护方法，它将控制与保护结合在一起 来避免dg的误跳闸。当发生低故障电流的故障时，使用差动继电器来保护线路。每 条线路的两端都各装有一个电流互感器来分别测量两端的电流值，两个电流的差值通 过继电器，当此差值大于预设值时，继电器跳闸，线路的两个断路器开断。线路的差 动继电器在50ms内动作，协调时间设定为150ms以确保反孤岛保护（过压/低压保护和 频率保护）不会在线路保护之前动作。作者设定，在孤岛监测装置（islanding detection algorithm）给中心控制单元（central control unit）发送信号之前，最小的容许时间是 200ms；如果任何一个dg的电压或频率越出规定范围的时间超过500ms，那么它将被 切除。 综上所述，在现有的微网保护策略中，有的保护原理很简单，容易实现，但保护 性能有一定限制，无法在微网不同运行方式和不同故障点情况下都提供充分的、有选 择性的保护，如文献11；有的保护策略借助于新型的硬件设备（如文献12中提到飞 轮储能装置），或一些新型的广域技术（如文献16提出的同步相位测量技术）来提 高和完善微网保护的性能，但这样做通常造价会较高，而且由于系统构成变得复杂， 可靠性也相应地降低了。除此之外，在现有的微网保护策略中比较典型的是低电压保 护和电流差动保护两种方案，如前所述，文献13、文献14和文献15中采用的都是 低电压保护策略，而文献5则是采用电流差动保护策略。 1.3 论文的主要内容和章节安排 从上一节的研究现状可以看出，目前还没有一个比较完善的微网保护方案，尽管 国际上已经有学者研制出了微网保护的硬件装置，但离实际应用还很远，因此，研究 新的更加完善的保护策略仍有必要。本文以逆变器接口微电源供能的微网作为研究对 象，以 matlab/simulink 为仿真平台，开展了以下的研究工作： 以逆变器接口微电源为例，建立了其等值计算模型，以此为基础，构建了微网的 仿真计算平台，并对微网的故障特性进行了分析。在微网联络线保护方面，通过分析 微网孤岛运行的要求，以及配电网对微网的运行要求，总结出了几种常见的微网与配 电网隔离策略，并针对不同隔离策略，提出了与之相适应的联络线保护原理和方案。 在微网内部保护方面，首先对现有的两种保护策略即低电压保护和电流差动保护的原 理和实现方案进行了分析和评价，然后作为对传统差动保护的改进，提出一种基于电 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 流比相原理的微网保护策略，重点保护孤岛运行状态下微网的馈线和微电源，最后， 对提出的保护策略进行了仿真验证。 论文的章节安排如下： 第一章：本文的绪论部分，首先介绍了课题研究的背景和意义，综述了国内外关 于微网保护的研究现状，明确了本文的主要内容和研究方法。 第二章：在总结分析各种微电源运行原理的基础上，等效出一种较为常见的含逆 变器的微电源模型，根据这个模型，并考虑到逆变器的控制与保护的影响，对微网的 在孤岛和联网两种运行方式下的故障特性进行了仿真分析， 第三章：首先探讨了影响微网孤岛及故障穿越运行方式的几个因素，通过分析微 网孤岛运行的要求，以及配电网对微网的运行要求，总结出了几种常见的微网与配电 网隔离策略，并针对不同的隔离策略，提出了与之相适应的联络线保护原理和方案。 第四章：结合前文中所论述的微网的故障特性，对微网保护有别于传统保护的特 点进行了分析，对两种主流的保护策略即低电压保护和电流差动保护的原理和实现方 案进行了研究，并对其保护性能进行了评价。 第五章：在总结前文的基础上，针对微网特殊的故障特性，提出了一种基于电流 比相原理的微网保护策略，重点探讨了孤岛运行状态下微网馈线的保护和微电源的保 护， 以及两种保护之间的配合机制。 利用 matlab/simulink 对提出的保护策略进行了仿 真， 验证了它的可行性， 并通过与电流差动保护策略的对比， 对其保护性能作了评价。 第六章是本论文的研究总结，并对下一步研究工作进行展望。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2 微网故障特性分析 2.1 引言 要为微网配置保护方案，必须首先搞清楚微网在故障检测和定位等方面对保护提 出的不同要求，而这就需要理解微网在故障前、故障中、故障后的暂态过程，即要研 究微网的故障特性。本章将从微电源的等效模型入手，建立微网的仿真模型，并探讨 微网在联网模式和孤岛模式下的故障特性。 2.2 微电源分类及等效模型 发展微网的一个重要目标是解决可再生能源、清洁能源大规模利用问题。按照发 电系统的不同，微网中的微电源主要包括微型燃汽轮机、风力发电、光伏发电、燃料 电池等几种常见的类型。在这些微电源中，电力电子器件在能量转换中起到了极其关 键的作用。 微型燃气轮机(micro-turbine)是一类新近发展起来的小型热力发动机， 基本技术特 征是采用径流式叶轮机械以及回热循环，因气轮机转速很高, 可达到 80 000 r/min, 其 发出的高频交流电不能被直接连接到交流电网上, 中间需经一个整流环节先变成直流 电，然后再经一个逆变环节变成低频交流电方可使用19。 风力发电是先把风能转化为机械能， 再把机械能转化为电能。 恒速恒频笼型机组、 变速恒频双馈机组和变速恒频直驱式机组是风电领域的主流发电机机型。其中笼型机 组结构简单、成本低廉、运行可靠，但控制性能差；双馈机组在转子侧与电网间连接 有交直交变频器，通过对电机转子励磁控制实现功率可控运行，成本相对直驱式机组 较低；直驱式机组通过全功率变频器接入电网，对电网影响较小，但由于需要价格昂 贵的大功率电力电子设备而成本过高20。 太阳能发电分光热发电和光伏发电，但是光伏发电发展速度和前景都比较大，它 根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能，清洁、安全、 无噪声。光伏发电进行能量转换的通用方法是: 使用直流交流(dc/ac) 逆变器, 将 存储在光电池中的直流能量转换为大电网同步的交流电压。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 燃料电池（fuel cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能 的发电装置。其产生的直流电压经过一个 dc/ac 逆变器进行转换, 转变为交流电压, 转换过程和光伏系统类似。 综上所述，根据发电方式和能量转换过程的不同，可将现有的微电源分成三个类 型：（1）交直交电源，如微型燃汽轮机。其发出的是高频交流电，须先整流再逆变 方可并网；（2）直流电源，如光伏发电和燃料电池，发出的是直流电，须经逆变后 再并网；（3）工频交流电源，如风力发电中的恒速恒频笼型机组和传统的旋转式电 机，发出的是工频交流电，可直接并网21。在以上三种类型的微电源中，前两类是占 主流的，为研究的方便，可将其等效为由一个直流电源加逆变器构成，如图 2-1 所示： 图 2-1 微电源等效并网模型 2.3 逆变器的控制及保护 上文中，将微电源等效为由直流电源加逆变器构成，由于构成逆变器的功率器件 承受大电流的能力比较弱，因此在微网或所接入的配电网发生故障时，有必要对功率 器件施加保护，或利用逆变器自身的控制方式来限制输出电流（通常限制在额定输出 电流的 2 倍左右），以起到保护功率器件的作用。另外，逆变器的外特性不可避免地 受到其控制方式的制约，综合这两方面的考虑不难看出，微网的故障特性受到逆变器 控制和保护方式的影响，因此，要研究微网的故障特性，必须先确定逆变器的控制及 保护方式。 2.3.1 逆变器的控制 由于微电源是通过逆变器给负荷供电的，因此逆变器控制的主要目标是为负荷提 供稳定的电压，使电能质量满足负荷的要求，并有效提高系统的动、静态特性，某些 控制方式也可以限制逆变器输出电流，起到保护功率器件的作用。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 根据反馈环路数目的不同，逆变器的控制有电压瞬时值单环反馈、电压电流双环 反馈和多环反馈等几种。如果采用输出电压瞬时值反馈的单环控制，其性能特别是动 态性能和非线性负载时的性能不会令人满意，为此，可以把输出滤波电感或输出滤波 电容的电流瞬时值引入反馈，成为电压外环电流内环的双环控制，则其性能将得到较 大改进。因此，双环控制成为目前应用最广泛的控制方法之一22。 电压和电流双环控制的原理是：参考正弦电压与输出电压相减后得到的误差电压 经过 pi 调节之后的输出作为电感电流的指令，电流误差信号经过比例调节之后与三 角波比较产生控制信号，电流内环使用 p 控制器，电压外环使用 pi 控制器，构成 pip 双环数字控制器。具体的控制原理如图 2-2 所示： d v f l r f c o i c i o v l i * l i 图 2-2 电压电流双环控制原理图 2.3.2 逆变器的保护 在逆变器的保护方面，一个总体的思路是限制逆变器的输出电流。从目前的文献 来看，主要有两种方法：一种是增设独立于逆变器控制回路的外部保护电路，此保护 电路包含有监控元件，监控逆变器的输出电流、输出电压和逆变器温度等性能指标， 每项性能指标都对应一定的预设值，当某个性能指标越限时（对输出电流来说，一般 是超过额定电流的两倍） ，保护电路向逆变器发出关断信号，使逆变器退出运行23； 第二种方法是利用逆变器自身的控制方式来限制输出电流，进而保护逆变器。例如， 在双环控制中的电流内环的预设值之后加上一个饱和模块，通过设定饱和模块的上下 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 限，可以将逆变器输出电流限制在额定电流的两倍以内，这种方法控制和保护是一体 的24。 不难看出，使用第一种保护方法，若外部故障，且故障电流超过额定电流两倍， 外部保护电路启动，逆变器退出运行；使用第二种保护方法，外部故障时逆变器不用 退出运行，逆变器输出的故障电流被限制到 2 倍的额定电流，但这种方法尚未在工程 实际中得到广泛采用。 2.3.3 外部故障时逆变器等效模型 综合考虑逆变器的保护与控制，可以有两种方案： （1）双环控制，并使用独立于 控制回路的保护电路，即当外部故障时若逆变器输出电流超过额定电流 2 倍，逆变器 退出运行； （2）双环控制，并在电流内环加入饱和限流模块作为对逆变器的保护，这 样当外部故障时，逆变器不会退出运行，但其输出的故障电流会被限制在 2 倍的额定 电流以内。 下面分别讨论当使用这两种控制/保护方案时，逆变器在外部故障时的等效模型。 （1）使用第一种控制/保护方案时逆变器的等效模型 如前文所述，该方案使用普通的电压外环电流内环的双环控制，输出电压与预设 电压的差经 pi 环节的输出作为电感电流的指令，其控制框图如图 2-3 所示： 图 2-3 普通双环控制的逆变器控制框图 为了得出逆变器的等效模型，需要知道该控制系统的闭环传递函数。以预设电压 * o v为输入，以实际输出电压 o v 为输出，并设逆变器直流侧电压为 d v ，电压环的 pi 环 节为/ pi kks+，电流环的p环节为k，为了理清各控制量的数值关系，画出更详细 的控制框图，如图2-4所示： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 图 2-4 各控制环节中的数值关系 （2）使用第二种控制/保护方案时逆变器的等效模型 如上文所述，该方案通过在电流内环加入饱和限流模块来限制故障时逆变器的输 出电流，以起到保护逆变器的作用。这种控制/保护方案的原理框图如图2-5所示： 图 2-5 加入饱和限流模块的逆变器控制框图 下面分别讨论发生远端故障和近端故障时，使用该方案的逆变器的故障特性。 当系统发生远端故障时，故障电流很有可能不超过额定电流的2倍，此时逆变器 的外特性与使用第一种控制/保护方案的逆变器相同。 当系统发生近端故障时， 逆变器提供的电流增大， 有可能达到饱和模块的限定值， 此时内环的参考电流将稳定在额定电流的二倍，在此刻起，电压外环的反馈回路事实 上已经无效， 双环控制回路变成了单独的电流控制回路， 其参考电流为一个定值 * lsat i。 逆变器输出电流（指滤波电感上的电流）将被限制在2倍的额定电流21。此时的控制 框图如图2-6所示： 图 2-6 近端故障时的逆变器控制框图 设此时电流环的闭环传递函数为( ) cc gs ，以 * lsat i为输入， l i为输出，则有： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 * ( ) lcclsat igs i=，由于滤波电容上的电流 clo iii=，则逆变器的输出电压（也即滤波 电容上的电压）可以用式(2-1)表示： * 1 ( )( )( ) occlsato f v sgs iis sc = (2-1) 式(2-1)可以改写成下式21： * ( )( )( ) occlsatfo isgs isc v s= (2-2) 从式(2-2)不难看出，当发生近端故障时，带有饱和限流模块的逆变器可以等效为 一个受控电流源 * ( ) cclsat gs i和一个并联阻抗( )1/ cf z ssc=，由于电流内环的设计具有 较高的带宽，( ) cc gs可以近似认为是一个常数，则 * ( ) ccsat gs i可视为一个恒定电流源， 其值约为逆变器额定输出电流的2倍。 f c是滤波电容的值， 其等效电路如图2-7所示： 图 2-7 近端故障时逆变器等效电路图 利用这个等效电路，就不难对外部故障时逆变器的故障特性进行分析。 综上所述，使用第一种保护/控制方案，当发生近端故障时，逆变器的保护电路会 关断逆变器，这样微电源将退出运行，其退出运行后不再提供故障电流，可作为开路 处理。因此，在故障仿真分析中，需根据逆变器保护动作与否，对电源模型进行切换； 对于第二种保护方案，即使是发生近端故障，微电源也可继续在微网中运行，但微电 源馈出的故障电流被限制在额定电流的2倍，此时微电源可用恒流源等效代替。 2.4 微网的建模与故障特性分析 为了研究微网的故障特性， 在matlab/simulink中建立如图2-8所示的微网的仿真模型： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 图 2-8 微网的模型结构 图2-8中，line0为配电网与微网之间的联络线，pcc为配电网与微网的公共耦 合点，通过一个断路开关与微网相连，微网有3条支路，其中line1、line2所在的支 路连接的是敏感负荷load1和load2， 由专门的含逆变单元的微电源dg1、dg2供电， 而line3所在支路连接的是非敏感负荷（load3），没有设置专门的微电源，而直接 由配电网通过联络线来供电，当由于故障等原因需要微网作孤岛运行时，load3可以 被切除以维持微网内功率的平衡，仅留下dg1带load1与dg2带load2互连作孤岛 运行， 其中dg1通过线路line1_0与load1相连， 而dg2通过线路line2_0与load2 相连。 相关的仿真参数如下：dg1、dg2采用如前所述的双环控制和限流到2倍额定电 流的保护措施，确保dg1、dg2输出稳定的电压，配电网电压等级为10kv，微网电 压等级为0.4kv，变压器采用d/yn11连接，额定容量为70kva，系统额定频率为 50hz，微网的负荷采用恒定阻抗模型，load1和load2参数设置相同，均为有功功率 24kw，无功功率18kvar，load3为纯电阻，有功功率60kw，整个微网的功率因 数约为0.85。 配电网侧line0为10kv线路， 长度为10km， 且r=0.347/km，x=0.2345 /km；微网侧line1、line2、line3、line1_0和line2_0均为380v线路，其长度分 别为2km、3km、3km、0.4km和0.6km，且有r=0.641/km，x=0.101/km。 下面分微网孤岛运行和联网运行两种情况来做仿真实验，以三相短路故障为例， 分别考察微网在两种运行方式下的故障特性。 2.4.1 微网孤岛运行时的故障特性 当微网孤岛运行时，非敏感负荷load3退出，只剩下dg1带load1与dg2带 load2互连运行，此时微网的结构如图2-9所示： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 图 2-9 孤岛运行时微网故障的仿真分析 现以线路line1_0末端（即图2-9中的f）发生三相短路故障为例，来考察dg1 发生远端故障时微网的故障特性（因近端故障时dg1所含逆变器的保护会启动，使 dg1退出运行），用simulink仿真时设置故障在第0.3秒发生，并在0.7秒结束，此 时线路line1_0上的电流如图2-10所示： 图 2-10 孤岛运行时 line1_0 上的故障电流 从图2-10中不难看出，当故障暂态过程结束，达到稳态时，故障电流的模值小于 额定电流的2倍。 可能是因为位置f相对于dg1来说是远端故障， 能提供的故障电流 很有限，故使得稳态故障电流的模值也较小，不高于额定电流的2倍。 2.4.2 微网联网运行时的故障特性 当微网联网运行时，load3直接由配电网供电，而load1和load2同时由微电源 和配电网供电。作为与孤岛微网的对比，仍然考察线路line1_0末端发生三相短路时 的暂态过程，此时line1_0上故障电流主要有两个来源：一个是微电源dg1和dg2， 另一个是配电网。此时微网的结构如图2-11所示： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 图 2-11 联网运行时微网故障的仿真分析 在用simulink仿真时，设置三相故障在第0.3秒发生，并在第0.7秒结束，此时 线路line1_0上的电流如图2-12所示： 图 2-12 联网运行时 line1_0 上的故障电流 从图2-12中可以看出，line1_0上的额定电流不到100a，而稳态故障电流大约 有300a，其模值已