微电网模型及其继电保护研究.doc

0 引言在过去的几十年里，由于电力需求的增长，大电网体现出了巨大的优势，因此得到迅速发展。但同时，集中式大电网的弊端：成本高、运行难度大、无法满足用户愈来愈多的安全性和可靠性需求等越来越明显。大电网是一个复杂的系统，各种自动控制装置、继电保护装置以及与之相关的通信系统及设施，遍布电力网络各处。在系统中任一涉及电网状态的较大变化，将立刻或轻或重的影响全网，有的引起继电保护和自动调控装置的动作，有的甚至会引起在现场的人员与各级电网调度人员的干预。这种自然和人工干预的动态变化和行为组合，既相互关联又相互影响，错综复杂。当电力系统发生某种大的扰动，一些不可预测因素可能相互叠加。虽然人们可以采取诸多防护措施，以减少电网大停电事故的发生，但是，正是由于不利因素叠加的不可预知性，造成电网故障大停电不可避免。这是遍及世界的电力系统的灾害。特别是近几年来，世界范围内接连几次发生大面积的停电事故，大电网的脆弱性充分体现出来。还有，在发生自然灾害、电网事故的紧急状况下，医院、金融、军功等系统的突然断电不仅仅会造成经济损失，还可能危害社会的安全与稳定。因此，人们开始对电力系统的发展模式另辟蹊径。尤其是2003年北美大停电后，国际专家得出了这样一个结论发展分布式电源比通过改造电网来加强安全更快捷、简便。我国2008南方雪灾也给了我们教训：在注意集中发展大电网的同时，在负荷集中中心建立足够容量的分布式电源，以便在紧急时刻供应人们的基本能量需求。分布式发电（DG）位置灵活分散，能够适应电力需求和资源的分布，但鉴于其单机接入成本高，容量小，受制于自然条件，缺少灵活可控等特点，大电网采取隔离限制的方式来处理DG，这样就间接限制了新能源的利用。微电网是分布式发电的重要形式之一，它是指在一定的区域内把分布式电源如：微型燃气轮起、风电、太阳能光伏发电、燃料电池、储能装置等联系起来满足本地区负荷供电需求或供热或冷，并且能与传统电网连接，也能孤岛运行独立满足当地负荷的电力需求。微电网是一个单一可控的单元，它接在用户侧具有低成本、低电压、低污染等特点1-3。微电网作为分布式电源的典型形式，作为大电网的有效补充，已经引起了国内外学者的广泛关注。1 微电网结构1.1美国CERTS微电网结构如图1所示，是美国电力可靠性技术解决方案协会（CERTS）提出的微电网结构4。该微电网呈辐射状结构，由A，B，C三条馈线组成。其中馈线A、B为敏感性负荷，根据负荷需求设置微电源位置，馈线B能够实现热电联产。每个微电源出口可以调节功率和电压，可以在能量管理系统的支配下调节各自功率分配和电压、潮流。这种结构，灵活方便，提高了对重要负荷供电的可靠性。图1 CERTS 微电网结构1.2 欧盟微电网结构如图2所示，是欧盟的实验室微电网结构。欧盟定义的微电网为：充分利用分布式能源，把模块化的分布式电源互联，实现冷热电联产，结合储能连接到配电网低压侧的系统 5。如图2所示，光伏、微型燃气轮机、蓄电池都是通过电力电子接口连接到微电网的，而小型风力发电机则是直接连接到微电网。系统采取分层控制的策略，并允许微电网系统向大电网供电。欧盟鼓励运营商和发电商参与电力市场交易，其微电网具有智能、清洁、高效以及能量的多级多元化应用特点。图2 欧盟微电网结构图1.3 日本微电网结构日本没有给出明确是微电网定义，但是由于国内资源匮乏、负荷增长迅速，为微电网研究做出了很大的贡献。如图3所示为日本著名的仙台微电网的结构模型。它包括两台微型燃气轮机，光伏等微电源。并且微电网内部存在直流和交流母线分别供应直流负荷和交流负荷，母线上还安装了动态电压恢复装置（DVR），能够提高用户的电能质量。图3 仙台微电网结构2 微电网运行方式与控制策略微电网有两种运行模式，即与大电网并网运行和孤岛运行。文献6提出与大电网并网运行时，所有微电源可以采取PQ控制，系统的有功和无功平衡由大电网来调节，微电网不参与大电网的操作。孤岛运行时，因为光伏和风力发电这样的可再生能源，有明显的间歇性，它们功率输出的大小受环境影响较大，如果要它们保持恒定的功率输出，需要很大的储能单元，这显然是不经济的，所以为了保证能源的最大利用效率，这样的分布式电源一般始终采取PQ控制策略。而微型燃气轮机和燃料电池这种微电影控制比较容易实现，既可以根据给定的有功和无功进行控制，又可以方便的实现V/f控制，采用V/f控制可以保证微电网在孤岛运行时的频率和电压的稳定。但是微电网在并网运行和孤岛运行两种方式下切换时，微型燃气轮机和燃料电池控制策略切换的成功率不能保证，一种好的控制方法应该简单而可靠，因此文献7提出可再生能源如风电、太阳能等微电源的控制应该采取保持其能源的最大利用效率的PQ控制，而微型燃气轮机、燃料电池等则用V/f控制，使微电网满足与大电网连接时的接口要求，或承担孤岛运行时的调频和稳压作用。3 微电网保护传统配电网是单向潮流流通的，其保护是基于过电流保护的，由于微电网或DG的接入，使得配电网故障特征发生变化，出现双向潮流流通，DG或微网接入对配电网的过电流保护产生很大的影响128，主要有：（1）降低了所在线路保护的灵敏度。（2）相邻线路故障时可以引起所在线路保护的误动作。（3）影响线路重合闸的成功率。（4）DG或微网的接入使得它的上游保护范围缩小，下游保护范围扩大等。文献24介绍了分布式发电电源的种类及分布式电源接入电网后，对配电网电压、谐波以及继电保护的影响，并提出了分布式电源解列后孤岛运行的若干问题，并指出微电网技术是解决这些问题的有效途径。文献25应用单位电流法和多端口网络法研究了分布式电源（DG）对过电流保护灵敏度的影响规律，得出对保护灵敏度影响最小的DG接入方案，并提出修改保护动作曲线的修正方法，且进行了仿真验证。文献26通过EMTDC/PSCAD仿真验证了分布式发电（DG）并网运行时对原来变电站三段式电流继电保护产生影响，影响的大小取决于DG的容量，而会对哪些段的电流定值产生影响，则取决于故障时DG失稳时间的长短。微网保护是基于微电网孤网运行的情况下设计的，当配电网或微电网内部发生故障时，先断开微网，故障排除后再并网运行13。微电网在并网运行和孤岛运行两种工况下短路电流大小不同，差异很大。所以如何在并网情况下快速感知大电网故障和在并网与孤岛两种情况下对微电网内部故障做出正确动作，以确保继电保护动作的选择性、速动性、灵敏性和可靠性是微电网保护的关键8。3.1 基于传统电流保护方案基于电力电子接口的微电源27在微电网在孤网运行时，如果发生短路故障，由于逆变器限流环节的缘故，短路电流很小，仅有负荷电流的二倍左右，无法启动传统的过电流保护，由此文献9-10根据微电网发生不对称故障时，由于逆变器接口的微电源负序阻抗较小，而负序电流较大的特点而提出了一种基于过电流保护和负序过电流保护相结合的微电网保护方案。三相对称故障仍然采用过电流保护，输电线路相间不对称故障则利用负序电流的幅值设定整定值的方法对进行保护，而单相接地则用零序电流作为保护装置启动整定值。文献11则指出在孤岛情况下，故障点短路电流相对较小，对称故障下保护安装处相电压降落明显，不对称故障下，保护安装处负序电压和电流明显增大，因此孤岛条件下的馈线保护配置在原有的基础上可以做出调整，在原有保护上构建的保护逻辑图如图4所示。4(a)低电压瞬时速断保护（保护段）4(b) 低电压限时速断保护（保护段）4(c) 负序电压启动过电流保护（保护段）通过上述修改，可以满足微电网对保护的基本要求。文献12则针对含多DG的微电网保护整定计算复杂，用过电流保护整定值之间的配合难以实现故障隔离，且过电流保护时限配合时间较长的特点，提出了一种快速动作的保护方案，当线路发生不对称故障时，故障线路一端断路器先跳闸，另一端断路器根据对端断路器跳闸后，非故障相电流的突变量来判断故障区域，从而加速动作，实现保护的速动性。3.2新型的微电网保护方案由于微电源与传统电源短路故障特征的差异以及微电网的双向潮流特点，使得配电网络传统的三段式过电流保护不太适应于微电网，因此许多学者开始致力于研究新的保护策略。文献13-14分析了逆变器接口的分布式电源的特点、故障特性及微电网保护的策略，概括来说，微电网保护分为两种：一是不依赖通信的保护，通过改进传统的电流保护实现。二是依赖通信的网络数字微网保护，利用多点信息对故障进行判断。文献15介绍了美国北卡大学FREEDM工程研究中心提出的一个全新智能微电网模型，未来可再生电能传输和管理（Future Renewable Electric Energy Deliver and Management, FREEDM）网络，并分析了FREEDM网络的短路电流特性和原因，针对其特性提出了一种区域性纵联电流差动保护策略，为我们提供了一个全新的思路。而文献16-18则详细提出介绍了一种主从式的区域纵联保护的算法。此算法设置一台保护主机，然后在各个测量点设置保护从机采集电气信息，并设置过电流正方向，在保护主机上生成网络拓扑图，与拓扑图的节点关联矩阵，然后再根据发生故障时刻过电流方向生成故障信息量矢量，然后得到故障发生的检测点，从而正确得出故障点，而发出继电保护动作信号。文献19则给出了一种以工业控制计算机为核心的实验室微电网保护系统的实例，采用上述适用于电力电子接口的纵联电流差动微电网故障检测算法，来判断故障位置并切除，保护实例算法是通过检查微电源输出电压扰动情况来判断是否发生故障，并判别故障类型的20。文献21研究了含分布式电源的配电网的故障恢复并提出了一种基于树状模型的启发式故障恢复算法，它根据配电网辐射状特性，将停电地区构造成树状模型，基于尽可能多的恢复负荷和尽可能少的操作开关两个目标得到一组优化恢复策略，并利用算例证明了算法的优越性。文献22提出了一种微电网智能保护分区的新方法，当检测到大电网永久性故障时，通过微电网公共连接点（PCC）与大电网解列运行，依据事先建立的微电网结果二叉树及功率平衡度概念，实现对孤岛运行的微电网的区域划分和保护，此算法提高了微电源对重要负荷供电的可靠性，减少了对系统备用的要