微电网运行与控制华北电力学习教案

1、微电网运行微电网运行(ynxng)与控制华北电力与控制华北电力第一页，共89页。第1页/共89页第二页，共89页。第2页/共89页第三页，共89页。四、微电网故障电流四、微电网故障电流(dinli)特性分析特性分析第3页/共89页第四页，共89页。危害危害(wihi)最大最大发生频率最高发生频率最高第4页/共89页第五页，共89页。第5页/共89页第六页，共89页。第6页/共89页第七页，共89页。第7页/共89页第八页，共89页。边界条件边界条件第8页/共89页第九页，共89页。第9页/共89页第十页，共89页。四、微电网故障电流特性四、微电网故障电流特性(txng)分析分析第10页/共89

2、页第十一页，共89页。（2）PQ控制控制(kngzh)第11页/共89页第十二页，共89页。限流公式限流公式(gngsh)：Dq坐标系控制器限流坐标系控制器限流第12页/共89页第十三页，共89页。PQ 控制控制(kngzh)方法方法第13页/共89页第十四页，共89页。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)正序电流未达到正序电流未达到(d do)保护限值保护限值DG维持恒功率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第14页/共89页第十五页，共89页。dq坐标系下的坐标系下的V

3、F控制策略控制策略第15页/共89页第十六页，共89页。电网发生故障时，电网发生故障时，VF控制逆变器存在控制逆变器存在(cnzi)两种状态两种状态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第16页/共89页第十七页，共89页。(fnx)四、微电网故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析(fnx)第17页/共89页第十八页，共89页。（1）对称故障）对称故障(gzhng)时的分析时的分析（2）非对称故障）非对称故障(gzhng

4、)时的分析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第18页/共89页第十九页，共89页。（1）对称故障）对称故障(gzhng)时的分析时的分析PQ控制的控制的DG电源电源(dinyun)特性：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第19页/共89页第二十页，共89页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析对称对称(duchn)分量法分量法正序图正序图负序图负序图零序图零序图

5、第20页/共89页第二十一页，共89页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析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相金属相金属(

6、jnsh)(jnsh)短接故障短接故障第21页/共89页第二十二页，共89页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析负序图负序图零序图零序图Eg.第22页/共89页第二十三页，共89页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析负序图零序图DG采用采用(ciyng)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第23页/共89页第二十四页，共89页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析故障故障(gzhng)发生在线路中点发生在线路中点第24页/共89页第二十五页，共8

7、9页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析逆变器输出逆变器输出(shch)三相电流三相电流系统侧输出三相电流系统侧输出三相电流第25页/共89页第二十六页，共89页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析故障故障(gzhng)发生在距离逆变电源发生在距离逆变电源0.2km处处第26页/共89页第二十七页，共89页。（1）非对称故障）非对称故障(gzhng)时的分析时的分析逆变器输出逆变器输出(shch)三相电流三相电流系统侧输出三相电流系统侧输出三相电流第27页/共89页第二十八页，共89页。四、微电网故障电流特性分析四、微电网故障电流特性分析第28页

8、/共89页第二十九页，共89页。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,出口额出口额定线电压定线电压0.4kV,内阻抗为内阻抗为0.032欧姆，饱欧姆，饱和电流值为和电流值为1倍额定电流，有功倍额定电流，有功(yu n)参考值为参考值为0.3MW和和0.1MVarVf逆变电源：额定容量逆变电源：额定容量0.5MVA,出口额出口额定线电压定线电压0.4kV,内阻抗为内阻抗为0.032欧姆，饱欧姆，饱和电流值为和电流值为1倍额定电流倍额定电流线路阻抗正负序阻抗相等：线路阻抗正负序阻抗

9、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=2km第29页/共89页第三十页，共89页。(1) PQ控制逆变控制逆变(n bin)型电源仿真型电源仿真闭合闭合(b h)开关开关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第30页/共89页第三十一页，共89页。(1) PQ控制逆变控制逆变(n bin)型电源仿真型电源仿真恒功率输出故障恒功率输出故障(gzhng)状态仿真结果状态仿真结果恒正序

10、电流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第31页/共89页第三十二页，共89页。(1) PQ控制控制(kngzh)逆变型电源仿真逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生(fshng)BC相间短路故障相间短路故障第32页/共89页第三十三页，共89页。(1) PQ控制控制(kngzh)逆变型电源仿真逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生BC相间相间(xingjin)短路故障短路故障续表续表第33页/共89页第三十四页，共89页。(1) PQ控制逆变型电源控制逆变型电源(dinyun)仿真仿真线路线路line_PQ发生发生BC相间短路相间短路(dunl)故障故障恒功率状态仿

11、真结果（恒功率状态仿真结果（50%）发生故障）发生故障第34页/共89页第三十五页，共89页。(1) PQ控制逆变控制逆变(n bin)型电源仿真型电源仿真线路线路line_PQ发生发生(fshng)BC相间短路故障相间短路故障恒正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）第35页/共89页第三十六页，共89页。(1) PQ控制逆变型电源控制逆变型电源(dinyun)仿真仿真线路线路line_PQ发生发生(fshng)A短路故障短路故障第36页/共89页第三十七页，共89页。(1) PQ控制控制(kngzh)逆变型电源仿真逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生(

12、fshng)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第37页/共89页第三十八页，共89页。(1) PQ控制控制(kngzh)逆变型电源仿真逆变型电源仿真线路线路line_PQ发生发生(fshng)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第38页/共89页第三十九页，共89页。(1）PQ控制策略故障控制策略故障(gzhng)1、PQ 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

13、，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逆变电源输出的正序电流值的大小随着(su zhe)故障点到逆变电源出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；二是故障后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 PQ 逆变电源主要保持有功功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考值略有降低。率输出恒定，无功功率输出相比于无功参考值略有降低。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

14、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一点处三相故障时的故障电流。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。第39页/共89页第四十页，共89页。(2) VF控制逆变控制逆变(n bin)型电源仿真型电源仿真闭合开关闭合开关K2,K3,断开断开(dun ki)开关开关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

15、第40页/共89页第四十一页，共89页。(2) VF控制逆变型电源仿真控制逆变型电源仿真(fn zhn)故障故障1：三相短路：三相短路第41页/共89页第四十二页，共89页。(2) VF控制控制(kngzh)逆变型电源仿真逆变型电源仿真三相短路三相短路(dunl)故障，恒压恒频运行状态故障，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，恒压恒频运行状态第42页/共89页第四十三页，共89页。(2) VF控制逆变型电控制逆变型电源源(dinyun)仿真仿真故障故障2：BC相间短路相间短路第43页/共89页第四十四页，共89页。(2) BC相间相间(xingjin)短路短路BC短路故

16、障短路故障(gzhng)，恒压恒频运行状态，恒压恒频运行状态第44页/共89页第四十五页，共89页。(2) BC相间相间(xingjin)短路短路BC短路故障，恒压恒频运行短路故障，恒压恒频运行(ynxng)状态状态第45页/共89页第四十六页，共89页。(2）VF控制控制(kngzh)故障故障A短路短路(dunl)故障故障第46页/共89页第四十七页，共89页。(2）VF控制控制(kngzh)故障故障A短路短路(dunl)故障，恒压恒频运行状态故障，恒压恒频运行状态第47页/共89页第四十八页，共89页。(2）VF控制控制(kngzh)故障故障A短路故障短路故障(gzhng)，正序电流保护仿

17、真，正序电流保护仿真第48页/共89页第四十九页，共89页。(2）VF控制策略故障控制策略故障(gzhng)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 逆变电源能够维逆变电源能够维持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

18、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(mxin),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步减小而变化，呈极限值，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现出极强的非线性特征，并在一定程度上抑制了 V/f 逆变电源在系统严重故障逆变电源在系统严重故障时提供故障电流的能力时提供故障电流的能力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

19、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位同步而引发振荡现象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位同步而引发振荡现象第49页/共89页第五十页，共89页。第50页/共89页第五十一页，共89页。第51页/共89页第五十二页，共89页。第52页/共89页第五十三页，共89页。第53页/共89页第五十四页，共89页。4.IEEE 1547 孤岛孤岛( do

20、)检测标准检测标准第54页/共89页第五十五页，共89页。1.孤岛孤岛( do)效应效应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并连同周围负载构成一个自给(zj)供电的孤岛的现象。供电的孤岛的现象。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：因电网检修或优化运行要求,电网主动断开电网主动断开DG，而，而DG继续向周围负继续向周围负载供电载供电, 提高供电质量和可靠性。提高供

21、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继续维持继续维持向周围负载供电，属于不可以预料的事件向周围负载供电，属于不可以预料的事件第55页/共89页第五十六页，共89页。2.孤岛效应发生机理孤岛效应发生机理(j l)及危害及危害(1)、当自动开关、当自动开关(z dn ki un)C跳跳开时开时,DG1与其周围与其周围负载一起形成孤岛系负载一起形成孤岛系统统(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成孤岛系统第56页/共89页第五十七页，共89页。2.孤岛效应孤岛效应(

22、xioyng)发生机理及危害发生机理及危害光伏并网发电系统光伏并网发电系统(xtng)的功率流向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第57页/共89页第五十八页，共89页。2.孤岛效应孤岛效应(xioyng)发生机理及危害发生机理及危害孤岛效应孤岛效应(xioyng)产生的危害：产生的危害：（1）孤岛效应）孤岛效应(xioyng)使电压及其频率失去控制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

23、发电装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

24、装置从而损害孤岛系统中的分布式发电装置,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）孤岛效应(xioyng)可能导致故障不能清除如接地故障或相间短路故障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）孤岛效应(xioyng)使得一些被认为已经与所有电源断开的线路带电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第58页/共89页第五十九页，共89页。或或第59页/

25、共89页第六十页，共89页。IEEE 1547 孤岛孤岛( do)检测标准检测标准上表适用于额定功率上表适用于额定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间都是现场电压和频率的范围以及孤岛效应检测时间都是现场(xinchng)可调的。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。第60页/共89页第六十一页，共89页。第61页/共89页第六十二页，共89页。第62页/共89页第六十三页，共89页。（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

26、用通信手段在电网和DG之间建立联系，将电网开关实之间建立联系，将电网开关实时状态信息传递给时状态信息传递给DG，进行孤岛判别。，进行孤岛判别。主要方法：电力线载波（主要方法：电力线载波（ Power line carrier communication ，PLCC）方法，断路器跳开信号（方法，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）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。参数，根据一个或多个

27、参数是否超过阀值，进行孤岛判别。主要方法：过主要方法：过/欠压，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），相位跳变方法（方法（ Phase jump detection ，PJD），电压谐波含量变化孤岛检测方），电压谐波含量变化孤岛检测方法，等法，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输出电流中注入主动扰动(rodng)，当孤岛发生，当孤岛发生时，迫使时，迫使PCC节点电压某个

28、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：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 频率频率偏移方法偏移方法第63页/共89页第六十四页，共89页。（1）通信）通信(tng xn)方法（方法（PLCC方法）方法） 载波信号发生器在电载波信号发生器在电力传输线上的产生一个低力传输线上的产生一个低能量的信号，如果能量的信号，如果(rgu)电力传输线断开，则电力传输线断开，则PLCC信号同时会消失，根据信号同时会消失，根据PLCC信号的有无进行判别信号的有无进行判别孤岛孤岛1）从电网传送到）从电网

29、传送到DG；2）必须连续载波信号；）必须连续载波信号；3）由于变压器可能对高频信号进行衰减，）由于变压器可能对高频信号进行衰减，PLCC通常采用低频载波信号通常采用低频载波信号第64页/共89页第六十五页，共89页。（1）通信）通信(tng xn)方法（方法（ SPD方法方法 ）微波，电话线，网线，微波，电话线，网线，GPRS等通等通信手段，与信手段，与DG进行信息传输进行信息传输(chun sh)，使，使DG实时获取电网实时获取电网开关信息，进行判别孤岛开关信息，进行判别孤岛第65页/共89页第六十六页，共89页。（1）被动）被动(bidng)方法（方法（ 过过/欠压，过欠压，过/欠频检测方

30、法欠频检测方法 ）根据根据PCC节点电压幅值或频率节点电压幅值或频率(pnl)是否越超过阀值，进行孤岛判别。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 )第66页/共89页第六十七页，共89页。（1）被动）被动(bidng)方法方法(PJD）根据根据PCC节点电压节点电压(diny)幅值或频率是否越超过阀值，进行孤岛判别。幅值或频率是否越超过阀值，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检测逆变器端口电压和电流相检测逆变器端口电压和电流相位是否突变来进行孤岛

31、判别位是否突变来进行孤岛判别NDZ:第67页/共89页第六十八页，共89页。（1）被动）被动(bidng)方法方法(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（total harmonic distortion，THD）变化判别方法； 当DG处于并网状态，PCC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，PCC节点电压的THD将会增大 THD增大原因：1）DG本身会产生谐波电流。由于负载阻抗(zkng)高于电网阻抗(zkng)，离网状态下，DG谐波电流引起的PCC节点电压畸变将大于并网状态2）

32、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PCC节点THD含量增大2）高频特性谐波变化判别方法 当并网状态/离网状态下，PCC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量的大小进行孤岛判别 第68页/共89页第六十九页，共89页。（2）主动方法）主动方法(fngf)(阻抗测量方法阻抗测量方法(fngf)）并网并网(bn wn)逆变器输出电流逆变器输出电流多逆变器并联时，容易孤岛检多逆变器并联时，容易孤岛检测失败测失败第69页/共89页第七十页，共89页。（2）主动）主动(zhdng)孤岛检测方法孤岛检测方法(滑模频率偏移方法，滑模频率偏移方法，Slip-mode frequency shift，SMS）注入注入(zh r)扰动扰动迫使频率不断变化直至越限，进行迫使频率不断变化直至越限，进行孤岛判别孤岛判别SMD方法检测原理方法检测原理第70页/