張光儒 李韶瑜 楊 俊 魏 博 朱宏毅

基于雙重保護(hù)的微電網(wǎng)接入設(shè)計(jì)

張光儒1李韶瑜2楊 俊1魏 博1朱宏毅1

（1. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，蘭州 730070；2. 國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司，蘭州 730030）

為提高分布式電源和微網(wǎng)并網(wǎng)的安全性，以及微網(wǎng)離網(wǎng)到并網(wǎng)同期操作的可靠性，本文提出了一種雙重保護(hù)的微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)微電網(wǎng)接入配網(wǎng)的離并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了深入的分析與探討，并給出了該設(shè)計(jì)方案的實(shí)施策略。該方案一方面提高了并網(wǎng)微電網(wǎng)的可靠性，另一方面也很好地解決了微網(wǎng)離并網(wǎng)轉(zhuǎn)換同期的問(wèn)題。

微電網(wǎng)；雙重保護(hù)；并離網(wǎng)切換；同步

隨著當(dāng)今社會(huì)環(huán)境污染與能源危機(jī)問(wèn)題的日益突出，清潔、可再生的分布式電源（distributed generation, DG）得到大規(guī)模的發(fā)展，但由于分布式電源的間歇性，導(dǎo)致分布式電源的大規(guī)模并網(wǎng)存在技術(shù)難點(diǎn)而實(shí)施，出現(xiàn)棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象[1-4]。微電網(wǎng)技術(shù)是解決分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問(wèn)題的有效途徑之一。微網(wǎng)通常接在用戶側(cè)，既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，又可與大電網(wǎng)斷開(kāi)離網(wǎng)運(yùn)行，單獨(dú)的為本地負(fù)荷供電，具有較高的靈活性和可實(shí)現(xiàn)性[5-7]。但由于離并網(wǎng)切換過(guò)程中的暫態(tài)振蕩會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷的供電，甚至造成切換失敗，因此如何實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的平滑切換是微網(wǎng)控制所研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

為此，本文在分析微電網(wǎng)接入設(shè)計(jì)和控制的基礎(chǔ)上，提出了雙重保護(hù)的微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，可在模式切換前后保證無(wú)縫平滑切換，防止切換過(guò)程中母線電壓和電流出現(xiàn)大幅度振蕩行模式，保證微電網(wǎng)切換過(guò)程中的不間斷運(yùn)行。

1 微電網(wǎng)接入設(shè)計(jì)

本文以蘭州新區(qū)某園區(qū)微電網(wǎng)為例進(jìn)行接入設(shè)計(jì)。該園區(qū)微電網(wǎng)是一個(gè)交直流混聯(lián)的試驗(yàn)研究平臺(tái)，其源主要有30kW光伏，50kW風(fēng)機(jī)，50kW柴發(fā)，20kW·h鐵鋰電池、10kW·h鉛碳電池，其負(fù)荷有50kW的直流負(fù)載和100kW的交流負(fù)載。該平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，其中所示的鉛碳電池系統(tǒng)和鐵鋰電池系統(tǒng)有DC/DC變換器和含BMS的電池系統(tǒng)組成。該平臺(tái)30kW·h鐵鋰電池系統(tǒng)、20kW·h鉛碳電池系統(tǒng)與50kW直流負(fù)載構(gòu)成了該微電網(wǎng)的直流網(wǎng)架部分，該部分通過(guò)一個(gè)50kW的儲(chǔ)能變流器接入微電網(wǎng)的交流部分。該平臺(tái)交流部分主要有30kW分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、50kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和50kW柴油發(fā)電系統(tǒng)以及100kW的交流負(fù)載組成，這些部分同儲(chǔ)能變流器匯集于同一條交流母線。交流母線經(jīng)過(guò)一個(gè)斷路器和接觸器，通過(guò)隔離變接入就地的配網(wǎng)系統(tǒng)。接入部分中斷路器起到電流速斷保護(hù)的功能，而接觸器則起到微電網(wǎng)離并網(wǎng)平滑切換保護(hù)的功能。

2 雙重化保護(hù)配置分析

本文設(shè)計(jì)的蘭州新區(qū)某園區(qū)微電網(wǎng)可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以離網(wǎng)運(yùn)行，并且支持離并網(wǎng)平滑切換。為了保證微網(wǎng)系統(tǒng)離并網(wǎng)的平滑切換，已經(jīng)離網(wǎng)模式轉(zhuǎn)并網(wǎng)模式的同期穩(wěn)定，本文設(shè)計(jì)的圖1微網(wǎng)系統(tǒng)的總體控制策略如圖2所示。該園區(qū)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行，也支持離網(wǎng)不運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)不支持離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)微電網(wǎng)從并網(wǎng)狀態(tài)向離網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只需要斷開(kāi)QF3斷路器，微網(wǎng)內(nèi)其他電源（光伏、風(fēng)機(jī)、柴發(fā)和儲(chǔ)能）和負(fù)荷依次停機(jī)即可；當(dāng)微電網(wǎng)從離網(wǎng)狀態(tài)向并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，只需要閉合QF3斷路器，負(fù)荷即可實(shí)現(xiàn)供電，其他電源設(shè)備自檢同期實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)微電網(wǎng)支持離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)從并網(wǎng)狀態(tài)向離網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，首先斷開(kāi)QF3開(kāi)關(guān)，同時(shí)儲(chǔ)能變流器或者柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換工作模式，從功率控制模式轉(zhuǎn)換為電壓控制模式，模式轉(zhuǎn)換完畢后邏輯觸發(fā)斷開(kāi)KM1接觸器，其他電源隨著負(fù)荷情況實(shí)時(shí)調(diào)整功率，保證微網(wǎng)離網(wǎng)模式下的穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)微電網(wǎng)從離網(wǎng)狀態(tài)向并網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，首先控制系統(tǒng)檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓，同期是觸發(fā)QF3，閉合QF3斷路器，QF3閉合之后KM1并網(wǎng)保護(hù)裝置檢同期閉合KM1，實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)儲(chǔ)能變流器或柴油發(fā)電機(jī)由電壓模式轉(zhuǎn)換為功率運(yùn)行模式，即整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)由離網(wǎng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)運(yùn)行模式。

圖1 雙重保護(hù)的微電網(wǎng)接入設(shè)計(jì)

圖2 雙重保護(hù)的控制邏輯圖

該園區(qū)微電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)主要由QF3斷路器的電流速斷保護(hù)和KM1的并網(wǎng)測(cè)控保護(hù)裝置以及微網(wǎng)內(nèi)系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)共同組成。QF3斷路器的保護(hù)策略在微網(wǎng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，KM1保護(hù)策略在KM1端裝設(shè)微網(wǎng)并網(wǎng)保護(hù)測(cè)控裝置，設(shè)備的保護(hù)全由設(shè)備自身測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)就地實(shí)現(xiàn)。QF3和KM1除了檢同期功能外，保護(hù)主要是電流Ⅰ段和電流Ⅱ段保護(hù)，由于都是常規(guī)簡(jiǎn)單的電流保護(hù)，本文側(cè)重在設(shè)計(jì)，故在這里對(duì)整定值不做過(guò)多討論。

3 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制運(yùn)行效果，將通過(guò)離網(wǎng)到并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠平抑波動(dòng)來(lái)驗(yàn)證離網(wǎng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的控制效果。另一方面，將通過(guò)并網(wǎng)到離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，來(lái)驗(yàn)證并網(wǎng)到離網(wǎng)系統(tǒng)的控制效果。

1）離網(wǎng)到并網(wǎng)運(yùn)行

當(dāng)微電網(wǎng)從離網(wǎng)到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)的儲(chǔ)能退出主電源運(yùn)行模式，及儲(chǔ)能變流器（PCS）工作由/模式轉(zhuǎn)換為下垂工作模式，微電網(wǎng)的參考電壓和頻率由并網(wǎng)點(diǎn)提供。微電網(wǎng)首先通過(guò)能量管理平臺(tái)（或協(xié)調(diào)控制器）向PCS發(fā)出同期開(kāi)始信號(hào)，PCS接收到該信號(hào)后開(kāi)始通過(guò)通信裝置向保護(hù)裝置召喚并網(wǎng)點(diǎn)兩側(cè)的電壓和頻率，同時(shí)開(kāi)始同期調(diào)節(jié)。在100s以內(nèi)，若測(cè)控保護(hù)裝置檢測(cè)滿足并網(wǎng)條件，則合主網(wǎng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)PCS收到主網(wǎng)開(kāi)關(guān)合閘信號(hào)則同期成功；若超過(guò)100s時(shí)間始終無(wú)法滿足同期并網(wǎng)條件，監(jiān)控保護(hù)裝置則收回同期開(kāi)始信號(hào)，不閉合主網(wǎng)開(kāi)關(guān)，同期失敗，PCS仍在離網(wǎng)模式運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)切換到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)從離網(wǎng)到并網(wǎng)過(guò)渡的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)利用儲(chǔ)能系統(tǒng)保持并網(wǎng)點(diǎn)功率的相對(duì)平穩(wěn)，即無(wú)大的功率波動(dòng)，從而提高微網(wǎng)從離網(wǎng)到并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)開(kāi)始前，離網(wǎng)運(yùn)行的微網(wǎng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其光伏、儲(chǔ)能和風(fēng)機(jī)都處于投運(yùn)狀態(tài)。試驗(yàn)開(kāi)始后，首先閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)QF3，KM1的并網(wǎng)點(diǎn)測(cè)控保護(hù)裝置檢同期并網(wǎng)，然后儲(chǔ)能變流器（PCS）由/模式轉(zhuǎn)換為下垂工作模式，使其處于并網(wǎng)工作狀態(tài)。為了更深入地驗(yàn)證微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，設(shè)置光伏和風(fēng)機(jī)處于功率波動(dòng)，讓儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)光的功率波動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中天氣狀況較穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)的出力在2.5kW左右，設(shè)置光伏逆變器的功率為階梯狀，即9kW、6kW、3kW、6kW、9kW。離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的平抑波動(dòng)控制周期設(shè)定為5s，平抑波動(dòng)的敏感控制參數(shù)（該參數(shù)越大，對(duì)風(fēng)光的波動(dòng)越敏感）設(shè)定為200，即敏感度適中。實(shí)時(shí)記錄風(fēng)光聯(lián)合處理和并網(wǎng)點(diǎn)功率變化數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其離網(wǎng)裝并網(wǎng)后微網(wǎng)的穩(wěn)定性。

表1 離網(wǎng)到并網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)機(jī)和光伏功率變化情況

表2 離網(wǎng)到并網(wǎng)運(yùn)行并網(wǎng)點(diǎn)功率變化情況

圖3中灰色線為微網(wǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)和光伏發(fā)電功率變化曲線；黑色為并網(wǎng)點(diǎn)功率變化曲線；縱坐標(biāo)（功率坐標(biāo)）顯示的為并網(wǎng)點(diǎn)功率坐標(biāo)。試驗(yàn)開(kāi)始后，首先閉合QF3斷路器，KM1的并網(wǎng)測(cè)控保護(hù)裝置檢同期控制KM1閉合。在試驗(yàn)過(guò)程中，風(fēng)速較穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)出力平穩(wěn)在2.5kW左右，為了進(jìn)一步驗(yàn)證微網(wǎng)從離網(wǎng)到并網(wǎng)過(guò)程中的穩(wěn)定性，光伏系統(tǒng)的功率依次從9kW、6kW、3kW、6kW、9kW變化，儲(chǔ)能變流器則從離網(wǎng)的/模式轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)的下垂模式。同時(shí)，微網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)施調(diào)整功率，保證微電網(wǎng)從離網(wǎng)模式到并網(wǎng)模式過(guò)渡的平穩(wěn)和可靠性。

圖3 離網(wǎng)到并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)風(fēng)光和并網(wǎng)點(diǎn)功率變化

2）并網(wǎng)到離網(wǎng)運(yùn)行

當(dāng)微電網(wǎng)從并網(wǎng)到離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)的儲(chǔ)能作為主電源，且儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能變流器（PCS）工作在/模式，提供離網(wǎng)微電網(wǎng)的參考電壓和頻率。微電網(wǎng)首先通過(guò)能量管理平臺(tái)（或協(xié)調(diào)控制器）向PCS發(fā)出離網(wǎng)使能信號(hào)，隨后延遲200ms以上，PCS接收到離網(wǎng)信號(hào)開(kāi)始主動(dòng)離網(wǎng)控制，隨后能量管理平臺(tái)控制主網(wǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。當(dāng)系統(tǒng)切換到微網(wǎng)時(shí)，母線上投入的負(fù)載和發(fā)電單元將通過(guò)控制策略的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)來(lái)平衡發(fā)電功率與負(fù)荷的平衡，盡量減少儲(chǔ)能的出力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)的離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行控制。

試驗(yàn)開(kāi)始前，首先閉合并網(wǎng)開(kāi)關(guān)，閉合儲(chǔ)能系統(tǒng)支路和光伏發(fā)電支路，將鐵鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)和鉛碳儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)置工作在下垂控制模式，并起動(dòng)儲(chǔ)能變流器，使其處于并網(wǎng)工作狀態(tài)。當(dāng)光伏、風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)以及微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)載處于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在控制系統(tǒng)將微網(wǎng)切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式。同時(shí)，設(shè)定控制系統(tǒng)中控制周期為5s，且將微網(wǎng)內(nèi)交流負(fù)載的功率設(shè)置為階梯狀：3kW、4.5kW、6kW和9kW。實(shí)時(shí)記錄儲(chǔ)能變流器數(shù)據(jù)和交流負(fù)載測(cè)功率數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行功率平衡性，即穩(wěn)定性。

圖4中灰色線為微網(wǎng)內(nèi)負(fù)載功率變化曲線；黑色為儲(chǔ)能變流器功率變化曲線；縱坐標(biāo)（功率坐標(biāo)）顯示的為儲(chǔ)能變流器坐標(biāo)。由于試驗(yàn)過(guò)程中，外界風(fēng)速接近0，因此風(fēng)機(jī)功率為0，為了進(jìn)一步驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微網(wǎng)穩(wěn)定性的支撐能力，設(shè)定光伏系統(tǒng)的功率值為3kW。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)控制系統(tǒng)起動(dòng)并網(wǎng)到離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能變流器首先由下垂控制模式轉(zhuǎn)換為/控制模式，然后斷開(kāi)QF3斷路器，繼而斷開(kāi)KM1接觸器，同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和微網(wǎng)內(nèi)負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整功率，保證微電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

表3 并網(wǎng)到離網(wǎng)運(yùn)行交流負(fù)載側(cè)功率變化情況

表4 并網(wǎng)到離網(wǎng)運(yùn)行儲(chǔ)能變流器功率變化情況

圖4 并網(wǎng)到離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)載和儲(chǔ)能變流器功率變化

4 結(jié)論

本文提出了一種基于雙重保護(hù)的微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)設(shè)計(jì)方案給出了具體的控制策略。該接入設(shè)計(jì)提高了離網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，同時(shí)也解決了微電網(wǎng)從離網(wǎng)到并網(wǎng)無(wú)縫轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能造成的沖擊問(wèn)題，較好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)和手動(dòng)條件下的同期并網(wǎng)，提高了微電網(wǎng)無(wú)縫切換的安全可靠性。

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Design for grid-connected micro-grid based on dual protection

Zhang Guangru1Li Shaoyu2Yang Jun1Wei Bo1Zhu Hongyi1

(1. State Grid Gansu Electric Power Research Institution, Lanzhou 730070; 2. State Grid Gansu Electric Power Company, Lanzhou 730030)

To improve the security and reliability of distributed power and micro-grid in the operating off-grid to on-grid, this paper proposes a design scheme for micro-grid accessing to distribution-grid based on dual protection. This paper deeply analyses the operating off-grid to on-grid for grid-connected micro-grid, and gives the implementation strategy for the design scheme. The propose design scheme improves the reliability of the grid-connected micro-grid. On the other hand, it solves the synchronous conversion problem for micro-grid from off-grid to on-grid.

micro-grid; dual protection; off-grid switching to on-grid; synchronous

2018-01-31

張光儒（1989-），男，漢族，甘肅武威人，碩士研究生，主要從事分布式電源與微電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度和運(yùn)行控制技術(shù)研究工作。